新型封隔式回接裝置及工藝技術研究

孫澤秋，魏 釗，代紅濤，覃 毅，陳 濤

1.中國石化石油工程技術研究院德州大陸架石油工程技術有限公司 （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.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司 （河北 任丘062552）

“三高”氣井由于其特殊的地質原因，環(huán)空易發(fā)生氣竄。常規(guī)尾管回接工具不具備環(huán)空封隔的能力，其回接固井工藝無法解決尾管固井后環(huán)空氣竄的技術難題，造成井口帶壓[1-3]。國內(nèi)外針對防氣竄水泥漿體系、固井方式、施工過程控制等方面進行了許多研究[4]，取得了一些階段性成果，但未能從根本上解決氣竄難題。本文提出在回接裝置頂部設計一套機械式封隔器，固井后通過封隔器實現(xiàn)環(huán)空封隔，保證尾管回接固井質量。目前國內(nèi)少數(shù)固井工具研究單位對帶封隔器回接裝置已有相關研究，但是大多數(shù)研究只限于結構設計方面[5-6]，而對于工具設計與工藝技術綜合研究相對較少。因此，設計了帶防退功能的封隔式回接裝置，著重研究了尾管回接工藝技術，并對影響回接效果的尾管固井回接筒內(nèi)部修整技術、多級壓力控制技術、調(diào)長關鍵參數(shù)計算3方面進行了重點研究。通過現(xiàn)場應用，該工藝技術為提高重疊段固井質量、防止環(huán)空氣竄提供了一種新的研究思路。

1 回接裝置的結構設計

新型封隔式回接裝置的主要設計原則是在常規(guī)回接裝置的基礎上，增加了一套機械式封隔器機構。結合現(xiàn)場實際情況，優(yōu)化了適應現(xiàn)場作業(yè)的機構設計。新型封隔式回接裝置主要由防退機構、封隔器膠筒、防提前坐封機構、密封組件、導向頭組成，如圖1所示。

防退機構封隔器膠筒防提前坐封機構密封組件導向頭

圖1 新型封隔式回接裝置結構圖

防退機構主要依靠反向卡瓦實現(xiàn)防退功能，反向卡瓦會沿著錐體張開，掛到上層套管內(nèi)壁上。封隔器采用單膠筒結構設計，利用管柱對回接裝置的下壓力完成封隔器的脹封，封隔器內(nèi)部設計有防退卡簧機構，可實現(xiàn)永久脹封。防提前坐封機構由彈簧套組成，設計在回接裝置插入部分的頂端，若下放回接管柱時出現(xiàn)遇阻，該作用力會施加在防提前坐封機構上，不會直接作用到封隔器，降低了封隔器提前坐封的風險。密封組件由相互獨立的多組密封圈組成，提高了回接裝置的密封性能。導向頭采用圓頭設計，在回接裝置插入回接筒時起到導向的作用，使用可鉆材料加工，鉆除后實現(xiàn)內(nèi)通徑[7]。

回接固井施工結束，先將封隔式回接裝置的插入部分全部插到懸掛器回接筒內(nèi)，由于回接裝置上密封組件的存在，回接筒內(nèi)外可實現(xiàn)阻隔。下放管柱至遇阻，回接裝置上的彈簧套接觸到回接筒頂端，此時通過管柱下壓施加的作用力可直接作用到封隔器。繼續(xù)下壓施加作用力，剪斷封隔器坐封銷釘，封隔膠筒在軸向力作用下發(fā)生擠壓變形，脹封在上層套管內(nèi)壁，實現(xiàn)套管外環(huán)空的封隔[7]。繼續(xù)下壓施加作用力，將防退機構銷釘剪斷，防退卡瓦坐掛到上層套管內(nèi)壁。在封隔器脹封的過程中，封隔器內(nèi)部的防退卡簧起作用，實現(xiàn)永久脹封。

2 防氣竄尾管回接工藝技術

“三高”氣井防氣竄回接固井主要采用新型封隔式回接裝置、節(jié)流浮箍、專用銑鞋、固井膠塞等井下工具。結合回接固井實際，制定了一套防氣竄尾管回接工藝技術。

2.1 回接前準備

①刮管作業(yè)。用鉆具送入與上層套管匹配的刮管器，對回接裝置的封隔器經(jīng)過位置進行刮壁處理，防止水泥殘渣及管壁內(nèi)毛刺劃傷封隔器膠筒，造成封隔器密封不嚴[7-8]。②磨銑回接筒作業(yè)。下入與回接筒相匹配的專用銑鞋，在回接筒內(nèi)部旋轉清掃，用于清理回接筒內(nèi)部水泥殘渣，防止回接裝置插入時劃傷密封圈。清理回接筒內(nèi)壁結束，銑鞋下至回接筒底部，下壓30～100 kN，磨銑3～5 min（根據(jù)不同規(guī)格的回接裝置，確定下壓力和磨銑時間），銑鞋斜肋在回接筒底部磨出一道外徑等于懸掛器密封外殼頂端直徑的痕跡，用于判斷銑鞋是否磨銑到回接筒底部。

2.2 回接管柱下入

①下入回接套管串。下入“封隔式回接裝置+3～6根套管+節(jié)流浮箍+套管串”的回接管柱，下入過程中，嚴格控制下放速度，尤其是控制遇阻的下壓力，該力不得超過防提前坐封機構銷釘剪切值的80%。②試插探底驗封?；亟友b置距離回接筒以上1～2 m洗井循環(huán)，然后小排量開泵下放試插，下放管柱至泵壓突然升高，立即停泵，繼續(xù)下放至遇阻，下壓力不得超過防提前坐封機構銷釘剪切值的80%，憋壓5～8 MPa，檢驗回接裝置密封性。③調(diào)整回接管串。為了保證回接固井后回接裝置完全插入并且芯軸懸掛器恰好坐到套管頭，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。

2.3 回接固井

將回接管柱提至回接裝置位于回接筒以上1 m左右位置，大排量循環(huán)洗井，連接固井水泥頭及其管線。注入低密度前置液，注水泥漿，釋放膠塞，用鉆井液頂替膠塞至節(jié)流浮箍實現(xiàn)碰壓?？紤]回接固井屬于套管里面固套管，工序較簡單，但必須嚴格控制水泥漿的稠化時間、抗污染時間以及停機時間，嚴防固井后回接裝置因水泥漿提前稠化引起無法正常插入回接筒的情況發(fā)生。

2.4 坐封封隔器

①坐封封隔器。緩慢下放管柱，將回接裝置插入回接筒內(nèi)，繼續(xù)下放使回接裝置完全插入回接筒，下壓100～120 kN，剪斷防提前坐封機構銷釘；下壓至120～150 kN，剪斷封隔器銷釘，封隔器膠筒開始脹封；繼續(xù)下壓至300～500 kN，剪斷防退機構銷釘，防退卡瓦張開，封隔器完全脹封。②坐芯軸懸掛器。繼續(xù)下放管柱，將芯軸懸掛器坐在套管頭上，讓芯軸懸掛器承受上部套管足夠的懸重，形成有效密封。

3 關鍵工藝技術

3.1 尾管固井回接筒內(nèi)部修整技術

尾管懸掛器的回接筒完好程度直接決定了回接裝置的密封效果，回接筒內(nèi)部修整是尾管回接的關鍵技術。為了確保專用銑鞋插入回接筒進行徹底修復，首先確保銑鞋順利插入回接筒并到達筒底。用同一趟管柱輸送尾管和磨銑回接筒，可通過校核尾管固井懸掛器丟手下放至遇阻與磨銑回接筒時回接筒頂部的位置，判斷專用銑鞋是否磨銑至回接筒底部[9]。送入專用銑鞋至回接筒內(nèi)，開泵旋轉修整，轉速控制在40～50 r/min，不同的鉆具循環(huán)排量不同，一般為0.8～1.5 m3/min。專用銑鞋插入回接筒可以清掃筒內(nèi)的水泥殘留和毛刺，持續(xù)下放至筒底，直至懸掛器密封外殼頂端臺階。通過磨銑后銑鞋斜肋處有一道明顯磨痕，且磨痕外徑等于懸掛器密封外殼頂端內(nèi)徑，直肋上無明顯的劃痕僅有輕微的周向磨痕，以此判斷回接筒在井內(nèi)的狀態(tài)趨于正常。

3.2 多級壓力控制技術

多級壓力體系通過設置不同的壓力值，實現(xiàn)多種機械功能。封隔式回接裝置多級壓力體系主要由防提前坐封機構（P1）、封隔器坐封（P2）、防退機構（P3）的三級銷釘來實現(xiàn)的，因此銷釘剪切的穩(wěn)定性和可靠性直接關系到多級壓力系統(tǒng)的功能實現(xiàn)[10]。銷釘普遍由銅棒坯料車銑打磨制作而成，為了掌握銅銷釘?shù)膶嶋H剪切值，利用液壓萬能試驗機測試銷釘剪切值，如圖2所示。

圖2 液壓萬能試驗機測試銷釘剪切值

對出自同一銅棒的同尺寸銷釘進行抽檢測試，得到了同組銷釘?shù)牟煌姸龋é襥），如圖3所示。采用去掉最大值和最小值、求平均的計算方法，確定同批次銷釘?shù)那姸圈摇ｄN釘剪切值的計算公式：

式中：F為銷釘剪切值，kN；D為銷釘直徑，mm；σ為銷釘屈服強度，MPa。

圖3 同組銷釘?shù)牟煌羟兄?/p>

在工藝方面，回接套管下入過程中產(chǎn)生機械振蕩或水力激蕩，造成銷釘疲勞破壞，使得銷釘?shù)膶嶋H剪切值存在誤差?？紤]到剪切值的精準，在回接套管下入過程中要勻速下放，嚴禁猛提和猛剎，并且遇阻時下壓力嚴格控制在防提前坐封機構的80%以內(nèi)，防止膠筒提前脹封。

3.3 調(diào)長關鍵參數(shù)計算

調(diào)長回縮距的準確計算直接關系到回接裝置能否順利插入回接筒實現(xiàn)密封。在調(diào)長計算時，加到芯軸懸掛器以下的套管過長，芯軸懸掛器無法坐掛到套管頭上，無法密封；加到芯軸懸掛器以下的套管過短，則施加到回接裝置上的作用力太小，輕者封隔器膠筒無法完全脹封，嚴重時會造成回接裝置無法插入回接筒，引起固井事故。調(diào)長回縮距由下壓作用力產(chǎn)生的回縮距L1、固井前后浮力變化引起的管串收縮長度L2、封隔器膠筒的脹封行程L3組成[7-11]。

下壓作用力產(chǎn)生的回縮距計算公式：

式中:L1為下壓作用力產(chǎn)生的回縮距，m；K為接頭影響系數(shù)，一般取0.85～0.95；E為鋼材彈性模量，2.059×105MPa；F為回接套管管體截面積，cm2；W為施加到回接裝置的下壓作用力，kN；L為回接套管長度，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

固井前后浮力變化的計算：

式中:ΔW為固井后浮力差，kN；ρ1為水泥漿密度，g/cm3；ρ2為鉆井液密度，g/cm3；ρ3為加重鉆井液密度，g/cm3；D為回接套管外徑，cm；H為水泥漿封固段長度，m；V為加重鉆井液體積，m3。

固井前后浮力變化引起的管串收縮長度L2：

式中：L2為固井前后浮力變化引起的管串收縮長度，m。

4 現(xiàn)場應用

A井為中國石化X分公司在四川部署的一口陸相開發(fā)井，三開完鉆井深5082m，鉆井液密度2.18 g/cm3，在Φ273 mm×Φ193.7 mm尾管固井施工過程中發(fā)生氣竄，固井質量較差。為了規(guī)避氣竄帶來的風險，優(yōu)選德州大陸架公司自主研發(fā)的Φ193.7 mm新型封隔式回接裝置將套管回接至井口。

依據(jù)回接工藝流程，首先完成尾管懸掛器的掃塞以及上層套管管壁的刮管作業(yè)。下入Φ202 mm專用銑鞋清掃回接筒內(nèi)表面的水泥殘渣，頂驅轉速設定在40 r/min，循環(huán)排量1.2 m3/min，循環(huán)壓力10 MPa，探至回接筒底部后施加鉆壓50 kN，磨銑3 min，重復操作3次后起鉆。檢查銑鞋斜肋有一圈直徑175 mm的磨痕，直肋基本無劃痕，表明確實磨銑到回接筒底部（圖4）。

按照固井設計的要求，下入管串組合為“封隔式回接裝置+5根套管+節(jié)流浮箍+套管串”的回接管柱，如圖5所示?；亟友b置下至設計位置，插入回接筒，套管內(nèi)試壓6 MPa，穩(wěn)壓10 min，無壓降，回接裝置插入部分驗封正常，回接裝置提離回接筒。根據(jù)試插位置與回縮距計算的情況，調(diào)整回接管柱，保持固井全過程回接裝置在回接筒以上1 m。完成回接固井施工后，回接裝置插入回接筒，下壓150 kN坐封封隔器，繼續(xù)下壓380 kN啟動防退功能，繼續(xù)下放管柱直至芯軸懸掛器坐掛到套管頭上，環(huán)空試壓8 MPa無壓降。待水泥漿凝固后，掃除套管內(nèi)回接裝置處的水泥塞（包括導向頭）。全井筒試壓50 MPa正常，該井后期未發(fā)生氣竄。

圖4 專用銑鞋磨銑后的實物圖

圖5 封隔式回接裝置入井圖

5 結論

1）新型封隔式回接裝置通過封隔管外環(huán)空，使回接固井后水泥漿凝固時免受下部氣竄干擾，保證回接固井質量。該技術為了解決“三高”氣井尾管固井后的氣竄難題提供了一種新的研究思路。

2）封隔式尾管回接裝置的各功能實現(xiàn)通過多級銷釘控制，這對銷釘剪切值的精確性要求較高。通過抽檢確定不同材質下的屈服強度，計算同批次的銷釘剪切值。通過控制送放速度，減少下套管過程中對銷釘?shù)钠谄茐?，從而提高銷釘剪切值的準確性。

3）為了滿足不同工況下對井筒的更高壓力等級要求，進一步優(yōu)化密封組件，研究回接裝置和回接筒間的高壓密封形式，以便提高回接裝置的密封等級。