環(huán)空帶壓先期預(yù)防封堵工具研究與應(yīng)用

田曉勇 蔣本強 張京華 蔣海濤 宋劍鳴 茍旭東 古青

摘要：針對儲氣庫等氣井環(huán)空帶壓問題的先期預(yù)防環(huán)空封堵工具，采用液壓方式完成第一、二膠結(jié)面的先期有效密封，后期利用自膨脹材料對微裂縫進行補償密封，阻止油氣上竄，同時利用減震錨定機構(gòu)，降低管串振動對膠筒封堵效果的影響。通過數(shù)值模擬方法對工具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行模擬分析，封隔能力能達到50 MPa以上，錨定減震機構(gòu)針對P110套管的最大錨定力小于600 kN，減震效果明顯，工具功能及分析結(jié)果均得到現(xiàn)場試驗有效驗證，應(yīng)用井環(huán)空帶壓預(yù)防效果明顯，環(huán)空帶壓問題得到改善。

關(guān)鍵詞：環(huán)空帶壓； 封堵工具；密封；錨定；自膨脹

中圖分類號：TE925.2文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.011

隨著天然氣需求量不斷增加，氣井開發(fā)量及儲氣庫建設(shè)不斷增長，伴隨的油套破損、固井質(zhì)量差、井下環(huán)境變化等引起的環(huán)空帶壓問題也越來越突出［1-4］。國內(nèi)外在預(yù)防環(huán)空帶壓方面開展了大量研究，包括改善水泥漿性能、提高頂替效率、在管串中加入封隔器等［5-9］。這些技術(shù)在生產(chǎn)初期能起到一定的預(yù)防效果，但隨著生產(chǎn)周期、生產(chǎn)強度的不斷提高以及后期作業(yè)處理，伴隨的機械破壞不僅會導(dǎo)致套管與水泥環(huán)膠結(jié)面產(chǎn)生微裂縫。同時，還會導(dǎo)致封隔器膠筒發(fā)生蠕動變形，失去封隔作用。在井下高溫、腐蝕介質(zhì)及地層環(huán)境變化等綜合因素下，這種情況還會加?。?0-15］。如果在固井施工管串中提前下入一種特殊工具，在注水泥作業(yè)完成后，通過液壓方式完成管外環(huán)空先期封堵，實現(xiàn)對第一、二膠結(jié)面的有效密封。后期作業(yè)時，如果一、二膠結(jié)面形成了微裂縫，油氣上竄，該工具還可與油水發(fā)生反應(yīng)，自動膨脹，填補一、二膠結(jié)面的微裂縫，阻止油氣上竄，那么環(huán)空帶壓問題將在很大程度得到改善。同時，為降低后期生產(chǎn)管串伸縮及震動對密封膠筒產(chǎn)生的損害，還可以在工具上設(shè)計減震或錨定機構(gòu)，減少振動對膠筒產(chǎn)生的蠕變影響。由此，研究設(shè)計了一種液壓自膨脹防震動環(huán)空封堵工具，通過數(shù)值模擬分析得出了工具封隔壓力和錨定效果參數(shù)，并在試驗中得到有效驗證。該工具可配合尾管懸掛器進行頂部封隔固井，也可以配合分級箍完成篩管外頂部封隔半程固井，并在中原、華北油田儲氣庫井應(yīng)用10多口井，有效解決了應(yīng)用區(qū)塊環(huán)空帶壓問題。

第53卷第2期田曉勇，等：環(huán)空帶壓先期預(yù)防封堵工具研究與應(yīng)用石油礦場機械2024年3月1工具結(jié)構(gòu)、原理及技術(shù)參數(shù)

1.1工具結(jié)構(gòu)

液壓自膨脹防震動環(huán)空封堵工具主要由上接頭、中心管、上膠筒組、支撐環(huán)、剪銷、上液缸、限位卡簧、上活塞、堵塞器、下活塞、限位卡簧、下液缸、剪銷、下膠筒組、卡瓦錐套、卡瓦、卡瓦連接套、限位套和下接頭等組成，其中上、下膠筒組分別由上、中、下三膠筒、支撐環(huán)以及護肩組成，膠筒組采用自膨脹膠筒+高壓膠筒+自膨脹膠筒組合，進液孔采用斷開式堵塞器堵塞，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2工作原理

施工時，工具隨套管串下入設(shè)計位置，堵塞器可保障工具入井過程及固井碰壓前液體無法進入液缸，活塞不動作，當(dāng)固井膠塞通過堵塞器時，打斷斷開桿，連通壓力傳遞通道，利用膠塞碰壓壓力使液體進入液缸，啟動銷釘被剪斷，液壓力同時向兩個方向推動活塞，壓縮上膠筒組、下膠筒組、卡瓦錐體軸向移動，完成第一、二截面的高壓封堵和錨定，并在自鎖機構(gòu)作用下鎖死。后期作業(yè)施工，管柱發(fā)生震動時，錨定機構(gòu)將工具與外層套管固定在一起，降低軸向振動對封堵工具膠筒的蠕變影響，延長膠筒壽命。當(dāng)水泥環(huán)發(fā)生微裂縫，油氣上竄時，自膨脹膠筒可吸收油、氣、水完成二次膨脹，對微裂縫進行封堵，實現(xiàn)

密封補償。特殊工況施工時，堵塞器需提前打掉。

1.3技術(shù)參數(shù)

2關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模擬分析

2.1膠筒密封性分析

建立如圖2所示的內(nèi)管、膠筒組、外層套管模型，設(shè)置外層套管外徑244.5 mm，內(nèi)徑222 mm，并根據(jù)橡膠150 ℃環(huán)境拉伸應(yīng)變實驗數(shù)據(jù)，選擇橡膠本構(gòu)模型進行實驗數(shù)據(jù)的擬合，如圖3所示。根據(jù)擬合結(jié)果對比，Ogden三參數(shù)橡膠本構(gòu)模型與實際實驗參數(shù)誤差較小，因此本文選擇Ogden模型作為橡膠本構(gòu)模型進行分析， Ogden模型理論公式為：

W=∑Ni=1μiαi（αi1+αi2+αi3-3）+∑Ni=11di（J-1）2i（1）

式中：αi，μi為材料參數(shù)，N為多項式的階數(shù)（本文選擇N=3），di為材料參數(shù)，J為彈性體積比，λ為拉伸比。

圖3橡膠擬合數(shù)據(jù)曲線與實驗數(shù)據(jù)曲線對比確定橡膠材料參數(shù)后，對膠筒分析模型一端施加200 kN的軸向坐封載荷，并固定在當(dāng)前位置，另一端受壓區(qū)域施加50 MPa的圍壓載荷。 分析結(jié)果如圖4 所示，膠筒和外管的大面積穩(wěn)定接觸應(yīng)力為52.7 MPa，和內(nèi)管的大面積穩(wěn)定接觸應(yīng)力為55 MPa，兩端自膨脹橡膠膨脹后與內(nèi)外管的接觸應(yīng)力在58 MPa左右，能夠滿足50 MPa的要求。

2.2錨定減震機構(gòu)模擬分析

建立錨定機構(gòu)三維模型如圖5所示，并對模型進行簡化處理，設(shè)置內(nèi)管、錐體、卡瓦、推環(huán)、外管之間接觸關(guān)系。各部件材料參數(shù)如表2所示，設(shè)置外層套管外徑244.5 mm，內(nèi)徑222 mm。

設(shè)置卡完為坐卡狀態(tài)，推環(huán)軸向施加200 kN反向推力載荷，觀察卡瓦對外層套管影響，然后逐步增加推力載荷，直至外層套管發(fā)生大面積塑性變形，應(yīng)力如圖6～7所示。當(dāng)施加200 kN載荷后，外層套管上出現(xiàn)了明顯的咬痕，咬合區(qū)域主要集中在和卡瓦中部牙接觸的位置，咬合處出現(xiàn)塑性應(yīng)變，深度為僅為0.255 mm，認為不會造成外層套管的破壞。 當(dāng)載荷增加至600 kN時，外層套管咬合處塑性應(yīng)變區(qū)域明顯增大，套管出現(xiàn)明顯的損壞。因此，外層套管采用P110鋼級時，最大坐卡或錨定載荷不能超過600 kN。

2）錨定機構(gòu)減震效果分析。

主要分析錨定機構(gòu)對坐封后的膠筒防震動的作用，通過對比帶錨定和不帶錨定機構(gòu)的分析結(jié)果，得出錨定機構(gòu)的防震動效果。首先對密封膠筒左側(cè)施加載荷，使膠筒完成坐封、卡瓦完成坐卡，然后對推環(huán)施加一定頻率的軸向沖擊載荷。如圖8所示，采用錨定機構(gòu)時，膠筒坐封后，在沖擊載荷作用下，最大位移波動僅為0.056 mm，而不采用錨定機構(gòu)，最大位移波動為11.47 mm，由此可見錨定機構(gòu)對膠筒減震保護起到了很好效果。

3室內(nèi)實驗

室內(nèi)模擬試驗示意如圖9所示，將封堵器置于內(nèi)徑224 mm試驗筒內(nèi)進行了封隔能力和錨定效果實驗。試驗前將封堵器堵塞器拆除，內(nèi)部憋壓20 MPa脹封封堵器，坐卡錨定系統(tǒng)，然后環(huán)空打壓50 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力保持不變，軸向等效載荷約280 kN，封隔器未發(fā)生整體位移，錨定效果良好。泄壓后，封隔器反向施加軸向載荷，載荷300～500 kN，反復(fù)施加載荷50次卸載。環(huán)空再次打壓至50 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力保持不變，驗證了減震錨定系統(tǒng)對密封系統(tǒng)具有很好的保護作用。

4現(xiàn)場應(yīng)用

截止目前，環(huán)空封堵工具已開展現(xiàn)場應(yīng)用10口井以上，應(yīng)用效果良好。以白廟儲2-2井為例，該井為中原儲氣庫建設(shè)重點井，設(shè)計井深3 505 m，采用尾管固井工藝完井，環(huán)空封堵工具配合尾管懸掛器實現(xiàn)頂部封隔，對高壓層進行先期預(yù)防封堵。管串組合：浮鞋+套管+浮箍+套管+浮箍+套管串+封堵工具+尾管懸掛器+送入鉆具。

施工過程工具入井過程順利，接頭氣密封良好，管串到位后循環(huán)正常，驗證封堵工具膠筒未提前脹封，錨定機構(gòu)未提前打開。尾管懸掛器順利座掛、丟手試提順利。懸掛器座掛后循環(huán)正常，再次證明封堵工具在懸掛器座掛操作過程未啟動，堵塞器完好。尾管膠塞復(fù)合通過堵塞器時壓力出現(xiàn)瞬時波動，判斷堵塞器打開。碰壓后蹩壓至設(shè)計壓力完成一、二界面封堵和坐卡。鉆塞前進行套管試壓，試壓壓力35 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降0.2 MPa，試壓合格，驗證封堵工具封堵效果良好。該井投入運行5個月左右，井筒未出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。與應(yīng)用封堵工具前井筒投產(chǎn)即發(fā)生生環(huán)空帶壓的其同區(qū)塊井相比，預(yù)防效果明顯。

5結(jié)論

1）現(xiàn)場應(yīng)用證明液壓自膨脹環(huán)空封堵工具利用先期高壓密封，后期自膨脹補償密封的封堵技術(shù)可有效預(yù)防儲氣庫環(huán)空帶壓問題。

2）模擬分析和現(xiàn)場應(yīng)用驗證了液壓自膨脹環(huán)空封堵工具采用高壓膠筒與自膨脹膠筒組合方式，可實現(xiàn)50 MPa以上壓力封隔，且減震錨定機構(gòu)可有效保護注采施工振動對膠筒封隔效果影響。

3）環(huán)空帶壓問題是一個長期性、復(fù)雜性問題，液壓自膨脹環(huán)空封堵工具封堵效果只是得到初步驗證，隨著生產(chǎn)周期延長，膠筒封隔效果是否可持續(xù)，還需要進一步跟蹤論證。研究全生命周期的環(huán)空封堵工具將會成為新的研究方向。

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