固井界面增強(qiáng)工具研制

宋艷濤

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413 )①

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固井界面增強(qiáng)工具研制

宋艷濤

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413 )①

摘要：為了提高固井界面處的層間封隔能力，選用遇水膨脹橡膠，研制了固井界面增強(qiáng)工具。設(shè)計(jì)了性能評(píng)價(jià)裝置，對(duì)該工具進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，比表面積、膨脹液礦化度和溫度均會(huì)對(duì)橡膠材料的膨脹性能產(chǎn)生影響。該工具能夠顯著提高固井雙界面的密封能力，有效地提高環(huán)空的封隔性能。

關(guān)鍵詞：固井；工具；遇水膨脹橡膠

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近年來，膨脹橡膠材料逐漸應(yīng)用于鉆井工程領(lǐng)域，最具代表性的就是遇水/遇油膨脹封隔器[1-3]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裸眼井段的封隔，由于其獨(dú)特的自密封特點(diǎn)被廣泛關(guān)注。但是，應(yīng)用于固井中的自膨脹工具未見報(bào)道。固井質(zhì)量是影響油氣井安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要因素，由于水泥和套管之間弱界面的存在[4]，在一定程度上對(duì)固井質(zhì)量產(chǎn)生影響。雖然可以采取一些措施來提高界面處的膠結(jié)質(zhì)量，但是在油氣井作業(yè)過程中套管內(nèi)壓變化可能造成套管與水泥環(huán)之間產(chǎn)生微環(huán)隙，影響油氣井產(chǎn)能建設(shè)。這些問題無法通過單方面改善水泥性能來解決。

為了提高界面處的層間封隔能力，消除微環(huán)隙與弱界面對(duì)油氣井的影響，研制了以遇水膨脹橡膠為主要材料的固井界面增強(qiáng)工具。本文研究了比表面積、膨脹液礦化度和溫度等對(duì)膨脹橡膠材料膨脹性能的影響，評(píng)價(jià)了固井界面增強(qiáng)工具對(duì)固井的密封性能。介紹了該工具的結(jié)構(gòu)、工作原理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1橡膠膨脹性能影響因素室內(nèi)試驗(yàn)

遇水膨脹橡膠是固井界面增強(qiáng)工具的核心部件，其性能直接影響工具的使用效果。通過對(duì)不同體積膨脹倍率的材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選擇體積膨脹倍率為200%、耐溫性能較好的氫化丁腈遇水膨脹橡膠作為固井界面增強(qiáng)工具的膨脹材料。影響材料膨脹性能的主要因素有比表面積、膨脹液礦化度和溫度。

1.1橡膠比表面積對(duì)膨脹性能的影響

分別取比表面積為3.1 cm2/g和3.7 cm2/g的兩塊橡膠樣品進(jìn)行試驗(yàn)。將它們置于45 ℃的去離子水中浸泡，每隔一段時(shí)間測(cè)其體積，試樣的體積變化情況如圖1所示。

圖1　橡膠比表面積對(duì)膨脹性能的影響

從圖1可以看出，比表面積為3.7 cm2/g的樣品在水中浸泡2 d，體積達(dá)到最大值，橡膠處于溶脹平衡狀態(tài)。比表面積為3.1 cm2/g的樣品達(dá)到最大體積則需要在水中浸泡4 d。因此，橡膠的比表面積越大，其膨脹速率越快。此外，從圖1中可以看出，比表面積為3.7 cm2/g樣品和3.1 cm2/g樣品的最大體積膨脹率基本相同，因此可以得知比表面積對(duì)橡膠體的最大體積膨脹率并無影響。

橡膠的膨脹速率之所以同比表面積有關(guān)，是因?yàn)榕蛎浰俾适峭ㄟ^擴(kuò)散過程進(jìn)行控制的。樣品的比表面積越大，水分子進(jìn)入橡膠的通道越多，越容易擴(kuò)散，橡膠的膨脹速率越快。因此，如果想要得到較快的初始膨脹速率，則必須使橡膠元件的有效面積最大化。

1.2采出水的礦化度對(duì)橡膠膨脹性能的影響

橡膠膨脹的主要驅(qū)動(dòng)力是橡膠內(nèi)外的滲透壓差，滲透壓差越大，橡膠的膨脹能力越強(qiáng)。滲透壓主要與溶液中的離子數(shù)量有關(guān)，而與離子種類無關(guān)。遇水膨脹橡膠要在井下復(fù)雜環(huán)境下使用，地下流體由于采出水回注等原因造成水中離子含量較高，因此需要進(jìn)行礦化度對(duì)膨脹性能的影響研究。

將體積相同的橡膠樣品分別置于去離子水和3%氯化鈉溶液中，45 ℃下浸泡，每隔一段時(shí)間測(cè)量其體積。樣品的體積隨時(shí)間變化如圖2所示。

由圖2中可以看出，3%氯化鈉溶液中的樣品體積膨脹率明顯小于去離子水中的樣品。試驗(yàn)結(jié)果表明，水中的離子會(huì)嚴(yán)重影響橡膠的膨脹。這是由于3%氯化鈉溶液中的離子使橡膠與溶液中的離子濃度差減小，橡膠內(nèi)外滲透壓差減小，導(dǎo)致膨脹量減小。橡膠在使用中由于地下環(huán)境的不同，會(huì)使其膨脹量和膨脹速率發(fā)生變化，從而影響密封效果，在使用時(shí)必須對(duì)井下條件進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)好橡膠的體積膨脹率。

圖2　采出水礦化度對(duì)橡膠膨脹性能的影響

1.3采出水溫度對(duì)橡膠膨脹性能的影響

取質(zhì)量約3 g，表面積基本相同的遇水膨脹橡膠樣品，將其分別置于不同溫度下的去離子水，其體積變化如圖3所示。

由圖3中可以看出，橡膠的膨脹速率隨著溫度的升高而加快，25 ℃下在5 d時(shí)體積達(dá)到最大值，而45 ℃下需要2 d，90 ℃下只需1 d。不同溫度下橡膠的膨脹速率相差很大，溫度影響水分子的分子運(yùn)動(dòng)，溫度越高水分子的分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，進(jìn)入橡膠中的速率越快，使膨脹橡膠的膨脹速率增加。

圖3　溫度對(duì)膨脹性能的影響

2固井界面增強(qiáng)工具的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1Ⅰ界面密封性能

目前，對(duì)固井界面增強(qiáng)工具的性能評(píng)價(jià)研究較少，且多是定性評(píng)價(jià)，國內(nèi)外尚未見定量評(píng)價(jià)報(bào)道。根據(jù)工具的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全尺寸評(píng)價(jià)裝置，該裝置主要由中心管、工具、底盤、巖心和驗(yàn)竄部分組成，如圖4所示。在外徑為139.7 mm的套管表面從上到下開4排直徑為4 mm的小孔，將一段膠筒粘貼在139.7 mm套管下部間距為0.5 m兩排孔之間，上部兩排孔間距為0.5 m。橡膠連同套管在泥漿中浸泡12 h后取出，在套管和巖心之間注入大連G級(jí)水泥原漿，在40 ℃水浴中養(yǎng)護(hù)，定期對(duì)上部和下部進(jìn)行驗(yàn)竄。

在1 d時(shí)驗(yàn)竄，膠筒部位封隔壓力3.5 MPa，無膠筒0.5 m部位封隔壓力1.5 MPa ；在3 d時(shí)膠筒部位封隔壓力8 MPa，而無膠筒部位封隔壓力基本為零；在7 d時(shí)膠筒部位封隔壓力大于15 MPa，說明在Ⅰ界面頂替不凈或存在微環(huán)隙時(shí)，膠筒可以顯著提高封隔能力。

圖4　固井界面增強(qiáng)工具評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置

2.2Ⅱ界面密封性能

通過全尺寸模擬試驗(yàn)雖然明確了工具對(duì)Ⅰ界面的作用，但是工具對(duì)Ⅱ界面的作用尚不明確，因此，采用小尺寸界面膠結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)裝置模擬檢測(cè)了工具對(duì)Ⅱ界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響。

將橡膠材料粘貼在鋼壁表面，在45 ℃鉆井液中浸泡12 h，取出后將表面清理干凈，在界面環(huán)空注入水泥原漿，于45 ℃下養(yǎng)護(hù)48 h，測(cè)量Ⅱ界面膠結(jié)強(qiáng)度，測(cè)量結(jié)果同未粘貼橡膠的試樣進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如圖5和表1。

a　帶有膨脹橡膠的中心管

b　環(huán)空注入水泥后的模擬試驗(yàn)裝置

試樣樣品1(Ⅰ界面帶有橡膠)樣品2(無橡膠)Ⅱ界面膠結(jié)強(qiáng)度/MPa1.321.05

從表1可以看出，Ⅰ界面粘有橡膠的樣品時(shí)，Ⅱ界面膠結(jié)強(qiáng)度比無橡膠樣品提高了26%。這是由于橡膠在水泥凝固前的膨脹增加了Ⅱ界面處鋼壁與水泥之間的接觸應(yīng)力，使界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度增加。

3固井界面增強(qiáng)工具

3.1結(jié)構(gòu)

固井界面增強(qiáng)工具結(jié)構(gòu)簡單，主要由遇水膨脹橡膠、保護(hù)環(huán)和中心管組成，如圖6所示。將遇水膨脹橡膠直接硫化或套裝粘接固定在各種尺寸的中心管上，兩端直接同套管接箍相連，套管接箍就是保護(hù)環(huán)，防止工具在下入過程中刮破橡膠。橡膠部分厚度和長度可根據(jù)油氣井的密封壓差要求、井徑、地質(zhì)情況、操作條件以及其它情況進(jìn)行調(diào)整。橡膠厚度越大、尺寸越長，則密封的壓差越大。

圖6　固井界面增強(qiáng)工具結(jié)構(gòu)示意

3.2工作原理

在使用時(shí)，將固井界面增強(qiáng)工具接入套管串，隨同套管串下入，然后進(jìn)行注水泥固井作業(yè)，使固井界面增強(qiáng)工具封固在水泥中。固井界面增強(qiáng)工具會(huì)通過與水反應(yīng)，封閉套管和水泥環(huán)之間存在的微環(huán)隙或固井弱界面，增強(qiáng)固井界面的層間封隔能力。此外，固井界面增強(qiáng)工具可以防止水泥環(huán)由于應(yīng)力而引起的破壞，進(jìn)而保證水泥環(huán)的完整性。該工具不需要額外操作，不占用鉆井時(shí)間，可靠性高、風(fēng)險(xiǎn)低，不影響正常固井施工作業(yè)。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，固井界面增強(qiáng)工具共進(jìn)行了3口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。所應(yīng)用的區(qū)塊地層壓力系數(shù)高，處于管外冒高發(fā)區(qū)，且易出現(xiàn)固井質(zhì)量問題。該工具在應(yīng)用過程中，下套管作業(yè)順利，固井施工正?！，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的3口井中有2口井固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)，另外1口為合格。工具附近上下10 m以上固井質(zhì)量均為優(yōu)質(zhì)。而且3口井均未發(fā)生管外冒。說明該工具的設(shè)計(jì)可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求，在預(yù)防固井后管外冒，提高層間封隔能力方面起到了較好的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5結(jié)論

1)使用環(huán)境會(huì)對(duì)固井界面增強(qiáng)工具的性能產(chǎn)生影響。比表面積越大、溫度越高，膠筒膨脹速率越快，膨脹液礦化度越大，橡膠達(dá)到溶脹平衡時(shí)的體積越小。

2)固井界面增強(qiáng)工具可輔助水泥環(huán)提高界面封隔能力，增強(qiáng)密封性能。橡膠可通過吸收水分膨脹，對(duì)Ⅰ界面的水泥環(huán)產(chǎn)生接觸應(yīng)力，進(jìn)而提高水泥環(huán)的封隔能力，同時(shí)在水泥凝固過程中橡膠也會(huì)增加Ⅱ界面處井壁與水泥之間的接觸應(yīng)力，使界面強(qiáng)度增加，從而提高密封性能。

3)固井界面增強(qiáng)工具結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。固井界面增強(qiáng)工具在使用時(shí)直接將其連入套管串，不需額外操作，不占用鉆井時(shí)間，可靠性高、風(fēng)險(xiǎn)低，不影響正常固井施工作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好，有效提高了固井界面的層間封隔能力。

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文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0068-04

收稿日期：①2015-12-16

作者簡介：宋艷濤(1982-)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，工程師，2007年畢業(yè)吉林大學(xué)，現(xiàn)從事固井新材料、新工具的研究工作，E-mail：songyantao@cnpc.com.cn。

中圖分類號(hào)：TE925.203

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.015

Development of Cementing Interface Enhancement Tool

SONG Yantao

(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingDrillingEngineeringCorporation，Daqing163413，China)

Abstract：In order to improve the zonal isolation performance，a cementing interface enhancement tool is developed using water swellable rubber.The tool is tested by designed evaluating equipment and applied in the field.The results of experiments show that specific area，fluid salinity and temperature have influence on the material，and the tool can significantly improve interface sealing ability of the cementing and zonal isolation performance.

Keywords：well cementing；tool；water-swellable rubber