氣井分層開(kāi)采工藝管柱的改進(jìn)及應(yīng)用效果分析(王法高).doc

氣井分層開(kāi)采工藝管柱的改進(jìn)及應(yīng)用王法高 康文芳 李鳳 王偉玲（采氣分公司地質(zhì)工藝研究所）摘要：本文在分析分層開(kāi)采工藝管柱井下構(gòu)成及汪7-17井試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝管柱各個(gè)組件改進(jìn)后的工藝原理做了詳細(xì)的介紹，并對(duì)如何實(shí)現(xiàn)各種功能進(jìn)行了探討；同時(shí)，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，提出了對(duì)該工藝的認(rèn)識(shí)及建議。主題詞：氣井 分層 管柱 改進(jìn)采氣工藝管柱直接影響著天然氣井的生產(chǎn)壽命、安全生產(chǎn)和穩(wěn)定開(kāi)采。目前，分公司開(kāi)發(fā)井完井時(shí)大部分采用的是光油管工藝管柱，存在再次作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層傷害等問(wèn)題；而且，有的氣井水層下部是氣層，上部的水層抑制了下部氣層的生產(chǎn)。從保護(hù)儲(chǔ)層、簡(jiǎn)化施工、分層開(kāi)采等角度考慮，研究了多功能分層開(kāi)采工藝管柱。1 原工藝管柱結(jié)構(gòu)及存在的問(wèn)題氣2 7/8外加厚油管丟手工具封隔器井下開(kāi)關(guān)封隔器井下開(kāi)關(guān)絲堵上采氣層下采氣層1.1 原工藝管柱構(gòu)成為了滿足深層氣井高溫、高壓的生產(chǎn)條件，而且要實(shí)現(xiàn)分層采氣等功能，設(shè)計(jì)丟手完井管柱(見(jiàn)圖1)，由丟手工具、封隔器、井下開(kāi)關(guān)、絲堵等井下工具組成。1.2 原組件結(jié)構(gòu)原理1.2.1 井下開(kāi)關(guān)井下開(kāi)關(guān)主要由上接頭、彈簧、中心管、滑釘?shù)冉M成（見(jiàn)圖2），開(kāi)關(guān)的輔助機(jī)構(gòu)由繩帽、凸輪、銷釘?shù)冉M成（見(jiàn)圖3）。圖1 丟手完井管柱1上接頭2彈簧3外套4滑釘5中心管6下接頭圖2 井下開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖1 2 3 4 5 61繩帽2銷釘 3凸輪4加重圖3 井下開(kāi)關(guān)輔助機(jī)構(gòu)示意圖1 2 3 4中心管上有長(zhǎng)短兩個(gè)滑道，滑釘可沿滑道上下運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)滑釘在較短的滑道上，開(kāi)啟時(shí)在較長(zhǎng)的滑道上。下井時(shí)開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，管柱下井完畢，再下入輔助工具，上提輔助工具，凸輪卡住中心管，使之上行，將開(kāi)關(guān)打開(kāi)。再上提輔助工具，將銷釘剪斷，凸輪回縮，起出輔助工具。同理，可將開(kāi)關(guān)再關(guān)閉。1.2.2 封隔器及丟手接頭封隔器由活塞、壓環(huán)、膠筒、卡瓦、鎖簧等組成，丟手接頭主要由備帽、防轉(zhuǎn)套、連接套及配套的上接頭、中心管組成。封隔器采用Y441結(jié)構(gòu)，壓縮式膠筒密封，雙向卡瓦，液壓坐封，上提管柱解封。在封隔器坐封之后，在需要丟手時(shí)，可正旋管柱，將上、下反扣的下接頭和中心管脫開(kāi)，實(shí)現(xiàn)丟手。丟手接頭及配套封隔器結(jié)構(gòu)示意如圖4。1上接頭 2中心管 3上壓環(huán) 4膠筒軸 5膠筒 6下壓環(huán) 7上錐體 8卡瓦罩 9卡瓦 10彈簧 11下錐體 12螺帽 13上活塞 14坐封銷釘 15缸筒 16下活塞 17鎖簧座 18剪切銷釘 19鎖簧 20解封銷釘 21下接頭圖4 丟手接頭及配套封隔器結(jié)構(gòu)示意圖1 22 23 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 211.3 存在問(wèn)題對(duì)井下開(kāi)關(guān)及配套工具進(jìn)行了開(kāi)關(guān)的耐溫耐壓、封隔器耐溫耐壓、開(kāi)關(guān)常壓下?lián)Q向、開(kāi)關(guān)帶壓換向、開(kāi)關(guān)打撈工具剪斷力五項(xiàng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)滿足了設(shè)計(jì)要求。2009年9月下旬，為驗(yàn)證配套工具及組成的多功能管柱的可行性，隨汪7-17井補(bǔ)孔作業(yè)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。封隔器釋放壓力正常（35MPa），從套管打壓，驗(yàn)證封隔器座封情況，壓力10MPa，穩(wěn)壓10min，壓力不降，表明封隔器座封正常。但在試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了工具存在一些問(wèn)題，具體表現(xiàn)為主要為開(kāi)關(guān)輔助工具剪斷力大、丟手困難這兩點(diǎn)。1.3.1 開(kāi)關(guān)輔助工具的剪斷力大室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下對(duì)開(kāi)關(guān)輔助工具銷釘做了三次剪斷力實(shí)驗(yàn)，剪斷力均為340Kg（3.4KN）。為采取鋼絲測(cè)試作業(yè)就能剪斷銷釘，設(shè)計(jì)值3-3.5KN。采用3.8銷釘，鋼絲測(cè)試時(shí)出現(xiàn)鋼絲在繩帽頭處脫落的問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)施工前用電纜測(cè)試車地面測(cè)試輔助工具銷釘?shù)募魯嗔Γ矊?shí)驗(yàn)了8組，結(jié)果見(jiàn)表1。表1 地面測(cè)試輔助工具銷釘剪斷力情況統(tǒng)計(jì)表批次銷釘個(gè)數(shù)銷釘剪斷力（KN）第一組（3.0）21.6第二組（3.0）21.4第三組（3.8）25.3第四組（3.8）25.7第五組（4.2）15.0第六組（4.4）16.2第七組（4.4）16.0第八組（4.5）18.0現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)選用第五組銷釘，開(kāi)關(guān)輔助工具銷釘?shù)募魯嗔Τ鲈O(shè)計(jì)值很多，見(jiàn)表2：表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)開(kāi)關(guān)輔助工具銷釘?shù)募魯嗔Ρ眄?xiàng)目電纜規(guī)格電纜重（KN）儀器顯示值（KN）剪斷力（KN）關(guān)閉上級(jí)開(kāi)關(guān)5.62.2118.8打開(kāi)下級(jí)開(kāi)關(guān)12.79.221.111.9從上兩張表中可以看出，銷釘剪斷力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，需要重新設(shè)計(jì)。1.3.2 正轉(zhuǎn)丟手方式存在丟手困難及操作不易掌握的問(wèn)題丟手螺紋采用左旋M76X3普通螺紋，需要正旋管柱來(lái)丟手，與油管絲扣上扣方向一致。丟手時(shí)，油管絲扣也隨之旋轉(zhuǎn)上扣，使油管長(zhǎng)度縮短，傳到井下增大了管柱的上提力，易造成封隔器的解封。所以傳動(dòng)效果不好，傳動(dòng)力不易控制?，F(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)就因?yàn)椴僮鞑灰渍莆眨苤鶗r(shí)將封隔器解封，導(dǎo)致丟手失敗。2 改進(jìn)方案針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，逐項(xiàng)完善了工具的結(jié)構(gòu)。2.1 開(kāi)關(guān)輔助工具的剪斷力大2.1.1 影響剪斷力的因素經(jīng)分析，影響剪斷力的因素有以下幾個(gè)：一是開(kāi)關(guān)的換向力。輔助工具要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的換向，工具提供的力就要大于換向力，所以換向力是剪斷力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。二是輔助工具中銷釘?shù)某叽?。銷釘選擇大了，力隨之增大；選擇小了，銷釘易在開(kāi)關(guān)換向前被剪斷，而且太小對(duì)下井時(shí)力的平穩(wěn)性要求加強(qiáng)，不利操作。三是輔助工具在井下與開(kāi)關(guān)中心管中心的偏差。由于是單凸輪，偏離中心線時(shí)傳到銷釘上的力就會(huì)減小，相應(yīng)的就是加大了銷釘?shù)募魯嗔Α?.1.2 降低剪斷力的改進(jìn)措施針對(duì)上述因素，采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，有以下四項(xiàng)： 減小開(kāi)關(guān)的換向力為了降低開(kāi)關(guān)的換向力，采取了兩項(xiàng)措施，一是將彈簧圈數(shù)減少1-2圈，二是控制加工時(shí)工件間的公差間隙。兩項(xiàng)措施下來(lái)，開(kāi)關(guān)的換向力由原來(lái)的150Kg降至110Kg。 減小輔助工具的銷釘尺寸由于開(kāi)關(guān)的換向載荷減少，所以相對(duì)應(yīng)的銷釘尺寸就可減小，本次選取3.1mm的銷釘，將力控制在6KN以內(nèi)。而且改進(jìn)了輔助工具的結(jié)構(gòu)，由凸輪、銷子等到組成，見(jiàn)圖5。1加重桿2定位銷3控制閥主體4彈簧5凸輪總成6定位器主體7上凸輪總成8滑動(dòng)銷9彈簧10下凸輪總成11導(dǎo)向體12銷釘圖5 改進(jìn)后開(kāi)關(guān)輔助工具示意圖1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12原開(kāi)關(guān)控制閥只有一組凸輪，上提時(shí)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)換向?，F(xiàn)開(kāi)關(guān)控制閥有兩組凸輪，一組是上提時(shí)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)換向，由于開(kāi)關(guān)換向載荷減小，銷釘剪切力減?。涣硪唤M是下放振擊，開(kāi)關(guān)換向后，快速下放控制閥，幫助開(kāi)關(guān)換向后復(fù)位。 加重桿放在上部將加重桿放在上端，加長(zhǎng)，增加扶正效果，使銷釘剪切載荷減小，見(jiàn)圖5。 開(kāi)關(guān)下端至少連接一根油管在開(kāi)關(guān)下端至少連接一根油管，最下面接死堵，在輔助工具的銷釘沒(méi)有正常剪斷時(shí)，可下放到死堵處，采用振擊器幫助輔助工具的銷釘剪切。2. 2 正轉(zhuǎn)丟手方式存在丟手困難及操作不易掌握的問(wèn)題原管柱選用旋轉(zhuǎn)丟手。丟手螺紋采用左旋M76X3普通螺紋，傳動(dòng)效果不好。現(xiàn)管柱采用液壓丟手和旋轉(zhuǎn)丟手兩種方式，液壓丟手為主，旋轉(zhuǎn)丟手為輔。上端增加一液壓丟手接頭，在封隔器坐封中途啟動(dòng)，完成丟手，但不泄壓，封隔器坐封完成后，需起管時(shí)，上提管柱將丟手部分起出，由于丟手在封隔器坐封中啟動(dòng)，起管時(shí)無(wú)附加負(fù)荷。旋轉(zhuǎn)丟手采用左旋Tr80X4梯形螺紋，傳動(dòng)效果好。改進(jìn)后丟手接頭由上接頭、連接套、活塞等組成，見(jiàn)圖6。工作原理：上圖為下井狀態(tài)，油管內(nèi)加壓，活塞剪斷銷釘后，下行，連接套下端失去支撐，打開(kāi)與短接的連接，在封隔器坐封過(guò)程中，中心管與短接保持密封，封隔器坐封完成后，上提管柱，將上接頭、連接套、活塞、中心管提出，留下短接（4）與下接頭，如下圖所示。1上接頭2連接套3活塞4短接5中心管6下接頭7銷釘圖6 改進(jìn)后丟手接頭示意圖1 2 3 4 5 64 63 管柱功能工具改進(jìn)后，能更順利地實(shí)現(xiàn)原管柱的功能：3.1 分層開(kāi)采及試氣下入封隔器及開(kāi)關(guān)配套形成分層管柱，用工具可隨意打開(kāi)或關(guān)閉其中任何一層，即可實(shí)現(xiàn)單層和分層開(kāi)采，同時(shí)也可以滿足單層試氣需要，可避免多層試氣下入多極橋塞，試氣后還需將橋塞鉆掉，即節(jié)省了費(fèi)用又可保護(hù)氣層。3.2 不壓井作業(yè)隨作業(yè)下入多功能管柱，再次作業(yè)不用壓井。下入工具，將開(kāi)關(guān)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)不壓井作業(yè)。為增加現(xiàn)場(chǎng)施工的安全系數(shù)，施工中可以先關(guān)閉開(kāi)關(guān)，然后向井筒內(nèi)注入一定量的壓井液。因開(kāi)關(guān)已經(jīng)關(guān)閉，壓井液無(wú)法進(jìn)入氣層，起到對(duì)氣層的保護(hù)，可平衡開(kāi)關(guān)油套壓差，另外壓井液的注入給施工創(chuàng)造了更加安全可靠的環(huán)境，消除了危險(xiǎn)。施工完井后，采用氣舉可將壓井液返排出井筒，然后利用工具將開(kāi)關(guān)打開(kāi)。3.3 提撈排水對(duì)于有井底積液的氣井，可隨作業(yè)下入開(kāi)關(guān)，排液可采取提撈方式。先關(guān)閉開(kāi)關(guān)，然后用提撈車進(jìn)行井筒內(nèi)積液的提撈。開(kāi)關(guān)保證了提撈過(guò)程中的安全性。提撈后，可用工具打開(kāi)滑套開(kāi)關(guān)，然后實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果2010年7月初，在汪11-10井再次進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。4.1 汪11-10井簡(jiǎn)況該井于2001年12月22日投產(chǎn), 原始地層壓力18.7MPa，目前地層壓力7.48MPa。初期用3mm油嘴生產(chǎn)，油壓3.84MPa，套壓6.48MPa，日產(chǎn)氣0.9683104m3，日產(chǎn)水0.865m3；施工前關(guān)井，油壓1.97MPa，套壓7.35MPa。本次作業(yè)起出原井管柱后，先下電纜橋塞，將1944.2m以下有出水層的層位封堵；然后補(bǔ)孔作業(yè)，在原射孔層位上部補(bǔ)四層。4.2 下分層工藝管柱7月2日下入分層工藝管柱，管柱如圖7所示。下井前將上級(jí)開(kāi)關(guān)設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)，為了有壓井液的循環(huán)通道，下級(jí)開(kāi)關(guān)設(shè)為打開(kāi)狀態(tài)。 圖7 汪11-10井分層管柱圖丟手接頭 50 1800.08人工井底 2238.33管 柱 圖 名稱 規(guī)范 mm 深度m開(kāi)關(guān) 46 1804.98封隔器 Y441-114 1802.27封隔器 Y441-114 1922.16絲 堵 62 1934.59開(kāi)關(guān) 46 1924.871944.22099.81812.021916.421933.221937.62電纜橋塞 1942m 上部倒灰5m4.3 關(guān)閉下級(jí)開(kāi)關(guān)為了不堵塞輔助工具和不防礙封隔器座封，用清水洗井，洗出井內(nèi)臟物。在井口試驗(yàn)3.1mm銷釘，剪斷力6KN。下入輔助工具串（繩帽+加重桿+輔助工具），下入開(kāi)關(guān)深度下部10m后上提，拉斷銷釘，拉斷力為儀表顯示14.0KN，減去電纜自重，實(shí)際拉斷力約為6.9 KN。4.4 封隔器座封及驗(yàn)封座封封隔器，最高壓力35MPa。從環(huán)空打壓驗(yàn)封，壓力10MPa，驗(yàn)封合格。4.5 打開(kāi)上、下兩級(jí)開(kāi)關(guān)下入輔助工具串，下到上級(jí)開(kāi)關(guān)深度下部10m后上提，拉斷銷釘，拉斷力為儀表顯示13.6KN，減去電纜自重，實(shí)際拉斷力約為6.6 KN，提出工具串。泵車油管打壓，一檔，30秒，壓力上升至5MPa，油套環(huán)空不出液，證明上級(jí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)。下入輔助工具串，下到下級(jí)開(kāi)關(guān)深度下部10m后上提，拉斷銷釘，拉斷力為儀表顯示15.4KN，減去電纜自重，實(shí)際拉斷力約為7.3KN，提出工具串。泵車油管打壓，一檔，30秒，壓力達(dá)2MPa，油套環(huán)空不出液，證明下級(jí)開(kāi)關(guān)也打開(kāi)。4.6 丟手改進(jìn)后丟手方式以液壓丟手為主，旋轉(zhuǎn)丟手為輔。4.6.1 液壓丟手丟手上部油管長(zhǎng)度約1800m，經(jīng)計(jì)算油管懸重為17噸左右。封隔器為分級(jí)解封，上提解封力810噸?，F(xiàn)場(chǎng)上提力達(dá)23噸時(shí)仍未丟手。液壓丟手方式未成功。分析原因：在井內(nèi)打壓時(shí)，丟手接頭的連接套與短接處于受拉狀態(tài)，連接套的螺紋連接處銑開(kāi)6個(gè)槽，在受拉狀態(tài)時(shí)增加了與活塞的磨擦阻力，加上銷釘?shù)募羟辛Υ笥诨钊a(chǎn)生的載荷，沒(méi)有按預(yù)定設(shè)計(jì)丟手。4.6.2 正轉(zhuǎn)丟手采用正轉(zhuǎn)方式丟手，油管正轉(zhuǎn)20圈左右也未丟開(kāi)，該方式仍未成功。分析原因有兩點(diǎn)：一是由于井筒并不是理想的垂直管柱，而有角度，旋轉(zhuǎn)管柱時(shí)可能作用在了管柱與井壁的接觸處，未傳到井下丟手位置；二是未有上提力下旋轉(zhuǎn)管柱，油管的重量都作用在丟手部位，旋轉(zhuǎn)時(shí)等于在丟手造扣，反而實(shí)現(xiàn)不了丟手。4.6.3 投球丟手丟手接頭中心管通徑為50mm，上部為圓錐面，從井口投入55的鋼球，20min后打壓，壓力起到15MPa后套管出液，上提管柱懸重為17噸，丟手成功。投球打壓丟手成功是因?yàn)榛钊氖軌好娣e增加，產(chǎn)生的剪切力增大，所以丟手成功。起出丟手上部管柱，取出投入的鋼球，檢查丟手部分工具，進(jìn)一步驗(yàn)證了丟手成功。4.7 汪11-10井施工完井后效果2010年7月18日，完井后返排，井口油壓和套壓都有大幅度提高，分別由施工前的1.97MPa和7.35MPa上升至目前12.8MPa和13.0MPa，使該井具備了開(kāi)井復(fù)產(chǎn)條件。可見(jiàn)該井補(bǔ)孔措施效果明顯，分層工藝管柱通道流暢。5 結(jié)論（1）多功能分層開(kāi)采管柱工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以滿足控制各氣層的生產(chǎn)和關(guān)閉的要求； （2）封隔器可承壓50MPa，耐溫達(dá)到了150，滿足了深層氣井對(duì)工具的耐高壓和耐高溫的要求；（3）從現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)的幾次開(kāi)與關(guān)的試驗(yàn)，結(jié)果表明井下開(kāi)關(guān)換向可靠；（4）輔助工具的銷釘控制著開(kāi)關(guān)的換向和取出輔助工具兩項(xiàng)功能，因此銷釘剪斷力的選擇尤為重要。改進(jìn)后雖然力由11.9kN減小到6.6kN ，但仍需要進(jìn)一步減小以適應(yīng)鋼絲方式作業(yè)；（5