地面新工艺技术在塔里木油田库车超高压井的应用

一、前言

塔里木油田库车坳陷山前构造带存在大量埋深超过7000m, 最大气层埋深甚至超过8000m, 关井井口压力在95MPa以上的高温高压高产气井。对于这类超高压气井, 传统的105MPa流程及一级节流设备技术在工艺、安全等方面已不能完全满足地面测试的需要, 并且由于超高压带压作业劳动强度极高, 对作业人员身体健康带来不利影响。

为此, 塔里木测试分公司不断寻求改进设备、工艺、技术。

1.针对105MPa一类高压设备逐渐不能满足超高压气井作业要求的情况, 分公司在塔里木市场首先引进两套140MPa超一类高压设备, 不仅提前占领了超高压市场, 而且在两年多的现场应用中, 不断改进完善, 将设备能力、技术工艺远远超越同类竞争队伍, 确立了塔里木油田超高压作业首选队伍的地位。

2.针对超高压施工作业人员工作强度巨大、作业风险高的情况, 分公司积极同设备厂家沟通联系, 引进液控闸阀配套设备及电动闸阀开关执行机构, 分别通过气动液压及电动轴承传递完成开关闸阀动作, 有效较低了操作风险和作业强度, 带动了地面作业的技术发展。

3.针对超高压地面测试过程中, 地层流体经过节流管汇时压力非常高, 鉴于节流管汇上下游压差超过70MPa有可能导致节流阀阀杆切断、本体刺坏的情况, 分公司紧跟国际先进石油理念, 近年来在塔里木市场首创多级节流造回压保护应对超高压井节流压差过高的工艺, 并在塔里木多口超高压井成功应用, 通过现场应用改进, 逐渐将多级节流阀实现节流回压保护的工艺推向成熟。

二、新工艺技术介绍

1.140MPa超一类高压设备的引入:2010年以来, 随着现代石油勘探试油水平的进步, 小规模小产量油气井已不能满足现代社会对油气资源的需求, “向深处挖油、向海洋要油”已然成为现代油气勘探的共识。以往由于设备能力、工艺水平不够无法开采的超深超高压油气井逐渐引起人们的重视。常规的105MPa一类高压设备由于接近作业能力极限甚至超越额定压力, 设备能力、工艺水平、安全要求均不能满足超高压气井作业需求。由此140MPa超高压地面流程的引入, 顺利满足超高压作业的生产安全要求。

2.液控闸阀配套设备及电动闸阀开关执行机构:在带压作业过程中, 由于流体进入地面设备, 通过闸阀闸阀、阀杆时造成单向挤压, 使得闸阀开关动作克服磨阻增大。作业人员不仅作业强度大, 对人员身体健康造成影响。且存在猛发力折断阀杆、阀杆销子等情况, 而一旦阀杆、阀杆销子折断在带压情况下现场维修整改相对麻烦很多。为此, 分公司与四机厂合作完成的液压管汇及液控柜、与航空十八所共同研制的WOM进口板阀电动开关执行机构陆续登上了塔里木油田超高压作业舞台。液控柜通过打气泵对气瓶充压, 在执行开关操作时, 由气瓶提供压力推动液压管汇对应闸阀完成开关动作;电动开关执行机构则针对WOM板阀研制, 通过接入电源, 带动执行机构轴承运作, 从而快速开关井操作。

3.多级节流是通过可调式油嘴的串联实现降低节流压差、降低内部流体流速、产生下游回压缓解流体对闸阀内部结构的冲击剪切、缓解水化物形成。一般我们对高压井采用四到六级节流, 逐级分担减低流压, 效果明显。

降低节流压差的意义:一、通过节流回压原理, 降低紊流震动, 从而降低流体冲刷流速及冲击力, 降低油嘴套螺纹及本体冲蚀刺穿的风险, 有效保障设备的完好性, 并使得油嘴损伤面呈均匀扩散, 延长油嘴使用寿命, 二、通过降低节流阀上下游压差, 从而降低可调油嘴、闸阀的转动阻力, 降低作业人员工作强度;三、降低上下游压差, 减缓流体流速, 使节流管汇因低温流体流动吸热减少, 有效缓解冰堵现象;四、控制节流压力平稳, 节流曲线更合理, 有利于满足生产控制需求;五、通过多级节流, 逐级节流共同分担压力, 通过节流产生的回压降低生产压差, 保护阀杆, 杜绝高压剪断阀杆现象, 保障设备的完好可靠。

三、新工艺在塔里木库车山前超高压井的应用

库车山前地区地面计量作业对象多为超深超高压井, 以前的105MPa地面流程达不到施工要求, 为克服这一难题, 塔测试分公司急甲方之所急, 果断决策, 在2012年中率先引进140MPa地面流程, 投入到库车山前超高压市场进行应用, 并配套齐相应设备、设施, 进行工艺攻关。2013年由于库车山前地区超高压地面计量工作非常饱满, 140MPa超高压地面流程成为分公司2013年产值目标跨越式发展的重点突破口, 创造良好的经济效益, 2套140MPa超高压地面共计完成产值1900万, 约占全年产值60%。特别是在大北302井地面地量工作时, 关井最高压力达到102MPa, 创造了塔里木油田地面计量的最高关井压力记录, 而140MPa超高压地面流程最大限度保障了人员和设备的安全, 经受住极其严格的考验, 最终获得甲方市场认可成为库车山前超高压井标杆配置。2014年下达地面中队产值目标进一步提升, 由3200万上升到4150万, 年初塔里木分公司再次组织了1套140MPa地面流程, 共计完成14井次地面计量工作, 预计产值3100万, 约占总产值75%, 140MPa超高压地面流程目前已成为分公司经营产值主要贡献点。

液控闸阀配套设备及电动闸阀开关执行机构的推广应用, 不仅降低了作业风险及劳动强度, 并且降低作业对人员数量的要求, 使得公司规模、队伍作业人员配置基本维持不变的前提下, 通过科技助力生产, 完成了两年来工作量提升达50%的壮举。

2011年塔里木测试分公司参与集团公司一号重点井乌参一井地面测试作业, 同时参与施工的队伍还有Topwell、Cudd等掌握最先进石油技术的国外石油技术服务公司, 在和他们的工作交流中, 初次接触到多级节流理念。2012年起, 分公司陆续在库车山前超高压井引入多级节流阀作业30余井次, 取得良好经济效益和发展进步。

(1) 克深2-2-4井完井测试, 2013年2月14日23:00-2月16日18:31用多级节流阀控制放喷, 油压97.4↘66.8↗73.0MPa, 放喷顺利, 设备无损伤。

(2) 克深9井中途测试, 2013年10月21日11:08用6mm油嘴放喷排液, 油压90.7↘57.1MPa, 刺坏油嘴管汇本体2处, 关井整改油压↗101.7MPa~15:46改用多级节流阀排液, 油压:82.9-87.6MPa, 节流平稳未出现刺坏现象。

(3) 克深9井完井测试, 2013年12月19-21日, 进主测试流程分别用6mm、8mm、10mm油嘴系统求产, 油压分别是103.4MPa、100.7MPa、96.2MPa, 通过下游管汇节流控制下游回压20MPa, 设备本体完好, 仅油嘴内径稍微刺大, 且呈均匀扩散。

通过多井次的多级节流阀运用对比, 我们可以清晰地看到, 多级节流阀相对传统的一级节流具有颇多优势, 通过多级节流降低生产压差、提供回压缓冲保护, 施工中未出现油嘴套严重刺漏刺坏及设备本体损伤现象, 避免了节流阀杆高压剪切折断及因压力太高板阀销子承受超强磨阻开关闸门时受力超限折断, 并且有效地保护了多级节流针阀组, 提高了整套设备的可靠性, 大幅度降低了生产成本, 保障了人员、设备的安全。这也从根本上改变了我们习惯于一级节流的控制理念。

四、新工艺技术的特点、现场遇到问题及改进

140MPa超高压地面流程在目前塔里木超高压市场应对现有作业压力显得游刃有余, 目前塔里木最高关井地面压力仅达140MPa地面流程的额定作业压力的75%, 不会对设备、人员造成危害, 作业安全系数得到提高。由于材质的加强, 造成设备部件重量的增强。如油嘴管汇更换油嘴油壬, 由105MPa的30 KG上升到140MPa的60 KG, 使得原本每个作业人员都能动的油壬, 现在只能由班组里比较强壮的三四个人抱动。

液控柜优点:气瓶的在使用过程中可以通过气瓶储能, 一次充气可以实现多次开关动作。缺点:不能掌握开关度, 只能实现一次性开关到位;液控管线众多, 接线时需小心接错。

电动闸阀开关执行机构的优点:可以设定开关度比例, 到位完成开关动作, 也可以手动点击同步开关。缺点:对电源依赖高, 断电情况下只能手动操作, 执行机构手轮与WOM板阀转动比例为8:1, WOM阀通常为105圈左右, 手动转电动执行机构手轮需操作800余圈, 劳动强度大。

多级节流阀在现场应用遇到的问题: (1) 目前塔里木市场使用的多级节流阀在节流控制中, 无法获知各节流阀上下游压力及差值, 只能凭作业人员经验来判断, 在操作不当的情况下, 有可能导致其中某一级节流阀上下游压差过大, 导致节流阀阀杆刺坏; (2) 目前的液控节流阀技术不够完善, 液控技术无法精确实现节流开关度及存在一定不可靠性的可能; (3) 通过控制针阀开关度来实现过流面积控制, 无法直接量化折算成固定油嘴大小, 不方便正确计算流体临界流速, 需通过对比同状态下固定油嘴过流压力来确定针阀开关度对应油嘴大小。

改进: (1) 分公司员工各类可调式固定支架将逐步应用到现场, 降低作业工作强度和风险。 (2) 逐步实现测试流程远程控制, 从根本上避免作业人员处于高压风险区作业, 保障人员安全; (3) 针对目前多级节流阀模糊控制的现状, 我们考虑在多级节流阀中间每隔两个节流阀加装一只压力表或数据采集探头, 这样可以有效、正确地判定多级节流各级压差, 有利于更好操作节流, 保障设备的安全; (3) 目前常使用的多级节流阀为四级节流, 节流级别可以加强, 改为六级节流, 这样各级节流阀分担的压力相应减小, 可以更好地起到保护设备的作用。 (4) 将原排污流程使用楔形阀更改为固定油嘴节流阀, 将设备损坏从楔形阀杆转移到固定油嘴, 从而降低设备耗费成本, 并且可以通过节流回压更好地保护设备。

摘要：近年来随着勘探试油技术的发展, 超深超高压井逐渐成为塔里木油田库车山前区块油气贡献的主力军。目前塔里木盆地库车山前超高压井地面关井压力最高超过了100MPa, 大部分井关井压力均在90MPa以上, 此类超深超高压井不仅产量巨大, 而且工作压力、作业风险极大, 对作业队伍设备能力、人员素质及工艺技术要求极高。以往在塔里木油田常用的105MPa一类地面流程在应对此类井作业时越发显得力不从心。自2012年起, 塔里木测试分公司紧抓市场需求, 抢先在塔里木市场引入140MPa超一类高压地面流程、液控闸阀配套设备、电动闸阀开关执行机构、多级节流阀造回压保护等一系列技术。通过两年来的推广完善, 获得甲方市场认可, 在竞争剧烈的塔里木油田逐渐成为库车山前井首选作业选择对象及标杆配置。

关键词：库车山前井,新工艺技术,超高压