基于环空压力操作的试油完井一体化工具研制及应用

庞东晓, 贾 海, 韩 雄

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

试油完井一体化作业将试油和完井有机结合，通过对永久式封隔器、脱手回插工具、封堵工具、测试工具的合理优选及工艺优化设计，可以在测试作业结束后，利用脱手工具将上部测试工具起出，获取地层测试资料录取，同时封隔器及配套封堵工具留在井底。若后期需要开采，则将完井油管带上配套插管直接插入封隔器中，打开产层即可。该技术能有效提高试油转层效率，避免压井导致的井下复杂，减少漏失，保护油气层，特别适用于裂缝或溶洞发育、压力敏感的碳酸盐岩储层，是未来试油测试作业的重要发展趋势[1-4]。

试油完井一体化技术是伴随着地层测试技术和封隔器完井技术的发展而形成的一项独特技术，相比多年发展的地层测试工具和封隔器完井工具，试油完井一体化技术的成功实施特别依赖脱手回插工具、封堵工具的可靠性和现场操作人员的熟练程度[5-6]。为此，本文提出了一种新型的试油完井一体化工具，该工具将传统的封闭-脱手-回插-开井优化为封闭-试压-脱手-回插-试压-开井，进一步提高了试油完井一体化技术的可靠性，为试油完井一体化技术的推广应用奠定了坚实的基础。

一、现有试油一体化工具应用中的不足

国外贝克休斯、哈里伯顿等均开展了试油完井一体化技术相关研究，形成了相应技术和工具。而国内川渝、塔中、中石化普光和元坝气田等均开展了相关技术的研究和应用目前试油完井一体化工具主要采用两种类型。

贝克休斯公司采用CMQ-22不压井滑套作为试油完井一体化的核心工具(图1-b)，这种滑套采用侧壁式封堵技术，配合SABL完井封隔器使用，即不压井完井管柱，该管柱在测试完后，通过正转倒开锚定密封，上提管柱带动CMQ-22滑套内的心轴上移，实现产层封堵，继续上提棘爪脱手，可将上部管柱起出；如果需要，可重新开启CMQ-22滑套，下入带剪切密封和滑套打开短节的回插管柱，下压即可打开滑套沟通产层。

川庆钻探工程有限公司采用了解脱封堵测试阀作为试油完井一体化的核心工具(图1-d)，解脱封堵测试阀主要包括旋转开关阀和密封脱接器两部分，解脱时，右旋并上提管柱使心轴从密封外筒中脱出即可；通过棘爪和操作臂联动使球阀关闭，下入时将密封脱接器插入旋转开关阀顶部，推动旋转开关阀内部的棘爪和操作臂与球阀实现联动开启球阀。

这两种工具的共同特点是开启和关闭均和管柱的回插和脱手同时进行，在施工工艺都采用封闭-脱手-试压-回插-开井的工序。虽然这两种工具在设计上都强调回插到位，需要密封部分完全进入后才开启，或者完全关闭后才能实现脱手，但由于回插-开启和关闭-脱手始终在一个阶段，对于工具可靠性和操作人员的熟练程度要求很高。如油管通道关闭不严，这时可能管柱已从脱手处脱离，将无法利用其它备用工具再次关闭；如回插油管后出现插入出泄露，这时可能回插过程中已经打开油管通道，有可能导致钻井液泄露。以上情况将导致井下复杂，严重时将导致作业无法恢复。因此，需要对工具进行完善，从而提高试油完井一体化技术的可靠性。

图1 两种试油完井一体化技术管柱和核心工具

二、多次试压-脱手-回插-封堵工具研制

1.设计方案

多次试压-脱手-回插-封堵工具是一种全通径工具，配合封隔器可用于不压井情况下关井及无需解封封隔器便可更换管柱等作业；它通过环空加压关闭球阀并左旋、上提管柱即可实现从本工具处脱手的功能；还可随二次下入管柱直接插入回接外筒进行回接，再从环空加压实现开井；另外锚定密封总成回接后如有需要仍可通过反转、上提管柱再次实现从封隔器上部关井、脱手管柱的功能。

图2多次试压脱手和回插工具脱手示意图

图3多次试压脱手和回插工具回插示意图

如图2所示,该工具通过环空加压打破破裂盘使芯轴上移，从而带动球阀转动关闭通径实现封隔器上部关井。而需要上部管柱脱手时右旋(约16圈)并上提管柱，使拖出短节的右旋螺纹从回接外筒中脱出实现上部管柱脱手，脱手后仍保持关井状态;图3所示锚定密封总成可随二次回接管柱直接插入留在井内的回接外筒，锚定密封圈实现与回接外筒的密封，通过锚定爪的左旋螺纹与回接外筒实现管柱的锚定。

当需要开井时，从环空加压打破破裂盘使芯轴下移推动球阀转动打开通径实现开井。开井后锁环锁定芯轴位置，以防后期作业期间通径液体流动使芯轴上移，从而带动球阀旋转，造成非全通径状态;另外如有需要，APDT锚定密封总成回接后仍可通过反转、锚定爪的左旋螺纹从回接外筒中旋出，完成关井及上部管柱的脱手。

2. 与常用工具对比分析

相比试油一体化工具，该工具主要有以下两个方面的特点。

2.1 可逐步检测和恢复

在脱手和关闭管柱通道过程之间新增一个验封作业，另外也在回插和开启管柱通道过程之间新增一个验封作业。一旦关闭或开启通道出现验封不合格，就可以把管柱再次恢复原始状态，而不是盲目地把管柱脱手或回插而造成后续管柱泄漏问题。

2.2 工作操作可靠性高

该工具在开启和关闭球阀，打开或关闭油管通道采用的是环空加压的方法进行操作，其推动力依靠压差进行控制，相比CMQ-22不压井滑套或解脱封堵测试阀等依靠管柱下放产生的轴向力推动，本文所研制的工具推动力载荷大小稳定可靠，油管通道开关可靠性也相应提高。

3. 详细设计

根据技术需求，多次试压脱手-回插-封堵工具具体技术参数如下：外径138.0 mm；通径60.0 mm；长度2 496 mm；工作压差70 MPa；工作温度177℃；抗拉强度≥1 000 kN。

依据NACE MR0175标准采用SS-110以及Inconel 718、17-4PH等材料，进行符合标准要求的热处理及表面处理。采用氟橡胶及PE-400的支撑密封按照PEIKE标准系列进行密封设计。密封槽采用双密封圈加双支撑的密封形式，芯轴上滑动密封部位采用双槽形式，其他部位采用单槽形式。

该工具工作状态进行受力分析，在两趟管柱作业过程中承受管柱拉伸应力，另外在开井状态下承受油套压差，关井后承受关井压差[7-8]。其中破裂盘外筒、芯轴由于空气室的存在承受绝对压差。

最终设计的工具安全系数：抗内压2.39，外压2.26,均大于2.0，符合设计要求。抗拉屈服强度2 108 kN满足要求。

4.样机试验

对样机进行了高温高压环境下的功能试验。具体实验为脱手工具密封性试验；球阀关闭动作及密封性试验；工具回插及密封性试验；球阀开启试验。试验在工作压差70 MPa，工作温度150℃条件下进行。

通过实验表明,脱手前工具压差71 MPa，球阀关闭后压差71 MPa，脱手工具密封性和球阀密封均合格，工具脱手成功；回插后密封性后球阀压差73 MPa，工具回插成功，开启前密封性合格，球阀开启成功。

试验曲线如图4～图5所示。

图4 脱手关井压力温度曲线

图5 回插开井压力温度曲线

三、现场试验

1.试油完井一体化工艺完整性分析

该工具改变了以往试油完井一体化工具中开启和关闭均和管柱的回插和脱手同时进行的现状，将脱手和关闭这两个过程分开进行，同时也将回插和开启两个过程分开。这样的优点是关闭管柱通道后，试压合格后再脱手；以及回插后试压合格再打开油管通道，这样作业将给后续处理留下充足手段。

其主要工艺过程见图6。

图6 试油完井一体化工艺流程

需要脱手时，环空加压启动工具关井，通径加压检验工具密封，环空加压封隔器密封，换装井口，正转管柱倒扣，上提管柱脱手需要回插时，下放回接管柱至工具上部停止，起动泵车冲洗上部沉淀物，继续冲洗且缓慢下放管柱至下放到位，通径加压验封，合格后换装井口，环空加压启动工具开启。

2.试验效果分析

该工具在磨溪某口井进行了现场试验，该实验的主要目的是验证封闭-试压-脱手-回插-试压-开井试油完井一体化技术，验证丢手及封堵功能和回插及开井功能，完成射孔-酸化-测试联作和完井管柱回插。

试验中采用了使用APR测试工具+多次试压脱手和回插工具+Ø177.8 mm机械双向卡瓦可回收式封隔器一体化管柱对目的层进行了射孔、酸化、测试等作业，作业期间管柱密封性良好。作业完成后，通过多次试压脱手和回插工具实现丢手功能，起出上部管柱获取地层流体资料；同时，多次试压脱手和回插工具中的开关阀球阀关闭，隔断地层流体，实现封堵功能。

在测试完成后，通过配备安全阀的回插完井管柱连接回插工具下井，成功回插后试压合格后，再择机开启多次试压脱手和回插工具中的开关阀，完成试油封堵生产一体化作业。

在该次作业中，避免了压井带来的管柱复杂，在回插过程中无需压井，可以等待采油树安装完毕后开启多次试压脱手和回插工具，对于避免井下复杂，提高作业安全性具有重要意义。

四、结论

(1)本文围绕一种基于环空操作的开关阀，讨论了封闭-试压-脱手-回插-试压-开井试油完井一体化技术，该技术相比常规试油完井一体化技术增加了两个试压环节，确保了施工作业中每一步都可检测和可返回，避免了一旦脱手或回插工具密封不严导致井下复杂的问题。通过在磨溪-高石梯区块的试验表明，该工具有效提高了试油完井一体化技术在高温高压气井中的可靠性，具备推广应用前景。

(2)所研制的多次试压脱手-回插-封堵工具还不具备油套循环功能，一般需要配合专用的液空循环阀处理一些特定状况，如脱手失效、不能回插等，为此，还需要进一步开展工具研制，将油套循环功能整合到多次试压脱手-回插-封堵工具，提高多次试压脱手-回插-封堵工具适应范围。