超深水平井管外封隔器失效機理探討及解決對策

冉小豐，王越之 （長江大學石油工程學院，湖北 武漢434023）

彭曉剛 （中石油塔里木油田分公司塔北項目部，新疆 庫爾勒841000）

碳酸鹽巖是塔里木油田快速上產(chǎn)中最重要的區(qū)域，而水平井是提高碳酸鹽巖單井產(chǎn)量的重要手段，目前的篩管完井和裸眼封隔器分段改造技術(shù)已不能滿足多段改造和油田后期開發(fā)的要求。利用管外封隔器進行選擇性固井是水平井完井的一種重要方式，利用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復雜儲層的有效封隔，并為后期多段改造、動態(tài)監(jiān)測、找堵水作業(yè)留下工作通道［1-2］。由于塔里木油田超深水平井中管外封隔器施工存在著諸多特殊情況，使得管外封隔器的使用效果不理想，為此，筆者對封隔器失效原因進行分析并提出提高固井成功率的相應(yīng)方法。

1 管外封隔器結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 結(jié)構(gòu)

管外封隔器 （ECP）的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由控制閥部件、密封部件和聯(lián)接部件3部分構(gòu)成?？刂崎y部件包含鎖緊閥、單流閥和限壓閥，完成對膨脹介質(zhì)的流動控制。密封部件包含內(nèi)膠筒、外膠筒、金屬加強片、支撐環(huán)和膠筒接頭等，是實現(xiàn)密封的主要部件。聯(lián)接部件包含中心管、提升短節(jié)、接箍和套管短節(jié)等，主要起配合連接的作用。

1．2 工作原理

管外封隔器的工作原理如下：在施工過程中，當頂替膠塞通過封隔器閥系接頭時，將密封在進液孔上的斷開桿碰斷。當頂替膠塞運行到阻流板時使套管內(nèi)形成密封，蹩壓時液體經(jīng)閥系的進液孔進入鎖緊閥，當壓力達到設(shè)定值時鎖緊閥銷釘被剪斷，鎖緊閥打開，同時單流閥也打開，液體經(jīng)限壓閥進入中心管與膠筒間的膨脹腔內(nèi)，使封隔器膨脹與井壁緊密接觸形成密封。當膨脹腔內(nèi)的壓力達到限壓閥銷釘?shù)脑O(shè)定值時，限壓閥銷釘剪斷，關(guān)閉進液孔，實現(xiàn)安全座封。井口放壓為零、鎖緊閥自動鎖緊，從而實現(xiàn)永久關(guān)閉。

2 管外封隔器失效機理研究

截止2011年底，塔里木油田在碳酸鹽巖進行選擇性固井中，有9口井使用了管外封隔器，其中5口井封隔器使用失效，成功率僅為44%。通過對管外封隔器使用失效原因的理論分析和現(xiàn)場資料調(diào)研，發(fā)現(xiàn)主要影響因素有井底溫度高、裸眼段長、井眼曲率大、膠筒-井壁間隙小和井眼不規(guī)則嚴重。

2．1 井底溫度高

塔里木油田管外封隔器的最高下入深度已超過7000m，工作溫度超過160℃，壓力達到77MPa。然而，目前國內(nèi)外管外封隔器產(chǎn)品的膠筒最高耐溫150℃ （氫化丁腈橡膠），并且高溫下膠筒材料的扯斷強度、撕裂強度大幅下降，已不能進行100%的長度拉伸 （177℃時的撕裂強度只有25℃時的14%，扯斷強度只有22．5%［3］）。膠筒在井下酸、鹽、油等介質(zhì)環(huán)境下，膨脹密封井眼，若坐封間隙過大，則容易產(chǎn)生破壞。

2．2 裸眼段長

塔里木油田碳酸鹽巖選擇性固井中，封隔器通過的裸眼段長度大。在已使用的9口井中，最長達851m，最短為211m，平均539m。在長距離的裸眼段 （包括彎曲段和水平段）中運行，使得各種不利因素對封隔器膠筒的損壞機率增大。

2．3 膠筒-井壁間隙小

標準的管外封隔器膠筒外徑較大，當管串下行時，扶正器貼井壁，膠筒外表面與井壁的間隙非常?。ㄒ姳?），其中114-Ⅰ型和178-Ⅱ型管外封隔器的膠筒-井壁間隙分別僅為1mm和2mm，使得膠筒與井壁極容易發(fā)生接觸、摩擦和擠壓膠筒。

表1 幾種尺寸封隔器膠筒與井壁間間隙值

2．4 井眼曲率大

根據(jù)管柱與井眼的幾何關(guān)系，可以得出彎曲段管外封隔器能通過的最大長度計算公式如下［4］：

式中，R為井身曲率半徑，m；D為曲率半徑為R處的井徑，m；d為封隔器最大外徑，m；L為封隔器最大允許通過長度，m。

由于封隔器膠筒最大外徑已接近井徑 （見表1），因而彎曲段能通過的膠筒長度較小。利用式 （1）對塔里木H901H井進行計算，發(fā)現(xiàn)部分井彎曲段封隔器下放過程中會遇阻，實際膠筒長度與允許通過膠筒長度相交點為可能遇阻井深 （見圖1），該判斷在實際施工中得到驗證，遇阻后下壓超過50kN才得以通過，分析認為井壁的擠壓和摩擦對封隔器膠筒已造成損傷。

圖1 H901H井封隔器通過能力計算圖

2．5 井眼不規(guī)則嚴重

存在井眼縮徑、擴徑，井底存在脫落巖石碎屑等復雜情況時，都有可能造成巖石與封隔器膠筒的接觸，嚴重時甚至扶正器失效，管柱重量坐落在封隔器之上，加之高溫下膠筒強度大幅降低，極易造成膠筒的損傷和破壞。此外，若巖石尖角接觸膠筒，也很可能將外膠筒刮破。從塔里木油田各井的6側(cè)臂井徑測井曲線發(fā)現(xiàn)，部分井封隔器通過的長裸眼段不規(guī)則程度嚴重。以YM321-5H井為例，在5102～5235m井段出現(xiàn)井眼縮徑，同樣在5490～5560mm井段出現(xiàn)較為嚴重的擴徑，分析認為封隔器外膠筒在下入過程中已經(jīng)被磨損和刮傷。

3 解決措施

3．1 合理選型

1）尺寸型號選擇 針對塔里木油田碳酸鹽巖區(qū)域常用的幾種裸眼井徑，計算后期所需管外封隔器承受的上下或環(huán)空壓差，根據(jù)各管外封隔器生產(chǎn)廠家提供的井徑與壓差關(guān)系曲線，確定封隔器尺寸型號 （見表2）。

表2 塔里木碳酸鹽巖管外封隔器建議選型系列

2）長度選擇 當管外封隔器膠筒長度超過3m、僅膠筒兩端板條加固或采用全橡膠式時，可按API的井下工具允許通過的最大井眼曲率公式進行計算。經(jīng)過計算，得到封隔器膠筒長度選擇結(jié)果：①當狗腿度＜15°／30m時，選用膠筒長3m以下封隔器，全不銹鋼或鋁板條加固；②當15°／30m≤狗腿度≤30°／30m時，選用膠筒長3～6m封隔器，僅膠筒兩端加固或全橡膠式；③當狗腿度＞30°／30m時，選用膠筒長6m以上封隔器，僅膠筒兩端加固或全橡膠式。

3）膠筒材料選擇 要求膠筒材料具有良好的耐溫性、耐磨性、耐化學介質(zhì)性以及在井下復雜環(huán)境下仍有較高的扯斷強度和撕裂強度，從而提高膠筒在通過裸眼段和加壓脹封時的安全性。根據(jù)塔里木油田的實際情況，建議選用氫化丁腈橡膠 （HNBR）材料制作膠筒。

3．2 優(yōu)化通井方案

優(yōu)化通井方案時，要求鉆井起下鉆井眼暢通無阻，無明顯阻卡現(xiàn)象。如果井眼不順暢，在采用常規(guī)鉆具通完井后要求使用西瓜銑反復通井 （下入1個封隔器采用2個西瓜銑通井，下入2個以上封隔器采用3個西瓜銑通井）。

3．3 確定鉆井液性能

下套管前的最后一次通井，鉆井液性能必須達到以下要求：具有良好的攜砂懸浮性能；保證井筒內(nèi)鉆井液粘度、切力，高溫高壓失水應(yīng)控制在10ml以內(nèi)；不含堵漏材料。

3．4 嚴格封隔器下放程序

封隔器下放過程要求平穩(wěn)慢速，套管內(nèi)不低于2min／柱，進入裸眼內(nèi)不低于3min／柱，每下5～10柱灌漿1次，若中途下鉆遇阻，可適當下壓，在除開摩阻的情況下不得超過5t。

3．5 精確控制打壓坐封

封隔器坐封施工打壓過程中，應(yīng)嚴格遵守封隔器膨脹過程壓力要求。若發(fā)現(xiàn)實際進液量超過預算進液量，應(yīng)迅速打壓至限壓閥銷釘剪斷壓力之上，關(guān)閉限壓閥，停止進液以保護膠筒。對泵車要求如下：①適當選用電動泵以便精確控制階梯打壓和緩慢泄壓過程。②泵車上儀器儀表應(yīng)靈敏可靠，且能記錄進液量。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2012年，塔里木油田碳酸鹽巖區(qū)域選擇性固井在5口井中使用了套管外封隔器，施工過程中出現(xiàn)井底溫度高、裸眼段長和井眼不規(guī)則嚴重等問題，為此根據(jù)上述解決措施制定施工方案。現(xiàn)場作用表明，5口井全部固井成功，成功率達100%，說明上述施工方案是可行的，能夠在碳酸鹽巖選擇性固井中推廣應(yīng)用。

［1］許國林，李博，王洪潮，等．?140型裸眼分段壓裂套管外封隔器的研制 ［J］．石油機械，2011，39（7）：54-58．

［2］Chow J H，Blount C G，Hilleary N，et al．Annular isolation of horizontal slotted liners with chemical external casing packers ［J］．SPE21643，2009．

［3］唐海雄，張俊斌，馮定，等 ．螺桿泵定子用氫化丁腈橡膠性能分析 ［J］．石油機械，2010，38（6）：81-83．

［4］甘慶明，楊承宗，黃偉，等 ．大斜度井井下工具通過能力分析 ［J］．石油礦場機械，2008，37（7）：59-61．