遇水自膨脹管外封隔器的研究與應(yīng)用

近年來，該井利用單井高產(chǎn)、油藏儲量大等優(yōu)點(diǎn)，在氣田開發(fā)中得到了大規(guī)模利用。目前,國內(nèi)的水平井完井方式比較單一,還是以套管固井射孔和篩管完井為主,均為籠統(tǒng)完井工藝,水平井段不進(jìn)行分段隔離。油氣井投產(chǎn)初期產(chǎn)量很高,但是當(dāng)邊底水在某一段突破以后,將導(dǎo)致含水率急劇上升,原油產(chǎn)量下降,嚴(yán)重時整個水平井被淹報廢。國外在10a前就已開始應(yīng)用水平井分段隔離技術(shù)來保證水平井穩(wěn)產(chǎn),主要使用管外封隔器(ECP)將水平井分為數(shù)段,產(chǎn)油層段使用篩管工具,出水層段則用盲管,這樣可以起到很好的先期堵水作用。在投產(chǎn)以后,若某一段出水,可以下入管內(nèi)堵水工具卡封該段,使該段出水下降,而其他層段生產(chǎn)不受影響,也可以采用管外封隔器結(jié)合流動控制篩管(ICD)達(dá)到水平井控水的目的。作為重要的層間隔離工具,管外封隔器技術(shù)一直在不斷發(fā)展,近年來出現(xiàn)了一些可滿足水平井完井工藝要求的新型封隔器,自膨脹封隔器就是其中之一,有遇油和遇水2種自膨脹封隔器,其中,遇水自膨脹封隔器主要用于油氣井先期和后期堵水控水作業(yè)。目前,該技術(shù)在國外已得到廣泛應(yīng)用。近年來,國內(nèi)油田開始引進(jìn)國外遇水自膨脹封隔器進(jìn)行完井。2009-10,在青海澀北一號氣田H3-5水平井的完井施工中,進(jìn)行了AT-TYF-W遇水膨脹封隔器+割縫管水平段分段選擇性完井工藝試驗。然而,國外封隔器的價格較高,單只工具報價在$3～5萬美元,影響了該技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所經(jīng)過多年攻關(guān),開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的遇水自膨脹封隔器工具及配套作業(yè)工藝,并在冀東油田進(jìn)行了多口井的現(xiàn)場試驗。1管外封隔器膠筒由中國石油勘探開發(fā)研究院開發(fā)的SZF系列遇水自膨脹封隔器的主要型號有SZF27/8″×140×1000、SZF31/2″×140×1000等,其結(jié)構(gòu)組成如圖1～2所示。封隔器膠筒外表包覆一層防護(hù)材料,防止封隔器在運(yùn)輸途中受潮而意外膨脹。該封隔器有4個特點(diǎn)。1)可靠性高沒有機(jī)械運(yùn)動部件,現(xiàn)場施工風(fēng)險小。2)自動補(bǔ)償環(huán)空間隙該特性使其可代替?zhèn)鹘y(tǒng)管外封隔器在裸眼井段中使用,特別是在水平井、分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的完井作業(yè)。3)適應(yīng)性好該封隔器通徑大,與連接的管柱等通徑和等強(qiáng)度,滿足后期井下作業(yè)的要求。4)降低作業(yè)成本現(xiàn)場作業(yè)工藝簡單,避免修井和井下作業(yè)。2主要技術(shù)以SZF27/8″×140×1000型遇水自膨脹封隔器為例,其技術(shù)參數(shù)如表1所示。3試驗與研究3.1膨脹劑和改性材料試驗裝置如圖3a。對100多種不同配方的橡膠材料進(jìn)行200多項性能測試后,開發(fā)出適合油田苛刻井下環(huán)境的遇水自膨脹橡膠材料,主要是特殊的硅橡膠材料。基本性能方面,該膨脹材料體積膨脹率已經(jīng)達(dá)到13倍,耐溫120℃,性能穩(wěn)定。膨脹試驗使用膠片作為試驗對象(如圖3b),其初始尺寸為:厚度h=2.0mm,直徑D=186mm。硅橡膠的試驗結(jié)果如圖4所示。硅橡膠的體積膨脹倍數(shù)變化曲線如圖4。通過圖4可以看出,隨著時間的增長,硅橡膠片體積逐漸增大,當(dāng)膨脹倍數(shù)達(dá)到13.8倍時基本達(dá)到平穩(wěn)值。3.2初始尺寸為5.通過不同溫度下的膨脹速率對比試驗發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,膨脹材料的膨脹速率在加快。該試驗使用試柱的初始尺寸:外徑?45mm,內(nèi)徑20mm,高度104mm(如圖5所示)。圖6中4條曲線分別代表同一種材料在20(常溫)、40、60、80℃下的膨脹率。3.3耐鹽特性對比地層水礦化度對遇水自膨脹橡膠的性能有非常重要的影響。通常,流體中所含鹽的質(zhì)量濃度越高,自膨脹橡膠膨脹率就越小,膨脹速度就越慢。在各類鹽中,二價鹽對膨脹性能的影響比一價鹽要明顯。圖7a表示遇水自膨脹橡膠在一價鈉鹽和二價鈣鹽溶液中(質(zhì)量濃度5%)的膨脹性能對比,可以很明顯看出二價鹽對膨脹率有很大影響,甚至發(fā)生失水收縮;一價鹽溶液則顯著降低了材料的膨脹速度。封隔器膠筒發(fā)生收縮在現(xiàn)場是絕對不允許的。通過篩選橡膠材料并添加膨脹穩(wěn)定劑,制成耐鹽遇水膨脹橡膠。圖7b是改進(jìn)后的材料在鈉鹽和鈣鹽溶液中的膨脹對比結(jié)果?？梢钥闯?改進(jìn)后的材料不僅膨脹率較改進(jìn)前有顯著增加,而且達(dá)到一定指標(biāo)后可以非常穩(wěn)定,基本不發(fā)生體積收縮。3.4封隔器產(chǎn)業(yè)模型對遇水自膨脹封隔器膠筒模型進(jìn)行耐壓試驗,試驗條件和試驗用膠筒模型如表2和圖8所示。試驗表明,1m長的封隔器可耐壓不低于10MPa,耐壓指標(biāo)基本滿足現(xiàn)場要求。自膨脹封隔器具有較高的耐壓差性能,其耐壓差能力與膨脹膠筒的長度具有線性比例關(guān)系。4試驗過程控制試驗2009-09,中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所研發(fā)的遇水自膨脹封隔器首次在冀東油田某井進(jìn)行水平井老井管內(nèi)控水試驗。該井2008-01投產(chǎn),初期日產(chǎn)液15.6m3,日產(chǎn)油15.5m3,含水0.2%,后來由于高含水及桿脫而停產(chǎn)。為實(shí)施控水和提高產(chǎn)量,決定分3段進(jìn)行控制。優(yōu)選Y441-150型封隔器、SZF27/8″×140×1000型遇水自膨脹封隔器及分采控制器將生產(chǎn)井段分為3段,每一段設(shè)1個分采控制器,依據(jù)試生產(chǎn)情況分段開采。第1次下入管柱組合時,Y441型封隔器加壓坐封不嚴(yán),憋不住壓。重新起管柱,換封隔器下井完井。起出管柱至第1根遇水自膨脹封隔器處,膠筒表面有輕微刮痕,沒有裂斷現(xiàn)象,外徑由?140mm膨脹至?142mm,時間18h,膨脹率1.4%,膨脹量在可接受范圍內(nèi),決定不更換遇水自膨脹封隔器,只更換Y441型封隔器后再次下井。管柱下入到位后,將上面2層關(guān)閉,打開最底層段試采。試采一段時間后,發(fā)現(xiàn)油井含水率由原來的99%降低為70%左右,最大采油量達(dá)到3t/d,試驗取得成功。管柱如圖9。4自膨脹封隔方與傳統(tǒng)機(jī)械坐封封隔器對比試驗結(jié)果,我國傳統(tǒng)自膨脹封隔方1)對遇水自膨