基于新型封隔式回接裝置的尾管回接關(guān)鍵技術(shù)

孫澤秋 代紅濤 魏 釗 丁玲玲 覃 毅

1.中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司, 山東 德州 253005；2.中國石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司, 河南 鄭州 450042；3.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司, 河北 任丘 062552

0 前言

“三高”油氣井因特殊的地層條件,環(huán)空極易發(fā)生氣竄[1-3]。常規(guī)尾管懸掛與回接固井工藝方式不能有效地解決固井后環(huán)空氣竄的難題,甚至?xí)斐删趲?帶來嚴(yán)重的井控問題,而常規(guī)尾管回接工具不具備封隔環(huán)空的功能[4-6]。國內(nèi)外防氣竄技術(shù)大都采用防氣竄水泥漿體系,雖取得了一些成果,但未能徹底解決尾管固井存在的氣竄問題[7]。鑒于此,本文提出在回接裝置中設(shè)計(jì)封隔器,通過封隔器實(shí)現(xiàn)環(huán)空封隔,保證回接固井的固井質(zhì)量。國內(nèi)對帶有封隔器的回接裝置已有研究,但大都局限于工具本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究,與回接工藝的結(jié)合較少,尾管回接工藝技術(shù)研究不夠透徹[8-10]。本文在研究帶有封隔器及防退機(jī)構(gòu)回接裝置的同時(shí),著重研究尾管回接工藝,并對影響回接效果的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：回接筒磨銑修復(fù)、多級壓力控制、精確調(diào)整回縮距進(jìn)行集中研究分析,為提高固井質(zhì)量、防止環(huán)空氣竄提供一種新的技術(shù)手段。

1 新型封隔式回接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決“三高”油氣井氣竄問題,新型封隔式回接裝置的主要設(shè)計(jì)原則就是在常規(guī)回接插頭的基礎(chǔ)上,增加一套封隔器機(jī)構(gòu),并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化，適應(yīng)現(xiàn)場的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。新型封隔式回接裝置主要由封隔器膠筒、防退機(jī)構(gòu)、密封組件、防提前坐封機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向頭組成,見圖1。防退機(jī)構(gòu)由反向卡瓦組成,卡瓦會沿著錐體坐掛到上層套管內(nèi)壁上[11-12]。防提前坐封機(jī)構(gòu)主要由彈簧套組成,下放管柱的過程中即便發(fā)生遇阻,作用力不會直接作用到封隔器上,大大降低了封隔器提前坐封的風(fēng)險(xiǎn)。密封組件由多組密封圈組成,相互之間獨(dú)立密封。導(dǎo)向頭利用可鉆材料,在插頭插入回接筒時(shí)起到導(dǎo)向作用。

圖1 新型封隔式回接裝置結(jié)構(gòu)圖

回接固井碰壓結(jié)束后,首先將封隔式回接插頭插入到尾管懸掛器的回接筒中,在密封組件的作用下,回接筒內(nèi)外實(shí)現(xiàn)阻隔。繼續(xù)下放管柱直至遇阻,此時(shí)封隔式回接插頭上的防提前坐封機(jī)構(gòu)接觸回接筒頂部,通過下壓噸位剪斷剪釘,此時(shí)下壓噸位直接作用到封隔器的錐套上。繼續(xù)下壓剪斷封隔器坐封剪釘,膠筒開始在外力的作用下發(fā)生擠壓變形,作用在上層套管內(nèi)壁上,將外環(huán)空封隔。繼續(xù)下壓噸位,剪斷防退機(jī)構(gòu)的剪釘,防退卡瓦坐掛到上層套管內(nèi)。在封隔器坐封及防退卡瓦動(dòng)作的全過程,封隔器內(nèi)置防退卡簧,用于實(shí)現(xiàn)永久坐封[13-14]。

2 防氣竄尾管回接工藝

結(jié)合“三高”油氣井防氣竄固井的實(shí)際情況,利用新型封隔式回接插頭、銑鞋、節(jié)流浮箍、固井膠塞等固井工具[15],制定了一套可行性強(qiáng)的防氣竄尾管回接工藝。

2.1 磨銑回接筒作業(yè)

通過下入與回接筒尺寸相匹配的專用銑鞋,在回接筒內(nèi)部開泵旋轉(zhuǎn)清掃,清理回接筒內(nèi)部水泥殘?jiān)懊?防止回接插頭插入時(shí)劃傷密封組件[16]。在清理結(jié)束后,銑鞋下至回接筒底部,下壓30～100 kN(根據(jù)不同規(guī)格的回接插頭,確定下壓噸位),磨銑5 min,旨在讓銑鞋斜肋在回接筒底部(也即懸掛器密封外殼頂端)磨出一道痕跡,用于判斷是否磨銑到回接筒底部。

2.2 回接管柱下入

圖2 封隔式回接裝置入井圖

2.3 試插探底、檢驗(yàn)密封

2.4 調(diào)長、循環(huán)固井

根據(jù)試插探底深度,調(diào)整芯軸懸掛器以下回接管柱的長度。泄壓,上提管柱至回接插頭位于回接筒以上 1 m 左右位置,大排量循環(huán),達(dá)到固井設(shè)計(jì)施工要求,按照固井設(shè)計(jì)進(jìn)行固井施工作業(yè)。

2.5 坐封封隔器

緩慢下放管柱,將回接插頭插入回接筒內(nèi),剛進(jìn)回接筒時(shí)會有一定的阻力,繼續(xù)下放使回接插頭完全插入回接筒,下壓100～120 kN,剪斷防提前坐封機(jī)構(gòu)剪釘；下壓至150～180 kN,剪斷封隔器剪釘,封隔器膠筒開始漲封；繼續(xù)下壓至300～500 kN,剪斷防退機(jī)構(gòu)剪釘,防退卡瓦張開,封隔器完全漲封[18]。

2.6 坐掛芯軸式懸掛器

將芯軸式懸掛器坐在套管頭上,承受上部套管足夠的懸重,形成有效的密封。

2.7 候凝

泄壓放回水,若斷流,候凝時(shí)間不小于28 h；若有回流,則關(guān)閉旋塞,憋壓候凝。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 回接筒磨銑到位技術(shù)研究

井內(nèi)回接筒的完好度直接決定回接插頭的密封效果,因此銑鞋磨銑回接筒是整個(gè)尾管回接中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[19]。

為了確保專用銑鞋插入回接筒進(jìn)行徹底修復(fù),首先保證銑鞋順利插入回接筒并到達(dá)筒底。在同一趟鉆具組合的前提下,通過校核磨銑時(shí)回接筒頂部位置與尾管懸掛器丟手下放至遇阻時(shí)的位置,來判定銑鞋是否插入回接筒底部。

銑鞋插入回接筒內(nèi)部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)修復(fù),轉(zhuǎn)速控制在40～50 r/min,排量根據(jù)鉆具規(guī)格來定,一般為0.8～1.5 m3/min。銑鞋進(jìn)入回接筒清刮筒內(nèi)的水泥殘留和毛刺,持續(xù)下放至筒底,達(dá)到懸掛器密封外殼頂端臺階遇阻。通過觀察磨銑后銑鞋斜肋處是否有一道明顯磨痕,并且磨痕外徑等于懸掛器密封外殼頂端內(nèi)徑,直肋上是否有明顯的周向磨痕,來判定回接筒的井內(nèi)狀態(tài)是否正常,見圖3。

圖3 專用銑鞋磨銑后的實(shí)物圖

3.2 封隔式回接裝置的多級壓力控制

在設(shè)計(jì)方面,多級壓力體系通過設(shè)置不同的壓力值,實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械功能。封隔式回接裝置的多級壓力體系就是利用防提前坐封機(jī)構(gòu)(壓力值為p1)、封隔器坐封(壓力值為p2)、防退機(jī)構(gòu)(壓力值為p3)的三級剪釘來實(shí)現(xiàn)的,因此剪釘是否可靠直接關(guān)系到多級壓力系統(tǒng)的功能能否實(shí)現(xiàn)。

剪釘一般采用銅棒坯料,經(jīng)過車銑打磨,制作成單個(gè)剪釘。為了掌握銅銷釘?shù)膶?shí)際剪切值,利用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)測試剪釘剪切,見圖4。

圖4 液壓萬能試驗(yàn)機(jī)測試剪釘剪切值

對出自同一銅棒的同尺寸剪釘進(jìn)行抽檢,得到同組剪釘?shù)牟煌?qiáng)度值σi。去掉屈服強(qiáng)度值中的最大值和最小值,對其它值進(jìn)行求解平均值處理,確定該批剪釘?shù)那?qiáng)度值σ。

剪釘剪切值的計(jì)算公式：

(1)

式中：F為剪釘剪切值,kN；D為剪釘?shù)闹睆?mm；σ為剪釘?shù)那?qiáng)度,MPa。

3.3 調(diào)長回縮距的精確計(jì)算

回縮距能否準(zhǔn)確計(jì)算直接關(guān)系到施工的成敗。心軸懸掛器以下套管過長,則芯軸懸掛器無法坐掛；芯軸懸掛器以下套管過短,則下壓噸位不夠,封隔器無法完全漲封,甚至造成插頭無法插入回接筒[20]。

調(diào)長回縮距由下壓力產(chǎn)生的回縮距(L1)、固井前后浮力差作用下的管串收縮長度(L2)、封隔器坐封行程(L3)組成。

下壓力產(chǎn)生的回縮距計(jì)算公式：

(2)

式中:L1為下壓力產(chǎn)生的回縮距,m；K為接頭影響系數(shù),一般取0.85～0.95,無量綱；E為鋼材彈性系數(shù),2.059×105 MPa；F為回接套管管體截面積,cm2；W為插頭下壓力,kN；L為回接套管長度,m。

固井前后浮力變化的計(jì)算：

(3)

式中:ΔW為固井后浮力差,kN；ρ1為水泥漿密度,g/cm3；ρ2為泥漿密度,g/cm3；ρ3為重泥漿密度,g/cm3；D為回接套管外徑,cm；H為封固段長度,m；V為重泥漿體積,m3。

固井前后浮力差作用下的管串收縮長度L2：

(4)

式中:L2為固井前后浮力差作用下的管串收縮長度,m；g為重力加速度,9.8 m/s2。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

元壩X井是中石化西南分公司部署的一口陸相開發(fā)井,該井三開完鉆井深5 082 m,泥漿比重2.18 g/cm3,先期采用Ф 273 mm×Ф 193.7 mm尾管固井工藝,固井后發(fā)生氣竄,氣竄對后續(xù)完井帶來嚴(yán)重影響,采用 Ф 193.7 mm 新型封隔式回接裝置將套管回接至井口。

按照回接工藝要求,完成掃塞和刮管操作,下入 Ф 202 mm 專用銑鞋對回接筒內(nèi)表面的毛刺和水泥殘?jiān)M(jìn)行清掃,轉(zhuǎn)速控制40 r/min,循環(huán)排量1.2 m3/min,立管壓力10 MPa,探至回接筒底部鉆壓50 kN,磨銑3 min。起出銑鞋,檢查銑鞋斜肋有一圈明顯的磨痕,其直徑 175 mm 等于懸掛器密封外殼左旋梯形內(nèi)螺紋直徑,表明確實(shí)磨銑到回接筒底部。

下入“封隔式回接插頭+5根套管+節(jié)流浮箍+套管串”至設(shè)計(jì)位置,回接固井施工后,插頭插入,下壓150 kN坐封封隔器,繼續(xù)下壓380 kN啟動(dòng)防退卡瓦,下放管柱坐掛芯軸懸掛器,進(jìn)行環(huán)空試壓8 MPa無壓降。候凝完掃除套管內(nèi)插頭位置的水泥塞,全井筒試壓50 MPa正常,后期該井未發(fā)生氣竄。

5 結(jié)論

1)基于新型封隔式回接裝置的尾管回接技術(shù)通過封隔管外環(huán)空,使回接固井后水泥漿凝固時(shí)免受下部氣竄干擾,保證回接固井質(zhì)量,阻止氣竄至井口。該技術(shù)為解決“三高”油氣井尾管固井后氣竄難題提供了一種新手段。

2)新型封隔式尾管回接裝置采取多級剪釘控制,對剪釘?shù)牟馁|(zhì)和剪切值準(zhǔn)確性要求比較高。

3)為了滿足回接更高壓力等級的要求,需要進(jìn)一步優(yōu)化密封組件,提高回接插頭的密封能力。

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