自通徑分級注水泥器的研究與應(yīng)用

李進++高立超++呂海丹

摘 要：自通徑分級注水泥技術(shù)克服了常規(guī)分級注水泥技術(shù)作業(yè)后，必須下小鉆桿鉆水通井的技術(shù)難題，并提高了固井質(zhì)量。文章介紹了一種通徑分級注水泥器的基本結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)及其工作原理， 室內(nèi)試驗表明性能可靠、使用方便。今年該工具在長慶采油六廠成功應(yīng)用40口井，縮短建井周期80余天，為鉆井提速提供了有效保障。

關(guān)鍵詞：自通徑；分級注水泥器；鉆井提速

中圖分類號：TE925.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0003-02

1 概 述

分級注水泥技術(shù)是當前石油工業(yè)鉆完井工程中普遍采用的一種工藝技術(shù)。它主要解決的技術(shù)難題包括：滲透性地層與低壓油氣井固井時的漏失問題、深井及超深井固井時由于水泥封固段長、水泥漿用量大、施工時間長、及水泥漿稠化時間過長等問題。這種工藝可以有效降低由水泥漿失重造成的危害，減小氣侵，防止鉆井液串槽，提高固井質(zhì)量；也可通過降低水泥漿液柱高度，進而減少注水泥過程對油氣儲層的傷害；可以實現(xiàn)上下有效封隔，而中間無水泥環(huán)封隔的固井技術(shù)難題。但在常規(guī)分級注水泥作業(yè)后，需下小鉆桿鉆水泥塞，該過程不僅延長了完井周期，而且增加了鉆井費用，此外鉆膠塞時鉆具在套管中的振動和撞擊，會影響二級注水泥環(huán)的封固質(zhì)量。為此，研究自通徑分級注水泥技術(shù)，在一級注水泥結(jié)束后，正常壓膠塞碰壓后，套管內(nèi)憋壓打開循環(huán)孔，二級注水泥碰壓后，通徑的部件自動脫落，靠自重下落至井底，完成分級注水泥施工作業(yè)，該技術(shù)對保證固井質(zhì)量，縮短鉆完井周期具有現(xiàn)實意義。

2 自通徑分級注水泥器設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際需要，研制了一種自通徑液壓分級注水泥器，主要用于長慶采油六廠φ139.7 mm油層套管，以減少分級注水泥固井后下小鉆具鉆分級注水泥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的步驟，有效降低了完井周期。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

可靠地密封設(shè)計。為了實現(xiàn)自通徑技術(shù)，并確保膠塞等附件無障礙落入井底，要求套管內(nèi)徑與通徑系統(tǒng)外徑之間實現(xiàn)有效密封。該有效密封同時也是保證工具設(shè)計成功的關(guān)鍵技術(shù)。為此，在設(shè)計工具優(yōu)選了一種特殊密封圈裝置，確保密封效果。

自通徑結(jié)構(gòu)的可靠性。自通徑主要是依靠工具中的膠塞、膠塞座等裝置脫離主體，依靠裝置的自重落至井底。自通徑裝置的成功脫落決定了免鉆膠塞工藝的順利進行。為確保裝置的成功脫落，設(shè)計上采用了一種特殊的脫落裝置，在完成二級注水泥循環(huán)孔關(guān)閉后，脫落裝置與主體進行分享分離， 膠塞、膠塞座依靠自重落至井底。

支承裝置承載壓力高，其執(zhí)行打開、關(guān)閉、脫開任務(wù)時施工壓力低且互不干涉。通常雙級注水泥器是用于深井超深井、長封井或低壓易漏井固井，在第二級注水泥時，常由于套管內(nèi)的水泥漿施加給工具支承裝置的載荷較大，銷釘支承普遍用在雙級注水泥工具中。而為了能增加載荷，往往采用較大直徑的銷釘，這勢必需要用較高的壓力以實現(xiàn)打開和關(guān)閉動作，進而要求地面固井設(shè)備等有較好的密封性能和較高的壓力。該工具設(shè)計中采用了承受載荷較高、動作壓力較低的特殊支承裝置，以確保工具打開、關(guān)閉、脫開等各級剪銷壓力互不干涉，并且與工具下井深度無直接關(guān)系。

2.2 機械結(jié)構(gòu)及特點

該免鉆分級箍包括外套、重力塞座、上接頭、下滑套、關(guān)閉套和膠塞套。重力塞座下端為座體，上端為筒體，上端筒體連接膠塞套形成一體，重力塞座與外套之間通過下滑套和關(guān)閉套相隔開，下滑套在下，關(guān)閉套在上；通過第三銷釘組和第四銷釘組將重力塞座、筒體與下滑套和關(guān)閉套相連，通過第一銷釘組和第二銷釘組將下滑套和關(guān)閉套與外套相連接，外套頂端口連接上接頭。

2.3 技術(shù)參數(shù)

Φ139.7 mm自通徑分級注水泥器：總長884 mm，額定負荷120 t，密封能力25 MPa，打開壓力7.0 MPa，關(guān)閉壓力5.0 MPa，脫落壓力20.0 MPa，最大外徑Φ170 mm，本體通徑Φ121 mm，適用于套管壁厚7.72 mm，撓性塞長度330 mm，重力打開塞長度 310 mm，關(guān)閉塞長度238 mm。

Φ177.8 mm自通徑分級注水泥器：總長884 mm，額定負荷180 t，密封能力25 MPa，打開壓力7.0 MPa，關(guān)閉壓力5.0 MPa，脫落壓力20.0 MPa，最大外徑Φ208 mm，本體通徑Φ155 mm，適用于套管壁厚9.19 mm/10.36 mm，撓性塞長度415mm，重力打開塞長度310 mm，關(guān)閉塞長度252 mm。

2.4 工作原理

同時將分級注水泥器與套管串，按照固井設(shè)計的要求下到井內(nèi)預(yù)定位置。

按照固井程序進行第一級注水泥作業(yè)，第一級固井注水泥完成并碰壓結(jié)束后，投重力塞；待重力塞下至分級箍重力塞座位置后，在井口加壓，剪斷開孔的銷釘組，這時重力塞座與下滑套將同步向下行，打開循環(huán)孔建立二級循環(huán)，實施第二級注水泥作業(yè)；在二級注水泥作業(yè)完成后，打入二級膠塞壓塞液，待二級膠塞下行至分級箍膠塞套時，完成二級碰壓；繼續(xù)加壓，剪斷關(guān)閉套和第二銷釘組，并推動這兩個裝置向下行，關(guān)閉循環(huán)孔，此時繼續(xù)加壓，剪斷下滑套之間的第三銷釘組合和第四銷釘組合，嚴格控制壓力變化，確保重力塞、重力塞座、二級膠塞、膠塞套連為一體，并落入井底，完成第二級注水泥。

2.5 主要特點

①采用先進的內(nèi)關(guān)閉式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)合理 ，密封能力強，關(guān)閉可靠；

②具有永久關(guān)閉功能，即關(guān)閉套的外壁和外筒的內(nèi)壁有擋塊相連，用來鎖緊關(guān)閉套上下滑動，從而實現(xiàn)永久關(guān)閉；

③打開、關(guān)閉動作時，均不存在小腔液體壓縮問題；

④關(guān)閉套關(guān)閉到位后，在關(guān)閉套上限位塊落入設(shè)計好的槽內(nèi)，整個內(nèi)套與打開塞和關(guān)閉塞一起脫離關(guān)閉套，在自重的作用下落到井底，減少了鉆出費用；

⑤進行了適當選材及配合間隙，以避免工具下井后受拉或熱膨脹使內(nèi)外套形成過盈配合而不利于打開和關(guān)閉。

3 室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 室內(nèi)試驗

該自通徑分級注水泥器在室內(nèi)進行多次試驗，試驗結(jié)果表明該工具的開孔、關(guān)孔、膠塞座脫落等動作均可靈活完成，試驗數(shù)據(jù)與設(shè)計值基本吻合，采用清水密封試壓30 MPa，30 min不滲不漏，以φ139.7mm自通徑分級注水泥器進行室內(nèi)試驗。打開壓力值設(shè)計為7.0 MPa，設(shè)計實驗三組數(shù)據(jù)分別是7.3 MPa、 7.5 MPa和6.8 MPa，平均值為7.2 MPa。關(guān)閉壓力值設(shè)計為 5.0 MPa，設(shè)計實驗三組數(shù)據(jù)分別是5.0 MPa、5.3 MPa和5.0 MPa，平均值為5.1MPa。脫落壓力值設(shè)計為20.0MPa，設(shè)計實驗三組數(shù)據(jù)分別是20.5 MPa、20.0 MPa和20.0 MPa，平均值為10.2 MPa。在現(xiàn)場應(yīng)用時，可根據(jù)實際情況靈活調(diào)整剪切銷釘?shù)臄?shù)量，以控制開孔、關(guān)孔和膠塞座脫落的壓差。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2015年，該自通徑分級注水泥器在長慶采油六廠成功推廣應(yīng)用40口井。固井施工過程中工具的開孔、關(guān)孔、膠塞座脫落的壓差基本符合設(shè)計要求，應(yīng)用情況良好。以郝41-01井固井為例，本井完鉆井深2 507 m，最大井斜18 °，設(shè)計要求下入φ139.7mm套管固井，因為該區(qū)塊在1 600 m存在嚴重的漏失層，因此要求采用雙級固井。入井管串結(jié)構(gòu)為彈簧浮鞋+套管+彈簧浮箍+套管+碰壓座+套管串+自通徑分級注水泥器+套管串，自通徑分級注水泥器下入位置1 555 m。為減小固井井漏風(fēng)險，采用防漏型前置液，水泥漿體系采用高強低密度水泥漿和常規(guī)密度水泥漿，一級固井水泥漿理論量為30 m3，設(shè)計量為 35 m3（高強低密度水泥漿15 m3，普通密度水泥漿20 m3）；二級固井水泥漿理論量為50 m3，設(shè)計量為55 m3（高強低密度水泥漿 35 m3，普通密度水泥漿20 m3）。本井于2015年7月26日進行固井施工作業(yè)，作業(yè)施工過程如下：

第一級注水泥：通過水泥車先注入防漏型前置液8 m3，粘度為40 S，然后注入水泥漿領(lǐng)漿15 m3，密度為1.45 g/cm3 ， 水泥漿中間漿10 m3，密度為1.85 g/cm3 ，水泥漿尾漿10 m3，密度為 1.90 g/cm3 ，排量均為1 m3/min，投撓性塞后用水泥車進行清水頂替，頂替排量1 m3/min，當柔性塞過分級箍位置時，將頂替排量降至0.3 m3/min，碰壓時壓力8～15 MPa；放回水檢查斷流；打開水泥頭頂蓋投入炮彈，炮彈下落時間為30 min；炮彈到位后，使用水泥車憋壓7 MPa，開孔循環(huán)，并用井隊泥漿泵洗井，洗出分級箍以上全部水泥漿，水泥漿候凝時間為8 h，8 h后循環(huán)泥漿，泥漿0.3 m3/min，碰壓8～15 MPa；性能達到要求后進行二級固井。

第二級：水泥車注入粘度40 S的防漏型前置液8 m3，密度1.45 g/cm3的水泥漿領(lǐng)漿35 m3，密度1.85 g/cm3 的水泥漿中間漿10 m3，密度1.90 g/cm3 的水泥漿尾漿10 m3，排量均為1 m3/min，然后注入清水0.5 m3（注清水目的是清洗分級箍，以保證脫落裝置可以順利脫落），投關(guān)閉塞，進行清水頂替，排量為1m3/min，當關(guān)閉塞即將到達分級箍位置時，將排量降至0.3 m3/min，碰壓13～18 MPa，以0.1 m3/min繼續(xù)進行頂替，最終達到穩(wěn)壓狀態(tài)，關(guān)孔成功。

內(nèi)套脫落過程：當分級箍關(guān)孔后，水泥車繼續(xù)注入清水，排量為0.1 m3/min，至壓力上升到20 MPa，然后壓力略有下降，此時說明分級箍內(nèi)套脫落（降低略有下降的原因：內(nèi)套脫落后，分級箍以下套管膨脹，泥漿微量壓縮），繼續(xù)給套管內(nèi)加壓，當壓力至20 MPa，穩(wěn)壓5 min，放回水檢查。再次注入清水，排量為 0.1 m3/min，壓力上升為20 MPa并穩(wěn)壓，說明分級箍內(nèi)套已經(jīng)完全脫落，放回水正常，敞壓候凝。

本井施工過程正常，48后測聲幅，測井儀器直接到達人工井底，無遇阻現(xiàn)象，說明自通徑分級注水泥器內(nèi)套已經(jīng)完全脫落到井底，工具性能穩(wěn)定，聲幅值在15%以內(nèi)，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，自通徑分級注水泥器施工完后，膠塞座等影響套管通徑的內(nèi)部裝置依靠自重落入井底，節(jié)省了上鉆機鉆分級注水泥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)作業(yè)的步驟，有效解決了小直徑套管使用分級注水泥技術(shù)時用小鉆具鉆分級注水泥器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)這一難題，據(jù)統(tǒng)計，平均每口井可節(jié)省鉆井周期 2 d，2015年一年使用該分級注水泥器節(jié)約直接鉆井成本400萬元以上。

4 結(jié)論和建議

本文通過對雙級注水泥器的研究，研制出自通徑分級注水泥器，經(jīng)過試驗和現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

①自通徑分級注水泥器性能可靠、結(jié)構(gòu)新穎、使用便利，能有效解決低壓易漏井、長封固段井、深井超深井等復(fù)雜井固井存在的技術(shù)難題。

②自通徑分級注水泥器與常規(guī)的分級注水泥器相比，該工藝簡化了施工程序，縮短了建井周期，降低了鉆完井成本，對提高固井質(zhì)量和增加油氣采收率具有重要的意義。自通徑分級注水泥器受機械結(jié)構(gòu)的限制，尺寸為φ139.7 mm的工具僅限于使用在壁厚為7.72 mm的套管中，影響了該工具在深井、超深井中的應(yīng)用。

③此自通徑式分級注水泥器經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] 袁進平，蔡俊林，宋本嶺.自通徑液壓分級注水泥器[J].石油機械，2002，

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