新型复合式遇油遇水封隔器的研制与应用*

□ 张秀青 □ 王 玥 □ 李文杰 □ 冯 强 □ 杨文领 □ 泰淑媛

中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院 天津 300280

1 研究背景

遇油遇水封隔器是一种可以在油、水环境中持续自膨胀的封隔工具,能够在任何裸眼井或套管井内密封环空,坐封不需要移动管柱。遇油封隔器可以在油基泥浆、原油、柴油中吸油膨胀,遇水封隔器可以在水基泥浆和地层水中吸水膨胀,两者膨胀后,介质改变,不影响稳定性,使用方便。由此可见,采用遇油遇水封隔器是一种相比固井和射孔更安全、更简单的层间分隔方式。

目前,国内外广泛使用的常规遇油遇水封隔器结构简单,仅由圆柱形主封胶筒与基管连接组成,在使用中存在两方面问题。

第一,遇油遇水封隔器要求环空间隙不能过大,但如果间隙小,会导致工具下入困难。

第二,封隔器胶筒在介质中的膨胀率不一致,呈两端膨胀快、中间膨胀慢的规律,使封隔器胶筒无法与环空建立全段紧密贴合,影响密封能力。

为了更好地发挥遇油遇水封隔器在各油田中的作用,笔者在常规遇油遇水封隔器的基础上进行优化与改进,研制了新型复合式遇油遇水封隔器。

2 设计

为了解决目前常规遇油遇水封隔器存在的问题,笔者对常规遇油遇水封隔器进行优化与改进,引入压缩式封隔器组合胶筒思路,添加具有压缩功能的保护胶筒,建立自膨胀+压缩膨胀复合式胶筒系统,以提高封隔器的整体密封性能。

新型复合式遇油遇水封隔器结构如图1所示。在中心管上硫化有自膨胀长胶筒。自膨胀长胶筒采用凹凸结构,凹陷位置用于存储膨胀介质。自膨胀长胶筒由外及内依次为保护橡胶、自膨胀主封橡胶、快速膨胀橡胶三层。在自膨胀长胶筒两端和中部装有压缩式胶筒。两端的压缩式胶筒用于保护自膨胀长胶筒,提高承压能力。中部压缩式端胶筒、中部压缩式主胶筒由自膨胀隔环启动,起辅助密封的作用。新型复合式遇油遇水封隔器下入井中,在自膨胀长胶筒外层保护橡胶的作用下,下放过程中减缓内部自膨胀主封橡胶膨胀,使封隔器顺利下放。下放到目的层后,自膨胀长胶筒在遇油或遇水一段时间后自动膨胀,胶筒凹陷处始终存有膨胀介质,提高耐压性能。压缩式胶筒同时起到良好的保护及辅助密封作用。

将新型复合式遇油遇水封隔器工具接入完井管柱中,完井管柱下到位后,自膨胀长胶筒与油或水接触,经过7～20 d自动膨胀填充密封空间,自膨胀长胶筒紧贴井壁。在自膨胀长胶筒膨胀过程中,膨胀力传至端部压缩式上胶筒、端部保护隔环、端部压缩式下胶筒实现膨胀。两端的压缩式胶筒膨胀后,扣覆在自膨胀长胶筒肩部,对自膨胀长胶筒起良好的保护作用,提高自膨胀长胶筒的密封性能。自膨胀长胶筒在油水介质下膨胀的同时,将膨胀力传递至中部压缩式端胶筒和中部压缩式主胶筒,自膨胀隔环在油水介质下也会发生膨胀。在双重挤压作用下,中部压缩式端胶筒和中部压缩式主胶筒膨胀展开,起辅助密封作用,并且能够缓冲压力对自膨胀长胶筒的损伤,进一步提高封隔器的密封能力,延长使用寿命。

3 特点

新型复合式遇油遇水封隔器主要有两方面特点。

(1) 自膨胀长胶筒采用凹凸结构,可将油、水等膨胀介质有效存留在自膨胀长胶筒的凹陷部位,使自膨胀长胶筒能够与油或水充分接触膨胀。

(2) 在自膨胀长胶筒的两端设计压缩式胶筒,可以对自膨胀长胶筒起有效保护作用,进一步提高密封性能。

4 试验

试验时,将7 in新型复合式遇水封隔器密封样机放置于220 mm内径模拟裸眼试验台架中,将5 in新型复合式遇油封隔器密封样机放置于160 mm内径模拟裸眼试验台架中,向220 mm内径模拟裸眼试验胎具中注自来水,向160 mm内径模拟裸眼试验胎具中注柴油。

在试验台架上连接加温设备,做好标记,记录浸泡时间,进行浸泡。连接试压泵,每隔5 d做一次低压验封试验,试验压力不大于5 MPa,稳压时间为10 min,以压降小于0.5 MPa为合格。试验天数为去除环保检查的有效浸泡天数,试验季节为冬季,加温装置最高加温至25℃。低压试验结果见表1,两种新型复合式遇油遇水封隔器试验结果相同。

表1 低压试验结果

低压试验成功后,开泵打压,测试密封样机耐压能力。以5 MPa为起点,每5 MPa为一个节点分阶段打压,每个节点稳压5 min,观察压降,检测封隔器的耐压能力,最高测试压力不高于35 MPa,并记录耐压能力测试结果。

5 in新型复合式遇油封隔器,自膨胀长胶筒平均外径为149.8 mm,内径为127 mm,胶层厚度为11.5 mm,长度为2.71 m,25℃下浸泡15～20 d,在平均内径为160 mm的模拟裸眼试验胎具内建立密封。经测试,自膨胀长胶筒承压至30 MPa,稳压5 min无压降,最大加压至35 MPa,5 min后压降为8 MPa,密封样机出现渗漏,但并未失效。由此可见,5 in新型复合式遇油封隔器完全可以承受30 MPa压力。

7 in新型复合式遇水封隔器,自膨胀长胶筒平均外径为207.1 mm,内径为180 mm,胶层厚度为13.5 mm,长度为2.71 m,25℃下浸泡15～20 d,在平均内径为220 mm的模拟裸眼试验胎具内建立密封。经测试,自膨胀长胶筒承压至35 MPa,稳压5 min均无压降。由此可见,7 in新型复合式遇水封隔器承压能力至少达到35 MPa。

遇油橡胶与遇水橡胶的机械强度相近,所得到的测试结果适用于对应尺寸的新型复合式遇油或遇水封隔器。

通过试验确认,7 in复合式遇油遇水封隔器与5 in复合式遇油遇水封隔器耐压能力均满足要求,胶层厚度分别为13.5 mm和11.5 mm,相比均常规遇油遇水封隔器胶层厚度减小30%～40%。胶筒胶层变薄后允许采用更大尺寸的基管,使封隔器拥有大通径特性。

5 现场应用

新型复合式遇水封隔器在冀东油田共试验应用20口井,现场施工一次性成功率达到100%。

以冀东某井为例,该井设计在8.5 in井眼中下入5.5 in新型复合式遇水封隔器,封隔器的应用深度为2 000～3 000 m,应用井型为水平井,地层水矿化度为低至中度,井下温度为80～100 ℃。该井通过筛管开发油层,在筛管之间下入新型复合式遇水封隔器封隔水层,筛管和封隔器下入位置处于水平段。

新型复合式遇水封隔器下入位置为2 393 m和2 401 m,处于筛管段之间,用于封隔之间的水层,减少油井出水,现场应用情况如图2所示。

新型复合式遇水封隔器下入后,与泥浆接触进入膨胀状态,整个管柱下入时间为18 h。封隔器下入顺利,固井结束后进行侯凝、钻塞、钻机搬迁与洗井施工。封隔器静置周期为14 d,之后投产。

该井应用新型复合式遇水封隔器后,产油含水量明显低于临井,最高比开发同层位的临井低50%,证明新型复合式遇水封隔器封隔有效。

6 结论

笔者所研制的新型复合式遇油遇水封隔器可以很好地实现油水层间分隔,对比国内外同类产品,通过结构与材料优化,在相同耐压性能与通径的条件下,封隔器外径减小14%,有效降低了下入过程中的风险。

新型复合式遇油遇水封隔器安全可靠,满足了储层的层间分隔要求,在冀东油田成功应用超过20口井,施工成功率与封隔有效率均达到100%,具有良好的推广应用前景,为冀东油田油井控水稳产做出了突出贡献。