順北油氣田防漏固井用封隔式分級(jí)箍研制與應(yīng)用

路飛飛， 于 洋， 王偉志， 李明軍

（1.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院, 新疆烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心, 新疆輪臺(tái) 841600）

順北油氣田屬于超深超高溫?cái)嗫匦蛢?chǔ)集體，儲(chǔ)層沿多條斷裂帶分布[1]。目前勘探開(kāi)發(fā)的1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和8號(hào)斷裂帶二疊系發(fā)育大段火成巖，二疊系長(zhǎng)裸眼井段固井漏失率接近100%，導(dǎo)致環(huán)空水泥填充率嚴(yán)重不足，套損問(wèn)題頻發(fā)[2–4]，修井損失達(dá)千萬(wàn)元。為防止固井漏失，前期采取了多種固井漿體防漏和固井防漏技術(shù)措施，如采用Sealbond堵漏隔離液、溫敏型堵漏隔離液等進(jìn)行隔離液防漏，采用溫敏防漏堵漏水泥漿、纖維堵漏水泥漿等進(jìn)行防漏[5–7]，采用密度 1.20～1.40 kg/L 的高強(qiáng)度低密度水泥漿進(jìn)行雙級(jí)固井防漏[8–12]，采用密度 1.18 kg/L 的泡沫水泥漿進(jìn)行單級(jí)固井防漏[13–14]，以及采用正注反擠固井等防漏技術(shù)措施[15–16]，但以上技術(shù)措施均無(wú)法完全解決漏失難題。

根據(jù)上述分析，決定采用工具防漏。經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，研制了具有環(huán)空封隔能力的封隔式分級(jí)箍，其在實(shí)現(xiàn)雙級(jí)固井的同時(shí)還可以封隔漏層，在順北油氣田9口井進(jìn)行了應(yīng)用，防漏效果顯著。

1 順北油氣田固井技術(shù)難點(diǎn)

順北油氣田儲(chǔ)層埋深 7 200～8 800 m，各斷裂帶地質(zhì)條件差異大，二疊系埋深 3 300～5 500 m，多為雜亂相，并含有厚度達(dá)350～500 m的大段火山巖，漏失風(fēng)險(xiǎn)極高。

1）二疊系承壓不明確。鉆井期間漏失嚴(yán)重[17–18]，固井前無(wú)法建立循環(huán)或持續(xù)漏失，難以明確地層承壓能力。

2）長(zhǎng)裸眼固井防漏難度大。為滿足完井要求，順北油氣田超深井多采用長(zhǎng)裸眼井身結(jié)構(gòu)，裸眼段長(zhǎng)度超過(guò)4 000 m，環(huán)空摩阻高，而且，同時(shí)封隔多個(gè)壓力體系，防漏難度大。

3）常規(guī)固井防漏技術(shù)措施效果差。前期從前置液、水泥漿體系和固井工藝等多方面進(jìn)行固井防漏，但固井時(shí)漏失量仍達(dá)300～900 m3；井口擠水泥進(jìn)行補(bǔ)救后，環(huán)空水泥缺失長(zhǎng)度仍超過(guò)2 000 m。

2 封隔式分級(jí)箍研制

常規(guī)雙級(jí)固井時(shí)，由于一級(jí)固井大量漏失或失返性漏失導(dǎo)致漏層無(wú)法封固，會(huì)造成二級(jí)固井時(shí)繼續(xù)漏失。因此，在分級(jí)箍底部設(shè)計(jì)封隔器，不僅可以實(shí)現(xiàn)雙級(jí)固井，還可以在一級(jí)固井結(jié)束后脹封封隔器，徹底封隔漏層，防止二級(jí)固井時(shí)繼續(xù)漏失，提高水泥環(huán)完整性。同時(shí)，封隔器脹封后具有一定的環(huán)空封隔能力，并在分級(jí)箍循環(huán)孔關(guān)閉后能夠保證管內(nèi)密封能力不低于套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，提高套管柱完整性（見(jiàn)圖1）。

圖1 固井防漏示意Fig.1 Anti-leakage in cementing

通過(guò)對(duì)比國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的特點(diǎn)[19–22]，研制了封隔式分級(jí)箍[23]，其主要包括分級(jí)箍單元、連接閥單元和水力擴(kuò)張封隔器單元（見(jiàn)圖2）。

圖2 封隔式分級(jí)箍結(jié)構(gòu)Fig.2 Stage cementing collar with packer

封隔式分級(jí)箍主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1）分級(jí)箍單元下部添加封隔器的注液通道，注液通道采用機(jī)械方式開(kāi)啟和關(guān)閉。一級(jí)固井結(jié)束后投入重力塞，重力塞到達(dá)打開(kāi)塞座后加壓開(kāi)啟封隔器注液通道；小排量階梯式加壓，穩(wěn)壓2～3次，直至封隔器完全脹封后關(guān)閉注液通道；再繼續(xù)加壓，可以打開(kāi)分級(jí)箍循環(huán)孔。為防止循環(huán)孔提前打開(kāi)和關(guān)閉，設(shè)計(jì)分級(jí)箍循環(huán)孔打開(kāi)壓力大于封隔器開(kāi)啟和關(guān)閉壓力。

2）連接閥單元設(shè)置3個(gè)控制閥。開(kāi)啟閥設(shè)計(jì)為壓力觸發(fā)，是封隔器注液通道的第二道保險(xiǎn)；單向閥可保證注液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)，不回流；關(guān)閉閥設(shè)計(jì)為壓力觸發(fā)，當(dāng)封隔器內(nèi)部壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)關(guān)閉注液通道，永久密封內(nèi)部液體，保證繼續(xù)加壓可打開(kāi)分級(jí)箍循環(huán)孔。

3）封隔器單元由基管和膠筒組成。為保證膠筒脹封后擁有足夠的環(huán)空封隔能力和更有效地貼合井眼，膠筒內(nèi)部設(shè)計(jì)采用非連續(xù)式金屬片進(jìn)行支撐；膠筒兩端固定，保證下入安全。

根據(jù)順北油氣田生產(chǎn)的需要，研制了?177.8～?273.1 mm多種規(guī)格的封隔式分級(jí)箍，主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同規(guī)格封隔式分級(jí)箍主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters for stage cementing collar with packer of different specifications

3 室內(nèi)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

下面以?193.7 mm封隔式分級(jí)箍為例，進(jìn)行整機(jī)組裝后的室內(nèi)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

3.1 整機(jī)密封能力

封隔式分級(jí)箍整機(jī)組裝后上部連接?193.7 mm短套管，短套管頂部連接上試壓封頭，封隔式分級(jí)箍下部連接下試壓封頭，使用4DSY-22/63型電動(dòng)試壓泵對(duì)其進(jìn)行試壓，驗(yàn)證封隔式分級(jí)箍的整機(jī)密封能力。整機(jī)加壓至 35.5 MPa（設(shè)計(jì) 35.0 MPa），穩(wěn)壓15 min后壓力穩(wěn)定無(wú)下降（見(jiàn)圖3），表明其密封性能良好。

圖3 整機(jī)密封壓力試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of sealing pressure test for the whole machine

3.2 封隔器脹封性能

整機(jī)密封試驗(yàn)結(jié)束后，拆卸下試壓封頭，將封隔式分級(jí)箍放入試驗(yàn)井眼內(nèi)，并連接限位接頭；拆卸上試壓封頭，投入重力塞，重新連接上試壓封頭；使用電動(dòng)試壓泵進(jìn)行加壓，將重力塞泵送至打開(kāi)塞座后，加壓至 6.2 MPa（設(shè)計(jì) 7.0 MPa），此時(shí)壓力瞬間下降，表明封隔器注液通道已開(kāi)啟；繼續(xù)加壓至6.9 MPa時(shí)封隔器開(kāi)啟閥打開(kāi)，開(kāi)始注液；注液期間穩(wěn)壓3～4 min后，壓力繼續(xù)階梯式緩慢上升，當(dāng)壓力升至 16.0 MPa（設(shè)計(jì) 15.0 MPa）時(shí)觸發(fā)封隔器關(guān)閉閥，注液通道關(guān)閉（見(jiàn)圖4），封隔器脹封完畢。

圖4 封隔器脹封壓力試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Pressure test results of packer expansion

3.3 封隔器環(huán)空封隔能力

封隔器脹封完畢后，連接封隔式分級(jí)箍與模擬井眼環(huán)空試壓口，進(jìn)行封隔器環(huán)空封隔能力試驗(yàn)。模擬井眼設(shè)置為?250.8 mm井眼，井徑擴(kuò)大率10%。使用電動(dòng)試壓泵對(duì)環(huán)空進(jìn)行多次加壓、穩(wěn)壓，最高加壓至 43.8 MPa（設(shè)計(jì) 20.0 MPa），環(huán)空封隔效果仍良好，無(wú)滲漏（見(jiàn)圖5）。

圖5 封隔器環(huán)空封隔壓力試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Annular sealing pressure test results of packer

3.4 分級(jí)箍循環(huán)孔打開(kāi)、關(guān)閉性能

封隔器環(huán)空封隔能力試驗(yàn)結(jié)束后，重新連接?193.7 mm短套管的上試壓封頭，使用電動(dòng)試壓泵對(duì)封隔式分級(jí)箍?jī)?nèi)部加壓，加壓至18.2 MPa（設(shè)計(jì)15.0 MPa）時(shí)壓力瞬間下降，表明分級(jí)箍循環(huán)孔打開(kāi)（見(jiàn)圖6）。拆卸上試壓封頭，投入關(guān)閉塞，重新連接上試壓封頭；繼續(xù)加壓，將關(guān)閉塞泵送至關(guān)閉塞座后，加壓至 6.2 MPa（設(shè)計(jì) 5.0 MPa）時(shí)，分級(jí)箍循環(huán)孔關(guān)閉。

圖6 分級(jí)箍循環(huán)孔打開(kāi)壓力試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Opening pressure test results of circulation holes of stage cementing collar

3.5 循環(huán)孔關(guān)閉后的管內(nèi)密封能力

分級(jí)箍循環(huán)孔關(guān)閉后，連接下部盲板，加壓至75.1 MPa（?193.7 mm 套管抗內(nèi)壓 74.9 MPa），穩(wěn)壓15 min，無(wú)壓降、無(wú)滲漏，表明封隔式分級(jí)箍的循環(huán)孔關(guān)閉后管內(nèi)密封良好（見(jiàn)圖7）。

圖7 分級(jí)箍管內(nèi)密封壓力試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Internal sealing pressure test results of stage cementing collar

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

順北油氣田9口井應(yīng)用封隔式分級(jí)箍進(jìn)行了固井施工，井下操作安全可靠，二級(jí)固井的平均漏失量由 105.1 m3降至 3.4 m3，環(huán)空水泥平均缺失長(zhǎng)度由 2 048 m 縮短至約 350 m，節(jié)省漏失和擠水泥補(bǔ)救費(fèi)用約1 100萬(wàn)元，具體應(yīng)用情況見(jiàn)表2。下面以SHBF-O9H井為例分析其應(yīng)用效果。

表2 封隔式分級(jí)箍在順北油氣田的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Application of stage cementing collar with packer in the Shunbei Oil & Gas Field

SHBF-O9H井是一口四級(jí)井身結(jié)構(gòu)井，鉆進(jìn)二疊系（4 592～5 154 m 井段）期間漏失密度 1.25 kg/L的鉆井液 305.7 m3，中完井深 5 210.00 m，采用?244.5 mm套管進(jìn)行雙級(jí)固井。根據(jù)井徑情況，將封隔式分級(jí)箍安裝在二疊系以淺且井徑較規(guī)則的井深 3 685.70 m 處；下套管期間漏失鉆井液 98.0 m3，固井前持續(xù)漏失。

一級(jí)固井領(lǐng)漿采用密度1.25 kg/L的低密度水泥漿，尾漿采用密度1.88 kg/L的常規(guī)水泥漿，固井漏失量280.0 m3。替漿結(jié)束后投入重力塞，重力塞下行到預(yù)定位置后，加壓脹封封隔器，加壓至6.8 MPa時(shí)開(kāi)始注液，繼續(xù)階梯式加壓，壓力由6.8 MPa逐步提高至 8.0，10.0 和 11.4 MPa，每次穩(wěn)壓 3～5 min，壓降 0～0.1 MPa；加壓至 12.0 MPa 時(shí)觸發(fā)封隔器關(guān)閉閥，脹封作業(yè)結(jié)束；繼續(xù)加壓至14.3 MPa時(shí)壓力瞬間下降，順利打開(kāi)循環(huán)孔，成功建立循環(huán)。候凝24 h，期間每隔1 h頂通一次，無(wú)漏失，初步驗(yàn)證封隔式分級(jí)箍已封隔漏層。

二級(jí)固井領(lǐng)漿采用密度1.90 kg/L的常規(guī)水泥漿，尾漿采用密度1.60 kg/L的低密度水泥漿，替漿到量碰壓，壓力由 7.0 MPa 瞬間升至 14.8 MPa，循環(huán)孔關(guān)閉，穩(wěn)壓5 min無(wú)回流；水泥漿返出地面，二級(jí)固井無(wú)漏失。該井環(huán)空水泥環(huán)充填率約為93.0%，封隔式分級(jí)箍?jī)蓚?cè)的固井聲幅質(zhì)量差異較大，分級(jí)箍以上井段膠結(jié)質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，分級(jí)箍以下井段存在215 m長(zhǎng)的環(huán)空自由段，表明封隔式分級(jí)箍成功封隔下部漏層，降低了二級(jí)固井漏失風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論與建議

1）根據(jù)順北油氣田生產(chǎn)需求，研制了不同規(guī)格的封隔式分級(jí)箍，室內(nèi)試驗(yàn)表明，該分級(jí)箍能夠?qū)崿F(xiàn)封隔式脹封和分級(jí)箍循環(huán)孔的打開(kāi)與關(guān)閉，環(huán)空封隔能力和管內(nèi)密封能力滿足防漏固井要求。

2）封隔式分級(jí)箍已在順北油氣田應(yīng)用9口井，井下操作安全，可靠性高，降低了二級(jí)固井漏失量，提高了環(huán)空水泥環(huán)充填率，完全滿足順北油氣田長(zhǎng)裸眼防漏固井需求。

3）封隔式分級(jí)箍可在固井時(shí)封隔漏層，降低固井漏失風(fēng)險(xiǎn)，保證二級(jí)固井水泥漿返高，對(duì)長(zhǎng)裸眼易漏失地層固井有較強(qiáng)的適用性。