裸眼井封隔器及其应用

裸眼井封隔器及其应用（江汉油田分公司采油工艺研究院井下工具研究所）摘要近年来裸眼井越来越多，对裸眼井地层进行酸化、压裂、注水、堵水和试油试气等分层措施作业需要使用裸眼封隔器。为了满足这种需要，研究了K341、K342、K344三种类型的裸眼井封隔器。现场应用时，其最大密封系数达到了1.486，远远大于普通压缩式封隔器密封系数1.1～1.15的水平，最高工作压差达到47MPa，最高工作温度达到142℃。介绍了这三种封隔器的工作原理、现场施工管柱和现场使用情况。关键词裸眼井裸眼封隔器管柱应用前言因油气田开发的需要以及完井技术的发展，油气井尤其是碳酸盐岩等致密地层钻探的油气井，采用裸眼井完井的方式日益增多。裸眼井需要裸眼封隔器才能进行酸化、压裂、注水、堵水和试油试气等分层措施作业，由此导致对裸眼井封隔器需求的增长。裸眼井在钻井过程中，有时需要进行中途测试，以取得较为详细的资料，对地层进行更加准确的判断，由此决定是否追加投入，继续完成下步施工，从而节省不必要的开支。裸眼井封隔器还可以用在套管变形井和一些常规封隔器不适宜应用的油井的采油、堵水、措施作业等。在采油井中，勘探初期的探井往往使用一些特殊尺寸的套管完井，后期采油中这些井缺少配套的井下封隔器，裸眼井封隔器则能够满足这些井的酸化、压裂、注水、堵水和试油试气等分层措施作业的施工需求。工作原理一、扩张式胶筒(一)结构其结构分三层，以弹性不锈钢片做叠层骨架，加以内胶筒、外筒组成。(二)主要特点1、扩张系数大，可以达到1.2～1.6，即可用小直径胶筒封隔大直径井眼。2、容易扩张和收缩，即易坐封和解封，胶筒压差为1～1.5MPa即可实现封隔器胶筒的初封。3、耐高温125～150℃，最高达180℃。4、承压差大，最大工作密封压力达到50MPa以上。5、残余变形小，通常残余变形不超过2％。6、对井眼适应性强，可用于先期完井的裸眼井、套管侧钻开窗井、后期完井的裸眼井、组合套管井和特殊套管井的工艺措施中。二、K344型裸眼井封隔器(一)结构由上接头、中心管、密封胶筒、下接头等组成，见图1所示。(二)原理这种封隔器的结构简单，从油管内加液压，液体经中心管进液口进入胶筒内腔，从而使胶筒胀大坐封，封隔油套环形空间。放掉油管压力，封隔器胶筒回收，实现解封。三、K341/342型裸眼井封隔器（低压差液压坐封）(一)结构由上接头、隔离环、解封销钉、中心管、控制阀、关闭弹簧、密封胶筒、下接头等组成。(二)原理封隔器坐封时，中心管打压，当压力大于1MPa时，压力液体通过进液口，推开控制阀，使胶筒扩张坐封。油管放压之后，控制阀回位关闭进液口，阻止进入胶筒内部的液体流回到中心管，使封隔器胶筒始终保持密封状态，不会因油管放压而解封，实现封隔器的长期井下密封。K341解封时直接上提油管，剪断解封销钉，中心管向上移动一段距离，泄压槽通过控制阀的内密封圈，中心管与胶筒之间形成的腔体内的液体排出，实现封隔器解封。K342解封时顺时针旋转油管，打开反扣接头，中心管向上移动一段距离，泄压槽通过控制阀的内密封圈，中心管与胶筒之间形成的腔体内的液体排出，实现封隔器解封。四、K341/K342型裸眼井封隔器（高压差投球坐封）(一)结构由上接头、坐封钢球、坐封剪环、初坐剪环、初坐剪钉、坐封剪钉、控制阀、解封销钉（K342是反扣接头）、中心管、关闭弹簧、密封胶筒、下接头等部分组成。(二)原理封隔器坐封之前，由于过流通道被坐封剪环关闭，中心管内部的压力不能够通过过流通道传递，所以，无论中心管或外部的压力都不可能使封隔器坐封，因此，可以进行大排量的正反向顶替泥浆和洗井等施工作业。封隔器坐封时，首先从油管投球，然后油管打压，在压力的作用下，剪断剪钉，液体从过流通道进入，推动控制阀，打开中心管－胶筒的环形通道，液体进入胶筒内部，胶筒在压力的作用下扩张，实现封隔器的坐封。油管放压之后，控制阀回位关闭进液口，阻止进入胶筒内部的液体流回到中心管，使封隔器胶筒始终保持密封状态，实现封隔器的长期井下密封。技术指标及技术特点一、技术指标规格型号K344/342/341外径，mm14812880适应井径，mm160～215140～19095～127最大工作压力，MPa504020内径，mm6230工作温度，℃150二、技术特点1、K342/K341型封隔器高压差投球坐封的裸眼井封隔器，适合泥浆顶替、完井管柱、地层预处理的酸压等施工。低压差液压坐封的裸眼井封隔器，能够组成多级封隔器管柱，完成裸眼井的分层测试和分层措施的需要。这两种坐封结构能够在现场根据施工需要进行转换，适应多用途的要求。2、K342与K344之间的转换也能够在现场完成。可以根据现场工艺要求，快速完成封隔器的适应性改造。3、通过环形控制阀保持胶筒的扩张状态，这种结构的控制阀结构简单，工作可靠。施工管柱一、K344型裸眼封隔器构成的酸压管柱(见图2)1、封隔器K344裸眼井封隔器。2、管柱结构酸压下层：封隔器+节流球座。酸压上层：节流滑套+封隔器+反洗球座。3、工作原理在开始施工时，油管内部的液体在节流球座产生节流压差，当节流压差大于1MPa之后，K344封隔器胶筒扩张密封井壁。胶筒一旦密封井壁之后，封隔器上下压差增加，加速封隔器的坐封过程。施工完成时，油管内部的液体流动停止，此时无节流压差，下压和油管内部的压力平衡，封隔器胶筒内部的液体随胶筒的回弹力被挤出胶筒内部，封隔器解封。二、K342/K341下层措施/完井/采油管柱(见图3)1、封隔器K342、K341高压差投球坐封裸眼井封隔器。2、管柱结构完井管柱/措施管柱/采油管柱：封隔器+筛管。3、工作原理K341/K342封隔器(高压差投球坐封)组成的管柱，可以进行大排量的正反向顶替泥浆和洗井等对地层的预处理施工。需要封隔器坐封时，中心管投球打压，坐封封隔器，即可以进行酸化或压裂等措施施工。施工完成后，可以根据需要对地层进行抽吸求产、测试压力恢复、测流压和静压。用于措施管柱：完成施工后，需要起出管柱时，K341封隔器上提管柱即可解封，K342顺时针旋转油管解封。封隔器解封之后起出管柱，完成现场施工。用于完井管柱：直接转入采油（采气）。三、K341/K342分层措施/采油/注水管柱(见图4)1、封隔器K342、K341低压差液压坐封裸眼井封隔器。2、管柱结构分层措施/采油管柱：封隔器+连通阀+封隔器+堵头。分层注水管柱：封隔器+配水器+封隔器+反洗凡尔。3、工作原理用于分层措施/采油管柱：由K341/K342低压差液压坐封裸眼井封隔器、连通阀和堵头组成。管柱下到设计深度之后，中心管打压封隔器低压差液压坐封，压力继续升高打开连通阀后，封隔器中间的地层被隔断。可以对地层进行抽吸求产、酸化、压裂等处理，以及对地层进行测试压力恢复、测流压和静压，直至完井采油（采气）。用于分层注水管柱：由K341/K342低压差液压坐封裸眼井封隔器、配水器（带堵塞器）和反洗凡尔组成。管柱下到设计深度之后，对井筒进行反洗井施工。洗井结束之后，中心管打压封隔器低压差液压坐封，压力升高到5MPa以上保持2min，确保封隔器可靠坐封。再通过投捞操作，更换水嘴后正常注水。若需要起出管柱，K341封隔器上提管柱解封，K342顺时针旋转油管解封，封隔器解封之后起出管柱，完成现场施工。四、K341/K342选择性封堵管柱(见图5)1、封隔器K342-148、K342-128、K341-148、K341-128、K341-80的低压差液压坐封裸眼井封隔器。2、管柱结构选择性封堵管柱1：丢手接头+低压差液压坐封裸眼井封隔器+油管+低压差液压坐封裸眼井封隔器+坐封球座+筛管。选择性封堵管柱2：丢手接头+低压差液压坐封裸眼井封隔器+油管+高压差投球坐封裸眼井封隔器+筛管。3、工作原理选择性封堵管柱：由K341/K342低压差液压坐封裸眼井封隔器、油管和筛管组成。管柱下到设计深度之后，投球，中心管打压使封隔器坐封，压力继续升高打掉球座，连通下部地层，封隔器中间的地层被隔断，从而达到封堵中间层，开采上下层的目的。需要解除地层封堵时，解封封隔器之后，起出管柱。现场应用情况扩张式封隔器在江汉、玉门和青海油田总共应用了6口井。其中气井酸压1口井、油井酸压5口井、裸眼井措施试气1口井。工艺成功率100％。从现场应用的情况来看，在7in～41/2in组合套管井施工中，由于上部套管变形，使用小尺寸的裸眼井封隔器，实现了小尺寸井眼的酸压施工。在青海碱1井气井的现场施工中，使用外径148mm的裸眼井封隔器，实现了95/8in大井眼的密封要求，这两口井中裸眼井封隔器的密封系数分别达到了1.266和1.486，远远大于普通压缩式封隔器密封系数1.1的水平。采用裸眼井封隔器对特殊尺寸井眼和套管变形井进行施工，解决了特殊套管井和变形套管井的酸压施工问题,扩展了油井增产措施施工的技术选择和增产技术的手段，达到了节约施工成本，提高油田采收率的目的。现场应用结果证明，裸眼井封隔器及其配套的管柱密封性能良好，适用于各种尺寸井的酸压施工，工艺简单，安全可靠。结论和建议K344、K341、K342三种类型裸眼井封隔器中，K341和K342型的封隔器有低压差液压坐封和高压差投球坐封两种结构。高压差投球坐封的结构设计，可以满足完井工艺中顶替泥浆的工艺要求。现场应用的封隔器密封性能良好，最大密封系数达到了1.486，远远大于普通压缩式封隔器密封系数1.1～1.15的水平。最高工作压差达到47MPa，最高工作温度达到142℃，完全满足现场的使用要求。这种裸眼井封隔器及管柱，能够解决先期完井的裸眼井、套管侧钻开窗井、后期完井的裸眼井、组合套管井和特殊尺寸套管井的施工需要。这里介绍的裸眼井封隔器的结构是属于单次坐封、解封结构，即只能在设计深度完成单次坐封和解封操作，不能够应用在裸眼井的不起管柱的大厚层多次连续分段措施酸化、大井段的连续分段地层测试等方面。在国外有先进的可重复多次坐封、解封的裸眼井封隔器串，以及封隔器配套管柱的井下工具，建议继续开展裸眼井封隔器及其配套管柱的应用研究，进一步完善裸眼井封隔器系列、配套管柱和配套工具的研究工作，使之形成完善的工具系列。