中国油气井压裂井口保护器技术现状

李雪松

(中石化石油机械股份有限公司研究院,湖北武汉430223)

中国油气井压裂井口保护器技术现状

李雪松

(中石化石油机械股份有限公司研究院,湖北武汉430223)

油气井压裂井口保护器的作用是在油气井酸化、增产压裂过程中保护井口装置不被压裂液冲刷和腐蚀,避免为满足酸压而选用高级别的井口,从而节约成本。比较国内现有几类油气井压裂井口保护器的结构、工作原理和特点,结果表明现有井口保护器均采用胶筒组与管内表面密封,位置位于油管挂处,最终限制了保护器的通径尺寸,使大型压裂专用工具不能通过保护器;且常规井口保护器的最高压力级别大多在70MPa左右,低于页岩气压裂施工中的压力等级,不能用于非常规油气的增产作业。针对存在问题提出了改变常规井口保护器密封方式及位置的技术措施。建议中国应尽早着手研发适用于页岩气等非常规油气的专用压裂井口保护器。

保护器;压裂;井口;井口保护;页岩气

井口装置是油气井最上部控制和调节油气生产的主要设备,由套管头、油管头和采油树3部分组成,也可以用于酸化压裂、注水、测试等各种措施作业,是油气钻采装备中最关键的安全设备之一,也是油田作业中使用数量最大、种类最多的设备。井口装置的设计要求随地层、环境、井压、油气成分等因素的不同而有所差异。

低渗透储层为了改善油层供液能力通常采用压裂酸化等增产措施,增大近井地带的渗透性,提高油气产量。但在酸化压裂时,高压的工作液会对井口装置造成冲刷和腐蚀,为保证井口的作业安全,不得不选用高压力级别的井口,这就必然增加了井口的成本。

欧美等西方国家井口装置的设计、制造、试验和检测等技术一直处于世界领先水平,其产品规格全、性能先进、安全可靠性高。中国在该类装备的研发方面起步较晚,在技术水平和产品性能方面仍处于低、中端位置,特别是陆地高压采油、采气井口仍依赖进口。这些都导致油气井井口成本的增加。

为节约成本,油田在进行酸化压裂作业时,常采用压裂井口保护器,将高压流体与井口装置隔开,将井口保护起来,不被压裂液冲刷和腐蚀。这样不仅避免了选择高级别井口,且施工结束后拆下的井口保护器仍可反复使用,对降低油气井成本具有重要意义,也是油气井井口保护技术的发展方向。

1 国内压裂井口保护器技术进展

国内在井口保护器的研制与应用方面已历经多年实践和探索,先后出现了几种不同结构型式的压裂井口保护器。

1.1 KYS-100型压裂井口保护器

新疆石油管理局采油工艺研究院2002年研制的KYS-100型压裂井口保护器(图1)由联接法兰、提升管线总成、外筒、上接头、平衡阀、滑管及密封圈组成。工作原理是通过提升管线总成注入、打压液压油,驱动滑管下行和上提,进而实现对保护器的密封和解封[1]。

KYS-100型压裂井口保护器(简称保护器)的特点在于滑管为整体式滑管结构,滑管前部外表面直接装有密封圈。但保护器的安装高度过高,现场安装操作不方便,对安装高度有要求的井口不适用;保护器的坐封位置为密封皮碗进入油管密封,这种密封结构是管内表面密封,保护器的通径小。

该保护器最高工作压力为70MPa,配合3⅟2in压裂管柱,在扎那若尔油田进行多次应用,总体效果较好,但其存在无放压设备、发生意外时保护器无法取出的风险[2-4]。

1.2 LH-BHQ70/50型大通径压裂井口保护器

辽河石油勘探局2007年针对苏里格气田专门开发了LH-BHQ70/50型大通径压裂井口保护器和带有井口密封短节的KQ65/103-35型压裂采气井口的一整套压裂井口保护技术。

该保护器结构如图2所示[5],其由保护器本体、滑套、平衡总成、提升总成、本体法兰、密封短节等组成。工作原理是通过压裂泵向井内注入液体带动滑套下行,经过1号闸阀后进入密封短节内,在压力的作用下自动密封。压裂完成后通过启动提升总成上提滑套,解封保护器。平衡总成用于控制上下压力腔的压力来控制滑套的升降[6]。

该类型井口保护器的特点是采用了独立的密封短节,密封短节螺纹连接在油管挂上,这种结构有利于缩短保护器的整体高度,便于安装和施工。保护器坐封位置位于油管挂上部,密封方式是管内表面密封,通径尺寸仍然不能满足大型压裂、下放桥塞和连续油管等作业要求。额定工作压力为70MPa,仅能满足常规油气田的增产压裂作业。

1.3 液压坐封井口保护器

2012年中国石油天然气股份有限公司申请获得了“液压坐封井口保护器”专利。该保护器主要由套管、活塞管、转动杆、三通、弯头、缸筒、滑管、胶筒、扶正片、平衡管线、液压马达、液压管线和法兰式封堵等组成(图3)[7]。

在酸化压裂前将井口保护器安装于采油树清蜡阀门上部。第一液压管线输送压力驱动活塞管带动滑管下行至下极限位置。转动杆与活塞管通过正六方体结构连接,带动活塞管和滑管转动。滑管下端的胶筒在油管挂下部因摩擦密封于双公短节上。井口保护器在下极限位置时,活塞管的进液孔与三通的进液孔贯通,压裂液从弯头进入活塞管、滑管和双公短节。酸化压裂结束后,通过液压马达反转解封胶筒,通过平衡管线使活塞管上提,恢复初始状态。

该井口保护器的先进之处在于其采取侧面进液的方式,可以在压裂前进行接口管汇压力试验和密封组件试压试验,确保密封结构的可靠性;但保护器坐封方式仍采用常规的胶筒密封形式,坐封位置在油管挂下部的双公短节处,密封方式属于管内表面密封,因此该类型保护器通径尺寸仍然受到其密封方式的限制。

1.4 电液联控井口保护器

江汉石油管理局井下测试公司设计的电液联控井口保护器结构原理与中国石油天然气股份有限公司的液压坐封井口保护器相近(图4)[8],该电液联控井口保护器具有控制单元,包括转角编码器、传感器和液压控制系统。

压裂施工时,保护器通过处于井场安全区的液压控制系统(控制柜)控制。转角编码器用于测量转杆旋转角度并显示在控制柜操作面板上;位置传感器将滑管的位置传递并显示在控制柜操作面板上;面板上还设置了两个手动阀,分别控制液压缸内活塞运动方向和液压马达转动方向,活塞的运动速度和液压马达的转速分别由各自的调速阀来调节;面板还能实时显示液压马达的转角并监控油箱内和采油树内的压力。

电液联动井口保护器与其他类型井口保护器相比,增加了对保护器工作过程中的实时监测功能,能够对活塞运动位置、进液孔方向及压裂泵压和采油树压力进行实时监测,并设有超压报警功能;操作面板上的人机交互界面也使调节操作更为简单方便。

该保护器的密封方式是胶筒膨胀密封在油管挂下的油管内,属于管内表面密封方式,所以其仍然无法在通径尺寸上实现突破。

2 存在问题及建议

中国的压裂井口保护器技术已日趋成熟,在油田现场应用也越来越广泛,效果显著。然而随着非常规油气田的出现,其开采复杂性及长水平井和大型水力压力技术使得现有压裂井口保护器无法满足作业要求,存在的问题和不足已日益凸显出来。

(1)现有井口保护器的坐封方式均采用胶筒组与管内表面密封,坐封位置位于油管挂处,且承压钢管的壁厚大,这些因素最终限制了保护器的通径尺寸。

对于常规的油气井来说,此类保护器尚可满足要求,但对于非常规油气如页岩气的开采而言,现有保护器通径尺寸较小,射孔桥塞联作工具和连续油管钻桥塞等专用工具不能穿过保护器,无法满足下放桥塞和连续油管等要求。

(2)常规井口保护器的最高压力级别大多在70MPa左右,而页岩气井大型压裂施工中的压力等级高达105MPa,常规井口保护器可能会出现密封失效等问题,不能用于非常规油气的增产作业。

针对现有压裂井口保护器存在的问题和不足,提出以下建议:

一是从改变常规保护器的密封方式上实现突破,如将常规保护器胶筒组与管内表面密封的方式改成端面密封方式,使保护器的通径尺寸与套管内径一致,真正实现大通径、大排量。

二是改变压裂井口保护器的坐封位置,将上法兰与压裂井口装置相连,使压裂保护芯筒穿过油管头主通径,与套管头坐封,将高压压裂液与油管头隔开,降低油管头的压力等级。

3 前景展望

从国内外油气田的开发现状和发展趋势来看,无论是常规油气的增产稳产,还是非常规油气(如页岩气)的开发,水平井+大型压裂技术都是油气开采的必然选择。射孔桥塞联作、连续油管作业及大型压裂技术均是页岩气等非常规油气藏开发过程中的关键技术。目前现有油气井压裂井口保护器无论从结构上还是承压级别上,都无法满足非常规油气的开发需求[9-17]。

面对常规及非常规油气的发展趋势,以及中国页岩气专用井口保护器技术领域的空白现状,建议中国应尽早着手研发适用于页岩气等非常规油气的专用压裂井口保护器。

[1] 向河,于江山,薛承文,等.一种采油(气)井口保护器:中国,CN01265010.2[P].2002-08-28.

[2] 王斌,蒙永立,薛承文,等.KYS-100型压裂井口保护器在扎那若尔油田的应用[J].新疆石油科技, 2003,13(4):43-44.

[3] 薛承文,蒙永立,张国红,等.压裂井口保护器施工中的典型问题与井例技术分析[J].新疆石油科技, 2012,22(4):23-25.

[4] 薛承文,蒙永立.压裂井口保护器施工中密封皮碗破裂原因分析及预防[J].新疆石油科技,2011,21 (4):45-46.

[5] 李志龙.压裂井口保护技术的研究与应用[J].石油机械,2009,37(1):70-72.

[6] 张克海,顾方钢,李民,等.大通径压裂井口保护器:中国,CN200955369[P].2007-10-03.

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Technical Status of Wellhead Protector for Oil and Gas Well Fracturing Presently in China

Li Xuesong
(Research Institute of Sinopec Oilfield Equipment Corporation,Wuhan,Hubei 430223,China)

The function of wellhead protector for oil and gas well fracturing is to protect wellhead device,prevent it from being washed and corroded in the process of acidizing and fracturing,avoid to choose the high pressure-rating wellhead that used to meet the need of acid fracturing,so as to save the cost.Compared with the structure,working principle and characteristics of current several kinds of wellhead protectors for oil and gas well fracturing in China,the results showed that existing wellhead protectors are sealed by rubber tube on inner surface of pipe,the position is located in the tubing hanger, which restricts the bore size of protector,so,the special tools for large scale fracturing can′t pass through the protector. Moreover,the maximum pressure level of conventional wellhead protector is only 70 MPa,and lower than the pressure level in the process of shale gas fracturing,preventing it from being used to the stimulation of unconventional oil and gas.In the paper,the technical measures to change the sealing method and position of conventional protectors are proposed,and suggested that China should be early developed the special wellhead protectors for unconventional oil and gas fracturing,e.g. shale gas.

protector;fracturing;wellhead;wellhead protection;shale gas

TE931

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李雪松(1986年生),助理工程师,现从事石油井下工具产品技术开发工作。邮箱:275851802@qq.com。