新型封隔式固井分級(jí)箍的研制與應(yīng)用

易 浩， 楊衛(wèi)星， 赫英狀， 李 斐， 路飛飛

1中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

新疆西北油田塔河、順北地區(qū)油氣層埋藏較深(6 000～7 500 m)，針對(duì)二疊系低壓易漏地層發(fā)育的長(zhǎng)封固井段固井，通常采用分級(jí)箍進(jìn)行雙級(jí)固井，一級(jí)封固二疊系易漏地層，二級(jí)封固上部地層。但普遍存在一級(jí)固井二疊系漏失、二級(jí)固井井口失返等問(wèn)題，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量，并對(duì)油氣井長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患[1- 7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔河地區(qū)近三分之一的井在二疊系出現(xiàn)不同程度的漏失現(xiàn)象，順北地區(qū)二疊系固井漏失率80%，固井漏失問(wèn)題嚴(yán)重。針對(duì)上述問(wèn)題，提出在常規(guī)機(jī)械式分級(jí)箍下部設(shè)計(jì)封隔器，一級(jí)固井結(jié)束后液壓脹封封隔器，封隔環(huán)空液柱壓力，解決二級(jí)固井繼續(xù)漏失和水泥漿返高問(wèn)題，保證固井質(zhì)量。

封隔式分級(jí)箍的關(guān)鍵技術(shù)是如何在保證分級(jí)固井功能基礎(chǔ)上高效實(shí)現(xiàn)環(huán)空封隔，主要是分級(jí)箍循環(huán)孔啟閉控制具有高可靠性、封隔器脹封控制具有高穩(wěn)定性、封隔器脹封具有高密封能力。目前，國(guó)外哈里伯頓、威德福和戴維斯等公司已經(jīng)具有系列成型產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)研發(fā)尚處于起步階段[8- 11]。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 新型封隔式固井分級(jí)箍結(jié)構(gòu)

新型封隔式固井分級(jí)箍主要由主體、撓性塞、打開(kāi)塞、關(guān)閉塞、碰壓座各部分組成，其主體部分主要由分級(jí)箍單元、水力擴(kuò)張封隔器單元和連接閥單元部分組成，如圖1所示。

圖1 新型封隔式分級(jí)箍及附件結(jié)構(gòu)示意圖

分級(jí)箍單元充分借鑒現(xiàn)有機(jī)械式分級(jí)箍部分成熟結(jié)構(gòu)，如循環(huán)孔開(kāi)啟和關(guān)閉方式、循環(huán)孔防止提前關(guān)閉結(jié)構(gòu)等[12- 13]，并在現(xiàn)有機(jī)械式分級(jí)箍關(guān)閉套基礎(chǔ)上，將打開(kāi)塞座改為剪釘?shù)墓潭梢苿?dòng)式結(jié)構(gòu)，打開(kāi)塞座剪斷剪釘發(fā)生移動(dòng)后，即露出封隔器注液通道，當(dāng)關(guān)閉套移動(dòng)關(guān)閉分級(jí)箍循環(huán)孔后，也同時(shí)封閉了管內(nèi)向封隔器注液通道。

注液連接閥結(jié)構(gòu)連接分級(jí)箍單元與封隔器單元，為徑向閥系，設(shè)有開(kāi)啟閥、單向閥和關(guān)閉閥三道控制閥，結(jié)構(gòu)如圖1所示。開(kāi)啟閥為壓力觸發(fā)，其打開(kāi)后才能向封隔器內(nèi)部進(jìn)行注液；單向閥保證注液過(guò)程中液體流動(dòng)為單向不回流；關(guān)閉閥為壓力觸發(fā)，當(dāng)封隔器內(nèi)部充壓達(dá)到指定壓力，停止向封隔器內(nèi)部注液，保證憋壓開(kāi)啟循環(huán)孔，也永久密封封隔器內(nèi)部液體。

封隔器單元為水力擴(kuò)張式結(jié)構(gòu)[14- 15]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。膠筒部分分為三層結(jié)構(gòu)，由外至內(nèi)依次為膠筒外壁、金屬支撐條和膠筒內(nèi)囊。金屬支撐條兩端固定，中間為非連續(xù)式結(jié)構(gòu)，當(dāng)膠筒充脹后具有更好的井眼適應(yīng)性；膠筒兩端固定的結(jié)構(gòu)可防止膠筒入井過(guò)程中發(fā)生脹封風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 封隔器單元示意圖

1.2 工作原理

固井作業(yè)時(shí)，入井管串從井底到井口排列為：浮鞋+套管+浮箍+碰壓座+套管串+封隔式分級(jí)箍+套管串。一級(jí)固井結(jié)束后打開(kāi)水泥頭擋銷投入打開(kāi)塞，打開(kāi)塞下落到位后，使用固井車向管串內(nèi)注液打壓，當(dāng)壓力達(dá)到注液通道開(kāi)啟壓力，徑向閥系連通，繼續(xù)憋壓至注液通道關(guān)閉壓力80%，穩(wěn)壓至少10 min，使封隔器脹封。繼續(xù)憋壓至注液通道關(guān)閉壓力，關(guān)閉閥啟動(dòng)，壓力將不再傳至封隔器內(nèi)，封隔器完成脹封。繼續(xù)憋壓至循環(huán)孔開(kāi)啟壓力，打開(kāi)循環(huán)孔。封隔器已封隔兩級(jí)之間環(huán)空，不必等至一級(jí)水泥漿終凝進(jìn)行二級(jí)施工。轉(zhuǎn)換為鉆井液泵循環(huán)合適后，直接進(jìn)行二級(jí)固井作業(yè)。

封隔式固井分級(jí)箍在完成分級(jí)固井作業(yè)的基礎(chǔ)上，增加了一級(jí)固井后封隔器脹封的功能，能夠有效在進(jìn)行二級(jí)固井時(shí)封隔套管與裸眼間的環(huán)空，保證液柱壓力不傳遞到一級(jí)水泥面上，防止因一級(jí)的漏失使二級(jí)的水泥面下降，進(jìn)而提高固井質(zhì)量。

2 主要技術(shù)參數(shù)與性能特點(diǎn)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

?193.7 mm封隔式固井分級(jí)箍技術(shù)參數(shù)主要為：脹封開(kāi)啟壓力為7±0.5 MPa，脹封關(guān)閉壓力為：13±0.5 MPa，循環(huán)孔打開(kāi)壓力為20±1 MPa，循環(huán)孔關(guān)閉壓力為6±0.5 MPa，封隔器環(huán)空承壓能力為20 MPa，整機(jī)密封能力為35 MPa，額定負(fù)荷為2 400 kN，本體最大外徑為230 mm，本體內(nèi)徑為168 mm，總長(zhǎng)為3.51 m。

2.2 性能特點(diǎn)

(1)分級(jí)箍單元完成分級(jí)作業(yè)，封隔器單元起到封隔作用。分級(jí)箍部分繼承了成熟產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)，性能可靠，所用附件與常規(guī)機(jī)械式分級(jí)箍通用；封隔器結(jié)構(gòu)采用水力擴(kuò)張式，膠筒內(nèi)部具有金屬骨架支撐并且兩端為固定式結(jié)構(gòu)，井眼適應(yīng)性強(qiáng)，下入安全性高。

(2)一級(jí)固井結(jié)束后通過(guò)脹封封隔器，隔斷漏失地層，減少一級(jí)固井侯凝期間循環(huán)漏失鉆井液量，有效節(jié)約成本。

(3)封隔作用可減少二級(jí)固井水泥漿漏失，節(jié)約水泥漿材料成本，有效保障分級(jí)箍至井口井段固井質(zhì)量。

(4)封隔作用可提高兩級(jí)固井施工作業(yè)之間的連續(xù)性，提高作業(yè)效率，并且可有效防止固井作業(yè)時(shí)環(huán)空氣竄。

3 地面性能試驗(yàn)

3.1 整機(jī)組裝密封試驗(yàn)

封隔式分級(jí)箍整機(jī)組裝后連接試壓封頭，上接頭連接?193.7mm套管，上端套管頂部連接封頭，然后使用電動(dòng)試壓泵對(duì)其組裝后整體試壓，如圖3所示。升壓至35 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力曲線平直無(wú)壓降，密封能力良好，無(wú)滲漏。壓力曲線見(jiàn)圖4。

圖3 工具整機(jī)組裝密封試驗(yàn)

圖4 工具整機(jī)靜壓曲線圖

3.2 封隔器注液通道啟閉試驗(yàn)

投入打開(kāi)塞，進(jìn)行打壓，直至7.5 MPa(設(shè)計(jì)7 MPa)打開(kāi)封隔器注液通道，向封隔器注液；當(dāng)壓力達(dá)到14.2 MPa(理論設(shè)計(jì)13 MPa)時(shí)，封隔器注液閥關(guān)閉，封隔器停止注液。壓力曲線如圖5所示。

圖5 封隔器注液通道啟閉壓力曲線圖

3.3 封隔器環(huán)空密封試驗(yàn)

連接封隔器與模擬井眼環(huán)空試壓口，先打壓至14 MPa，穩(wěn)壓10 min，觀察封隔器密封良好無(wú)滲漏，繼續(xù)打壓至22 MPa，穩(wěn)壓至16.7 MPa，穩(wěn)壓15 min，繼續(xù)提高壓力最高至44 MPa，穩(wěn)壓至42.5 MPa，封隔器無(wú)損壞，環(huán)空封隔仍良好無(wú)滲漏。壓力曲線變化如圖6所示。

圖6 封隔器環(huán)空密封壓力曲線圖

3.4 分級(jí)箍循環(huán)孔開(kāi)啟試驗(yàn)

封隔器驗(yàn)封完畢，繼續(xù)向分級(jí)箍?jī)?nèi)部打壓。直至20 MPa(設(shè)計(jì)20 MPa)，剪斷打開(kāi)剪釘，循環(huán)孔完全開(kāi)啟，壓力曲線變化如圖7所示。

圖7 分級(jí)箍循環(huán)孔開(kāi)啟壓力曲線圖

3.5 關(guān)孔密封性能試驗(yàn)

循環(huán)孔關(guān)閉后，連接管串下部盲板，打壓至70 MPa，檢測(cè)關(guān)閉密封，穩(wěn)壓15 min無(wú)壓降、無(wú)滲漏，分級(jí)箍關(guān)閉良好。壓力曲線變化如圖8所示。

圖8 工具關(guān)孔密封性能壓力曲線圖

以上試驗(yàn)說(shuō)明，?193.7 mm封隔式固井分級(jí)箍達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠順利實(shí)現(xiàn)一級(jí)固井完畢封隔分級(jí)箍上下環(huán)空、循環(huán)孔開(kāi)啟和關(guān)閉等動(dòng)作。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)井基本情況

封隔式固井分級(jí)箍首次在TH-X井進(jìn)行了入井試驗(yàn)。該井為三開(kāi)制開(kāi)發(fā)直井，二開(kāi)中完完鉆井深6 046 m，二開(kāi)鉆遇二疊系地層井深5 210～5 246 m，段長(zhǎng)36 m，火成巖發(fā)育好，固井施工過(guò)程中漏失風(fēng)險(xiǎn)較大，難以保證水泥漿返高。二開(kāi)?193.7 mm套管下深6 044.28 m，封隔式分級(jí)箍位置4 603.91～4 607.42 m。

入井管柱組合為：浮鞋+3根套管+1#浮箍+3根套管+2#浮箍+2根套管+碰壓短節(jié)+套管組合(扶正器)+套管組合(扶正器)+封隔式分級(jí)箍+套管組合(扶正器)+水泥頭。

4.2 施工情況

(1)套管到位后，循環(huán)鉆井液保持井眼通暢。

(2)一級(jí)固井采用雙凝雙密度水泥漿體系：領(lǐng)漿(5 600 m以上)為1.60 g/cm3低密度水泥漿體系，有效降低管外液柱壓力；尾漿(5 600 m以下)為1.88 g/cm3抗高溫短候凝水泥漿體系。

(3)一級(jí)固井結(jié)束后投入打開(kāi)塞，打開(kāi)塞下落到位后，使用固井車向管串內(nèi)注液打壓，壓力達(dá)到8.6 MPa時(shí)注液通道開(kāi)啟，憋壓12 min，完成封隔器脹封；繼續(xù)憋壓至12.6 MPa閥結(jié)構(gòu)內(nèi)關(guān)閉閥啟動(dòng)，此后壓力上漲較快；憋壓至20 MPa壓力發(fā)生瞬間下降，循環(huán)孔打開(kāi)，如圖9所示。打開(kāi)循環(huán)孔后，轉(zhuǎn)換泥漿泵循環(huán)出分級(jí)箍位置及其以上水泥漿。

圖9 施工壓力變化曲線

(4)二級(jí)固井注入沖洗液8 m3，密度1.05 g/cm3，水泥漿112 m3，密度1.60 g/cm3；釋放膠塞，頂替至分級(jí)箍位置，碰壓至11 MPa關(guān)閉雙級(jí)箍，放回水?dāng)嗔?，分?jí)箍關(guān)閉正常，固井施工完畢，整個(gè)固井過(guò)程中無(wú)漏失發(fā)生。

4.3 應(yīng)用效果

聲幅測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 TH-X井雙級(jí)固井聲幅數(shù)據(jù)表

封隔式固井分級(jí)箍以上固井質(zhì)量?jī)?yōu)秀，說(shuō)明封隔器封隔作用明顯。其中一級(jí)優(yōu)秀井段1 320 m占92.31%，良好井段110 m占7.69%；二級(jí)優(yōu)秀井段3 460 m占75.14%，良好井段260 m占5.6%，整體固井質(zhì)量為優(yōu)秀。

首次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功實(shí)現(xiàn)封隔器注液孔打開(kāi)、關(guān)閉，分級(jí)箍循環(huán)孔開(kāi)孔、關(guān)孔作業(yè)，驗(yàn)證了該工具的可靠性。

5 結(jié)論

(1)封隔式固井分級(jí)箍，通過(guò)封隔漏失地層，減少了鉆井液和固井液漏失，提高了固井質(zhì)量與作業(yè)效率。

(2)地面測(cè)試表明，封隔式固井分級(jí)箍的結(jié)構(gòu)合理、性能安全可靠，可順利實(shí)現(xiàn)封隔器注液孔打開(kāi)、關(guān)閉，分級(jí)箍循環(huán)孔開(kāi)孔、關(guān)孔作業(yè)，能夠有效封隔兩級(jí)之間的環(huán)空。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，封隔式固井分級(jí)箍有效封隔了兩級(jí)之間的環(huán)空，保證了固井質(zhì)量，為低壓易漏長(zhǎng)封固井段固井提供有力的技術(shù)保證，應(yīng)用前景廣闊，具有極高的推廣價(jià)值。