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【本周專題:完井】膨脹工具解決大量井下難題(上)

【本周專題:完井】膨脹工具解決大量井下難題(上)

膨脹工具的技術進步,已使其成為了作業公司在整個油氣井生命周期中值得依靠的一項技術。

來自 | TAM International
編譯 | 白小明

膨脹封隔器的主要用途之一是在建井時的固井階段。膨脹元件緊貼在套管上,作為多級固井或井底固井作業的底部支撐,當然這只是膨脹工具最常見的用途之一。在油氣井生產階段要進行修井作業時,如果使用機械橋塞或封隔器存在井下限制,通常需要使用膨脹工具。例如,可膨脹工具可以采用電纜從生產油管內下入做封堵之用,或者可以與連續油管連用進行過油管擠注作業。通常,過油管作業比較理想;否則,作業公司必須進行壓井以實施油井干預作業。另外,在裸眼完井需要進行油井測試或堵水時,可膨脹工具也非常適用。對于海上油井,膨脹工具也是P&A作業經常需要進行的切割鍛銑工作的理想工具。

什么是可膨脹工具?

所有可膨脹工具的關鍵部件便是膨脹元件。膨脹元件的基本組件是內囊、支撐結構和橡膠蓋。內囊膨脹,其內含膨脹流體。內囊外部是加固或支撐結構,可以采用繩纜或不銹鋼條,或兩者組合,如圖1。

【本周專題:完井】膨脹工具解決大量井下難題(上)

圖1.裸眼應用采用繩纜編織加固(左),套管井應用采用不銹鋼條設計加固(右)

支撐結構外側是橡膠蓋,可以形成液壓密封。兩種加固設計(繩纜編織加固或不銹鋼條加固)的選擇取決于實際應用。采用繩纜編織加強材料的膨脹元件具有多次坐封功能和對不規則井眼的適應性,在裸眼井應用中具備更明顯的優勢。

對于套管井應用,優選不銹鋼條加強材料,因為加強材料的一部分可用于錨定。一旦施加內部膨脹壓力,伸出的板條與套管的接觸區產生的摩擦力將元件錨定。

膨脹元件的膨脹比率由膨脹元件類型和井眼條件決定。繩纜編織元件的膨脹比為2:1,即一個4-1/4in外徑的元件可以膨脹到8-1/2in;不銹鋼條元件可實現3:1的膨脹比,即一個2-1/8in外徑的元件可以膨脹到6-3/8in。膨脹元件的壓差級別取決于兩個主要因素:膨脹比和坐封深度處的溫度。隨著膨脹比和溫度的升高,壓差級別下降,如圖2。

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圖2.外徑3-3/4in的膨脹元件的性能圖

不同尺寸的膨脹元件的選擇取決于工具的類型,對于服務工具,膨脹元件尺寸范圍從1.69-in到15-in。對于套管環空封隔器(加工在套管外壁的封隔器),尺寸范圍從2-3/8in到30-in。實際的應用井況將決定工具類型,進而確定膨脹元件類型。

基本的服務工具組成包括一個配有膨脹機構的控制短節、一個封隔器心軸、膨脹元件,以及在需要回收時,還包括一個解封的丟手機構。根據部署方法和應用,膨脹機制可以設計成不同的選擇。例如,部署方式可以為電纜、鉆桿或連續油管,坐封可以是單次或多次,井眼幾何形狀可以是直井或斜井(包括水平井)。

對于大多數單次坐封橋塞應用,采用一個坐封球坐落在控制短節內的球座上然后進行打壓膨脹。一旦球就位后,流體便流向膨脹元件。當達到設計的膨脹壓力時,膨脹機構將鎖定膨脹壓力。根據部署方法,可以使用液壓或機械丟手機構將坐封的橋塞丟手。

對于需要通過工具進行泵送的應用,采用封隔器配置?;窘M件與橋塞相同,但膨脹機構可以有更多選擇。在封隔器只需坐封一次的情況下可以投球,例如擠水泥作業;對于多次坐封的操作,可以使用自動活塞裝置,而不需要投球。操作人員只需對油管打壓,從而將封隔器膨脹。一旦膨脹元件坐封,釋放施加在設備上的重量即可鎖定壓力,并允許流體通過工具。當用酸或溶劑處理時,這種配置很常見,在封隔器上部需要下入一個流量控制裝置。

通過增加一個下部封隔器可以形成一個跨式連接,如圖3。兩個封隔器可以一起下入,由具有帶孔短節的油管分開,選擇性地針對不同地層泵入流體或進行地層測試。根據需要,兩個封隔器的間距最小為10ft,最大可達數百英尺。如果需要隔離尾管進行堵水,跨式連接的封隔器也可以采用單次坐封配置。

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圖3.跨式工具設計允許選擇性隔離泵送或流量測試

膨脹服務工具可由鉆桿、油管、連續油管或電纜/鋼絲部署。工具配置的選擇基于傳輸方式。對于采用電纜或鋼絲作業的情況,可采用電池操作的膨脹工具來膨脹和坐封橋塞或封隔器。與使用鉆機或連續油管設備相比,該方法由于其低成本而更具吸引力。對于單井海上平臺,由于甲板空間有限,采用鋼絲作業可能是唯一選擇。

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