國內(nèi)分級注水泥工藝需求與開發(fā)對策

劉曉平，秦金立

（1.中國石化集團(tuán)公司國際勘探開發(fā)有限公司，北京100029；2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

分級注水泥器作為石油鉆井的重要工具，被廣泛應(yīng)用于技術(shù)套管固井或產(chǎn)層完井工藝。近些年，隨著石油鉆井技術(shù)的快速發(fā)展及提質(zhì)提速提效的升級，新疆等地區(qū)的深井、超深井鉆井常常遇到特殊的井身結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的井下條件，如H2S、CO2單種腐蝕介質(zhì)或兩種共存腐蝕介質(zhì)，井底高壓高溫、地層差異大存在惡性漏失等[1]。陜西等地區(qū)的井相對不深，因地層差異大、承壓能力低，易發(fā)生滲漏和惡性漏失[2]，完井常采用5-1/2″分級固井工藝，但小尺寸分級固井后內(nèi)部附件因鉆頭加壓困難，鉆除時間長且鉆后存在密封失效的風(fēng)險。山東等地區(qū)的水平井完井為保護(hù)產(chǎn)層，增加泄油面積，提高防砂效果常采用篩管頂部注水泥的完井方式，作業(yè)后鉆塞會造成偏磨，留有毛刺，易損壞酸洗皮碗等后期作業(yè)工具[3]。為適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境及提質(zhì)提速提效的雙向需求，分級注水泥器的性能指標(biāo)不斷提升，規(guī)格類型不斷推陳出新。

1 特殊尺寸的分級注水泥器

隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，深井、超深井不斷增多，井身結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，從最常規(guī)的13-3/8″→9→5/8″-7″的井身結(jié)構(gòu)，演化為10-3/4″→7-5/8″-5→1/2″、11-3/4″→8-5/8″→6-5/8″等多種井身結(jié)構(gòu)。隨著井身結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化升級，為適應(yīng)特殊的井身結(jié)構(gòu)要求，國內(nèi)開發(fā)了14-3/8″、11-3/4″、8-5/8″等特殊規(guī)格的分級注水泥器，見表1，最大尺寸達(dá)14-3/8″。

表1 國內(nèi)分級注水泥器規(guī)格尺寸與性能

2 高溫高壓氣密封分級注水泥器

鉆井深度不斷加深，溫度越來越高，且常伴隨有高壓氣層，為解決高溫條件下，分級注水泥器的密封可靠性，需解決橡膠密封件的持久密封性及螺紋扣氣密封問題。

分級注水泥器是通過相對件的運動打開和關(guān)閉循環(huán)孔注液通道實現(xiàn)分級固井，而循環(huán)孔注液通道通過橡膠密封件來實現(xiàn)密封。橡膠密封件可根據(jù)使用環(huán)境的溫度進(jìn)行選擇，小于120℃可以選用丁腈橡膠作為密封件材料；120℃～150℃可以選用氫化丁睛橡膠作為密封件的材料；超過150℃可以選用氟橡膠作為密封件的材料。密封件可以由O 形密封圈單獨實現(xiàn)密封，也可與格萊圈組合實現(xiàn)高壓力的長效密封。

套管及分級注水泥器等固井工具通過套管連接螺紋連接形成完整管柱。連接螺紋一般選用API套管長圓扣或偏梯扣，但對于高壓氣井，由于氣體的穿透性強(qiáng)，很容易穿透公母螺紋間隙中的密封脂引起密封失效。為解決高壓氣密封問題，國內(nèi)外涌現(xiàn)了多種氣密封螺紋扣，見表2。其基本原理是增加了金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)，公、母頭金屬表面通過彈性過盈配合實現(xiàn)其接頭連接部位密封。

3 防腐蝕分級注水泥器

表2 國內(nèi)外主要特殊連接螺紋的生產(chǎn)廠家及名稱

隨著工程師對油氣田腐蝕的深入研究，發(fā)現(xiàn)H2S、CO2、O2、Cl-和水分是油氣田腐蝕的主要介質(zhì)，而其中CO2和H2S 腐蝕的危害最大。CO2腐蝕主要是一種流體力學(xué)化學(xué)腐蝕，流體力學(xué)主要加速腐蝕產(chǎn)物FeCO3膜的破壞而導(dǎo)致腐蝕加劇。H2S引起電化學(xué)腐蝕，硫化物腐蝕產(chǎn)物膜影響著腐蝕速率和腐蝕形態(tài)。由于HS-和S2-對氫原子復(fù)合的毒化作用，析氫反應(yīng)生成的氫原子更易進(jìn)入金屬內(nèi)部，從而誘發(fā)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、和氫致開裂（SSCC、HIC），往往造成管材的突然斷裂，危害極大[4]。當(dāng)氣體中同時存在H2S 與CO2時，用PCO2/PH2S可以大致判定是H2S腐蝕還是CO2腐蝕?，F(xiàn)有資料表明：當(dāng)PCO2/PH2S＜200 時，H2S 控制整個腐蝕過程，腐蝕產(chǎn)物主要是FeS；當(dāng)200＜PCO2/PH2S＜500時，CO2/H2S 混合交替控制，腐蝕產(chǎn)物主要是FeS 和FeCO3；當(dāng)PCO2/PH2S＞500時，CO2控制整個腐蝕過程，腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3[5]。

應(yīng)對油田中存在的腐蝕介質(zhì)，國內(nèi)外開發(fā)了不同的抗腐蝕材料。對于H2S單腐蝕介質(zhì)金屬材料可選用天津鋼管公司研制的TP80SS、TP90SS、TP95SS/TP110SS，上海寶鋼研制的BG80S、BG95S、BG110S等材料作為抗H2S應(yīng)力腐蝕的雙級注水泥器的加工材料。對于CO2單獨腐蝕介質(zhì)，金屬材料可選用低碳（3%～5%）Cr 鋼、13Cr 和超級 13Cr 等[5]作為雙級注水泥器的加工材料。對于H2S與CO2共存介質(zhì)，且含量較高的腐蝕介質(zhì)環(huán)境下，可以選用Ni-Cr-Mo-Cu 系鎳基及鐵鎳基合金，如725、825、925、718等材料作為分級注水泥器的加工材料，但費用相對較貴。

4 封隔式分級注水泥器

井漏是石油鉆井工程中常見的復(fù)雜事故，對于漏失不嚴(yán)重的井通過采用分級注水泥器將環(huán)空水泥分隔成兩段或多段進(jìn)行注水泥作業(yè)，降低液柱壓力，減少發(fā)生井漏的可能性[6]。但某些地層埋藏深，承壓能力低，壓力窗口窄，漏失變化大。即使采用分級固井工藝仍然會出現(xiàn)失返性漏失。為減少一級漏失，阻止二級漏失，研發(fā)了封隔式分級注水泥器。

封隔式分級注水泥器（圖1）是將具有分級開閉循環(huán)孔功能的分級注水泥器單元與具有環(huán)空封隔功能的套管外封隔器單元通過聯(lián)動控制機(jī)構(gòu)有機(jī)連為一體[7]。該結(jié)構(gòu)的封隔式分級注水泥器在入井過程中封隔器的注液通道處于關(guān)閉狀態(tài)，不會受管柱內(nèi)的壓力變化出現(xiàn)封隔器提前脹封，影響固井作業(yè)，當(dāng)一級注水泥結(jié)束后，投入打開塞，激活注液通道，注入液體脹封封隔器，封隔環(huán)空將上下兩段進(jìn)行隔離，封隔器上部的液體壓力作用在封隔器膠筒上，瞬間可降低下部液柱壓力，當(dāng)液柱壓力低于地層壓力時，漏失將會降低，甚至停止。當(dāng)封隔器封隔環(huán)空，膠筒內(nèi)壓力達(dá)到一定壓力時，便會關(guān)閉封隔器注液通道，同時打開分級注水泥器的循環(huán)孔注液通道，可實現(xiàn)循環(huán)及二級固井。在二級固井時，因為封隔器封堵下部地層，故可以阻止二級固井過程中水泥漿漏失。

5 滑脫式免鉆塞（自通徑）分級注水泥器

圖1 封隔式分級注水泥器

5-1/2″套管完井工藝在長慶油田、延長油田、大慶油田等地區(qū)廣泛應(yīng)用，因低壓易漏地層的存在，需要分級注水泥器進(jìn)行分級固井。但結(jié)構(gòu)尺寸小，內(nèi)部附件鉆除時需要更換小鉆具進(jìn)行鉆除作業(yè)，不僅增加了鉆井時間和成本，鉆除中還存在著鉆偏鉆漏的問題。本著提速提效，控制成本，縮短建井周期，國內(nèi)開發(fā)了滑脫式免鉆塞分級注水泥器，并在延長、長慶等油田廣泛應(yīng)用。

滑脫式免鉆塞分級注水泥器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。打開套、關(guān)閉套與本體及上下滑套通過剪切銷釘控制循環(huán)孔的開啟、關(guān)閉及滑脫等動作。上下滑套與打開套、關(guān)閉套為大間隙設(shè)計，密封能力大于25MPa，保證打開、關(guān)閉動作的可靠性，其上下滑套的內(nèi)徑小于套管通徑，提高滑套及附件滑脫至井底的成功率。

滑脫式免鉆塞分級注水泥器的工作原理：在一級水泥注入完成后，投入一級膠塞，用頂替液推動一級膠塞下行，經(jīng)過分級注水泥器本體后，繼續(xù)替漿與碰壓座復(fù)合，碰壓，完成一級固井。井口泄壓，投入重力型打開塞，并自由下落與下滑套復(fù)合，憋壓，剪斷剪釘，打開套與下滑套下行，打開循環(huán)孔二級注液通道，進(jìn)行循環(huán)后，注入二級水泥，頂替液推動二級膠塞下行，待到與上滑套復(fù)合后，剪斷銷釘，在上滑套的帶動下關(guān)閉套下行，關(guān)閉二級注液通道。再繼續(xù)加壓上下滑套與打開套、關(guān)閉套脫開，靠自由重力滑至井底[2]。

6 打撈式免鉆塞分級注水泥器

篩管頂部注水泥完井技術(shù)是勝利油田等水平井完井作業(yè)的常用技術(shù)，其典型的管柱組合是篩管+盲板+套管外封隔器+壓差式分級注水泥器。頂部注水泥結(jié)束鉆塞時，可能會損壞分級注水泥器及套管嚴(yán)重的會造成套管開窗，井眼報廢。鉆掉的鋁塊不能全部循環(huán)上來，會造成井下螺紋，影響后期作業(yè)[8]。為此，國內(nèi)開發(fā)了打撈式免鉆塞分級注水泥器。

圖2 滑脫式免鉆塞分級注水泥器

打撈式免鉆塞分級注水泥器結(jié)構(gòu)如圖3所示，各零部件組成了注入總成、打撈總成、鎖緊機(jī)構(gòu)、支撐總成等組件。注入總成通過對接筒與打撈總成連接，鎖緊機(jī)構(gòu)將注入總成鎖定在打撈總成上，支撐總成通過鎖塊機(jī)構(gòu)固定在支撐套上[8]。

打撈式免鉆塞分級注水泥器的工作原理是管柱到位后，通過套管加壓，液體通過進(jìn)液孔脹封套管外封隔器。再繼續(xù)加壓，通過壓差剪斷剪釘，打開套下行，讓出循環(huán)孔，與環(huán)空建立循環(huán)通道，可進(jìn)行頂部注水泥作業(yè)，水泥注入完成后，頂替液推動膠塞至膠塞座，膠塞座下頂彈性塊，剪斷剪釘后下行。彈性塊頂關(guān)閉套，關(guān)閉套下行將外筒的循環(huán)孔關(guān)閉。關(guān)閉套關(guān)閉后，膠塞上的卡簧機(jī)構(gòu)卡在對接筒上，然后可下入打撈工具，通過打撈總成將鎖緊機(jī)構(gòu)和注入總成撈出，實現(xiàn)全通井，避免再次鉆塞作業(yè)[8]。

圖3 打撈式免鉆塞分級注水泥器

7 分級注水泥器技術(shù)發(fā)展方向

隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深層、超深層發(fā)展，遇到的固井技術(shù)問題會越來越多，越來越難，不變的是鉆井提質(zhì)提速提效總要求。針對發(fā)展需求，筆者分析分級注水泥器的發(fā)展趨勢。

（1）深層惡性漏失井不斷增多，封隔式分級注水泥器的市場需求不斷擴(kuò)大，性能將不斷提升，規(guī)格尺寸也會從單一的尺寸向多種不同規(guī)格尺寸延伸。

（2）目前的分級注水泥工藝是兩級分級固井，隨著的鉆井的深入，會采取多級注水泥工藝，隨之三級或四級分級注水泥器會被研發(fā)并應(yīng)用。

（3）隨著油氣田開發(fā)的酸化壓裂技術(shù)日益成熟，被用于技術(shù)套管固井的分級注水泥器的承壓能力要求越來越高，超高壓分級注水泥器，V0 級分級注水泥器的需求會越來越多。

（4）隨著提質(zhì)提速提效的升級，免鉆塞分級注水泥器的應(yīng)用技術(shù)將再次升級，無需下入打撈工具內(nèi)部附件可實現(xiàn)自行溶解分級注水泥器，這將進(jìn)一步降低施工成本，提高可靠性。