全球最前沿封隔器,你了解几个?

来自 | DRILLING CONTRACTOR 编译 | 曾旭洋 随着油气行业的脚步踏向更深更复杂的环境,对封隔器技术的要求也越来越高,科技创新也在不断推进着封隔器技术的发展,这里为大家介绍国外封隔器厂家最新研制...

来自 | DRILLING CONTRACTOR

编译 | 曾旭洋

随着油气行业的脚步踏向更深更复杂的环境,对封隔器技术的要求也越来越高,科技创新也在不断推进着封隔器技术的发展,这里为大家介绍国外封隔器厂家最新研制出的几种先进封隔器系统。怎样在一口井中下入60个封隔器?这在几年前,还是不可实现的。

现在,面对非常规井提出的更高要求,也推动了技术的创新。包括致密油气、页岩气、深水和超深水作业等恶劣条件,封隔器技术发展顺势而行,并将研发重点放到未来可能要面临的挑战上。非常规区块中的深井、长水平井段、多级开采段数的增加以及对水泥环完整性要求都将推动着封隔器设计和其他相关井下服务和产品的不断发展,比如阀门、接口以及套管等。Packer Plus 能源服务公司的首席执行官Dan Themig说道:“在最近几年整个行业都取得了巨大的进步”。

早期改良后的裸眼段多级完井系统在北美非常规区块得到了越来越多的应用。曾经有一个时期,没人能相信在一口井里可以下入五个封隔器,如今随着多级分层的需求增高,需要下入更多的封隔器,五个分隔器已远远满足不了。几乎所有井都希望能够实现20层多级封隔。

封隔器自在油田作业中投入使用以来,发挥了超过75年的重要作用。封隔器最初采用的是机械设计,两层套管串之间或者套管和井筒之间环形空间的封隔仍广泛采用该设计。

▲PackerPlus的Quadrant System

随着技术的发展,膨胀式封隔器技术的出现更好地解决了应用上的困难、掌握了市场契机,同时为井下各种应用提供快速、有效的解决方案。TAM副总裁Ray Frisby这样说道:“TAM国际公司拥有50年膨胀式封隔器的开发经验,已经成为先进封隔器行业内的领军者,帮助作业人员减少风险、降低成本、提高产量。”

TAM从1968年开始对膨胀式封隔器技术进行研究,并不断对膨胀式封隔器的应用能力进行升级,这对确保水泥环完整性来说是至关重要的。Frisby说:“随着井深的增加,作业风险也在不断加剧,固井作业面临着巨大挑战,所以我们需要不断寻求更为先进的技术确保固井水泥环的长期完整性。”

▲Pcker Plus Titanium XV

封隔器永久式套管环空封隔器作为套管管柱的一部分,起到了固井时分隔地层流体流入井筒,避免后期导致水泥环完整性的问题。膨胀式封隔器遇到井眼流体发生膨胀,可以确保裸眼井和套管井中实施高质量固井作业。

Frisby说:“去年,TAM公司研制了22英寸的膨胀式套管环空封隔器和注水泥阀,有效解决深水油田的浅层气问题。他接着说道:“膨胀式封隔器也经常用于测试、封隔以及修井作业。钻井时,通常将膨胀式封隔器安装在裸眼段,在侧钻作业时起到了水泥塞的作用。同样的,在进行生产时,膨胀式封隔器能够防止地层水窜入到生产层。”他继续说道:“我们已经研发出多种膨胀和展开封隔器的方法,包括钢丝下防封隔器,尽管在封隔器在管柱展开比较常见,但是我们也设计出了一种更为可靠的方法使其展开固定,而无需借助生产管柱、连续油管或者电缆,这套系统主要通过借助TAM公司高膨胀式封隔器生产线来实现,这种封隔器能够通过生产油管下入并且膨胀到三倍于封隔器原始外径,为作业人员的常规修井作业提供了另一种可选择方案。”

▲TAM可膨胀式双封隔器系统

可膨胀双层跨式封隔器系统能够隔离井眼层段进行酸化、测井、压裂、二次压裂以及对裸眼井、套管井重复压裂进行经济评价。Mr Frisby 指出,“这套系统我们已经安装多次了,其中单趟下入就超过了100次。多级坐封功能能够处理各个小层,从而提高单井产能并在进行二次完井或者重复压裂时优选候选井”。

长期解决方案

在2005年,TAM是首个引入自膨胀式封隔器技术的公司。这种封隔器普遍应用在非常规储层的多级压裂中。他解释道:自膨胀式封隔器是一种廉价的长期保障水泥环完整性的方法,能够减少对含水层带来的潜在污染,该问题的出现往往是由于井身结构的问题,而不是水力压裂的原因储层污染。如果井筒初次固井时出现了问题,这种封隔器能够通过运移井中流体来提供二次防护。

▲TIW Xpak可扩展式尾管封隔器

自膨胀式封隔器一般安装在套管柱上,由于其特制的弹性材料能够吸收井中流体,从而在一段时间内不断膨胀。

Frisby 说,“自膨胀式封隔器对井筒环境非常敏感,为了预测特定井筒环境和井眼尺寸对封隔器的影响需要进行大量的测试,我们的遇水膨胀式和遇油膨胀式弹性材料能够应对各种环境,不管是低温、高盐度还是极端地热条件。”TAM公司拥有9种应对冷热等极端条件的材料,包括耐温高达575华氏度的材料和适用于低温环境下需要长时间膨胀的快速膨胀弹材料。

这种环境包括了俄罗斯、西德克萨斯和泥线附近的深水环境。Frisby 补充道,“如果我们知道井的情况,我们就能够精确预测出自膨胀式封隔器在特定环境下的工作状况。许多应用条件都是常规的,但是当我们需要在某些不确定环境下进行精确预测时,针对于材料的大量测试能够让我们对封隔器做出正确的选择。”

▲威德福CUP-SEAL 封隔器

随着行业进入裸眼井发展时期,特别是一些海上区块,防砂是常见问题,封隔器能够对于分段隔离区域进行有效密封,在降低成本提高可靠性方面是很有必要的。

Weatherford油田防砂部门主管Randy Simonds解释道,“常规封隔器在形状规则的套管井表现良好,但对于表面粗糙、不均匀的裸眼井段中却不能正常工作。自膨胀式封隔器的设计初衷就是为了突破这一限制,但是其膨胀过程往往需要数天左右。在当前对成本异常敏感的大环境中,作业者希望封隔器能够达到立竿见影的效果。”

Weatherford研制了一种自动密封杯状封隔技术的机械式封隔器,能够对水平井、裸眼井的页岩层段等需要隔离的不规则井眼形状进行强效密封。杯状密封机构能够膨胀到不同大小的尺寸,在储层段形成一个大小有限且不至于损坏井眼的约束力。

裸眼井的封隔

这种封隔器在弹性密封周围设计有独立的固定装置,能够在井眼中进行大范围膨胀,最大可达9-1/4英寸。这种封隔器的使用不受井下无线电频率设备、压力脉冲、计时器干扰,或者进行多条件下的液压设置,最高达到了1.2的椭圆度。

除了分段隔离外,这套设备还能够在单趟多层砾石充填和压裂充填中发挥作用。两个朝外的杯状密封组件提供了双向压力。封隔器通过杯状密封单元间的岩石锚杆或者滑块锚定到岩石上来固定位置。在杯状密封组件底部,机械锁紧装置能够激活全部独立支撑机构,并能够在不同直径大小的不规则裸眼井中膨胀展开并密封。当杯状机构接触到井眼后,离合器机构滑移固定杯状密封装置并限制其作用在地层上的力。当杠杆完全展开后,封隔器就在井眼中实现均匀坐封。

杯状密封件具有一定的张力,这使其钢组件在热作用下膨胀或收缩时保持形状不变。岩石锚能够吸收部分负载,确保封隔器不会移动,这也使封隔器的橡胶密封不会因在岩石上的前后摩擦而损坏。杯状密封封隔器已经在全球的50多口井中投入使用,包括西非和环太平洋近海、墨西哥湾深海、中东陆地裸眼井等。随着在非常规区块钻井深度和长度上所带来的挑战,完井也从套管射孔方式向裸眼完井方式转变,封隔器的密封性变得极为重要。

Packer Plus公司的Mr Themig说道:“在几年前,两段裂缝之间的距离一般还都是150到300英尺,而现在这一数字已经缩减到了65英尺,随着压裂层数的增加,封隔器还要坐封在更深的储层。密封性就变成了一个巨大的问题。密封性必须是100%”。

在Bakken、Niobrara、Permian盆地和加拿大的Duvernay深井中,40到60段的分层压裂非常普遍,而且这一数字还在上升。现在业内趋势是60到100段的压裂技术,从而充分的释放油藏产能并且在数天之内完成相关工作。紧凑的层间间隔和破裂压力的不断增大,使公司用于裸眼井的Titanium XV系列15000psi双层机械封隔器的报价走高。

“这些封隔器在Duvernay中成功的运用,使得Duvernay盆地的可采储量比Eagle Ford要大的多,需要至少60层的分段压裂。”封隔器整体尺寸在5英尺左右,整体较短并有两个比较短的橡胶部件,因而能够以较小的扭矩和拉力来安装。在封隔器之间有一个增强液压驱动的球状回压流动端口,能够进行60到100个层位的多级压裂并且能够将井筒特殊区域进行选择性的压裂。

最近,公司对Quadrant系统做了现场测试,该系统主要采用在油管上的一个转换工具,而不是来打开封隔器和泵之间的若干个通道,没有压裂层数的限制,在低泵速和高泵速下都可以使用。“这套系统使我们能够一次打开一口60段压裂井的一个层,或者同时打开三个层”

尾管悬挂封隔器

Packer Plus公司也在研究一种新型的尾管悬挂封隔器,以解决水平井段工具下放所需压应力的难题。

Themig指出,新型设计配置了一个反预制结构,能够确保完井系统完全安装并且提升生产封隔器的高压密封能力。“尾管悬挂封隔器,之前通常作为套管井尾管悬挂器的一部分被永久安装在尾管上,逐步用于提升井的井密封性和成本效率。” TIW技术支持和培训部门主管Terry Howard 表示,“在20世纪80年代,安装顶部封隔器的尾管只占20%,现在这一数字达到了80%到90%。”

在一些情况下,作业人员都把封隔器作为标准设备同尾管一起下入井底,避免固井效果不佳的情况再下封隔器。“在过去,作业人员并不会将封隔器同尾管一起下入。然而,如果注水泥后发现尾管效果不好,那么他们就必须中止作业来重新下封隔器,这往往会耗费大量的时间并且需要多次起下钻。考虑到总成本,从长远来看,这无疑是比较省钱的。”

井深、压力、温度的增加都成为了驱使提升尾管封隔器强度和能力的重要因素。他指出,“30年前,尾管顶部封隔器能够承受5000psi的压差就算业内顶尖,而现在我们已经达到了10000psi,而且希望能够达到15000psi”TIW公司的尾管悬挂封隔器在全球应用广泛,客户认识到额外密封重要性的时候,深水成为了关键市场。

“客户们还希望尾管悬挂器在高温高压环境下能够更加稳定,现在坐封温度一般都在400华氏度左右,但是我们已经看到很多地方的温度已经达到450华氏度,甚至500华氏度”为了克服高温对橡胶的约束,TIW公司开发出了一种可扩展的尾管悬挂封隔器——XPak,在安装封隔器位置处的尾管悬挂器和套管之间采用金属密封。

依靠一个液压工具打压膨胀,该工具产生一个巨大的力拉伸钢管直到接触到外层套管。他解释道,“在安装方法上,这种封隔器类似于一种固体膨胀技术,但相比传统橡胶封隔器它的密封性更可靠,能够在更高的压力和更高的温度下使用。在极端环境下这将会是一个理想的选择,同时,封隔器上会安装橡胶起到二次密封的作用。”

转自石油圈公众号

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