BH系列尾管懸掛器在老井挖潛中的應(yīng)用研究

郝 楠，宋劍鳴，陳世春，曹 博，古 青，蔣立坤，茍旭東，劉新哲

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，天津 300457)

二連油田是華北油田公司的主力油田之一，近年來在阿南和蒙古林區(qū)塊開展了老井的套管修復(fù)和產(chǎn)能重新挖掘工作。由于二連油田存在開采時間長、套管形變比高、高壓注水導(dǎo)致地層壓力紊亂、井漏與井涌的危險同時存在、循環(huán)溫度低、水泥石強度發(fā)展慢、地層水活躍、出砂出水多等客觀因素[1]，在老井二次開發(fā)的固井作業(yè)中遇到了一定困難。主要表現(xiàn)為：地層多壓力體系共存、老井套管多損壞、井漏與井涌的風(fēng)險并存；為滿足后期開發(fā)需求，老井側(cè)鉆井眼通常為?114 mm，與固井附件之間環(huán)空間隙小，井底易出砂出水、固井施工過程中水泥漿上返摩阻大，有蹩高壓影響施工的風(fēng)險[2-3]；地層壓力高，固井注入水泥量少，膠塞易替空、碰壓不明顯，現(xiàn)場施工難判斷。為解決上述難題，二連油田引進了渤海鉆探公司研發(fā)的BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器及其配套固井附件，取得了良好的效果。

1 施工難點分析

1) 多壓力體系共存，壓力系統(tǒng)混亂，固井施工時對地層封隔要求高。二連油田阿南和蒙古林區(qū)塊的開發(fā)井因開發(fā)多年且長期注水開采，受多層注水或斷層的影響，在一個井筒剖面上可形成高壓、低壓和常壓共存的多套壓力體系，這樣在不同的層間就產(chǎn)生了壓力差。這種壓力差的存在，既容易導(dǎo)致高壓油氣水層侵入水泥漿中，又容易發(fā)生水泥漿侵入低壓層，水泥漿的侵入導(dǎo)致井筒內(nèi)水泥量減少，降低井底壓力，井底壓力的降低，進一步加劇高壓油氣水層的侵入，形成了一個惡性循環(huán)，這一切直接影響到固井質(zhì)量，且易發(fā)生井漏和井涌的險情[4]。因此在老井修復(fù)過程中，就非常有必要配套使用懸掛器和封隔器，以達到封隔漏層或高壓出砂出水層目的。

2) 新鉆井眼與固井附件之間的環(huán)空間隙小，過流面積有限，地層孔隙壓力高，固井施工時易出現(xiàn)異常高壓。二連油田老井修復(fù)作業(yè)中新鉆的井眼直徑通常為?114 mm，而?139.7 mm的尾管懸掛器外徑可達到?108 mm，與井眼間的間隙僅有2～3 mm，在固井施工的循環(huán)過程中，很容易在懸掛器的卡瓦錐套關(guān)鍵位置處形成壓力蹩堵[5]；此外根據(jù)調(diào)研的地層孔隙壓力資料分析，二連地區(qū)原始地層孔隙壓力系數(shù)為0.881～0.927，自1989年以來，由于高壓注水方式的影響，目前地層孔隙壓力系數(shù)上升很快，最高達1.70[6]。兩者交互作用，固井施工時出現(xiàn)異常高壓的風(fēng)險大。

3) 地層壓力高，固井注入水泥量少，膠塞易替空、碰壓不明顯，現(xiàn)場施工有效判斷困難，影響后續(xù)固井作業(yè)。固井膠塞碰壓時，由于地層反壓大，常規(guī)膠塞一旦復(fù)合不成功，就會影響后期水泥漿固井質(zhì)量，甚至有替空整個固井封固段，導(dǎo)致固井作業(yè)施工失敗的風(fēng)險。

為解決上述施工難題，渤海鉆探公司對其BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器進行了技術(shù)升級和改造。

2 BH-XGY系列帶頂封裝置的尾管懸掛器

BH-XGY系列帶頂封裝置的尾管懸掛器是一款液壓坐掛式懸掛器，可適用于直井，大斜度井及水平井篩(尾)管完井作業(yè)，也可配合其它工具實現(xiàn)相應(yīng)的完井作業(yè)。其結(jié)構(gòu)由上往下依次包括主體、液缸、卡瓦、扶正器、封隔膠塞和回接筒，如圖1所示。該懸掛器自帶可漲封地層的封隔膠筒，當(dāng)下入到指定位置后，可通過管柱下壓的操作方式實現(xiàn)膠筒的漲封，也可配套管外封隔器達到封隔多個油氣水層的目的。具有液壓控制實施座掛，現(xiàn)場操作簡單，滾珠倒扣軸承軸向載荷大、0～80 kN負載范圍內(nèi)皆可實施倒扣，丟手操作安全可靠，密封套及球座隨鉆具一同起出，內(nèi)通徑與篩(尾)管一致，整體組裝、便于現(xiàn)場連接的特點。

圖1 BH-XGY型系列帶頂封裝置的尾管懸掛器結(jié)構(gòu)示意

3 創(chuàng)新設(shè)計

在保留工具原特點的基礎(chǔ)上，BH-XGY系列帶頂封裝置的尾管懸掛器專門針對二連油田老井開發(fā)的小間隙井眼固井施工難題，改進了多項機械結(jié)構(gòu)。

3.1 三瓣式帶流通槽新型錐套

采用帶流通槽的新型錐套結(jié)構(gòu)，在保證坐掛力的前提下，有效流通面積與常規(guī)工具相比，提高近30 %，特別適合小間隙井眼的固井施工作業(yè)。如圖2所示。

圖2 三瓣式帶流通槽錐套結(jié)構(gòu)示意

針對原來錐套導(dǎo)流面積偏小的特點，在不影響坐掛力的基礎(chǔ)上，設(shè)計了導(dǎo)流槽，可有效增大過流面積；錐套上均布3個錐塊，每個錐塊上增設(shè)n道相同的導(dǎo)流槽，整個錐套上共開有3n個導(dǎo)流槽。

為簡化計算，將整個導(dǎo)流槽近似看作長方形，計算得出可增加的流通面積為[7-8]：

S=3nSa

(1)

Sa=L(?1-?2)/2

(2)

S=3nL(?1-?2)/2

(3)

式中：S為開導(dǎo)流槽增加過流面積，mm2；Sa為每個導(dǎo)流槽的流通面積，mm2；L為導(dǎo)流槽寬度，mm；?1為錐套最大外徑，mm；?2為錐套本體外徑，mm。

取n=3，L=10,?1=108，?2=78，計算可得S=1 350 mm2，即錐套上的導(dǎo)流槽增加了1 350 mm2的過流面積，相當(dāng)于一個?41.5 mm的流通孔，相對改進前增加了29.7 %的過流面積。過流面積的顯著增大可有效降低固井施工的井筒壓力，降低施工風(fēng)險，保證固井質(zhì)量。

3.2 直連復(fù)合型尾管膠塞

直連復(fù)合型尾管膠塞總成由中心管旋轉(zhuǎn)短節(jié)、空心短節(jié)與復(fù)合膠塞3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。中心管旋轉(zhuǎn)短節(jié)下端與空心短節(jié)通過密封圈卡槽連接；空心短節(jié)與復(fù)合膠塞通過螺紋連為一體。中心管旋轉(zhuǎn)短節(jié)的作用是倒扣操作時，當(dāng)中心管轉(zhuǎn)動時，保證復(fù)合膠塞不隨中心管一起轉(zhuǎn)動，提高膠塞復(fù)合成功率；空心短節(jié)的作用是即使鉆桿膠塞和復(fù)合膠塞復(fù)合時沒有完全鎖死，在頂替下行時，鉆桿膠塞也不會從復(fù)合膠塞中脫出，避免替空的危險，同時可提高碰壓成功率。

圖3 直連復(fù)合型尾管膠塞總成結(jié)構(gòu)示意

復(fù)合膠塞結(jié)構(gòu)如圖4所示，其膠盤采用3大2小的組合方式。d部分為3片?139.7 mm膠盤，e部分為2片?127 mm膠盤，所有膠盤整體硫化為一體。復(fù)合膠塞上部設(shè)有和鉆桿膠塞鎖死的內(nèi)卡槽、下部設(shè)有和球座鎖死的卡環(huán)，其自鎖結(jié)構(gòu)能承受25 MPa以上的反壓。

圖4 復(fù)合膠塞結(jié)構(gòu)示意

3.3 交錯一體式復(fù)合鉆桿膠塞

針對傳統(tǒng)的分體式鉆桿膠塞易發(fā)生“脫褲子”事故、通過通徑大小不同的鉆具時易刮傷皮碗等缺點[9]，設(shè)計了交錯一體式復(fù)合鉆桿膠塞[10-12]，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)的特點為：大小膠盤為交替排列后整體硫化形成一體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既能保證鉆桿膠塞在通過不同通徑的鉆具時，膠碗有充分空間變形而不會過分磨損，也能將不同內(nèi)徑的鉆具內(nèi)壁上附著的水泥漿充分刮擦干凈；大小膠碗交錯分布的結(jié)構(gòu)也能有效防止復(fù)合膠塞脫出，提高碰壓成功率。

圖5 交錯一體式復(fù)合鉆桿膠塞改進前后結(jié)構(gòu)示意

4 現(xiàn)場應(yīng)用

近年來，BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器在二連油田阿南和蒙古林區(qū)塊完成數(shù)十口井的現(xiàn)場服務(wù)，與常規(guī)懸掛器相比，均取得了良好的施工效果。表1中列出了其中的幾口典型井施工數(shù)據(jù)，并與常規(guī)懸掛器的施工數(shù)據(jù)進行了對比。

由表1可以看出，在上層套管直徑、鉆頭直徑相同的施工條件下，BH-XGY系列懸掛器均能保證懸掛穩(wěn)定，固井時壓力保持正常，未出現(xiàn)環(huán)空蹩堵等異?，F(xiàn)象，球座蹩脫及水泥頂替也符合施工設(shè)計要求。與常規(guī)懸掛器數(shù)據(jù)相比，丟手作業(yè)操作簡便易行；膠塞復(fù)合成功率明顯提高，固井后循環(huán)泵壓平均下降3～5 MPa，現(xiàn)場施工效果提升顯著。

5 結(jié)論

1) BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器，在二連地區(qū)小井眼老井挖潛的施工中，可有效改善因原井眼尺寸限制導(dǎo)致后期完井時套管與井壁之間的環(huán)空阻力大、固井水泥充填不均勻的情況，提高固井質(zhì)量。

2) BH-XGY系列懸掛器采用的三瓣式帶流通槽新型錐套與常規(guī)懸掛器錐套相比，可有效提高近30%的過流面積，在小間隙井眼的固井施工過程中，可顯著降低循環(huán)泵壓，降低施工風(fēng)險；直連式復(fù)合尾管膠塞結(jié)構(gòu)，通過鉆桿膠塞和復(fù)合膠塞、復(fù)合膠塞和球座的雙碰壓設(shè)計，可有效提高碰壓成功率，且能夠指導(dǎo)現(xiàn)場有效判斷施工過程。

表1 BH-XGY系列?139.7 mm尾管懸掛器與常規(guī)懸掛器施工參數(shù)對比

3) BH-XGY系列懸掛器的交錯式鉆桿膠塞采用大小膠盤交替排列，硫化后形成整體結(jié)構(gòu)，可增強鉆桿膠塞的居中度和密封能力，保證其與尾管膠塞的復(fù)合，增加了碰壓成功率。