一種新型油藏隔離閥在海上水平裸眼氣井中的應用

萬宏春 李艷飛 葛俊瑞 蔡斌 吳健

1.中海油能源發展股份有限公司上海工程技術公司；2.中海石油(中國)有限公司上海分公司

水平裸眼氣井完井修井作業過程中，為保證井控安全，需要連續向井筒內灌滿工作液，加之循環洗井期間工作液漏失量遠超估計值［1］，對近井帶儲層造成傷害，影響油氣井產量，為此，引入儲層保護工具??油藏隔離閥。常用的機械式隔離閥包括板閥式防漏失閥和球閥式油藏隔離閥，2 種隔離閥都需要連接在懸掛封隔器下部，隨懸掛封隔器一起下入井筒，與懸掛封隔器組成隔離系統［2］。板閥式防漏失閥為單向閥，僅能防止井筒流體向地層漏失，不能防止地層流體向井筒流入，無法保障井筒井控安全，且板閥一旦打碎便無法再使用［3］，在后期檢泵、修井等作業中失去防止漏失保護油藏功能。目前國內球閥式油藏隔離閥使用經驗少，國外機械式油藏隔離閥為球閥式雙向閥，可以實現井筒及地層流體的雙向隔離［4］，價格昂貴、成本高。

在國內外傳統儲層保護工具調研基礎上設計了一種機械式油藏隔離閥，可實現井筒與地層雙向隔離［5］，為解決水平裸眼氣井儲層保護、提高井筒清潔效率、降低井控風險進而實現油氣井全壽命周期儲層保護提供了一種安全有效的技術手段。

1 油藏隔離閥及其開關工具

新型油藏隔離閥是一種機械式可重復開關球閥，安裝在懸掛封隔器下部，與懸掛封隔器組成隔離系統，由專用開關工具打開和關閉球閥［6］，開關工具分為單開工具、單關工具、開關工具3 種。油藏隔離閥與懸掛封隔器組成的隔離系統可以防止球閥上部流體向下流動，又可以防止球閥下部流體及氣體向上流動［7］。既實現了井筒工作液的防漏，又防止地層氣體侵入井筒造成井控安全問題。

油藏隔離閥主要由本體、開關槽、推筒、球閥、球閥閥座、底部接頭組成，開關工具主要由本體、開關套、開關套壓環、應急銷釘、底部接頭組成，見圖1。油藏隔離閥開關原理為專用開關工具下入到油藏隔離閥內，開關工具開關套與油藏隔離閥內部推筒上部開關槽咬合［8］，下壓開關工具帶動推筒下移，球閥打開；繼續下壓開關工具，開關工具開關套與開關槽脫手，開關工具通過油藏隔離閥。關閉球閥時，上提開關工具，開關工具開關套與油藏隔離閥推筒上部開關槽咬合，開關工具帶動推筒上移，球閥關閉，繼續上提開關工具，開關工具開關套與油藏隔離閥開關槽脫手。為了防止開關工具熱處理過程中應力集中，開關工具開關套設計過渡倒角，可以釋放應力集中，避免了開關套受力不均而出現斷裂現象。為了保證開關套打開槽具備足夠的彈性，對熱處理工藝進行有效控制，處理過程中打開槽不完全打通，處理完成后打通，確保打開槽淬火變形小。

圖1 油藏隔離閥及開關工具結構圖Fig.1 Structural diagrams of the reservoir isolation valve and switch tool

開關工具設計了應急脫手機構，防止開關工具無法向上關閉球閥［9］，造成井下復雜情況。該應急脫手機構為上提開關工具，過提78.5 kN，將應急銷釘剪斷，開關套壓環將開關套外徑壓縮變小，從而通過油藏隔離閥。

新型油藏隔離閥適用于?244.475 mm 套管，L80-13 Cr 材質，最大外徑208.0 mm，打開后最小內徑116 mm，壓力等級51.7 MPa，溫度等級150 ℃，閥體密封方式為非彈性體密封、材質PTFE，開關力9.8～19.6 kN，開關行程0.06 m，打開方式為機械工具開關，閥結構為整體全球閥式；開關工具適用于?244.475 mm 套管，合金鋼材質，最大外徑（剛體、膨脹件）113、134 mm，最小內徑50 mm，壓力等級35 MPa，溫度等級150 ℃，剪切銷釘數量8 個，開關力9.8～19.6 kN，長度1.3 m，下部可接短節長度小于1 m，緊急釋放剪切力78.5 kN。

2 室內性能測試

2.1 油藏隔離閥密封性能測試

將油藏隔離閥置于支撐架上，下端連接試壓接頭及管線，置于試壓區(圖2)，啟動試壓泵B，用清水對球閥進行反向試壓53 MPa、15 min［10］，無泄漏，泄壓。拆卸下端試壓接頭，并將試壓接頭及試壓管線連接在油藏隔離閥上端，啟動試壓泵A，用清水對球閥進行正向試壓53 MPa、15 min，無泄漏，泄壓。試驗結果：油藏隔離閥球閥正、反向密封性良好。

圖2 油藏隔離閥正反向試壓示例圖Fig.2 Example of forward/backward pressure testing of the reservoir isolation valve

2.2 油藏隔離閥開關性能測試

將開關工具插入油藏隔離閥內，球閥處于關閉狀態，整體放入臥式拉力架上，開關工具上端連接拉力接頭，測試開關工具開啟球閥以及與油藏隔離閥的脫手力。

開啟拉力架，下壓開關工具，記錄開關工具開啟球閥及脫手力，重復上述操作6 次，試驗數據見表1。試驗結果：油藏隔離閥開啟力13.7～23.5 kN，關閉力17.7～20.6 kN，脫手力39.2～49.0 kN，重復性和穩定性較好。

表1 油藏隔離閥開關性能測試Table 1 Switching performance testing of the reservoir isolation valve

2.3 油藏隔離閥重入密封性測試

進行油藏隔離閥開關試驗后，提出開關工具，拆卸油藏隔離閥，檢查球閥完好性，對球閥進行無損檢測，無異常，見圖3。將球閥重新裝配進油藏隔離閥，關閉球閥，再次用清水對球閥進行正、反向試壓53 MPa、15 min，均無泄漏，泄壓。試驗結果：油藏隔離閥經多次開關后，球閥無損傷，密封性能穩定，可重復使用。

圖3 油藏隔離閥多次開關后無損檢測Fig.3 Non-deductive inspection of the reservoir isolation valve after repeated switching

3 油藏隔離閥下入關鍵技術

新型油藏隔離閥現場應用主要包括油藏隔離閥與懸掛封隔器、打孔管一起下入，同時考慮首次應用，為生產管柱攜帶開關工具開啟油藏隔離閥提供實踐依據［11］，設計刮管洗井管柱攜帶油管對油藏隔離閥球閥進行開關試驗［12］，進一步驗證油藏隔離閥在井下開關性能的穩定性。

3.1 打孔管柱下入設計

新型油藏隔離閥下入分為外層管柱及內層中心管柱下入，外層管柱結構為：?177.8 mm 裸眼循環閥+?177.8 mm 短盲管+?177.8 mm 密封筒+?177.8 mm 打孔管+油藏隔離閥+?177.8 mm 盲管×2 根+快速接頭+?212 mm 懸掛封隔器，如圖4 所示。內層管柱結構為：?107.95 mm 洗井插入頭+?134 mm 油藏隔離閥開關工具+?73 mm NU 油管+旋轉接頭+坐封工具，如圖5 所示。

圖4 外層打孔管管柱結構示意圖Fig.4 Structural diagram of the outer bored pipe

圖5 內層管柱結構示意圖Fig.5 Structural diagram of the inner pipe

先下入裝有新型油藏隔離閥與打孔管的外層打孔管柱，再下入攜帶油藏隔離閥開關工具內層中心管柱，內層中心管柱洗井插入頭插入裸眼循環閥，裸眼循環閥單流閥頂通，使打孔管柱內外連通，實現下鉆過程自動灌液。打孔管柱下至設計深度后，首先坐封、坐掛外層打孔管柱懸掛器，然后將內層中心管柱丟手，起出油藏隔離閥開關工具，使油藏隔離閥保持關閉狀態，從而使水平段裸眼儲層得到完全隔離。在油藏隔離閥上部套管刮管洗井過程中，采用較大的循環排量及循環壓力清洗套管，下部儲層也不存在漏失，從而實現洗井過程中儲層的0 漏失和0污染。

下入油藏隔離閥時，油藏隔離閥與懸掛封隔器之間需要連接2～3 根盲管，使油藏隔離閥與懸掛封隔器保持一定距離，防止油藏隔離閥開關工具對懸掛封隔器解封機構造成不利影響。

油藏隔離閥開關工具下部連接的洗井插入頭長度要小于油藏隔閥開關頭到球閥距離，以免影響球閥開關。要對入井前油藏隔離閥球閥做壓力測試，關閉后正向打壓35 MPa 保持15 min，合格后才能入井。由于開關工具通過油藏隔離閥時需要9.8～19.6 kN 的力，在井口下入開關工具時，需要準備2 根導鏈，將導鏈下端固定在井口套管卡瓦上，上端通過安全卡瓦固定在中心管本體上，通過拉導鏈增加中心管下壓力，使開關工具順利通過油藏隔離閥本體。

裝有油藏隔離閥的管柱入井時要控制下鉆速度，下放速度不超過0.3 m/s，下放速度過快會導致銷釘壓力激動，從而引起懸掛封隔器提前坐封。管柱下至設計深度，坐封懸掛封隔器，關閉球閥后，需要對井筒打壓13.8 MPa，驗證井筒及球閥的密封性能。

3.2 刮管洗井管柱下入設計

生產管柱下至井底需要通過油藏隔離閥，由于該井比較深，生產管柱采用?73 mm 油管組合，下壓載荷不宜過大，否則易使管柱發生形變彎曲，導致油藏隔離閥難以開啟的情況。因此設計在刮管洗井管柱上使用?73 mm 油管攜帶油藏隔離閥開關工具，模擬生產管柱結構，測試?73 mm 油管在設計載荷下油藏隔離閥球閥開關情況，為生產管柱攜帶油藏隔離閥開關工具打開油藏隔離閥提供實踐依據［13］。由于?73 mm 油管不能實施過大下壓噸位，設計油藏隔離閥下壓開啟力控制在39.2～49 kN，油藏隔離閥最小內徑為116 mm，生產油管接箍外徑為114 mm，與油藏隔離閥內徑比較接近，因此生產油管不能下過油藏隔離閥球閥，必須設計2～3 根外徑較小的無接箍油管，方便油藏隔離閥開關工具通過油藏隔離閥球閥，驗證球閥能夠順利打開。

管柱結構自下而上為：?107.95 mm 洗井插入頭+?134 mm 油藏隔離閥開關工具+?73 mm 無接箍油管×2 根+變扣+?88.9 mm EU 倒角油管×4 根+?146.05 mm 可變徑刮管器+?177.8 mm 鉆桿(圖6)。該管柱要求刮管器采用可旋轉式結構，大斜度井遇復雜情況可以旋轉管柱，增加應急手段。

圖6 刮管洗井管柱結構Fig.6 Configuration of the well flushing scraper string

3.3 攜帶開關工具的生產管柱下入設計

攜帶油藏隔離閥開關工具生產管柱結構自下而上為：?107.95 mm 洗井插入頭+?134 mm 油藏隔離閥開關工具+?73 mm 帶孔管+?73 mm 固定球座+?73 mm 倒角油管+?213 mm 生產封隔器+?73 mm油管+井下安全閥+?88.9 mm 油管，見圖7。采用洗井插入頭，方便生產管柱引入懸掛封隔器密封延伸筒；采用固定球座投球坐封生產封隔器。

圖7 生產管柱結構示意圖Fig.7 Configuration of the production string

下放生產管柱至油藏隔離閥以上10 m，以速度0.2～0.3 m/s 勻速緩慢下入，密切注意指重表變化，若指重表明顯跳動，立即停止下入，在管柱上做標記，作為球閥打開參考標記；繼續緩慢下放管柱，下壓39.2 kN 打開油藏隔離閥。后期修井起原井生產管柱時，可以上提生產管柱關閉油藏隔離閥，修井過程中可防止井液漏失［14］，實現油藏保護的目的。

4 現場應用

4.1 基本數據

A4H 井為海上水平裸眼氣井，?212.7 mm 水平裸眼段長700 m，目的層壓力系數0.92，地層壓力32.4 MPa，地溫梯度3.38 ℃/100 m。一開?444.5 mm井眼鉆至2 206 m，?339.7 mm 套管下深2 205 m，材質N80，公稱質量90.8 kg/m。二開?311.2 mm 井眼鉆進至4 490 m，?244.5 mm 套管下深4 487 m，0～2 363.88 m 套管材質3Cr-L80，公稱質量69.9 kg/m；2 363.88～4 106.75 m 套管材質3Cr-P110，公稱質量79.6 kg/m；4 016.75～4 487 m 套管材質13Cr-L80，公稱質量79.6 kg/m。三開?212.7 mm 井眼鉆至5 190 m。井身結構見圖8，井眼軌跡見表2。

表2 A4H 井造斜段井眼軌跡數據Table 2 Well trajectory data in build-up interval of Well A4H

圖8 某區塊A4H 井井身結構示意圖Fig.8 Casing program of Well A4H

4.2 施工過程

(1)下入打孔管作業。下入外層打孔管，將油藏隔離閥與下部打孔管連接并坐于井口，油藏隔離閥入井前為打開狀態，使用開關工具對球閥進行開關及脫手測試。使用拉導鏈方式將開關工具通過及起出油藏隔離閥，球閥關閉后，打壓13.8 MPa，穩壓15 min，試壓合格。對球閥測試合格后，連接剩余管柱及懸掛封隔器，管柱順利入井。管柱到位后，坐封懸掛封隔器，對懸掛封隔器膠皮驗封合格后，脫手坐封工具，上提中心管柱，在開關工具進入油藏隔離閥后，緩慢上提，待開關工具開關套與油藏隔離閥內部開關槽咬合后，繼續上提管柱，過提9.8 kN 關閉油藏隔離閥球閥；過提44.1 kN 開關工具開關套和油藏隔離閥內部開關槽脫手，繼續上提管柱，將中心管全部起出懸掛封隔器，關閉防噴器，測試油藏隔離閥內部球閥是否完全關閉，管柱正打壓13.8 MPa，穩壓15 min，壓力不降。

(2)刮管洗井作業。開關工具隨刮管洗井管柱入井，開關工具進入油藏隔離閥前開泵，測量管柱上提下放懸重并記錄，大排量循環沖洗油藏隔離閥球閥，緩慢下放管柱，下壓9.8 kN，判斷開關工具開關套與油藏隔離閥嚙合齒咬合，繼續下放管柱0.5 m，下壓39.2 kN，下放懸重恢復正常懸重，判斷開關工具開關套和內部開關槽脫手，繼續下放管柱通過油藏隔離閥以下20 m，確認球閥已經完全打開。起出開關工具，過提14.7 kN，關閉油藏隔離閥內部球閥；過提39.2 kN，開關工具開關套和油藏隔離閥內部開關槽脫手，繼續上提管柱將中心管全部起出懸掛封隔器。關閉防噴器，管柱正打壓13.8 MPa，穩壓15 min，試壓合格，確認油藏隔離閥球閥完全關閉，大排量循環洗井清潔井筒，洗井排量4 m3/min，洗井時間7.5 h，最終洗井NTU 值為28。

(3)下入生產管柱作業。開關工具隨生產管柱入井，開關工具進入油藏隔離閥前測量管柱上提下放懸重并記錄，緩慢下放管柱，下壓9.8 kN 遇阻，多次下壓39.2 kN 管柱無法通過，最后一次快速下放管柱下壓49 kN，下放懸重恢復正常，此時開關工具開關套和油藏隔離閥內部開關槽脫手，繼續下放管柱通過油藏隔離閥內部球閥位置以下30 m，確認球閥已經完全打開，繼續下放管柱至指定深度。

4.3 應用效果

水平裸眼段下入油藏隔離閥及打孔管、刮管洗井、生產管柱作業，每趟作業順利完成油藏隔離閥設定開關動作，各種工況下球閥開關力及脫手力與室內評價試驗結果相近，見表3。

表3 每趟作業球閥打開及關閉壓力對比Table 3 Opening and closing pressure of the ball valve for each run of operations

采用新型油藏隔離閥后，整個完井過程實現工作液0 漏失。刮管洗井過程中采用海水作為洗井液，較常規完井方式減少工作液損耗50 m3左右。洗井排量高達4 m3/min，較常規洗井節約3.5 h，大幅度提高洗井效率，且洗井返出液濁度明顯減小，在此海域首次實現裸眼水平井洗井濁度NTU 值小于30，見表4。

表4 下入油藏隔離閥與常規水平井洗井效率對比Table 4 Comparison of well clean-up efficiency between horizontal wells with and without the reservoir isolation valve

開關工具隨生產管柱下入，開關工具進入油藏隔離閥，與內部開關槽咬合后多次下壓管柱39.2～49 kN，開關工具開關套和油藏隔離閥內部開關槽脫手［15］。

5 結論與認識

(1)該新型油藏隔離閥密封性能可靠，球閥及開關工具機構能夠在設定工況下準確動作，說明該工具設計合理，可滿足施工作業要求，可進一步推廣應用。

(2)該油藏隔離閥球閥開關力對生產管柱結構要求偏高，建議隨生產管柱入井的開關工具選擇為單關工具或者減小開關槽與開關套的脫手力。

(3)該新型油藏隔離閥解決了海上油氣田水平裸眼氣井儲層保護、提高井筒清潔效率、降低井控風險等難題，后期修井時，起出上部生產管柱后即可關閉油藏隔離閥，可實現油氣井全壽命周期儲層保護，為水平井高產穩產探索出一條新出路。