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气井不压井起下油管柱工艺技术研究与应用

发布时间:2016-11-22 21:18:51 浏览:509 次 字体大小: | |

    摘要:对于天然气井采用压井作业会造成产层污染甚至堵塞,据国外资料统计,每次压井可造成20%的产量损失。气井不压井起下管柱是利用油管堵塞器封堵油管内压力,不压井作业装备封堵油套环空压力,液缸及卡瓦系统来实现起下管柱的目的。本文根据气井不压井起下油管柱特点进行了不压井作业地面、井下设备配套研究,完善了不压井起下油管柱作业设计方法,并对大量的现场作业进行了总结,形成了一套气井不压井起下管柱作业工艺技术。

    关键词:气井 不压井 起下油管柱 堵塞器

    在气井生产后期,地层能量降低,为了确保生产,需要进行一些更换井下工具和管串的措施,必须进行起下油管作业。目前一般采用清水或地层水压井方式进行起下油管作业,在作业过程中,压井液在压井过程中产生沉淀污染井底,部分甚至还会沿孔隙或裂缝渗入地层,堵塞气流通道,污染井底附近产层,影响地层渗透能力,最终造成产量的减少和降低采收率。另外,对于低压油气井,作业后压井液排出困难,对产层伤害更大甚至将井压死。同时,由于地层压力低无法将压井液排出地面,必须借助其他机械动力将压井液排出地面才能恢复生产,增加了额外的机械排水费用。

    气井不压井起下管柱是利用油管堵塞器封堵油管内压力,不压井作业装备封堵油套环空压力,液缸及卡瓦系统来实现起下管柱的目的,能避免压井液对产层的污染,使开采潜能得以最大保护,该项工艺技术具有广阔应用前景。

    一、不压井作业设备配套

    1.不压井作业设备组成

    不压井作业设备主要由液压动力系统(车辆提供),防喷器系统,放压、平衡系统,卡瓦系统,举升系统五部分组成。

    液压动力系统:车载液压动力系统主要特点是方便、快捷,由4个主液泵组成,为整个不压井作业辅助设备提供液压动力。

    防喷器系统:防喷器系统由一个环形防喷器和两个双闸板防喷器组成,在作业过程中控制井内环形空间的压力。

    放压、平衡系统:放压、平衡系统由两个主液控闸门和节流阀组成,在作业过程中进行压力的平衡和放空。

    卡瓦系统:卡瓦系统包括两套防顶卡瓦和两套加压卡瓦,用来控制管柱的起下,并和举升系统配合共同进行带压作业。

    举升系统:举升机液缸为双液缸结构,提供不压井作业力和举升力。

    2.地面设备配套

    根据现场需要,主要配套三闸板封井器、试压四通、升高法兰短节、变径法兰等。

    三闸板封井器:不压井作业设备只能密封油套环空压力,三闸板防喷器主要用于作业前和起完管柱后,利用全封闸板来实现井控,环形防喷器是在进行压力超过7MPa时,利用该设备进行一级降压。

    试压四通:试压四通在作业时连接在采油树特殊四通上,主要用途是设备安装完成后,对封井器的半封、全封以及不压井作业设备的闸板防喷器和环形防喷器进行试压,只有确保上面每一道防喷系统都能满足作业要求后,才能进行不压井作业。

    升高法兰短节和变径法兰:由于不压井作业装备内通径通常都有限制,对于超过该尺寸的部分井下工具如油管挂等则不能采用本设备起出,为了解决这个问题,专门配套了相应尺寸的升高法兰短节和变径法兰。

    3井下设备配套

    不压井作业的关键是油管内压力的控制,为了更好的推动不压井作业技术,采用引进和自主研发方式,配套完成了固定式堵塞器、钢丝桥塞和油管盲堵(见表1)。

    1    堵塞器性能参数

堵塞器性能参数

    一、不压井起下油管柱作业设计计算

    1.不压井起下油管柱受力分析

    不压井起下油管柱作业过程,采用零轴向应力截面确定中和点位置,即零轴向应力截面是指在工作状态下,油管不承受拉压应力的那一截面。在中和点以上作业时,需要靠不压井设备施加向上或向下的力进行起下作业;在中和点以下作业时,和常规钻机或修井机起下管柱一样。

    对不压井起下油管柱,需要对其垂直方向的力进行分析,确定需要施加多大的力才能将管柱起出或下入井筒。对于油管柱,主要受5个力(见图1)。

 不压井作业过程中管柱受力分析

    1    不压井作业过程中管柱受力分析

    2.中和点深度的计算

    1)上顶力

    其计算公式为:

    式中  OD-油管柱外径,mm

    WHP-井口压力,MPa

    Fp-a-上顶力,N

    2)中和点

    在不考虑摩擦力的影响的情况下,则中和点深度的计算公式为:

    通过上述公式,分别计算出不同条件下不压井作业中和点,见图2

不同条件下,管柱中和点示意图

    2    不同条件下,管柱中和点示意图

    3.不压井作业设备施加的临界屈曲载荷

    计算出不压井作业中施加的最大下推力后,必须要确认管柱能承受如此压缩负荷而且不会发生弯曲。

    利用Johnson公式计算局部弯曲载荷:Flb=Sy×As×[1-(L/RG)2/2×(SRc)2]

    利用Euler公式计算主轴弯曲:Feb=(3.14)2×E×I/L2

    SRSRc时,弯曲载荷等于Feb;当SR<SRc时,弯曲载荷等于Flb。通过计算可以得到弯曲载荷曲线,见图3

管柱弯曲载荷曲线

    3    管柱弯曲载荷曲线

式中As-管柱刚体横截面积:As=π/4×[(OD)2-(ID)2]

    OD-管柱外径;

    ID-管柱内径;

    Sy-管柱应力;

    I-惯性矩I=π/64(OD4-ID4)

    RG-惯性半径RG=

    SR-细长比SR=L/r

    SRc-临界细长比

    L-无支撑长度。

    三、不压井起下油管柱作业步骤

    1.下堵塞器

    采用标准通径规进行通井,并确定井下工作筒的位置,下入适合于工作筒的堵塞器。下管柱时,采用尾部盲堵。堵塞器坐封成功后开油管闸门观察30min,油管内压力一直稳定为零为合格。

    2.拆除井口装置

    拆除采气树后,必须尽快在油管悬挂器以上安装旋塞阀,并将旋塞阀置于关闭状态。

    3.安装不压井作业井口装备

    从下到上依次为:试压四通+双闸板封井器+单闸板封隔器+升高法兰短节+不压井作业装备。

    4.试压

    对封井器、不压井作业装备等分别逐级试压,试压合格后才能进行下一步工作。

    5.起油管悬挂器

    利用提升短节与油管悬挂器连接,关闭不压井作业装置环形防喷器,起出油管挂。

    6.不压井起油管

    在井筒内管柱长度超过中和点深度时,可以采取修井机起下管柱或仅使用不压井作业装备的承重卡瓦来起下油管。在井筒内管柱长度小于中和点深度后,必须采用不压井作业设备防顶卡瓦,以防止管柱飞出井筒或掉入井筒。

    7.不压井下油管及油管悬挂器

    与起出过程相同,控制方式相反。在坐油管悬挂器时,必须保证油管悬挂器上下压力相同,甚至利用不压井设备施加一定的下压力,以保证油管悬挂器坐封到位。

不压井起下管柱作业现场

    4    不压井起下管柱作业现场

    四、现场应用

    目前该项工艺技术已应用于邛西13井、邛西12井、西64井等10口井14井次(见图4),这些井井口压力控制在7MPa以下,通过室内模拟试验,目前具备了作业气井井口压力在7~ 21MPa的能力。已作业井最高作业压力6.0MPa,总起下管柱48000m以上,起下管柱作业速度可达5 m/min

    五、结论

    本文根据不压井作业设备特点完成了地面和井下设备配套,完善了不压井作业设计分析理论,通过不断的现场实践应用,形成了一套气井不压井起下管柱作业工艺技术。