套管滑套完井固井膠塞研制與應(yīng)用

周文軍，吳學(xué)升，黃占盈，歐陽勇

（1.長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018）①

長(zhǎng)慶油氣田地層存在多層疊合的特點(diǎn)，盡可能打開更多的可采層數(shù)量成為提高單井產(chǎn)量的有效途徑之一。套管滑套［1－2］是實(shí)現(xiàn)高效分層壓裂、提高單井產(chǎn)量的新技術(shù)，該技術(shù)分層壓裂級(jí)數(shù)不受限制，通徑大、壓裂施工摩阻低，還可以選擇性開關(guān)目的層，是多層段分層改造的一種新手段。套管滑套采用114.3mm（4英寸）套管＋滑套工具串固井完井。與常規(guī)的固井工藝相比，套管滑套工具串固井完井存在3個(gè)難點(diǎn)：

1） 套管滑套內(nèi)徑變化大，給固井配件設(shè)計(jì)帶來困難。

2） 套管壓裂無法使用分級(jí)箍，全井段封固對(duì)固井膠塞密封性能提出了更高的要求。

3） 由于不需要射孔，需通過憋壓憋穿水泥環(huán)，固井質(zhì)量好壞是關(guān)系著壓裂施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

長(zhǎng)期以來，該技術(shù)及配套工具由外國(guó)公司壟斷［3－5］，工具與技術(shù)服務(wù)費(fèi)用高昂，不利于長(zhǎng)慶油氣田的低成本開發(fā)戰(zhàn)略，而國(guó)內(nèi)目前還無自主研發(fā)的套管滑套工具。為降低成本，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，2011年長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院組織工程技術(shù)人員研發(fā)出適應(yīng)長(zhǎng)慶油田套管滑套的新型固井膠塞。

1 結(jié)構(gòu)及原理

套管滑套固井膠塞結(jié)構(gòu)如圖1所示。膠塞結(jié)構(gòu)根據(jù)套管滑套的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，采用大—小—小—小—小—大順序排列膠碗，該膠塞結(jié)構(gòu)在通過套管滑套工具的內(nèi)腔時(shí)保證至少1個(gè)大膠碗起到密封作用。工作時(shí)，當(dāng)膠塞下移到浮箍處時(shí)，卡頭向下的推力會(huì)導(dǎo)致大小膠碗收縮，從而使配合結(jié)構(gòu)通徑變大。卡頭通過配合結(jié)構(gòu)后，大小膠碗不再受力，恢復(fù)原有彈性，配合結(jié)構(gòu)恢復(fù)原有尺寸，通過卡釘回撤實(shí)現(xiàn)鎖定。

圖1 套管滑套固井膠塞結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)參數(shù)

總長(zhǎng)度 600mm

邵爾硬度 65～80HA

小膠碗外徑 108／112mm

大膠碗外徑 154mm

最大工作壓差 35MPa

硫化條件 150℃×60min

3 創(chuàng)新技術(shù)

本文研制的高耐磨性、強(qiáng)柔韌性新型套管滑套固井膠塞，滿足了套管直徑在85～140mm超大變徑條件下的安全固井要求。具有3個(gè)方面創(chuàng)新：

1） 采用不同尺寸外徑的膠碗結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)不同內(nèi)徑條件下對(duì)套管刮削，從而滿足固井作業(yè)要求。膠塞設(shè)計(jì)了卡釘，提供自鎖功能，避免膠塞后期浮于套管內(nèi)而影響固井作業(yè)。

2） 膠塞結(jié)構(gòu)采用分體式設(shè)計(jì)，對(duì)大小膠碗采用大—小—小—小—小—小—大排列，其結(jié)構(gòu)在過套管滑套工具內(nèi)腔時(shí)保證至少1個(gè)大膠碗起到密封作用。

3） 膠塞橡膠材料選用氫化丁腈材料，小膠碗硬度控制在65～80HA，大膠碗硬度控制在60～70 HA，膠塞柔韌性較好，可以順利通過不同大小內(nèi)徑的套管而無磨損變形。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)國(guó)外現(xiàn)有膠塞結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)慶油氣工藝研究院設(shè)計(jì)的滑套結(jié)構(gòu)，初步設(shè)計(jì)配套膠塞結(jié)構(gòu)。膠塞芯子選用鋁合金，可鉆性好；膠塞橡膠材料選用氫化丁腈，硬度85～90HA，采用分體式設(shè)計(jì)，大膠碗直徑為154mm，小膠碗直徑為112mm，膠碗采用不同模具硫化組合而成，既能降低加工難度，又可提高硫化質(zhì)量。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，由于大膠皮與小膠皮距離過近，2個(gè)膠碗擠到一起導(dǎo)致膠皮脫落，如圖2所示。因此，原設(shè)計(jì)的膠碗與套管的過盈量大，使用硬度85～90HA橡膠不能保證壓縮能力滿足要求。根據(jù)存在問題改進(jìn)膠塞結(jié)構(gòu)，并對(duì)膠料配方進(jìn)行調(diào)整。結(jié)構(gòu)上，小膠碗4個(gè)組合1組，膠碗直徑為108 mm，大膠碗分別配置在膠塞本體兩端，直徑為154 mm。膠塞芯子材料選用氫化丁腈橡膠，將小膠碗硬度控制在65～80HA，大膠碗硬度控制在60～75 HA，以增加膠碗柔韌性。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和完善，套管滑套固井膠塞物理結(jié)構(gòu)能夠滿足滑套結(jié)構(gòu)工作要求。

圖2 原設(shè)計(jì)膠塞初次試驗(yàn)后照片

4.2 耐磨性能試驗(yàn)

使固井膠塞通過模擬套管，試驗(yàn)室檢測(cè)膠碗各項(xiàng)性能指標(biāo)，試驗(yàn)情況如圖3所示。

圖3 膠塞耐磨性能試驗(yàn)結(jié)果

通過40次耐磨試驗(yàn)后，對(duì)膠塞性能進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 耐磨試驗(yàn)40次后膠塞性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表1可以看出：新型套管滑套膠塞在多次通過模擬套管后，膠塞性能良好，符合固井膠塞技術(shù)要求，能夠滿足套管滑套固井工作要求。

4.3 水壓密封性能

摸擬套管滑套工具的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行膠塞的水壓通過試驗(yàn)，試驗(yàn)分段加壓10、25MPa，分別穩(wěn)壓5 min。在增壓、穩(wěn)壓過程中，模擬套管壓降均為0 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明：在過套管滑套工具的內(nèi)腔時(shí)至少有1個(gè)大膠碗起到密封作用，能夠滿足套管滑套固井工作要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2011－05以來，套管滑套固井膠塞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)13井次，成功率100%，滿足套管滑套固井完井施工要求。

5.1 典型井例

長(zhǎng)慶隴東午121－A0井是1口石油預(yù)探井，套管下 深 2 264.98m， 滑 套 位 置 為 1 863.27～1 865.75m，2 163.72～2 165.83m。2011－05－27，經(jīng)過磁定位后，循環(huán)準(zhǔn)備套管滑套固井，同步試驗(yàn)新型固井膠塞工作性能?，F(xiàn)場(chǎng)循環(huán)1.5h，循環(huán)排量30 L／s，循環(huán)泵壓6.5～7.0MPa。井身結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 午121－A0井井身結(jié)構(gòu)

該井套管滑套固井完井前按照標(biāo)準(zhǔn)要求循環(huán)泥漿，固井參數(shù)如表2。

表2 午121－A0井固井施工數(shù)據(jù)

后期探水泥塞面合格，固井質(zhì)量良好，滿足后期作業(yè)要求。膠塞與套管滑套工具串配合正常，現(xiàn)場(chǎng)施工順利，膠塞性能穩(wěn)定，保證了固井施工順利完成。

6 結(jié)論

1） 室內(nèi)試驗(yàn)表明：該固井膠塞具有良好的耐磨性能和密封性能，能夠滿足套管滑套固井要求。

2） 套管滑套固井膠塞是為114.3mm（4英寸）套管滑套專用設(shè)計(jì)的膠塞，解決了變徑井筒固井難題。

3） 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)13口井，成功率100%，表明研制的固井膠塞性能可靠，促進(jìn)長(zhǎng)慶油田套管滑套壓裂技術(shù)的發(fā)展。

［1］Thomas E Ferg.Novel Approach to More Effective Plug and Abandonment Cementing Techniques［C］／／SPE Arctic and Extreme Environments Conference ＆ Exhibition，Moscow，Russia.SPE148640，2011：18－20 .

［2］Majid H Al－Otaibi.Application of Multivariate Methods to Optimize Development of Thin Oil Zones in a Mature Carbonate Reservoir［C］／／SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition，Al－Khobar，Saudi Arabia.SPE160896，2012：8－11.

［3］秦金立，蘇 同.國(guó)外固井膠塞研究新進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（1）：39－42.

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［5］林建增，柳文楊.防轉(zhuǎn)膠塞及其配套浮箍的研制與應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2012（4）：102－103.