新型封隔式尾管懸掛器的研制及應(yīng)用

劉國(guó)祥郭朝輝孫文俊趙德利初永濤萬(wàn) 斌

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州 253000；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100029；3.中國(guó)石油化工股份有限公司西南油氣分公司，四川成都 610016）

新型封隔式尾管懸掛器的研制及應(yīng)用

劉國(guó)祥1郭朝輝1孫文俊1趙德利1初永濤2萬(wàn) 斌3

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州 253000；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100029；3.中國(guó)石油化工股份有限公司西南油氣分公司，四川成都 610016）

為適應(yīng)元壩地區(qū)高溫高、高壓、高含硫等，以及高固相井況條件，解決環(huán)空氣竄問(wèn)題，研發(fā)了新型封隔式尾管懸掛器。封隔器單元采用單膠筒結(jié)構(gòu)，保證了工具的安全可靠性。防退卡瓦結(jié)合內(nèi)部防退卡簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減小了膠筒脹封后的回彈間隙，保證了封隔器的封隔能力?，F(xiàn)場(chǎng)4口井的應(yīng)用效果分析表明，該工具使用安全性及使用效果，總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，初步解決了元壩氣田環(huán)空氣竄難題。

環(huán)空氣竄；內(nèi)嵌卡瓦；封隔式尾管懸掛器；脹封

元壩地區(qū)海相主力氣藏位于飛仙關(guān)和長(zhǎng)興組，以裂縫型、孔隙型和溶洞型為主［1］，具有高溫、高壓、高含硫等特點(diǎn)，防氣竄難度大，四開油層套管氣竄及環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，一直未能得到有效解決。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的封隔式尾管懸掛器，在施工作業(yè)安全性以及環(huán)空密封能力方面，均難以滿足該地區(qū)復(fù)雜的井況條件。為此，專門對(duì)封隔器及坐掛機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，研制出單膠筒內(nèi)嵌卡瓦封隔式尾管懸掛器。該工具具有密封壓力高、坐掛能力強(qiáng)、井下工作安全性高等優(yōu)點(diǎn)，成功在元壩地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 元壩氣田四開尾管固井存在的難點(diǎn)

（1）氣層活躍，封固效果較差，氣竄風(fēng)險(xiǎn)較大。本開次固井由于地層壓力體系復(fù)雜，壓力窗口狹窄，地層壓力當(dāng)量密度較高，鉆井液密度超過(guò)1.9~2.2 g/ cm3。單次封固小間隙裸眼段較長(zhǎng)，部分井還存在鹽膏層與低壓漏失層同層［2］，頂替效率較低，固井質(zhì)量難以保證。另外，固井后水泥環(huán)薄，在射孔和壓裂等后期地層改造作業(yè)時(shí)，容易發(fā)生脆性破碎，導(dǎo)致水泥環(huán)密封能力受到破壞甚至喪失［3-5］。

（2）井況條件復(fù)雜，套管下入困難。目前元壩海相井，多采用定向井結(jié)構(gòu)，造斜半徑小、井眼曲率大，?206.4 mm無(wú)接箍套管穿過(guò)造斜段困難，斜井段易黏卡。5 322~6 204 m為膏巖及膏巖和灰?guī)r互層段，易出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，套管下入難度大。

（3）對(duì)工具性能要求高，現(xiàn)有工具無(wú)法滿足要求。本開次完鉆井深6 500 m左右，尾管長(zhǎng)1 800 m、浮重850 kN，對(duì)懸掛器懸掛能力要求較高。鉆井液密度大，固相含量高，套管壁濾餅厚，對(duì)封隔器下入影響較大，封隔器在濾餅阻力作用下，容易提前脹封。井底溫度高達(dá)145 ℃左右，對(duì)懸掛器及附件橡膠密封組件耐溫性能要求高。氣層壓力高，要求封隔器密封能力不低于70 MPa。

2 新型封隔式尾管懸掛器技術(shù)分析

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合元壩地區(qū)特殊的井況條件，專門研發(fā)單膠筒內(nèi)嵌卡瓦封隔式尾管懸掛器。在固井替漿結(jié)束后，脹封頂部封隔器，有效封隔重疊段環(huán)空，達(dá)到防止環(huán)空氣竄目的。

2.1 工作原理

2.1.1 懸掛器坐掛原理 采用投球憋壓的方式實(shí)現(xiàn)坐掛。當(dāng)球到達(dá)球座后憋壓，壓力通過(guò)懸掛器本體上的傳壓孔傳到液缸內(nèi)，液缸剪釘剪斷，液缸推動(dòng)卡瓦支撐套，并帶動(dòng)卡瓦沿錐套斜面上行，卡瓦脹開，楔入懸掛器錐體和上層套管之間的環(huán)狀間隙里實(shí)現(xiàn)坐掛。2.1.2 封隔器工作原理 采用機(jī)械方式進(jìn)行封隔器漲封。固井作業(yè)結(jié)束后，緩慢上提送入工具，脹封擋塊提出回接筒，擋塊在彈簧作用下張開，下放鉆具，脹封擋塊壓在回接筒上端。繼續(xù)下放鉆具，鉆具重量通過(guò)脹封擋塊傳至回接筒，再傳至鎖緊錐套，剪斷銷釘后擠壓封隔器膠筒，封隔器膠筒在外力下擠壓變形，使膨脹套筒與外層膠筒外徑增大，封隔本體與外層套管之間的環(huán)狀間隙，繼續(xù)下壓，防退卡瓦剪釘剪斷，卡瓦沿卡瓦錐體上行，與上層套管內(nèi)壁接觸，行程坐掛，形成自鎖［6］。

2.2 工具結(jié)構(gòu)

該工具主要由封隔器單元、懸掛器單元2部分組成，如圖1。

圖1 新型封隔式尾管懸掛器結(jié)構(gòu)

封隔器單元：封隔器摒棄常規(guī)三膠筒及金屬骨架結(jié)構(gòu)，采用單膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并帶有防止軸向竄動(dòng)的防退卡瓦。主要由本體、剪釘、鎖緊套、卡簧、卡瓦、膠筒等組成。

懸掛器單元：采用內(nèi)嵌卡瓦式設(shè)計(jì)，由本體、上接頭、錐套、卡瓦、液缸、剪釘、扶正環(huán)等組成。

2.3 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）封隔器采用單膠筒結(jié)構(gòu)，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，大大提高井下適用性與施工安全性。兩端設(shè)計(jì)可膨脹式防凸結(jié)構(gòu)，保護(hù)性好，可有效避免下入過(guò)程中提前漲封風(fēng)險(xiǎn)，適合高密度鉆井液環(huán)境。封隔器表面無(wú)臺(tái)階，抗沖蝕能力強(qiáng)，可解決大排量循環(huán)條件下封隔器提前漲封的問(wèn)題。防退卡瓦與雙面卡簧雙重鎖緊機(jī)構(gòu)，既可以減小封隔器的坐封回彈，也能防止封隔器的軸向竄動(dòng)，提高了封隔器的坐封穩(wěn)定性，保證了封隔器的密封效果與密封能力。采用特殊密封組件，最高密封能力可達(dá)70 MPa。

（2）懸掛器單元采用內(nèi)嵌卡瓦結(jié)構(gòu)，坐掛能力更強(qiáng)，環(huán)空過(guò)流面積更大［7-8］。采用6片內(nèi)嵌卡瓦結(jié)構(gòu)，增大卡瓦受力面，懸掛能力較常規(guī)懸掛器提高25%；利用卡瓦兩側(cè)面承載，坐掛后卡瓦被錐套托起，與尾管懸掛器芯體形成內(nèi)過(guò)流通道，顯著提高了坐掛后環(huán)空過(guò)流面積，懸掛器坐掛后環(huán)空過(guò)流面積較常規(guī)懸掛器增加34%，對(duì)懸掛尾管長(zhǎng)井下易漏等復(fù)雜井況有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2.4 性能參數(shù)

新型封隔式尾管懸掛器主要性能參數(shù)見表1。

表1 新型懸掛器性能參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及評(píng)價(jià)

目前，新型封隔式尾管懸掛器在元壩27-3H、元壩29-1、元壩10-1H、元壩272-1H進(jìn)行推廣使用。從實(shí)際使用情況來(lái)看，該工具在元壩地區(qū)應(yīng)用過(guò)程中，工具使用安全性及使用效果總體達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.1 工具復(fù)雜井況適應(yīng)性評(píng)價(jià)

4口井施工情況見表2，封隔器在下入及固井施工過(guò)程中一切正常，未發(fā)生提前脹封。說(shuō)明采用單膠筒結(jié)構(gòu)，結(jié)合膠筒兩端防凸裝置，可以有效避免由于濾餅堆積阻塞，以及循環(huán)過(guò)程中沉沙沖蝕造成的提前脹封事故，有效地降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。工具在高固相、厚濾餅井筒條件下，具有更好的安全性。

表2 現(xiàn)場(chǎng)施工情況統(tǒng)計(jì)

3.2 封隔器密封效果評(píng)價(jià)

為了更好地評(píng)價(jià)封隔器封隔效果，對(duì)尾管掃塞、全井筒降密度及五開作業(yè)過(guò)程中的后效情況進(jìn)行跟蹤，具體見表3。在固井質(zhì)量普遍偏差的情況下，后續(xù)施工無(wú)后效顯示，說(shuō)明封隔器密封效果良好，初步達(dá)到設(shè)計(jì)要求。防退卡瓦結(jié)合內(nèi)部防退卡簧結(jié)構(gòu)，有效地減小了膠筒脹封后的回彈間隙，從而保證封隔器的封隔能力。

表3 后效情況統(tǒng)計(jì)

3.3 環(huán)空循環(huán)壓降變化

表4為新型封隔式懸掛器與常規(guī)懸掛器循環(huán)情況統(tǒng)計(jì)，從對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，相比于常規(guī)懸掛器，在懸掛器位置，環(huán)空壓降略微增大，循環(huán)排量略有減小，給該井段施工帶來(lái)漏失風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)固井頂替效率會(huì)有一定影響。

表4 循環(huán)壓力統(tǒng)計(jì)

新型封隔式尾管懸掛器雖然采用內(nèi)嵌卡瓦結(jié)構(gòu)，卡瓦位置環(huán)空過(guò)流面積得到大幅提高，但由于需要通過(guò)回接筒加載載荷，脹封封隔器，相比于常規(guī)懸掛器，回接筒厚度有所增加，環(huán)空間隙偏小。另一方面，為了保證丟手倒扣的安全性，回接筒設(shè)計(jì)加長(zhǎng)，也會(huì)對(duì)環(huán)空過(guò)流通道的帶來(lái)影響。

3.4 對(duì)固井質(zhì)量的影響

通過(guò)對(duì)元壩地區(qū)封隔式懸掛器及常規(guī)尾管固井封固效果統(tǒng)計(jì)可以看出（見表5），相較于常規(guī)尾管，固井質(zhì)量略有降低，水泥界面膠接優(yōu)良率偏低。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)頂部封隔器對(duì)固井質(zhì)量影響的研究較少，其影響效果到底多大，難以形成明確的結(jié)論。如何解決封隔器脹封后，環(huán)空加壓困難問(wèn)題，成為下一步研究方向。

表5 固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論及建議

（1）新型封隔式尾管懸掛器采用單膠筒結(jié)構(gòu)，提高了抗沖蝕能力，減小了高固相、厚濾餅對(duì)膠筒的不良影響，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，解決了封隔器在下入及循環(huán)過(guò)程中提前脹封的風(fēng)險(xiǎn)。封隔器單元采用防退卡瓦結(jié)合防退卡簧設(shè)計(jì)，形成多重防退機(jī)構(gòu)，封隔器密封能力明顯提高，現(xiàn)場(chǎng)使用封固效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有效緩解了元壩地區(qū)環(huán)空帶壓難題。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果統(tǒng)計(jì)可看出，由于封隔器的存在，回接筒加長(zhǎng)、加厚，嚴(yán)重影響了環(huán)空通道，尤其是回接筒位置，造成過(guò)流通道的減小，從而增大了循環(huán)阻力，造成了井漏風(fēng)險(xiǎn)及施工安全風(fēng)險(xiǎn)。封隔器脹封后，環(huán)空形成密閉空間，水泥漿稠化失重過(guò)程中缺少壓力補(bǔ)充，對(duì)封固質(zhì)量會(huì)有一定影響。

（3）建議回接筒部分采用高鋼級(jí)材質(zhì)在保證相關(guān)機(jī)械強(qiáng)度的前提下，減小外徑，增大過(guò)流面積，提高循環(huán)排量，降低循環(huán)壓耗，有效提高替漿頂替效率，降低漏失風(fēng)險(xiǎn)。

（4）建議設(shè)計(jì)開發(fā)滑套式剪切碰壓座，碰壓結(jié)束，封隔器脹封后，實(shí)現(xiàn)管內(nèi)可持續(xù)憋壓，對(duì)水泥液柱施加一定壓力補(bǔ)充，提高水泥漿封固效果，提高封固質(zhì)量。

（5）建議對(duì)橡膠材料進(jìn)行優(yōu)選，進(jìn)一步提高膠筒耐酸、抗硫、抗高溫性能以及抗沖蝕能力，保證膠筒井下復(fù)雜條件下的密封效果，增加橡膠井下正常作用時(shí)效，提高氣井安全生產(chǎn)周期。

［1］王正和，鄧建，譚欽銀，等.元壩地區(qū)長(zhǎng)興組典型沉積相及各相帶物性特征［J］.礦物巖石，2012，32（2）：82-96.

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［8］阮臣良，馮麗瑩，張金法，等.內(nèi)嵌卡瓦尾管懸掛器的研制與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2012，40（8）：18-23.

（修改稿收到日期 2014-07-14）

〔編輯 付麗霞〕

Development and application of new isolated liner hanger

LIU Guoxiang1,GUO Zhaohui1,SUN Wenjun1,ZHAO Deli1,CHU Yongtao2,WAN Bin3
（1.Continental Shelf Petroleum Engineering Technology Co.,Ltd.,SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Dezhou25300,China;2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing, 100029,China;3.Southwest Oil &Gas Branch Company of SINOPEC,Chengdu610016,China）

In order to adapt to high temperature,high pressure,high sulfur content and high solid wellbore conditions in Yuanba region,a new isolated liner hanger was developed to solve the gas channeling problem of hollow ring.The packer unit uses single-barrel structure,which ensures safety and reliability of the tool.The retrieve-proof slip is designed along with the internal retrieve-proof spring structure,which effectively reduces the rebound clearance after expansion of the barrel and ensures the isolation capacity of the packer.Application of the tool in four wells shows that this tool satisfies the design requirement in terms of safety and effectiveness and solves the problem of gas channeling in annulus in Yuanba Gas Field.

gas channeling;built-in slip;isolated liner hanger;expansion sealing

劉國(guó)祥，郭朝輝，孫文俊，等.新型封隔式尾管懸掛器的研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：120-123.

TE931.1

：B

1000–7393（2014） 05–0120–04

10.13639/j.odpt.2014.05.030

劉國(guó)祥，1980年生。2004年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）石油工程系，2013年獲得中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油與天然氣專業(yè)碩士學(xué)位。電話：18605349830。E-mail：lgx@shelfoil.com。