超高扩径不动管柱选层堵水工具及工艺

邹先雄 李晨泓 何秀萍

(1.中海油能源发展股份有限公司上海工程技术分公司 2.中海石油(中国)有限公司上海分公司)

0 引 言

不动管柱选层堵水工艺是一项通过电缆或连续管穿过油管，将堵水工具下至选定层位，在套管内扩径封隔层位，再泵注堵剂封堵产层的工艺技术。相比动管柱堵水，该工艺具有成本低、施工周期短等显著优势，其关键技术是过油管堵水工具。常用的主要过油管堵水工具是可膨胀封隔器和桥塞，只能实现底层堵水，堵水后不具有过流通道[1-4]。目前，可膨胀封隔器最大膨胀率为300%，适用于通过最小内径75.9 mm油管、在内径116.0～224.5 mm套管内封隔堵水，工作温度低于190 ℃，膨胀率300%条件下耐压差13.8 MPa[5-10]；可膨胀桥塞最大膨胀率为350%，适用于通过最小内径55.6 mm油管、在内径177.8～193.8 mm套管内封隔堵水，工作温度低于150 ℃，最大膨胀率350%条件下耐压差8.2 MPa[11-18]。然而，在海上油气生产过程中存在不少井，要求堵水工具穿过ø73.0 mm油管封隔ø244.5 mm套管，实现最大扩径比424%条件下耐压差15 MPa选层堵水，现有工具及工艺技术无法满足。

为此，研制了超高扩径不动管柱选层堵水工具及工艺。该工具基于伞形扩径原理[19]，使用连续管下入，最大扩径比可达424%，封堵后过流通道内径25.4 mm，适用于直井、定向井及大斜度井等，可坐封于套管、射孔炮眼等任意位置。该工具具有如下优势：①扩径比大，可过油管选层作业，适用范围广；②不动管柱，不需要修井机，对储层无伤害，作业周期短、费用低；③坐封和脱手不使用火工品，避免了火工品使用风险，降低了管理成本；④封堵后具有过流通道，不影响其他生产层位生产。

1 技术分析

1.1 工具结构与工作原理

1.1.1 工具结构

超高扩径不动管柱选层堵水工具主要由密封筒、心轴、支撑轴、支撑伞、扶正架及扶正杆等部件组成，结构如图1所示。工具最大外径53 mm，坐封脱手后内径25.4 mm，总长1 500 mm，耐温150 ℃，耐压35 MPa，最大扩径比424%，最大扩径比下耐压差15 MPa。

1—转接头；2—中接头；3—剪切销；4—密封筒；5—限位接头；6—心轴；7—O形圈；8—释放组件；9—支撑轴；10—支撑伞；11—螺钉；12—剪切销；13—连杆；14—顶杆；15—扶正架；16—扶正杆1；17—扶正杆2；18—剪切销；19—尾座。图1 超高扩径不动管柱选层堵水工具结构示意图Fig.1 Schematic structure of ultra-high expansion layer selection and water plugging tool without tripping tubing string

1.1.2 工作原理

连续管传输工具至堵水层位目标深度后，从连续管内加压，剪断释放组件与尾座之间的剪切螺钉，解锁释放组件。继续加压，压力推动释放组件向上运动，解锁承托组件和扶正组件。承托组件和扶正组件在板簧及连续管管内压力作用下张开，支撑在套管内壁。释放组件运动到位后卡圈弹出，锁定释放组件，防止回落；同时，堵剂泵出口打开。堵剂泵注结束后，泵送泵入塞插入心轴形成密封，加压剪断心轴与密封筒之间的剪切螺钉，推动密封筒向下运动，关闭堵剂泵出口。继续加压，剪断心轴与承托组件之间的剪切螺钉，压力推动下心轴和扶正组件向下运动至脱手，中心孔油气通道打开。堵剂固化后，上提连续管，剪断脱手组件上剪切螺钉，起出塞面以上连续管及接头。

1.2 关键部件设计

1.2.1 承托组件

承托组件用于承托堵剂，主要由筒体、板簧、伞面等部件构成，结构如图2所示。

1—筒体；2—伞面；3—板簧；4—螺钉。图2 承托组件结构示意图Fig.2 Schematic structure of supporting component

组件外径47 mm，内径25.4 mm，总长266 mm，耐温150 ℃。组装时，压缩板簧和叶片置入释放组件。工作时，加压解锁，叶片在板簧作用下自动弹开，支撑于套管内壁。叶片张开后，组件呈伞状，伞面支撑堵剂形成段塞。

1.2.2 脱手组件

脱手组件用于脱手连接头及塞面以下组件，主要由上接头、剪切销、下接头、O形圈组成，结构如图3所示。组件外径53 mm，总长269 mm，耐压35 MPa，耐温150 ℃，抗拉89 kN。剪切销连接上接头、下接头承受轴向载荷，堵剂候凝结束后上提管串至预定载荷，剪断剪切销，上接头、下接头分离，上接头以上部件连同连续管起出，油气通道打开。

1—上接头；2—剪切销；3—下接头；4—O形圈。图3 脱手组件结构示意图Fig.3 Schematic structure of release component

1.2.3 泵入塞

泵入塞用于泵送、推动堵剂，主要由心轴、胶筒、隔环、下接头、O形圈组成，结构如图4所示。组件外径40 mm，总长268 mm，耐压35 MPa，耐温150 ℃。泵入塞预置在连续管内，2个串连的胶筒与连续管内壁紧密贴合实现密封。加压时，压力推动泵入塞向前移动，从而推动堵剂不断从堵水工具泵出口挤出。

1—心轴；2—胶筒；3—隔环；4—下接头；5—O形圈。图4 泵入塞结构示意图Fig.4 Schematic structure of pump in plug

2 室内试验

为验证工具功能和性能，在地面开展了尺寸检测，承托、耐压、承压、坐放、释放及脱手试验。试验结果表明，工具尺寸符合工程误差规定要求，承托质量50 kg以上，耐压35 MPa，承压差15 MPa，坐放、释放、脱手顺利，堵剂泵出口可有效打开与关闭，工具无损坏、无变形、无泄漏，符合设计要求。详细情况如表1及图5所示。

表1 工具室内试验详细情况Table 1 Detailed information of laboratory test of tool

图5 工具坐放、承托试验照片Fig.5 Photos of tool setting and supporting test

3 工艺设计

工艺通过连续管传输堵水工具，起下一趟完成。工艺设计及实施的关键在于封堵层位深度准确定位、堵剂用量确定和塞面高度的精确控制。同时，还需考虑井筒最小缩径、坐封面内径、防喷管最大长度、封堵层位压差、地层压力及温度等相关因素和条件。

3.1 工艺适用范围

工艺广泛适用于直井、斜井、大斜度井的套管内选层堵水、射孔孔眼封堵、挤水泥、全井段上层和中间层封堵、永久性封堵等工况。要求封堵井段固井质量较好，井筒无严重变形井段、无积垢，坐封段井筒完好，地层温度不高于200 ℃，地层压力不高于55 MPa，油管规格不小于ø73.0 mm，套管规格不大于ø244.5 mm。

3.2 工艺管柱设计

管柱由连续管、转换接头、泵入塞、超高扩径不动管柱选层堵水工具组成，结构如图6所示。连续管Ⅱ预置堵剂，泵入塞置放于连续管Ⅱ内推动堵剂挤入环空，脱手组件脱手连接头Ⅱ及塞面以下组件，连续管Ⅲ加长工具长度延伸塞面高度，密封筒密封堵剂泵出口，释放组件控制承托和扶正组件，承托组件承托堵剂，扶正组件扶正管柱。

1—连续管Ⅰ；2—连接头Ⅰ；3—泵入塞；4—连续管Ⅱ；5—脱手组件；6—连接头Ⅱ；7—连续管Ⅲ；8—密封筒；9—释放组件；10—承托组件；11—扶正组件；12—尾座；13—剪切销4；14—剪切销3；15—剪切销2；16—剪切销1；17—套管；18—油管。图6 工艺管柱结构示意图Fig.6 Schematic structure of process string

3.3 工艺实施步骤及流程

连续管携带工具管柱到达封堵层位位置，通过持续加压开关堵剂泵出口、释放承托及扶正组件、挤注堵剂、脱手扶正组件，工艺原理如图7所示。工艺实施步骤及流程如下：①根据封堵层位深度确定连续管Ⅰ长度，准备连续管Ⅰ；②根据设计套管塞面高度计算所需堵剂用量，确定预置承留堵剂连续管Ⅱ长度，准备连续管Ⅱ；③地面测试超高扩径不动管柱选层堵水工具；④将堵剂灌注到连续管Ⅱ内，灌注完成后，连续管Ⅱ上端置入泵入塞，通过连接头与连续管Ⅰ连接，下端连接堵水工具；⑤连续管携带工具管柱入井；⑥下放至目标层位深度，从连续管Ⅰ内加压打开堵剂泵出口，继续加压释放密封筒，撑开扶正组件，打开承托组件伞面；⑦保持一定压力，将堵剂通过堵剂泵出口灌注到承托伞上部；⑧堵剂灌注结束后，加压关闭堵剂泵出口，继续加压将泵入塞、扶正组件脱手至人工井底；⑨堵剂候凝结束后，上提管柱，剪断脱手组件，下层油气通道打开，上提管柱出井，作业结束。

1—油管；2—连续管Ⅰ；3—连接头；4—连续管Ⅱ；5—脱手组件；6—连续管Ⅲ；7—承托组件；8—扶正组件；9—套管。图7 工艺原理示意图Fig.7 Schematic diagram of process principle

4 结论与建议

(1)工具及工艺可有效通过最小内径55.6 mm完井管柱，在内径为217.3 mm的ø244.5 mm套管内实现坐放、泵注堵剂、承托、扶正、承压差、脱手、打开油气通道，在最大扩径比424%的情况下塞柱最大耐压差15 MPa，封堵后过流通道内径达到25.4 mm。可实现不动管柱情况下，一趟起下完成中间层封隔、选层堵水等工艺作业，成本低、作业周期短、效率高，具有较好的推广应用前景。

(2)推荐工艺选井标准为井底温度≤200 ℃，地层压力≤55 MPa，井深≤5 500 m，层间距5～550 m，油管规格不小于ø73.0 mm，套管规格ø114.3～ø244.5 mm，井筒基本完好、无积垢，套管无严重变形井段，坐封段井筒完好。由于连续管规格及作业深度受海上平台承重和吊装设备限制，陆地选井可适当扩大范围。

(3)工艺实施过程中，堵剂需预置于连续管内，堵剂用量和塞面位置精确控制是工艺能否成功的关键，应精确设计计算。作业前应优选堵剂，堵剂候凝时间应可调、具有良好的泵入性和稳定性。

(4)为确保安全和塞面深度精确，建议预先对人工井底和油管鞋进行电测校深，实施通井作业，在连续管上做好深度标记，结合油管鞋和机械接箍定位器校深，测算校订好连续管计数器深度。