小井眼封隔堵漏工具研究與試驗

摘" "要：長慶油田公司近幾年部署了大量小井眼定向井，小井眼井漏失數(shù)量加劇，且伴隨長裸眼井段多套壓力薄弱層及漏失層位同存的情況，嚴(yán)重制約鉆井提速增效。為實現(xiàn)？準(zhǔn)152.4 mm及？準(zhǔn)165.1 mm小井眼井的安全高效堵漏、快速鉆井，針對鉆井時裸眼的井徑擴(kuò)大率，通過理論設(shè)計、有限元分析及實物試驗相結(jié)合的方式，研發(fā)了一種小井眼裸眼封隔堵漏工具及其配套的腰鼓型膠筒。該工具具備多種解封方式及下接鉆柱的功能，配套膠筒兼具徑向的大膨脹量及對井筒的密封性，可封隔最大？準(zhǔn)190 mm尺寸井眼環(huán)空。該封隔堵漏工具通過多次現(xiàn)場功能性試驗，驗證了該工具可實現(xiàn)下接230 m鉆柱，且坐封后保持最大擠封壓力4.5 MPa及2 min內(nèi)快速解封的功能，為小井眼鉆井堵漏相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：致密氣；封隔器；堵漏工具；小井眼；膠筒

中圖分類號：TE921.5" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.004

Research and Testing of Small Wellbore Pack and Sealing Tools

YANG Ziye， ZHANG Panlong， YANG Sen

（Changqing General Drilling Company，CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.， Ltd.， Xi’an 710018， China）

Abstract：" In recent years， the Changqing Oilfield Company has deployed a considerable number of small wellbore directional wells， which has resulted in an increase in the number of small wellbore leaks. The coexistence of multiple sets of pressure-weak layers and leaking layers in the long open-hole section significantly impedes the speed and efficiency of drilling operations. In order to achieve safe and efficient plugging and rapid drilling of small wellbore wells with a diameter of 152.4 mm and 165.1 mm， this paper considers the enlargement rate of the open hole during drilling. A small wellbore open-hole plugging tool and its matching waist-drum type rubber cylinder were designed and developed through a combination of theoretical design， finite element analysis， and physical testing. The tool is equipped with a number of unsealing techniques and is designed to facilitate the connection of the drill string. The matching rubber cylinder exhibits both substantial radial expansion and effective sealing capabilities for the wellbore， with the capacity to seal the wellbore annulus with a maximum diameter of 190 mm. The functionality of the sealing and plugging tool was validated through on-site testing， wherein the tool demonstrated its ability to connect a 230 m drill string， withstand a maximum extrusion pressure of 4.5 MPa post-setting， and rapidly unblock within two minutes. This provides a technical reference for the field of small-hole drilling and plugging.

Key words： tight gas; packer; sealing tools; small wellbore; rubber cylinder

為提高油氣田開采效率，降低鉆采成本，長慶油田公司相關(guān)單位及蘇里格項目部加大部署優(yōu)化三開水平井、二開水平井等非標(biāo)井身結(jié)構(gòu)，在蘇里格氣田、宜黃區(qū)塊部署了大量？準(zhǔn)152.4 mm（6英寸）及？準(zhǔn)165.1 mm（6■英寸）小井眼定向井。小井眼井漏失數(shù)量加劇，同時伴隨著長裸眼井段多套壓力薄弱層及漏失層位同存。2022年，已鉆漏失井中長裸眼井段多個易漏層位同存的漏失井占比高達(dá)23.5%，堵漏及高承壓難度大幅增加，嚴(yán)重制約著鉆井提速增效。而在小井眼中，井下工具的尺寸受到限制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計成為難題。

張懷文等［1］設(shè)計了一種適用于大縫洞的堵漏工具，通過半密封漿袋將水泥漿等凝固類或顆粒類堵漏材料限制在漿袋內(nèi)，保證堵漏材料能夠在地層縫洞中固結(jié)，從而形成封堵，提升了堵漏效果。范鋼等［2-3］設(shè)計了一種內(nèi)設(shè)攔截袋的堵漏工具，可將堵漏漿聚集在一定位置，對惡性漏失有較好效果。國內(nèi)學(xué)者還設(shè)計了多種隨鉆堵漏工具［4-8］，通過投球的方式控制工具旁通孔的打開與關(guān)閉，實現(xiàn)隨鉆堵漏。裸眼封隔器在堵漏作業(yè)中已有所應(yīng)用［9］，證明了封隔堵漏工具能使堵漏材料有效進(jìn)入并留在漏層，提高堵漏效果。近幾年，遇水反應(yīng)型堵漏材料（聚氨酯）已大范圍推廣應(yīng)用［10-14］，朱明明等［15］設(shè)計并研發(fā)了一種聚氨酯配套堵漏工具，該工具應(yīng)用了封隔原理，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)可使堵漏工作液有效進(jìn)入漏層，提高堵漏效率。

本文考慮鉆井時裸眼的井徑擴(kuò)大率，設(shè)計研發(fā)了一種適用于？準(zhǔn)152.4 mm（6英寸）及？準(zhǔn)165.1 mm（6■英寸）小井眼裸眼封隔堵漏工具，具備封隔裸眼井眼環(huán)空的能力，同時具備多種解封方式及下接鉆柱的功能，大幅提高工具堵漏作業(yè)的安全性。

1 小井眼封隔堵漏工具

1.1 堵漏原理

當(dāng)面對長裸眼井段多個易漏層位同存的井漏情況時，堵漏材料難以全部進(jìn)入至漏層中，常規(guī)方法堵漏成功率較低。使用帶有膠筒的封隔堵漏工具，膠筒坐封后，在漏層上部一定距離對井眼形成密封，在一定密封壓力下，堵漏時堵漏材料無法通過環(huán)空上返至地面循環(huán)設(shè)備，進(jìn)而增加堵漏材料進(jìn)入漏層的比例，提高堵漏成功率。

采用固化堵漏漿體進(jìn)行堵漏作業(yè)時，該工具可下接200 m鉆柱，可有效規(guī)避固化類/膠凝類工作液上返至封隔器的位置，造成“焊鐵樹”、粘卡或砂卡等在擠封堵漏作業(yè)時易發(fā)生風(fēng)險。

堵漏完成后，該工具可通過上提或旋轉(zhuǎn)上部鉆具的方式，實現(xiàn)膠筒的收縮解封，解封時間可控制在2 min以內(nèi)，使該工具在應(yīng)用固化堵漏漿時的安全性得到有效提升。

1.2 工具結(jié)構(gòu)

小井眼裸眼封隔堵漏工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。工具上接頭與鉆桿螺紋連接，通過投球的方式開始工作，中心軸設(shè)置旁通孔，球落座后，中心軸過流通道關(guān)閉，鉆井液經(jīng)中心軸上的旁通孔，通過液壓的方式向上推動中心軸外部套設(shè)的滑動套，進(jìn)而壓縮膠筒使其產(chǎn)生軸向位移。工具的棘齒結(jié)構(gòu)能維持膠筒的壓縮狀態(tài)。膠筒采用腰鼓型設(shè)計，兼顧徑向大膨脹量及對裸眼井段的密封性，膠筒壓縮膨脹后繼續(xù)增大壓力，球座即會剪切落入球座接頭，中心軸過流通道打開，此時可進(jìn)行堵漏作業(yè)。工具同時具備套設(shè)在中心軸上的上提解封機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)解封機(jī)構(gòu)，堵漏完成后可通過上提鉆柱或旋轉(zhuǎn)鉆柱的方式解鎖工具的棘齒結(jié)構(gòu)，達(dá)到快速解封的目的。工具下端球座接頭通過轉(zhuǎn)換接頭與鉆桿螺紋連接。

該工具可滿足小井眼堵漏作業(yè)時高效處理事故的要求，坐封解封地面可控，多種方式快速解封，實現(xiàn)固化、凝膠、多形態(tài)固相顆粒材料的安全、高效堵漏作業(yè)。

1.3 堵漏工藝流程

1） 根據(jù)現(xiàn)場工況的需要，入井合適長度的鉆桿后，通過轉(zhuǎn)換接頭接入該工具。

2） 該工具上接頭連接鉆桿，將工具送至漏層上方。

3） 投球，球落入球座后，堵塞中心軸過流通道，泥漿經(jīng)旁通進(jìn)入活塞腔推動滑動套，壓縮膠筒，達(dá)到封隔漏層上部井眼的目的，棘齒結(jié)構(gòu)可使膠筒保持壓縮狀態(tài)。

4） 加大泵壓，使球座剪切落入球座接頭內(nèi)，中心軸過流通道打開，此時可進(jìn)行堵漏作業(yè)，由于井眼環(huán)空上部循環(huán)通路被膠筒封隔，堵漏材料更多進(jìn)入漏層內(nèi)。

5） 堵漏完成后，可通過上提鉆柱或旋轉(zhuǎn)鉆柱的方式使該工具解封。

6） 起鉆侯凝，完成堵漏作業(yè)。

2 堵漏封隔器膠筒

2.1 膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

封隔器性能的優(yōu)劣和井下工作效果主要取決于密封膠筒，膠筒的密封性、穩(wěn)定性直接影響封隔器工作的可靠性［16-18］，封隔器膠筒結(jié)構(gòu)又影響膠筒的密封性與穩(wěn)定性。已有國內(nèi)外多位學(xué)者研究小直徑封隔器，主要針對套管微量變形。通過研制膠筒新型材料和改進(jìn)膠筒的幾何形狀來增加膨脹量，達(dá)到增強(qiáng)密封性能的目的，而對大膨脹量的橡膠研究尚為少見。

為了兼顧封隔器膠筒的徑向膨脹量和密封性，設(shè)計了一種新型膠筒，如圖2所示。該膠筒外徑尺寸為？準(zhǔn)135 mm，內(nèi)徑尺寸為？準(zhǔn)90 mm，材料為丁腈橡膠，其具有很好的耐油性和柔韌性，且在高溫下具有良好的抗擠性能，長期使用溫度上限達(dá)到120 ℃。膠筒內(nèi)部為對稱的腰鼓型內(nèi)腔，中間為最薄處；膠筒兩側(cè)內(nèi)部對稱開設(shè)有兩個環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽內(nèi)部設(shè)置有聚四氟乙烯環(huán)，可有效降低膠筒軸向壓縮變形時與內(nèi)部中心軸之間的摩擦力；膠筒兩側(cè)端部各均布4個螺紋孔，與兩側(cè)連接環(huán)及滑動套連接，提供膠筒壓縮及復(fù)位后的定位功能。

該膠筒受到環(huán)形活塞的軸向壓力時會在鼓峰處產(chǎn)生徑向膨脹，與井壁充分貼合。通過不同參數(shù)的腰鼓形內(nèi)腔膠筒進(jìn)行有限元分析及室內(nèi)試驗分析，對膠筒性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。

2.2 膠筒有限元分析

油氣井封隔器的膠筒由橡膠制成，材料為超彈性，體積不可壓縮，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性的特點［19-21］。堵漏封隔器膠筒的井筒環(huán)空較大，小井眼的環(huán)空超過膠筒厚度的1倍，會導(dǎo)致橡膠在密封過程中的膨脹變形較大，尤其是局部變形已經(jīng)超過一半的小變形范圍，基于此選擇 Yeoh 模型，進(jìn)行本構(gòu)模型參數(shù)的計算和獲取。Yeoh模型為：

有限元分析中，分析步采用隱式動力的分析方法，模擬仿真膠筒在工作過程中的變化情況。根據(jù)膠筒實際工作方式，固定膠筒底端，上端施加位移，采用位移加載的方式進(jìn)行仿真計算，得到膠筒有限元分析云圖，如圖5所示。

根據(jù)圖5有限元仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)膠筒的最大壓縮位移量增加到107 mm時，分析過程中膠筒沒有發(fā)生失穩(wěn)，相應(yīng)的Mises最大應(yīng)力達(dá)到9.500 MPa，最大接觸應(yīng)力達(dá)到2.376 MPa，通過對沿著徑向位移表面基礎(chǔ)應(yīng)力的提取和分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)膠筒對？準(zhǔn)190 mm的井筒具備一定的密封效果。

2.3 膠筒室內(nèi)試驗

模擬仿真完成后，進(jìn)行膠筒的室內(nèi)試驗，膠筒外套？準(zhǔn)190 mm鋼制圓筒用來模擬井壁，中心穿？準(zhǔn)90 mm的中心桿，膠筒一端頂在盲板上，另一端用鋼板壓縮。觀察膠筒受壓的膨脹變形及膠筒外圓與鋼制圓筒內(nèi)壁的接觸情況。膠筒室內(nèi)試驗情況如圖6所示。

試驗時，當(dāng)膠筒的軸向壓縮位移量達(dá)到100" mm時，膠筒與鋼制圓筒內(nèi)壁開始產(chǎn)生接觸，當(dāng)膠筒的壓縮位移量達(dá)到120 mm時，膠筒出現(xiàn)失穩(wěn)扭曲變形現(xiàn)象，且無法繼續(xù)壓縮。保持壓力2 min，釋放壓力后膠筒恢復(fù)尺寸，膠筒外觀發(fā)現(xiàn)明顯折痕。

1） 對膠筒施加軸向位移后，膠筒能與？準(zhǔn)190 mm井筒產(chǎn)生接觸，并具備一定密封效果。

2） 膠筒的軸向壓縮位移量需要控制，當(dāng)達(dá)到極限位移壓縮量時，膠筒易產(chǎn)生失穩(wěn)扭曲變形現(xiàn)象，影響膠筒與井筒間的密封性，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞膠筒，致使堵漏封隔工具失效。

3） 該膠筒性能可通過進(jìn)一步入井試驗測試得到驗證。

3 現(xiàn)場功能性試驗

3.1 測試步驟

1） 在井口對工具進(jìn)行檢查，確認(rèn)上下兩套解鎖機(jī)構(gòu)處于正確位置后，連接鉆具開始入井。

2） 將工具下放到目標(biāo)深度，觀察并記錄懸重。以一定排量開泵后，記錄立管壓力。

3） 從井口投球，等待球落入球座。

4） 小排量開泵，憋壓至8 MPa，使膠筒膨脹，略微下放鉆具，觀察并記錄鉆壓。

5） 小排量開泵，憋壓至銷釘剪切壓力，如壓力瞬間降低可判斷球座銷釘被剪斷，球及球座落入球座接頭中，工具導(dǎo)通。

6） 小排量開泵，憋壓后停泵，觀察并記錄立管壓力及鉆壓，每5 min觀察壓力情況，持續(xù)30 min以上。由此判斷膠筒對井壁產(chǎn)生的密封效果。

7） 采用順時針旋轉(zhuǎn)及上提的方式對工具進(jìn)行解封，觀察并記錄懸重，下放后無鉆壓、立管無壓力，則可判斷工具解封，開始起鉆。

8） 對工具進(jìn)行出井檢查分析。

3.2 工具功能性試驗情況

2024 - 05，該小井眼裸眼封隔堵漏工具，采用3.1所述測試步驟在長慶區(qū)域某井進(jìn)行了功能性試驗，該井井深2 569 m。試驗時，鉆具由井口至井底采用方鉆桿+400 m鉆桿+小井眼裸眼封隔堵漏工具+180 m鉆桿的組合形式。

前期在室內(nèi)測試中，測試該工具的導(dǎo)通銷釘剪切壓力為21 MPa，上提解封拉力為30 kN，旋轉(zhuǎn)解封可靠。工具下至指定位置后，井口投球，待球落入球座，小排量開泵，憋壓至8 MPa，使膠筒膨脹，下放鉆具無鉆壓顯示。憋壓至20 MPa時剪切銷釘剪斷，立管壓力瞬間歸0，判斷水眼導(dǎo)通，此時以5 L/s的排量開泵，立管壓力升至2.5 MPa，下放鉆具鉆壓無顯示。停泵憋壓觀察泵壓期間，平均每5 min，泵壓降低0.5 MPa。旋轉(zhuǎn)一定圈數(shù)后，提起方鉆桿2 m，立管壓力降為0，判斷工具解封，準(zhǔn)備起鉆檢查工具。

3.3 工具出井檢查結(jié)果

工具出井后，膠筒狀態(tài)如圖7所示，膠筒中間仍呈現(xiàn)部分鼓包狀態(tài)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)解封機(jī)構(gòu)沒有完全回位，膠筒解封不完全，使用鏈鉗人工旋轉(zhuǎn)后，解封機(jī)構(gòu)完全回位。

膠筒解封不完全，及上述工具試驗情況中膠筒膨脹后下放鉆具無鉆壓顯示，水眼導(dǎo)通后立管壓力無法保持的情況，分析原因為膠筒膨脹不充分，與井壁接觸應(yīng)力不足，造成旋轉(zhuǎn)解封摩擦力不足，憋壓后無法持續(xù)穩(wěn)壓。后續(xù)擬針對膠筒封隔部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

4 試驗優(yōu)化改進(jìn)

4.1 試驗工具改進(jìn)

根據(jù)上述現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，對膠筒封隔部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1） 膠筒總體結(jié)構(gòu)不變，通過增加膠筒數(shù)量來增加摩擦面積，工具由單膠筒結(jié)構(gòu)改變?yōu)殡p膠筒結(jié)構(gòu)，兩個膠筒之間設(shè)置連接環(huán)。

2） 增加滑動套與液體接觸面的面積，以增加推動力，使膠筒充分膨脹。

改進(jìn)后的雙膠筒結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4.2 工具改進(jìn)后現(xiàn)場測試

2024 - 09，改進(jìn)后的小井眼裸眼封隔堵漏工具在長慶區(qū)域某井進(jìn)行了功能性試驗。該井井深3 418 m，二開鉆頭尺寸？準(zhǔn)165.1 mm（6■英寸），采用水基鉆井液。試驗時，鉆具由井口至井底采用方鉆桿、725 m鉆桿、小井眼裸眼封隔堵漏工具以及230 m鉆桿的組合形式。其中，小井眼裸眼封隔堵漏工具下接約 230 m鉆桿，試驗井深的電測井徑為？準(zhǔn)177 mm。

工具現(xiàn)場功能性測試步驟與前述3.1一致，工具下至指定位置后，井口投球，待球落入球座，小排量開泵，憋壓至8.5 MPa，使膠筒膨脹，下放鉆具鉆壓顯示為15 kN，據(jù)此判斷膠筒完成壓縮變形。憋壓至21.5 MPa時剪切銷釘剪斷，立管壓力瞬間降低，判斷水眼導(dǎo)通，此時以5 L/s的排量開泵，立管壓力升至4.5 MPa，井口無返漿，下放鉆具鉆壓顯示為40 kN。停泵憋壓觀察泵壓期間，壓力基本保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)壓力下降現(xiàn)象。采用順時針旋轉(zhuǎn)及上提的方式對工具進(jìn)行解封，轉(zhuǎn)速為20 r/min，上提拉力增加26 kN后，立管壓力降為0，判斷工具解封，準(zhǔn)備起鉆檢查工具。

4.3 工具出井檢查結(jié)果

工具出井后，下方的230 m鉆柱連接完好，證明該工具具備下接230 m鉆柱的能力。工具導(dǎo)通剪切壓力21.5 MPa及上提解封拉力26 kN與室內(nèi)測試結(jié)果基本吻合。坐封后，最大擠封壓力達(dá)到 4.5 MPa，達(dá)到堵漏作業(yè)條件。工具解封后起鉆時無阻力，出井后工具狀態(tài)如圖9所示，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，解封機(jī)構(gòu)已完

全回位。該工具具備封隔裸眼井眼環(huán)空的能力，可實現(xiàn)坐封憋壓堵漏的目的。

5 結(jié)論

1） 根據(jù)長慶油田各類型小井眼井的堵漏需求，考慮鉆井時裸眼井徑擴(kuò)大率，設(shè)計了一種適用于？準(zhǔn)152.4 mm（6英寸）及？準(zhǔn)165.1 mm（6■英寸）小井眼的裸眼封隔堵漏工具，具備封隔井眼環(huán)空能力、多種解封方式及下接鉆柱的功能，能有效提高堵漏作業(yè)的效率及安全性。

2） 設(shè)計了一種腰鼓形內(nèi)腔的膠筒，選取合適材料后，利用有限元軟件采用隱式動力分析方法，模擬仿真了膠筒在工作過程中的變化情況。發(fā)現(xiàn)當(dāng)膠筒的壓縮位移量增加到107 mm時，膠筒不會發(fā)生失穩(wěn)，相應(yīng)的Mises最大應(yīng)力達(dá)到9.500 MPa，最大接觸應(yīng)力達(dá)到2.376 MPa，且通過對沿著徑向位移表面基礎(chǔ)應(yīng)力的提取和分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)膠筒對？準(zhǔn)190 mm的井筒具備一定的密封效果。

3） 對設(shè)計的膠筒進(jìn)行了室內(nèi)試驗分析，發(fā)現(xiàn)膠筒的軸向壓縮位移量需要控制，過大的位移壓縮量會使膠筒產(chǎn)生失穩(wěn)扭曲變形的現(xiàn)象，影響膠筒與井筒間的密封性。

4） 設(shè)計的裸眼封隔堵漏工具在長慶區(qū)域某井場進(jìn)行了多次現(xiàn)場功能性試驗。該工具實現(xiàn)了下接230 m鉆柱的能力，最高擠封壓力達(dá)到4.5 MPa，表明膠筒對井壁具有密封效果，并通過上提和旋轉(zhuǎn)管柱的方式實現(xiàn)了工具的快速解封，驗證該工具可實現(xiàn)封隔裸眼井眼環(huán)空進(jìn)行憋壓堵漏作業(yè)的功能。

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（編輯：馬永剛）