海上油田无人平台不动原井管柱气举技术研究

刁东镇，刘常清，杜 斌，田发超，朱 橙

（1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300459；2.中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津 300459）

0 引言

无人平台几乎分布于世界上所有油气活跃区域，中海油无人平台主要用于边际油田开发。从1999年8月南海西部涠11-4C第一个无人平台投入使用至今，中海油在无人平台开发上取得了很多实践经验[1]。无人平台采油井主要采用电泵举升方式生产，由于无修井设备、电泵故障后需使用钻井船进行动管柱检泵作业[2]，修井费用高昂且需等待钻井船作业窗口，无法实现快速复产，不利于油田整体经济效益。

气举采油技术目前是国际上应用最广泛的机械采油方式之一，具有管理方便、操作成本低、产量调节灵活，以及对斜井、含砂、含气较多和含有腐蚀性成分的油井具有良好的适应性等优点，近年来广泛应用在渤海油田中高气油比油田开发中[3-5]。利用邻井气井产出的天然气作为气源实施环空气举是一种有效的排水采气工艺，海上油田部分无人平台具有高压气源井，通过简单流程改造就可以满足临井气举要求，但是该工艺常常要求井下管柱带有气举阀，如不带气举阀的井则不能实施该工艺。

基于以上背景，针对无人平台采油井电泵故障无法快速修井的问题，从气举采油角度出发，提出了一种适合海上油田无人平台的不动管柱管内封隔式气举工艺技术。该技术利用钢丝作业在原井油管内下入封隔器，封隔器坐封后，在坐封位置上部打孔，然后下入气举工具，通过多个封隔器将油管进行多层封隔，每个封隔段均下入气举阀，起到气举举升目的，解决了海上油田无人平台修井作业难题。

1 不动原井管柱气举工艺管柱设计

1.1 管柱结构

结合海上油田无人平台采油井大多采用9-5/8in套管完井、3-1/2in生产油管、高产液量、大斜度（井斜超60°）等特点，进行不动管柱管内封隔式气举工艺管柱设计。设计思路：在原井油管（井斜小于60°位置）内下入管内封隔器，封隔器坐封后下入打孔工具，打孔工具在封隔器坐封位置遇阻后，以封隔器为基准点，上提1m～2m，在油管上打孔，建立环空气举通道。为了防止油套连通造成安全隐患，在打孔位置上部下入气举工具串，工具串主要包括管内封隔器、油管短节、气举工作筒（外置气举阀）及插入密封，通过上下管内封隔器和插入密封对打孔位置进行封隔，改造地面邻井气举流程，邻井高压气经油套环空、油管打孔点、气举阀进入油管内部，达到电泵井气举复产目的[6,7]。

管柱结构主要分外管和内管两部分组成。外管为原生产管柱，主要包括安全阀、滑套、定位密封、带孔管等，内管为新下入管内封隔式气举管柱，主要包括管内封隔器、油管短节、插入密封、气举工作筒、气举阀。管柱结构示意图如图1。

图1 不动管柱管内封隔式气举工艺管柱示意图Fig.1 Schematic diagram of packed gas lift process string in fixed string

受限于平台吊车载荷，连续油管设备和电缆作业设备无法满足现场吊装要求。该技术现场实施主要依靠钢丝作业完成，钢丝作业是海上油气田完井、修井和测试中广泛应用的一种成熟工艺，当前海上油田气举阀投捞作业主要用钢丝作业完成，因此设计的工艺管柱现场可实施性较高[8]。

1.2 工艺原理

坐封封隔器：在井口组装封隔器下入工具串，工具串组合：加重杆+电动坐封工具+管内封隔器。工具串下井前提前预设电动坐封工具坐封时间。钢丝作业将封隔器工具串下入至打孔点以下1m～3m位置（以钢丝设备表盘记录深度为参考），等待坐封工具到达预设坐封时间后，电动坐封工具执行坐封指令，坐封管内封隔器，坐封结束后起出坐封工具，管内封隔器留在井中。

油管打孔：在井口组装电动打孔工具串，工具串组合：加重杆+电动打孔工具，电动打孔工具下井前提前预设打孔时间。钢丝作业将电动打孔工具下放至管内封隔器位置，遇阻后上提1m～2m到设计打孔位置，等待打孔工具到达预设打孔时间后，电动打孔工具执行打孔指令，开始打孔，打孔结束后，起出工具串。

打孔点封隔：井口组装气举工具串，工具串组合（从上至下）：震击器+坐封工具+管内封隔器+油管短节+气举工作筒（外置气举阀）+油管短节+插入密封，通过调整油管短节长度，可降低打孔位置偏差导致的封堵失效风险。钢丝作业下入气举工具串至管内封隔器位置，插入密封管内封隔器，小幅震击确保插入密封到位，然后等待上部管内封隔器完成坐封，通过上部管内封隔器、下部管内封隔器和插入密封配合实现气举阀上下封隔。

气举：按照设计，依次在其他位置打孔，下入管内封隔器和气举工作串，所有工具到位后导通井口注气流程，通过油套环空建立注气通道，注入气通过打孔位置进入气举阀。当压力达到气举阀开启压力后，气举阀打开，注入气进入井筒，实现气举目的。

1.3 技术特点

①无需起出原井管柱，降低安全风险，节约修井成本；②依靠钢丝作业，实现多级气举要求，达到油井快速复产目的；③利用高压气井作为气源，实现邻井气举；④优选大通径管内封隔器，满足大排量产液要求。

图3 小直径固定式气举阀结构示意图Fig.3 Structure diagram of small diameter fixed gas lift valve

1.4 适用条件

①适用油管：3.5in；②平台具有高压气源；③适用井斜：≤60°；④油套管符合气密性要求。

2 配套井下工具

2.1 小直径气举工作筒

气举工作筒作为产液和注气通道，是管柱核心组成之一。目前海上油田常用的气举工作筒为偏心结构，气举阀内置，通过钢丝作业投捞气举阀实现阀参数调整，但偏心气举工作筒外径141mm，无法满足油管内下入要求，为此设计了一种既能在油管内下入又可安装气举阀的小直径气举工作筒。该工作筒最大外径65mm，满足3-1/2in油管内下入要求，本体上、下设气密扣，可与油管短节相连。为保障工作筒过液能力，设计了将气举阀放置于工作筒外侧的方案，在气举工作筒本体外侧上设连接孔，气举阀通过连接孔与工作筒连接，连接孔与工作筒内腔连通，注入气体通过气举阀和连接孔进入工作筒内腔，与地层产液混合，实现气举功能。工作筒材质选择13Cr，以满足长期防腐要求。工作筒结构示意图如图2。

图2 气举工作筒结构示意图Fig.2 Structure diagram of air lift cylinder

2.2 气举阀

目前海上油田常用的气举阀为投捞式气举阀，本体外径25.4mm，气举阀靠波纹管充氮气提供气举阀的关闭压力。当生产压力超过关闭压力时，波纹管被压缩，阀球离开阀座，压缩气注入油管完成举升。为保障气举工作筒中心通道过液能力，本方案优选小直径固定式气举阀，气举阀外径15.875mm，最大阀孔径4.7mm，满足3×104m3/d过气量。气举阀与工作筒采用固定式连接，置于工作筒外侧，注入气通过气举阀和工作筒连接孔通道进入油管，达到气举举升目的。

2.3 大通径管内封隔器

当前海上油田常用3-1/2in生产油管的参数为N80钢级，名义重量13.84kg/m，内通径76mm。为保障管内封隔器顺利下入并有效封隔，方案优选威德福的WidePak封隔器。该封隔器是一种大通径管内封隔器，最大外径69.09mm，内径45.97mm，电动坐封，可用于各种完修井作业，可以用连续油管、钢丝绳、电缆以及普通油管下入到现有完井管柱上，具有适用范围广，过流面积大，解封力小，适合大位移水平井等优点。

2.4 电动打孔工具

油管钢丝打孔是海上油田常用的一种机械打孔方式，钢丝携带油管打孔器下井，依靠钢丝作业上下运动、震击实现油管打孔，具有施工方便，作业费用低等优点[8,9]，但钢丝打孔对井况和操作人员的经验要求较高，打孔前要收集油管材质资料，打孔过程要避开接箍，钢丝的快速上提下放导致打孔位置难以精确控制，给打孔点封隔带来一定难度，因此本方案优选电动打孔方式。方案优选凯撒公司K-Punch电动打孔工具，该工具采用模块结构，包含5个短节：电池短节-马达短节-变速箱短节-拉杆短节-打孔短节。打孔短节为机械-液压式结构，拉杆上拉即可压缩液压油形成打孔压力，通过上提拉杆实现打孔，继续上拉实现打孔底座回收，一次行程可以实现打孔器的多孔穿透和回收，增大了稳定性和回收的安全性。该工具在油管小截面上产生持续的巨大压力从而不会使油管变形，适合J-55，N-80，P-110等各类等级油管，消除了传统机械打孔工具成功率低，对于目标油管有限制等问题，具有作业方便，定位精准等多种优点。

3 地面试验

在陆地试验井对工艺进行试验，验证工艺现场可实施性。

1）试验井基本参数：井深1813.71m，垂深1040m，水平段长400m，套管规格13-5/8in。

2）现场试验步骤：

① 在试验井下入3-1/2in油管，管柱组合：3-1/2in油管10根+圆堵。油管下井前要进行编号并丈量油管长度，精确到毫米。

② 钢丝作业通井，通井至圆堵位置。

③ 钢丝作业下入封隔器工具串至设计位置，工具串组合：电动坐封工具+管内封隔器+单流阀。

④ 坐封管内封隔器。

⑤ 验封。油管正打压1000psi，稳压10min，压力不降，坐封合格。

⑥ 钢丝作业下入电动打孔工具，工具串组合：加重杆+电动打孔工具，在管内封隔器坐封位置遇阻后，上提1m打孔，记录打孔时钢丝绞车表盘读数和打孔时间，打孔结束后起出打孔工具串。

⑦ 钢丝作业下入气举工具串，工具串组成：震击器+电动坐封工具+管内封隔器+油管短节+气举工作筒（带气举阀）+油管短节+插入密封，插入密封到位后，坐封管内封隔器。

⑧ 验封。油管正打压1000psi，稳压10min，压力不降，坐封合格。

⑨ 下入封隔器回收工具，解封封隔器，解封力17kN。

⑩ 起出油管，观察打孔点形状为圆形，孔径9.5mm，校准打孔深度和设计深度误差12cm。

4 结论

1）该工艺不动原井管柱，作业过程无需钻井船配合，只需要钢丝作业即可实现无人平台油井复产，可显著降低油田作业成本和作业风险。

2）管柱结构简单，设计的气举工作筒优选小直径气举阀、大通径管内封隔器和电动打孔工具，保障工艺技术具备现场应用基础。

3）地面试验表明，该工艺现场可实施性强，作业成功率高，具有较高的推广应用价值。