井下作业油管上窜的原因分析及预防对策

2019-07-10 版权声明 举报文章

摘 要:通过对井下作业发生油管上窜事故的成因进行分析,并对形成油管上窜所具备的条件进行分类,阐述了根据不同的地面显示预兆,如何进行及时的预防处理。在不增加工艺措施的情况下,能有效避免油管上窜事故的发生,实现减少井喷事故及安全事故发生的目的。

主题词:井下作业 封隔器 油管上窜 预防措施

0 引言

孤东馆陶组油藏开发层系多,油水井为实现分层注水、采油,以及防砂等工艺措施,一般是采用不同类型的各种封隔器来实现。油田经过多年的开发,部分区块注采失衡,高压区、高压层较多,在打开这些封闭层时,便会造成井液涌入井筒。井下作业在进行这类井换封、拔封起管柱施工过程中,当发生溢流通过井控关井程序便可实现有效关井。但有时因各种原因,在起这种管柱时,会发生油管上窜事故,如果采取措施不及时,甚至会造成油管从井内喷出(图1)。虽然发生几率不高,但处理难度大危险性高,且易造成无控井喷等事故的发生。目前处理方法一般是采用倒出油管停修,待地层压力下降后再作业;另一种方法是采用滑轮控制外放,将井内管柱逐根放出后,关闭防喷器。这种方法操作繁琐,危险性大,易造成井液溢出污染环境,目前也不多采用。

1 形成油管上窜的原因

1.1形成油管上窜的条件

从理论上分析,形成油管上窜必须具备三个条件:一是封隔器胶筒膨胀与套管内壁形成密封;二是油管或封隔器堵塞,没有泄压通道,从而形成井内密闭空间;再有地层压力大于井筒液柱产生的压力和封隔器磨擦阻力。如果满足了以上三个条件,封隔器和套管就如同液缸的缸套和活塞如(图2)所示,就会发生油管上顶的现象发生。

1.2形成油管上窜条件的机理分析

1.2.1封隔器胶筒在解封后不能会缩的成因。封隔器下至井内后,胶筒在座封负荷及压差的作用下被挤胀变形,紧贴在套管内壁上,形成密封环空的作用。这样封隔器胶筒长时间受管柱重压及液柱压力的作用,以及油水及其它液体的浸泡下而产生塑性膨胀变形。当作业需起出或打捞封隔器时,虽然解除了对胶筒产生膨胀的外力,但胶筒已不能缩回,仍处在膨胀状态下而密封油套环空。如2008年对孤东油田84口作业井起出的封隔器进行检查统计,发现胶筒膨胀外径等于和超过套管内径的有71口,胶筒损坏的9口,小于套管内径的只有4口。从以上数据看,封隔器胶筒在长时间的使用后,几乎都不能恢复原样。这样就形成了封隔器胶筒膨胀与套管内壁形成密封,形成油管上窜的第一个条件。

1.2.2密闭状态的形成分析。一是自身封闭管柱,如封下采上的丢封组合,当打捞这种丢封时,如果封隔器胶筒处在膨胀状态,因没有泄压通道,这样封隔器与套管就形成密闭空间;二是其它有封隔器或封隔器组合的井,当内管通道在生产及修井作业时,被地层砂或其它固体颗粒堵塞,封隔器胶筒处在膨胀状态,因没有泄压通道,同样形成密闭空间而具备了油管上窜的第二个条件。

1.2.3井筒压差产生的原因分析。形成油管上窜的第三个条件,就是地层压力产生的压差――井口压力。因井内压力被封隔器封闭,井口压力只是一个理论值,它的形成一方面是原始地层压力高,另一方面是油田在注水过程中,注采不平衡,形成高压区。如果前两个条件成立,封隔器以下就有较高的压力(地层压力),当这个压力大于井筒液柱所产生的压力时,压力差便会对封隔器形成一个上顶力,当这个上顶力足以克服管柱在液体中的重量及封隔器胶筒与井壁的摩擦力时,就会形成油管上窜。

上顶力的大小与套管内径及地层压力的大小成正比,计算公式为:

上顶力 = 套管内平面积×井口压力―摩擦力

井口压力=地层压力-液柱压力

由公式得出封隔器在D139.7mm套管和D177.8mm套管不同压力下的上顶力见(图3)。从图中可以看出,上顶力的大小与套管直径,压差值的大小成正比。套管内径越大,压差值越大,则产生的上顶力就越大,形成油管上窜的机率也就会越高。

1.3不同类型井形成油管上窜的原因分析

油田为达到分层注水、分层采油、防砂的目的,而采用了多种封隔器及多种工艺措施。最易形成油管上窜的井主要有以下三种类型。

1.3.1水井分层注水管柱

如图4所示,水井常采用的封隔器为扩张式封隔器,封隔器胶筒在长时间承受高温、高压下,就会产生塑性变形,在停注后,胶筒不能复位,从而密封油套环形空间,另一方面水井在放溢流时,地层会激动出砂,在油管内沉集而堵塞油管及井下工具。当地层压力较高时,就有可能在作业起管柱时形成油管上窜事故。

1.3.2封下采上丢封井

如图5所示,油井在分层采油封闭某一层位及以下油层时,常采用的方法有丢封、注水泥塞和砂封,其中丢封占有很大的比例。目前丢封管柱结构一般为死堵+Y445封隔器,死堵+Y221封隔器+防顶卡瓦两种方法,封隔器下至设计位置后,座封隔器丢手来实现封闭油层的目的。这种方法封隔器是封闭的,只要地层压力高,作业捞封时,产生油管上窜的可能性最大。

1.3.3卡封及机械防砂管柱

如图6所示,油井在封上采下及机械防砂管柱的设计中,一般采用卡封组合和单独卡封与防砂组合来实现单采和防砂。卡封层被长时间封闭,地层压力无法确定,且与生产层地层压力会有很大差距。当修井作业换封、拔防砂管柱时,压井液的选择一般根据生产层的压力选择,这样如果封闭层存在高压,便会形成油管上窜隐患。

2 油管上窜的先期预兆及预防措施

2.1油管上窜发生前的预兆

井下作业在拔封、捞封过程中,如封隔器以下产生上顶力,它的初期从地面是有预兆显示的。

一种现象从指重表上可以反映出来。从图2可以看出,当井口剩余压力为0时,上顶力为0,井内管柱负荷等于管柱在液体中的重量,随着井口剩余压力的升高,产生的上顶力随着增加,井内管柱受上顶力作用负荷逐渐减少,指重表显示的负荷小于井内管柱负荷;当上顶力等于或大于井内管柱时,油管上窜就可能出现了。这种现象在指重表灵活、准确及白天作业时容易发现,但在指重表损坏,夜间作业就不易被发现。

另一种现象从起管柱来判断。因为形成油管上窜条件后油套空间是密封的,在起油管单根时套管就会排出单根长度油套环空容积的液体,且油管为堵管。停起则排液停止继续起单根现象同上,不受井内压井液密度大小的影响。但有时这种现象发生时只形成了套管环行空间密封,上起管柱时同样会排出液体,但因地层压力较低或砂埋油层就产生不了上顶力,也就不会造成油管上窜。所以确定油管是否上窜,要根据现场的具体情况,各种现象仔细的分析,才能做出确切的判断。

2.2油管上窜的预防及对策

2.2.1从根源上来预防。对高压油层的封闭在可能的情况下一般采用砂封和注水泥塞及打电缆桥塞。另外,改进封隔器胶筒性能使其高温高压下不变形,且能适应地层内各种液体性能,但目前这个问题还得不到解决。

2.2.2在形成油管上窜的初期,采取相应的措施。起管柱时当发生套管返水,管柱重量小于理论值时,要停止起管柱施工。通过上下反复活动管柱,最好能在套管接箍处或油层部位,因封隔器胶筒紧贴在套管壁上,这样长时间磨擦,能使胶筒损坏,地层压力上泄来消除油管上窜隐患。如果效果不明显,可采取憋压方法用水泥车从套管打压,憋通后替入大密度压井液。这种方法对砂堵油管不严重及扩张式封隔器有一定作用。在以上两种无效后,最好采用关对应水井、降压、或暂时停修,待压力下降后再作业。

2.2.3做好调查井史工作。在进行打开被封闭的地层时,作业前首先进行井史调查,确定被打开地层可能存在的压力情况,并采取相应的措施方案,禁止在地层压力不清,无防范措施的情况下盲目施工。

2.2.4提高作业队伍干部职工的业务技术素质。特别是带班班长,能对油管上窜形成前的预兆做出准确的分析和判断,发现起管柱负荷不正常,应制定相应的措施及对策,并及时的向上级技术部门汇报。而不是盲目的起管柱,到管柱发生上窜后再处理,就为是时以晚,使最佳的处理时期错过,增加了后期处理难度及不安全因素。

3 结论

油管上窜事故的发生,对于人员及井口周围的设备存在很大的危害性,同时易产生失控井喷和环保污染。通过对井下发生管柱上窜的研究和分析,使作业技术人员及作业工能掌握和分析发生管柱上窜的机理,对作业过程中出现的异常现象能及时的发现,并采取有效的措施加以预防,从而避免油管上窜事故的发生。

参考文献:

[1]《井下作业实用数据手册》.北京:石油工业出版社,2007.8

[2]《胜利石油管理局井控管理规定》,2006.8

作者简介:

王强(1977.9),男,助理工程师,2006年中国石油大学网络大学函授本科,现任胜利油田分公司孤东采油厂作业二大队212队队长,从事井下作业工作。

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