刘德正 单茂青 吕选鹏 王玉忠 马田力 (渤海钻探井下技术服务分公司)

电磁波控制井下安全阀在气井中的成功应用

刘德正 单茂青 吕选鹏 王玉忠 马田力 (渤海钻探井下技术服务分公司)

导致地面控制井下安全阀 (SCSSSV)失效的最常见原因是,从地面到井下安全阀的液压控制管线出现故障,这些故障不仅造成油气井产量损失,而且还需要进行费用昂贵的修井作业。为了解决这类问题,国外研制出一种通过地面发射装置不断向井下发送电磁波信号,以控制井下安全阀的控制系统来取代原来的液压管线控制系统,并且新开发的控制系统具有故障保护功能。经现场试验证实,地面、井下设备易于安装,安全阀工作性能良好,自动防故障系统运转正常,安全可靠;况且电磁波传送功能强大,兼容性好。该项技术投入成本低,不需修井作业和改装井口就能安全有效地实现优化完井,为延长老油田寿命提供了新的方法。

气井完井管柱 井下安全阀电磁波

法国的Lacq气田在1951年至1957年开发期间,解决了天然气中含15%H2S和10%CO2引起的金属管材腐蚀问题。1967年后期,Lacq气田附近3个同样狭长形状的气田也投入了开发。在1968年至 1982年期间,气产量达到约 33×106m3/d,4个气田产出的天然气均集中在Lacq气田处理。

自1957年以来,这些气田气井压力不断下降,从70 MPa降至2 MPa,目前已处于开发末期,最后1口气井在1990年末完成。20世纪80年代早期,在Meillon和Saint Faust气田开始出现了不稳定的产水量,由于水处理问题,导致开发成本较高。此外,不稳定的流动状态不允许适时地反复关闭阀门,因此靠流速来控制的井下安全阀在一些井上已不能再使用。

为了延长气井寿命,使采收率最大化,法国Total E&P公司开发了一种新型的地面控制井下安全阀 (SCSSSV),来取代井下控制安全阀(SSCSV)和失效的地面控制井下安全阀,而无需进行修井作业。但这种方法存在的问题是,当需要在生产层段注入表面活性剂时,必须要通过修井作业或井口改装工作才能在生产管柱上安装坐放短节和注入装置。

1 技术需求

目前,油田在用的井下安全阀有两种:一种是井下控制安全阀,该装置需要根据每口井近期生产动态设定关井流量,可用钢丝绳起下,但其越来越不符合安全规程;另一种是地面控制井下安全阀,它们的流量单独设定,可在地面进行开关井测试,并具有故障保护功能,分为油管输送回收和钢丝绳输送回收两种[1]。油管输送回收安全阀是生产管柱的组成部分,在完井期间与油管和其他井下设备一起下井安装,安全阀直接与液压控制管线相连;钢丝绳输送回收安全阀有大量诸如单孔锁定心轴在内的固定元件[2],液压控制管线和安全阀 (DHSV)之间是靠机械连接[3],易出现液压漏失事故。

利用电磁波控制井下安全阀取代液压管线控制系统,可以很好地解决液压管线漏失问题,有效地避免了修井作业[4]。

2 无管控制设计

众所周知,在地面利用电磁波技术可以控制井下工具。电磁波无管控制新技术是根据电磁波单向传播、单向遥测原理,利用1台双向收发器、天线以及连接井口、天线和收发器的低阻抗电缆等地面设备来实现对井下安全阀的控制。收发器是1台可在接地点和井筒之间产生低频震荡电流的电流发生器,低频震荡电流通过油管、套管向下传播,最终被井下安全阀的接收器接收。

低频震荡电流的振幅大小取决于地面设备,并因地层的衰减作用随深度增加而降低。因此,井下安全阀的深度主要由地层电阻率、套管尺寸、井身结构以及丛式井组井间距离来决定。现场经验表明,深度在150 m左右比较容易实现。

3 井下工具设计

液压地面控制井下活瓣式安全阀已被证实既可靠又经济,使用寿命能超过30年,所以电磁波地面控制井下安全阀也采用了瓣阀设计。安全阀主要分为液压控制阀和液压动力装置 (HPU)两部分。液压控制阀由瓣阀、流管、活塞以及确保5 s内实现阀门机械关闭的回位弹簧组成;液压动力装置位于瓣阀之下,由电泵、常开电子阀、电池组和位于底部的绝缘天线 (同时起机械扶正器作用)组成。安全阀采用瓣阀设计 (图1)是因为它是目前确保井下安全最适合的方法。

图1 井下设备

4 故障保护功能

电磁波地面控制井下安全阀的地面控制、井下控制和传输三部分都设计了故障保护功能。电磁波收发器由1个内置电子狗的可预编程微型控制器控制,液压动力装置由1个常开电子阀和内置电子狗的微型控制器共同控制[4]。电磁波收发器不断向井下安全阀发送信号,使紧急关闭阀保持开启状态,一旦信号消失紧急关闭阀立即关闭。在丛式井组中,为避免丛式井射孔作业产生的电磁波对井下安全阀的干扰,采用了“无线电沉默”技术。该技术使井下安全阀即使在一定时间内没有接收到电磁波信号仍然保持开启,如果之后仍未接收到任何电磁波信号,井下安全阀才关闭。

5 主要技术特点

安装电磁波地面控制井下安全阀不需要修井或改装井口工作,只需钢丝作业和单孔锁定技术就可以将井下安全阀安装在生产管柱的任意深度坐放短节上。与常规井下安全阀一样,为使地面下入的普通钢丝能接触到瓣阀,将液压动力装置安装在瓣阀下方,这种结构适用于所有尺寸的安全阀,并可使通过安全阀的流体流量最大化。这些设计均采用成熟技术,降低了生产和管理成本。

电磁波地面控制井下安全阀是一项经济适用技术,主要优点有:

◇在现有完井方式中,不论井下安全阀、流量控制装置的类型与使用年限,用简单的钢丝作业就可以完成更换作业。

◇起出井下安全阀坐放短节,下入毛细管并用单孔锁定技术在毛细管上部安装一个新的安全阀,就可以实现井底化学剂、泡沫或气体的安全注入。

◇这种安全阀使作业者在丛式井侧钻时更加安全,从而降低在风险区域作业的保险费用。

6 现场试验

经过2年的开发,2005年工程公司生产了一个外径4 in(1 in=25.4 mm)的样机来验证产品的可行性和可靠性。2006年初,签订了该产品在LA106井现场试验6个月的协议。协议要求作业方负责井场准备、锁紧心轴的提供和现场钢丝作业,工程公司负责样机及配件的提供和试验过程中的技术指导。

2006年3月上旬,试验小组对安全阀在常规坐放短节中的安装程序和井下电磁波信号的接收质量进行了验证,激活的阴极保护对电磁波传送效果无任何影响。计划在第一个3个月测试期之前完成对所发现问题的改进工作。

改进的样机于2006年7月初下井,预计电池工作时间为3个月。从下井操作和性能测试结果来看,试验小组认为井下安全阀独立工作3个月没有问题;但8周后,因铍铜环产生的氧化沉积物沉积在流管上堵塞了流管,井下安全阀不能正常工作,被迫将其从井内起出更换。

2007年11月初重新进行现场试验,预计电池独立工作时间为100天,但装好安全阀后,由于电池电量耗尽,安全阀自动关闭了98天。经过对安全阀进行维修保养、重新安装后,又开始了为期3个月的试验。1个半月后由于电子阀螺线管接头电路短路,试验中断。后来对电子阀进行了改进,再次将安全阀装在LA106井进行了3个月试验,试验获得成功。

7 推广应用

该技术在含15%H2S气井中累计进行了9个月的现场试验。通过在坐放短节上进行井下安全阀安装10次、开关50个周期和10次泄漏测试的试验证实,地面、井下设备易于安装,安全阀工作性能良好,自动防故障系统运转正常,安全可靠;同时也证实了电磁波传送功能强大,与阴极保护兼容性好。

在现场试验期间,工程公司对安全阀进行了批量生产。为31/2in和41/2in油管专门设计了两种尺寸的安全阀,外径分别为69 mm和94 mm,内径分别为33 mm和51 mm,长度分别为0.87 m和0.99 m。配套了有故障保护功能的液压动力装置,单电池组和双电池组配置长度分别为2.1 m和2.9 m,工作时间可达9个月。在不久的将来,工程公司计划为海上单腿平台所用的井下安全阀进行商业化配置,以扩大这种新型安全阀的应用范围。下一步准备开发用于丛式井和深海井的电磁波传送装置。

2008年,作业人员将在 Lacq、Meillon和Saint Faust气田启动一项试点安装工程,准备安装10个井下安全阀,余下的计划在2009年安装。安装时,一般都是用单孔锁定轴将井下安全阀固定在油管坐放短节下方;如果气井中安装了用于井底注表面活性剂的毛细管,井下安全阀将固定在油管坐放短节的上方。

8 结论

电磁波地面控制井下安全阀是一种无液压控制管线、能独立控制流量的新型钢丝作业装置,它不需修井作业就能安全有效地实现优化完井。该技术投入成本低,不需起下管柱的修井作业,为延长老油田寿命提供了新的方法。在生产管柱发生控制管线泄漏或堵塞时,它可以在修井作业前提供一种即时的补救方法,维持气井继续生产。该装置不受现场丛式井侧钻施工影响,在丛式井组邻井侧钻施工时,也能保证生产井的安全。

总之,在各种复杂情况下,它都可以有效地减少油气井产量损失,为用户提供经济、可靠的解决办法。

[1]张梦婷,张勇.国外井下安全阀的技术现状[J].石油机械,2008,36(7):81-84.

[2]周大伟,钟功祥,梁政.国内外井下安全阀的技术现状与发展趋势[J].石油矿场机械,2007,36(3):14-16.

[3]Smith.Downhole safety valve[R].U S:2006/0157255 A1.2006.

[4]Karen Bybee.Improving well safety with an innovative surface-controlled subsurface safety valve[J]. J PT,2009:75-77.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.017

2010-04-01)