遇水自膨脹管外封隔器的研究與應(yīng)用

遇水自膨脹管外封隔器的研究與應(yīng)用

近年來(lái)，該井利用單井高產(chǎn)、油藏儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)，在氣田開(kāi)發(fā)中得到了大規(guī)模利用。目前,國(guó)內(nèi)的水平井完井方式比較單一,還是以套管固井射孔和篩管完井為主,均為籠統(tǒng)完井工藝,水平井段不進(jìn)行分段隔離。油氣井投產(chǎn)初期產(chǎn)量很高,但是當(dāng)邊底水在某一段突破以后,將導(dǎo)致含水率急劇上升,原油產(chǎn)量下降,嚴(yán)重時(shí)整個(gè)水平井被淹報(bào)廢。國(guó)外在10a前就已開(kāi)始應(yīng)用水平井分段隔離技術(shù)來(lái)保證水平井穩(wěn)產(chǎn),主要使用管外封隔器(ECP)將水平井分為數(shù)段,產(chǎn)油層段使用篩管工具,出水層段則用盲管,這樣可以起到很好的先期堵水作用。在投產(chǎn)以后,若某一段出水,可以下入管內(nèi)堵水工具卡封該段,使該段出水下降,而其他層段生產(chǎn)不受影響,也可以采用管外封隔器結(jié)合流動(dòng)控制篩管(ICD)達(dá)到水平井控水的目的。作為重要的層間隔離工具,管外封隔器技術(shù)一直在不斷發(fā)展,近年來(lái)出現(xiàn)了一些可滿足水平井完井工藝要求的新型封隔器,自膨脹封隔器就是其中之一,有遇油和遇水2種自膨脹封隔器,其中,遇水自膨脹封隔器主要用于油氣井先期和后期堵水控水作業(yè)。目前,該技術(shù)在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái),國(guó)內(nèi)油田開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外遇水自膨脹封隔器進(jìn)行完井。2009-10,在青海澀北一號(hào)氣田H3-5水平井的完井施工中,進(jìn)行了AT-TYF-W遇水膨脹封隔器+割縫管水平段分段選擇性完井工藝試驗(yàn)。然而,國(guó)外封隔器的價(jià)格較高,單只工具報(bào)價(jià)在$3～5萬(wàn)美元,影響了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院采油采氣裝備研究所經(jīng)過(guò)多年攻關(guān),開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的遇水自膨脹封隔器工具及配套作業(yè)工藝,并在冀東油田進(jìn)行了多口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1管外封隔器膠筒由中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院開(kāi)發(fā)的SZF系列遇水自膨脹封隔器的主要型號(hào)有SZF27/8″×140×1000、SZF31/2″×140×1000等,其結(jié)構(gòu)組成如圖1～2所示。封隔器膠筒外表包覆一層防護(hù)材料,防止封隔器在運(yùn)輸途中受潮而意外膨脹。該封隔器有4個(gè)特點(diǎn)。1)可靠性高沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)小。2)自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)空間隙該特性使其可代替?zhèn)鹘y(tǒng)管外封隔器在裸眼井段中使用,特別是在水平井、分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的完井作業(yè)。3)適應(yīng)性好該封隔器通徑大,與連接的管柱等通徑和等強(qiáng)度,滿足后期井下作業(yè)的要求。4)降低作業(yè)成本現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝簡(jiǎn)單,避免修井和井下作業(yè)。2主要技術(shù)以SZF27/8″×140×1000型遇水自膨脹封隔器為例,其技術(shù)參數(shù)如表1所示。3試驗(yàn)與研究3.1膨脹劑和改性材料試驗(yàn)裝置如圖3a。對(duì)100多種不同配方的橡膠材料進(jìn)行200多項(xiàng)性能測(cè)試后,開(kāi)發(fā)出適合油田苛刻井下環(huán)境的遇水自膨脹橡膠材料,主要是特殊的硅橡膠材料?；拘阅芊矫?該膨脹材料體積膨脹率已經(jīng)達(dá)到13倍,耐溫120℃,性能穩(wěn)定。膨脹試驗(yàn)使用膠片作為試驗(yàn)對(duì)象(如圖3b),其初始尺寸為:厚度h=2.0mm,直徑D=186mm。硅橡膠的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。硅橡膠的體積膨脹倍數(shù)變化曲線如圖4。通過(guò)圖4可以看出,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),硅橡膠片體積逐漸增大,當(dāng)膨脹倍數(shù)達(dá)到13.8倍時(shí)基本達(dá)到平穩(wěn)值。3.2初始尺寸為5.通過(guò)不同溫度下的膨脹速率對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,膨脹材料的膨脹速率在加快。該試驗(yàn)使用試柱的初始尺寸:外徑?45mm,內(nèi)徑20mm,高度104mm(如圖5所示)。圖6中4條曲線分別代表同一種材料在20(常溫)、40、60、80℃下的膨脹率。3.3耐鹽特性對(duì)比地層水礦化度對(duì)遇水自膨脹橡膠的性能有非常重要的影響。通常,流體中所含鹽的質(zhì)量濃度越高,自膨脹橡膠膨脹率就越小,膨脹速度就越慢。在各類鹽中,二價(jià)鹽對(duì)膨脹性能的影響比一價(jià)鹽要明顯。圖7a表示遇水自膨脹橡膠在一價(jià)鈉鹽和二價(jià)鈣鹽溶液中(質(zhì)量濃度5%)的膨脹性能對(duì)比,可以很明顯看出二價(jià)鹽對(duì)膨脹率有很大影響,甚至發(fā)生失水收縮;一價(jià)鹽溶液則顯著降低了材料的膨脹速度。封隔器膠筒發(fā)生收縮在現(xiàn)場(chǎng)是絕對(duì)不允許的。通過(guò)篩選橡膠材料并添加膨脹穩(wěn)定劑,制成耐鹽遇水膨脹橡膠。圖7b是改進(jìn)后的材料在鈉鹽和鈣鹽溶液中的膨脹對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?改進(jìn)后的材料不僅膨脹率較改進(jìn)前有顯著增加,而且達(dá)到一定指標(biāo)后可以非常穩(wěn)定,基本不發(fā)生體積收縮。3.4封隔器產(chǎn)業(yè)模型對(duì)遇水自膨脹封隔器膠筒模型進(jìn)行耐壓試驗(yàn),試驗(yàn)條件和試驗(yàn)用膠筒模型如表2和圖8所示。試驗(yàn)表明,1m長(zhǎng)的封隔器可耐壓不低于10MPa,耐壓指標(biāo)基本滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。自膨脹封隔器具有較高的耐壓差性能,其耐壓差能力與膨脹膠筒的長(zhǎng)度具有線性比例關(guān)系。4試驗(yàn)過(guò)程控制試驗(yàn)2009-09,中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院采油采氣裝備研究所研發(fā)的遇水自膨脹封隔器首次在冀東油田某井進(jìn)行水平井老井管內(nèi)控水試驗(yàn)。該井2008-01投產(chǎn),初期日產(chǎn)液15.6m3,日產(chǎn)油15.5m3,含水0.2%,后來(lái)由于高含水及桿脫而停產(chǎn)。為實(shí)施控水和提高產(chǎn)量,決定分3段進(jìn)行控制。優(yōu)選Y441-150型封隔器、SZF27/8″×140×1000型遇水自膨脹封隔器及分采控制器將生產(chǎn)井段分為3段,每一段設(shè)1個(gè)分采控制器,依據(jù)試生產(chǎn)情況分段開(kāi)采。第1次下入管柱組合時(shí),Y441型封隔器加壓坐封不嚴(yán),憋不住壓。重新起管柱,換封隔器下井完井。起出管柱至第1根遇水自膨脹封隔器處,膠筒表面有輕微刮痕,沒(méi)有裂斷現(xiàn)象,外徑由?140mm膨脹至?142mm,時(shí)間18h,膨脹率1.4%,膨脹量在可接受范圍內(nèi),決定不更換遇水自膨脹封隔器,只更換Y441型封隔器后再次下井。管柱下入到位后,將上面2層關(guān)閉,打開(kāi)最底層段試采。試采一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)油井含水率由原來(lái)的99%降低為70%左右,最大采油量達(dá)到3t/d,試驗(yàn)取得成功。管柱如圖9。4自膨脹封隔方與傳統(tǒng)機(jī)械坐封封隔器對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,我國(guó)傳統(tǒng)自膨脹封隔方1)對(duì)遇水自膨