頁巖氣水平井固井碰壓關(guān)井閥的研制及應(yīng)用

李偉，王濤，李社坤，周戰(zhàn)云，王秀玲

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安710075；2.中國石化中原石油工程有限公司固井公司，河南 濮陽457001）

0 引言

近年來，國內(nèi)的頁巖氣勘探開發(fā)已逐步展開。頁巖氣儲(chǔ)層具有物性差、滲透率低、孔隙度低等特點(diǎn)，普遍采用水平井及多級壓裂方式進(jìn)行增產(chǎn)［1-5］。目前，用于頁巖氣水平井固井作業(yè)的彈簧式浮箍浮鞋可靠性較低，部分井注水泥作業(yè)后井底不能可靠關(guān)閉，造成水平段水泥塞過長及水平段封固質(zhì)量差，對水平井固井質(zhì)量造成較大的不良影響［6-9］。特別是對于水平段較長的頁巖氣水平井來說［10-13］，水平段、套管鞋處固井質(zhì)量隱患以及水泥漿倒流或水平段磨塞引起的水平段竄槽和微環(huán)隙，將會(huì)對后期儲(chǔ)層改造及生產(chǎn)帶來巨大的損失，甚至可能造成分段壓裂的失敗，由此產(chǎn)生的補(bǔ)救措施投入更是無法估計(jì)［14-15］。因此，研制一種能夠在注水泥作業(yè)后可靠關(guān)閉井底的碰壓關(guān)井閥，對于提高頁巖氣水平井固井質(zhì)量有著積極的意義。

1 技術(shù)分析

碰壓關(guān)井閥的設(shè)計(jì)：將關(guān)閉閥裝在浮箍上端，利用固井膠塞作為驅(qū)動(dòng)部件，固井碰壓時(shí)的壓力作為驅(qū)動(dòng)力，通過固井膠塞將碰壓閥上固定關(guān)閉滑套的銷釘剪斷，然后使滑套移動(dòng)，坐入閥座，由此永久關(guān)閉井底液流通道。

1.1 結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的固井碰壓閥主要組成部件與結(jié)構(gòu)見圖1。殼體為管狀結(jié)構(gòu)，上部設(shè)內(nèi)螺紋、下部設(shè)外螺紋；閥套為管狀結(jié)構(gòu)，通過螺紋固定于殼體內(nèi)上部；滑套為管狀結(jié)構(gòu)，通過剪銷固定于閥套內(nèi)部，其下部外壁開有凹槽，槽內(nèi)容納錐形密封墊，其上端側(cè)壁開有通孔；閥座為碗裝結(jié)構(gòu)，在殼體內(nèi)位于閥套下部，其側(cè)壁四周均布循環(huán)孔；閥套與滑套及殼體之間通過密封圈密封。

圖1 碰壓關(guān)井閥結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

使用固井碰壓閥時(shí)，將殼體上部的內(nèi)螺紋旋接于套管柱下部，殼體下部外螺紋連接在套管浮箍上部。完成下套管作業(yè)后進(jìn)行鉆井液循環(huán)及注水泥作業(yè)時(shí)，液流可經(jīng)過滑套內(nèi)腔及閥座上的循環(huán)孔向下順利流動(dòng)。由于閥座為碗裝結(jié)構(gòu)，其內(nèi)空間較大，且其側(cè)壁的循環(huán)孔朝側(cè)下方開啟，沉砂及巖屑較易順利通過，不易造成堵塞。當(dāng)注水泥工序完成后，壓入膠塞并替漿至碰壓時(shí)，膠塞推動(dòng)滑套，剪斷剪銷向下移動(dòng)。由于滑套下端外壁的錐形密封墊具有單向密封的作用，所以膠塞與閥座之間的液體能夠順利通過滑套及閥座之間的間隙并經(jīng)過錐形密封墊，然后通過閥座側(cè)壁的循環(huán)孔排出，直到滑套下端碰觸閥座內(nèi)端面。此時(shí)，液流通道被永久關(guān)閉，閥座內(nèi)壁與滑套之間的錐形密封墊起到單向密封作用，水泥漿無法經(jīng)閥座上的循環(huán)孔回流入套管內(nèi)形成水泥塞，由此確保滿足固井施工作業(yè)的技術(shù)要求。

2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證碰壓關(guān)井閥性能指標(biāo)能否滿足現(xiàn)場使用需要，對固井關(guān)井碰壓閥的關(guān)閉壓力、正向承壓能力、反向承壓能力進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

2.1 關(guān)閉壓力試驗(yàn)

在加工好的固井碰壓關(guān)井閥 （規(guī)格：GJF/139.7 mm/10.54/LC/P110） 樣品上端安裝1 只φ139.7 mm 的套管水泥頭；水泥頭內(nèi)置入固井膠塞，通過試壓泵在水泥頭上端打壓，壓力推動(dòng)固井膠塞下移，與固井碰壓閥滑套上端接觸后，繼續(xù)升壓至14 MPa 時(shí)，壓力驟降至0 MPa，此時(shí)表明剪銷剪斷；繼續(xù)泵注清水，直至壓力再次升高，此時(shí)碰壓閥完全關(guān)閉。試驗(yàn)表明，固井碰壓閥關(guān)閉壓力為14 MPa（關(guān)閉壓力可根據(jù)現(xiàn)場需要通過改變剪銷直徑來進(jìn)行調(diào)整）。

2.2 正向承壓試驗(yàn)

進(jìn)行完關(guān)閉壓力試驗(yàn)后，由試壓泵繼續(xù)加壓，壓力緩慢升至25 MPa 后，穩(wěn)壓5 min，未發(fā)生壓降，卸壓后拆下固井碰壓閥并觀察內(nèi)部構(gòu)件，未發(fā)現(xiàn)變形及損壞情況。試驗(yàn)表明，固井碰壓閥能夠正常承受固井碰壓時(shí)的正向壓力。

2.3 反向承壓試驗(yàn)

在進(jìn)行完關(guān)閉壓力及正向承壓試驗(yàn)的固井碰壓閥下端外螺紋處，安裝1 只帶有內(nèi)螺紋的堵頭。通過堵頭上的接頭由試壓泵泵注清水，分階段升壓至45 MPa，穩(wěn)壓15 min 后未發(fā)生壓降（見圖2）。卸壓后拆下固井碰壓閥并觀察內(nèi)部構(gòu)件，未發(fā)現(xiàn)變形及損壞情況。試驗(yàn)表明，固井碰壓閥關(guān)閉后能夠正常承受套管外水泥漿液柱施加的反向壓力。

圖2 反向承壓測試

3 現(xiàn)場應(yīng)用

固井碰壓閥在延頁平1 井進(jìn)行應(yīng)用并取得成功，隨后陸續(xù)在不同區(qū)塊19 口井的固井施工中予以應(yīng)用。固井施工作業(yè)全部正常順利完成，注水泥作業(yè)完成后，固井碰壓閥關(guān)井可靠率達(dá)到100%。

延頁平1 井是鄂爾多斯盆地的一口頁巖氣開發(fā)水平井。該井設(shè)計(jì)井深2 344 m，完鉆井深2 344 m，套管下深2 340.6 m，設(shè)計(jì)阻位2 332.2 m。油層套管固井套管串結(jié)構(gòu)（自下而上）：φ139.7 mm 浮鞋+φ139.7 mm 浮箍+φ139.7 mm 短套1 根+φ139.7 mm 浮箍+φ139.7 mm碰壓關(guān)井閥+φ139.7 mm 套管串+聯(lián)頂節(jié)。

該井下套管完成后循環(huán)排量1.8 m3/min，泵壓為5 MPa。施工后按正常程序注入水泥漿90 m3，清水頂替過程中壓力由0 MPa 上升至12 MPa。碰壓后繼續(xù)打壓，壓力由15 MPa 上升至20 MPa，確保達(dá)到關(guān)井閥關(guān)閉壓力，穩(wěn)壓后壓力未降，放壓回水?dāng)嗔?。注水泥過程中，施工正常、連續(xù)、完整，碰壓合理，井口開井候凝。固井后測井結(jié)果顯示人工井底為2 332 m，說明碰壓后井底關(guān)井可靠，同時(shí)，防止了水平段注水泥后水泥漿倒流引起的竄槽和微環(huán)隙。延頁平1 井固井質(zhì)量評價(jià)結(jié)果表明，水平段封固質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)（見表1）。

表1 延頁平1 井固井質(zhì)量評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

1）固井碰壓關(guān)井閥能消除浮箍浮鞋失效時(shí)對固井質(zhì)量的影響，在剪斷銷釘后能有效承受正反向壓力，且可通過銷釘長度來調(diào)節(jié)關(guān)井壓力，操作簡便，易于安裝。

2）固井碰壓關(guān)井閥可與套管浮箍、浮鞋配合使用，能夠在不影響原有固井注水泥作業(yè)流程的情況下，有力確保關(guān)井可靠性，有效防止水泥漿倒流入套管造成留水泥塞事故的發(fā)生，可充分滿足頁巖氣水平井固井施工作業(yè)的技術(shù)需求，降低水平段磨塞困難情況下的磨塞風(fēng)險(xiǎn)和水泥漿倒流引起的水平段竄槽和微環(huán)隙。

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