一種能有效防止水泥漿回流的新型套管膠塞

劉運(yùn)樓 唐 欣 周 正 李 斌 張毅超

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司

尾管懸掛器是尾管固井最重要的工具，其技術(shù)性能直接影響到固井的成敗或質(zhì)量?jī)?yōu)劣[1-3]。由于固井管柱的特殊性，尾管固井防止水泥漿回流到套管內(nèi)始終是固井工程師最為關(guān)注的問(wèn)題之一。因?yàn)槌Ｒ?guī)固井時(shí)即使遇到浮箍失效，也可以通過(guò)關(guān)閉水泥頭來(lái)防止水泥漿回流，而尾管固井則無(wú)法采用此措施，一旦浮箍失效，水泥漿就會(huì)無(wú)控制地倒流回套管內(nèi)，造成損失巨大的固井事故。鑒于此，幾乎所有的尾管懸掛器都設(shè)計(jì)有利用膠塞來(lái)防止水泥漿回流的裝置[4]，一旦浮箍失效，鉆桿膠塞和套管膠塞一起發(fā)揮作用，與碰壓座鎖定在一起防止水泥漿回流。即便是如此，仍有一部分尾管固井后出現(xiàn)水泥漿回流的情況。分析失敗的案例發(fā)現(xiàn)，鉆桿膠塞與套管膠塞之間的鎖定機(jī)構(gòu)失效是主要原因[5-6]。進(jìn)一步分析和現(xiàn)場(chǎng)獲得的實(shí)際情況都支持鉆桿膠塞與套管膠塞之間的鎖定機(jī)構(gòu)失效的原因，是因?yàn)殂@桿膠塞上的鎖定機(jī)構(gòu)在鉆桿膠塞通過(guò)鉆桿內(nèi)通道到達(dá)套管膠塞的過(guò)程中，由于鉆桿內(nèi)孔并不完全光滑平整[7]，而且經(jīng)過(guò)數(shù)百個(gè)內(nèi)徑急劇變小的鉆桿接頭時(shí)，還會(huì)與鉆桿接頭碰撞，這樣就會(huì)損壞鎖定機(jī)構(gòu)。中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司于2015年立項(xiàng)研究，經(jīng)過(guò)兩年攻關(guān)，解決了尾管固井水泥漿回流的問(wèn)題。

圖1 鉆桿膠塞和套管膠塞的結(jié)構(gòu)圖

圖2 鎖定在一起的鉆桿膠塞和套管膠塞剖面圖

1 主流尾管懸掛器膠塞的缺點(diǎn)

目前的主流尾管懸掛器膠塞，雖然在細(xì)節(jié)上有一些差異，但其主要結(jié)構(gòu)大體相似[8-10]（圖1），都在鉆桿膠塞和套管膠塞上設(shè)置有鎖齒圈，即鎖齒圈A和鎖齒圈B，注水泥施工結(jié)束后，都依靠鉆桿膠塞和套管膠塞上的鎖齒圈相互鎖定（圖2），以阻止水泥漿從套管膠塞內(nèi)孔回流。由于普遍認(rèn)為套管膠塞與碰壓座之間的鎖定影響因素少，是可靠的，這里不討論。

由圖2可以看出，鉆桿膠塞與套管膠塞是否能有效可靠地相互鎖定，在確保鎖齒圈A和鎖齒圈B結(jié)構(gòu)性能滿足要求的前提下，其結(jié)構(gòu)的完好性就成為決定因素。事實(shí)上，鉆桿膠塞上的鎖齒圈A在與鉆桿一起通過(guò)內(nèi)徑不斷大幅變化的數(shù)千米鉆桿內(nèi)通道的過(guò)程中，在鉆桿接頭處極易被碰壞或變形，到達(dá)套管膠塞位置后無(wú)法與鎖齒圈B相互鎖定或鎖定效果較差，不能提供防止水泥漿回流所需要的力。

有關(guān)驗(yàn)證性試驗(yàn)已經(jīng)證明，鉆桿膠塞通過(guò)數(shù)千米鉆桿后，鉆桿膠塞上的鎖齒圈（或鎖齒）被碰壞或變形的現(xiàn)象雖然并非都是必然的，但發(fā)生概率也確實(shí)較大。

2 新型尾管懸掛器膠塞設(shè)計(jì)

2.1 新型尾管懸掛器膠塞的結(jié)構(gòu)和工作原理

為了提高尾管懸掛器膠塞防止水泥漿回流的可靠性，需要解決鉆桿膠塞上鎖定機(jī)構(gòu)被損壞的問(wèn)題，為此，設(shè)計(jì)了全新結(jié)構(gòu)的套管膠塞，該套管膠塞在防止水泥漿回流時(shí)，兼具鉆桿膠塞和套管膠塞的作用，從而不再需要鉆桿膠塞與套管膠塞之間相互鎖定，鉆桿膠塞上沒(méi)有鎖定機(jī)構(gòu)，被損壞的問(wèn)題也就不存在了。

設(shè)計(jì)的全新結(jié)構(gòu)的套管膠塞如圖3所示，這里稱其為半空心套管膠塞[發(fā)明專利公開(kāi)（公告）號(hào)CN105064949A]。半空心套管膠塞內(nèi)孔為彎折孔，下部為實(shí)心圓柱體，內(nèi)孔中間有一處直徑較小，用來(lái)阻擋鉆桿膠塞，鉆桿膠塞到達(dá)此處后即與套管膠塞重合在一起，阻止鉆井液與水泥漿混合。

圖3 半空心套管膠塞結(jié)構(gòu)圖

固井施工時(shí)，按設(shè)計(jì)適時(shí)釋放鉆桿膠塞，鉆桿膠塞在鉆井液推動(dòng)下通過(guò)鉆桿進(jìn)入半空心套管膠塞，堵住套管膠塞內(nèi)孔，鉆桿膠塞與套管膠塞成為一個(gè)整體，在鉆井液推動(dòng)下剪斷剪釘，繼續(xù)下行，通過(guò)套管串，達(dá)到碰壓座位置，繼續(xù)替鉆井液憋壓，半空心套管膠塞下部實(shí)心圓柱體擠入碰壓座內(nèi)孔，密封件密封與碰壓座之間的間隙，鎖止件同時(shí)與碰壓座上的鎖止機(jī)構(gòu)配合，鎖住套管膠塞，防止其回退，這就實(shí)現(xiàn)了防止水泥漿回流（圖4）。

圖4 半空心套管膠塞防止水泥漿回流原理圖

由圖4可以看出，鉆桿膠塞上沒(méi)有密封件，也沒(méi)有鎖止件，只依靠半空心套管膠塞和碰壓座配合就實(shí)現(xiàn)了防止水泥漿回流。實(shí)際上，碰壓后即使沒(méi)有鉆桿膠塞，也不影響防止水泥漿回流。

考慮到套管膠塞實(shí)心圓柱部分與碰壓座之間要實(shí)現(xiàn)有效密封，前提是套管膠塞實(shí)心圓柱部分首先要能順利進(jìn)入碰壓座的內(nèi)孔，由于固井時(shí)井內(nèi)流體含有固相顆粒，其粒度分布范圍廣，這就要求二者之間的間隙不能太小。為此，設(shè)計(jì)了徑向可收縮的單向密封元件和保護(hù)結(jié)構(gòu)（圖5），這種結(jié)構(gòu)的密封元件可以密封較大間隙。試驗(yàn)表明，采用特定橡膠加工的這種密封元件，在170 ℃條件下密封0.5 mm的間隙，能夠確保50 MPa的壓差下不泄漏。

2.2 新型尾管懸掛器膠塞的制造

2.2.1 鉆桿膠塞和套管膠塞

根據(jù)鉆桿膠塞和套管膠塞的工況需要和鋁合金材料的機(jī)械性能特點(diǎn)[11]，選用鋁合金擠壓棒材作為鉆桿膠塞和套管膠塞主體部分的芯部材料，按圖紙加工成形后，采用整體硫化工藝[12-13]把橡膠部分附著到芯部的設(shè)計(jì)位置。

2.2.2 套管膠塞碰壓頭

套管膠塞碰壓頭包含有斜孔、碰壓密封的實(shí)心圓柱部分以及與碰壓座之間鎖定密封部分，是一個(gè)多功能部件。根據(jù)其功能要求，其主體部分與膠塞芯部一樣，也采用鋁合金擠壓棒材經(jīng)機(jī)加工而成?？紤]到鎖定機(jī)構(gòu)既要有一定的強(qiáng)度和彈性，也要在需要時(shí)容易被鉆掉，因此采用鈹青銅棒材，經(jīng)熱處理加工制成[14]。

圖5 可收縮的單向密封元件和保護(hù)結(jié)構(gòu)圖

3 與懸掛器的配合使用及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 與懸掛器配合使用的方法

以半空心套管膠塞為核心的尾管固井防止水泥漿回流技術(shù)，可以與任何供應(yīng)商提供的液壓式或機(jī)械式尾管懸掛器配合使用。使用時(shí)只需要把原懸掛器的套管膠塞短節(jié)去掉，換上尺寸匹配和螺紋匹配的帶半空心套管膠塞的短節(jié)，再配套相應(yīng)尺寸的鉆桿膠塞、憋壓球和碰壓座，如圖6所示。

圖6 與尾管懸掛器配合使用圖

3.2 固井過(guò)程中與常規(guī)套管膠塞不同工況的分析

在固井施工過(guò)程中，由于半空心套管膠塞的流道彎折，與筆直流道的常規(guī)套管膠塞相比，固井工作液流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的流動(dòng)阻力，液體的流動(dòng)阻力反過(guò)來(lái)會(huì)作用到膠塞上，所以固定膠塞的剪釘需要根據(jù)特定的膠塞結(jié)構(gòu)、固井時(shí)的鉆井液或水泥漿密度以及流量計(jì)算后，選擇剪釘?shù)膹?qiáng)度，以確保安全施工；彎折流道還會(huì)產(chǎn)生徑向力，但這個(gè)徑向力經(jīng)膠盤作用到套管壁上，而且在剪釘剪斷后消失，所以這里不考慮其影響。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證可靠性后，該尾管懸掛器膠塞與?177.8 mm尾管懸掛器配合使用，在四川盆地不同區(qū)塊的X211、M8等7井次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得成功。經(jīng)收集后期實(shí)鉆水泥塞面位置數(shù)據(jù)，與同區(qū)塊井深、井身結(jié)構(gòu)及套管尺寸、鉆井液性能、溫度、水泥漿性能相似的鄰近井對(duì)比，試驗(yàn)井的實(shí)鉆水泥塞面平均只比設(shè)計(jì)高出24 m，而對(duì)比井的實(shí)鉆水泥塞面則高出設(shè)計(jì)位置59 m。

4 結(jié)論

1）新型半空心套管膠塞的成功使用打破了現(xiàn)有各類尾管懸掛器膠塞的傳統(tǒng)模式，新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其不再需要鉆桿膠塞與套管膠塞之間的鎖定即可防止水泥漿回流，具有更高的可靠性。

2）只要尺寸匹配，半空心套管膠塞可與現(xiàn)有所有尾管懸掛器配套使用，需要改變的很少且容易。