過鉆桿水泥傘輔助注水泥塞作業(yè)原理與應(yīng)用分析

摘" 要：注水泥塞作業(yè)是解決井漏、棄井、回填枯竭層位、側(cè)鉆和隔絕地層等問題的主要手段，提高其作業(yè)質(zhì)量和一次成功率，對于提高生產(chǎn)效率、降低鉆機日費具有重要意義。然而由于水泥漿的密度明顯高于井內(nèi)鉆井液的密度，水泥漿與鉆井液之間容易出現(xiàn)置換下沉，嚴重限制水泥塞作業(yè)成功率。針對上述問題，該文引入過鉆桿水泥傘作為注水泥塞作業(yè)輔助工具，并從其結(jié)構(gòu)組成、材料選型、工作原理以及現(xiàn)場應(yīng)用等角度進行論述，以解決水泥塞作業(yè)成功率低的問題。現(xiàn)場實際應(yīng)用效果表明，水泥傘具有隔離水泥漿與鉆井液的物理屏障作用，可以解決由于不同流體間密度差異大引起的混合沉降問題，從而有效提高水泥塞作業(yè)的一次成功率。

關(guān)鍵詞：注水泥塞；過鉆桿水泥傘；工作原理；作業(yè)成功率；材料選型

中圖分類號：TV421" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0192-05

Abstract： Cement plug operation is the main means to solve problems such as lost circulation， abandonment of wells， backfilling of depleted horizons， sidetracking and isolation of formations. Improving the quality of its operation and one-time success rate is of great significance for improving production efficiency and reducing daily costs of drilling rigs. However， because the density of cement slurry is significantly higher than that of drilling fluid in the well， displacement and subsidence between cement slurry and drilling fluid are easy to occur， which seriously limits the success rate of cement plug operations. In response to the above problems， this paper introduces a drill pipe cement umbrella as an auxiliary tool for cement plug injection operations， and discusses its structural composition， material selection， working principle and field application to solve the problem of low success rate of cement plug operation. The actual application results in the field show that the cement umbrella has a physical barrier effect to isolate cement slurry and drilling fluid， and can solve the mixed settlement problem caused by the large density difference between different fluids， thus effectively improving the one-time success rate of the cement plug operation.

Keywords： cement plug; drill pipe cement umbrella; working principle; operation success rate; material selection

隨著油氣資源的持續(xù)開發(fā)，生產(chǎn)井老井側(cè)鉆和探井棄井回填水泥塞作業(yè)任務(wù)日益增多，如何提高水泥塞作業(yè)質(zhì)量和成功率一直是鉆井行業(yè)關(guān)注的焦點[1]。

影響注水泥塞作業(yè)質(zhì)量的因素除了水泥漿體系本身的性能要求及井下實際條件外，一個最主要的因素是水泥漿與鉆井液之間的置換下沉導致水泥漿性能受到嚴重影響[2]。具體地，當將水泥塞泵注和頂替到預(yù)設(shè)深度時，候凝結(jié)束后通常不會在預(yù)設(shè)位置探到水泥塞，而是在井下更深位置發(fā)現(xiàn)水泥塞，即便在預(yù)設(shè)的深度發(fā)現(xiàn)水泥塞，一般來說這樣的水泥塞也可能無法滿足性能要求（偏軟或不耐壓等）[3]。特別地，僅依靠鉆桿進行注水泥塞作業(yè)時，當鉆桿從水泥塞中拔出時，水泥塞下方較輕流體會侵入鉆桿拔出后遺留的空間，進一步造成混漿。在大斜度井或者水平井中，井眼低側(cè)的水泥流將下方的流體向上推入水泥塞，污染水泥漿，水泥塞也最終更深地向下滑入井中，從而無法實現(xiàn)水泥塞準確定位和水泥塞質(zhì)量保證[4]。

為解決流體間密度差引起的混合沉降問題，可以采用墊稠塞的方式增大水泥塞下方流體的黏度，然而上述方法很難保證實際應(yīng)用效果。因此，有必要選用合理的注水泥塞作業(yè)輔助工具，以減少因水泥塞沉降帶來的混漿、水泥塞下沉、重新注水泥等一系列問題。目前，水泥塞輔助工具包括橋塞、過鉆桿水泥傘和一趟式注水泥塞工具等，各種工具在海洋鉆井作業(yè)中均有應(yīng)用[5]。表1詳細對比了各種注水泥塞輔助工具適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點。

由表1可知，過鉆桿水泥傘具有操作簡便、性能優(yōu)良、兼容性好，且適應(yīng)于棄井水泥塞、側(cè)鉆水泥塞、套管井造斜器錨定等多種作業(yè)場景。因此，從作業(yè)安全、工作原理和經(jīng)濟性等多方面綜合考慮，過鉆桿水泥傘往往是大多數(shù)水泥塞作業(yè)的優(yōu)選方案[6]。然而，目前針對過鉆桿水泥傘的研究分析和應(yīng)用情況的研究尚不多見，因此有必要從其結(jié)構(gòu)組成、材料選型、工作原理等方面進行深入分析，進一步明確其提高懸空水泥塞作業(yè)成功率的關(guān)鍵，從而提高現(xiàn)場作業(yè)施工精準度。

1" 過鉆桿水泥傘結(jié)構(gòu)組成

圖1給出了過鉆桿水泥傘整體結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，過鉆桿水泥傘由解鎖機構(gòu)、彈簧傘骨機構(gòu)、傘布、飛鏢部分組成[7]。具體地，解鎖機構(gòu)主要由上端頭、勾片、扭簧以及螺栓等4部分組成。上端頭通常作為解鎖機構(gòu)的操作部位，是整個解鎖機構(gòu)的主體件。勾片與上端頭連接，通過勾住或釋放來實現(xiàn)鎖定或解鎖功能。扭簧提供彈性回復(fù)力，使勾片在需要釋放的時候能夠瞬間釋放。螺栓用于固定和連接各個部件，確保解鎖機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

彈簧傘骨機構(gòu)是過鉆桿水泥傘的核心結(jié)構(gòu)，由固定塊、滑塊、傘骨、彈簧以及傘繩5部分構(gòu)成，當滑塊滑動時，能夠讓傘布如雨傘一般進行開合。彈簧傘骨機構(gòu)主要用于保持送入筒和管內(nèi)泵送時的壓縮狀態(tài)，以及在套管或裸眼中的自動伸展。傘布的主要作用是封隔水泥漿和鉆井液，提高懸空水泥塞的成功率。固定塊作為基礎(chǔ)支撐部件，提供穩(wěn)定的連接，確保整個機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性?；瑝K是實現(xiàn)傘布開合動作的關(guān)鍵驅(qū)動部件，其滑動的順暢性直接影響傘布開合的成效。傘骨起到支撐和傳遞力量的作用，需要具備一定的強度和柔韌性，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和受力情況。彈簧兩端由傘繩連接，依靠自身的收縮力，使傘布能夠在適當?shù)臅r候自動伸展開來。傘繩連接在彈簧的兩端，另外兩端分別連接固定塊和滑塊，起到控制彈簧收縮來讓滑塊進行工作，使傘布撐開。傘布材質(zhì)通常具有良好的耐溫性和耐磨損性，能夠有效地封隔水泥漿和鉆井液，其質(zhì)量和性能對提高懸空水泥塞的成功率起著至關(guān)重要的作用。

2" 材料選型

為確保過鉆桿水泥傘在復(fù)雜井筒環(huán)境中不出現(xiàn)變形、破裂的情況，其應(yīng)具備耐高溫、高壓、耐磨以及易于鉆取的性能，以便最大限度地發(fā)揮其隔離和保護作用。為此，需要嚴格按設(shè)計要求對水泥傘組成零部件進行選材，并對每批材料進行材質(zhì)化驗和機械性能的試驗，以確保材質(zhì)性能可靠。

鉆桿水泥傘的上端頭、滑塊、固定塊是過鉆桿水泥傘關(guān)鍵部位的零件，而運輸筒則主要起到便于過鉆桿水泥傘運輸、存放以及作為解鎖機構(gòu)限位的作用。所以，為滿足在井下工作的需要，必須確保材料的機械性能和化學性能。為此，針對其特點選用綜合性能較為出色的鋁合金作為加工材料。所選材料的機械性能標準見表2，鋁合金的化學成分見表3。

滿足過鉆桿水泥傘易鉆取的特性，材料的選擇需要有良好力學性能且要耐磨、耐高溫、高韌性等，根據(jù)其情況刪選：環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和酚醛樹脂3種材料中選取一種作為復(fù)合材料的主體材料，從玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維這3種材料中選取一種作為復(fù)合材料的特殊增強材料。對比其性能和市場價格，優(yōu)選環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料的主體材料，優(yōu)選玻璃纖維作為復(fù)合材料的特殊增強材料。復(fù)合材料性能見表4。

最后，飛鏢部分材質(zhì)主要為橡膠，針對井下的具體狀況，優(yōu)選3種橡膠材料：分別是氟橡膠、丁腈橡膠和氫化丁腈橡膠，它們的性能與價格均有所不同，見表5。

3" 工作原理

針對水泥漿注入及下沉的特點，過鉆桿水泥傘采用可自動張開的水泥傘結(jié)構(gòu)，提供了一種在水泥漿與鉆井液間添加物理分隔層的工藝方法來提高水泥塞的質(zhì)量。地面和井下試驗均證明，此方法能夠有效阻止水泥漿下沉和置換，對水泥塞進行準確定位，促使水泥漿凝固后形成高質(zhì)量的封堵層。

過鉆桿水泥傘工作原理示意圖如圖2（a）—圖2（e）所示：①如圖2（a）所示，將過鉆桿水泥傘和運輸筒組合插入鉆桿之中；②把過鉆桿水泥傘從運輸筒推入鉆桿內(nèi)后移除運輸筒，如圖2（b）所示；③如圖2（c）所示，使用水泥漿或者鉆井液頂替鉆桿膠塞；④過鉆桿水泥傘通過鉆桿并膨脹打開，如圖2（d）所示；⑤最后水泥塞置于水泥傘上面，并最終完成注水泥塞作業(yè)，如圖2（e）所示。

表6給出了常用尺寸的過鉆桿水泥傘技術(shù)參數(shù)。只要工具下方井段沒有井漏問題，可用于任何懸空水泥塞作業(yè)?？捎糜趦?nèi)徑最大達42英寸（1英寸等于2.54 cm）的井眼中。適用于從0°到水平或者更高的井斜的井眼，且不受靜液柱壓力限制，能夠與所有已知的鉆井液兼容。

4" 應(yīng)用效果及分析

目前，過鉆桿水泥傘已經(jīng)在中海油200余井次棄井和側(cè)鉆水泥塞作業(yè)中取得成功應(yīng)用。本節(jié)以南海鉆井平臺的WC10-3E-1井NO.5、WC10-3E-1井NO.6和WC19-3-7Sa井為例，統(tǒng)計了采用水泥傘工具進行不同的注水泥塞作業(yè)所取得的實際效果。各井作業(yè)任務(wù)如圖3所示。

特別的以WC10-3E-1井NO.6進行側(cè)鉆水泥塞作業(yè)任務(wù)為例，介紹應(yīng)用水泥傘輔助現(xiàn)場操作流程：①起鉆至553 m，接頂驅(qū)循環(huán)，要求泥漿比重進出口均勻，振動篩返出干凈，降低井底循環(huán)溫度，氣測值要求小于3%，掃稠塞算井徑后投水泥傘，起鉆至550 m。（充分循環(huán)后掃稠漿反算井徑，固井泵房清掃吹灰管線及水泥恒壓罐試壓15 psi/10 min）；②接活絡(luò)彎頭+2″旋塞閥＋固井管線，注水泥作業(yè)期間保持上下活動管柱（管柱上下活動范圍2～3 m，活動速度小于0.05 m/s）；③固井管線通混合水5 bbls并對管線試壓300 psi/5 min、3 000 psi/15 min；④固井泵泵入混合水；⑤混泵密度為1.90S.G的水泥漿；⑥固井泵泵入后置液（混合水）；⑦固井泵頂替海水；⑧固井泵泄壓查回流；⑨鉆臺拆固井管線；{10}起鉆至400 m，水泥塞內(nèi)慢起3柱（0.1～0.15 m/s）；{11}循環(huán)排混漿。

采用水泥傘輔助現(xiàn)場作業(yè)取得的實際應(yīng)用效果見表7。完成注水泥塞作業(yè)后，對水泥塞進行探塞面檢測，發(fā)現(xiàn)水泥塞灰面基本保持在預(yù)設(shè)位置，從而確認水泥塞質(zhì)量良好。這表明水泥傘在使用過程中能夠順利前行，并在預(yù)設(shè)位置打開，顯著提高了注水泥塞的一次成功率。

5" 結(jié)論

過鉆桿水泥傘是一種簡便有效的井下工具，能夠適應(yīng)多種注水泥塞作業(yè)。它主要是模擬人工底部，用于承托水泥漿或者隔離下部流體，防止水泥塞下沉事件的發(fā)生，從而提高注水泥塞作業(yè)一次成功率?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，采用水泥傘工具有以下優(yōu)點：

1）過鉆桿水泥傘能夠阻止水泥漿下沉和置換，對水泥塞進行準確定位，促使水泥漿凝固后形成高質(zhì)量的封堵層；

2）節(jié)省了鉆機時間，顯著降低了由于重復(fù)多次水泥塞作業(yè)產(chǎn)生的鉆時損失；

3）為水泥塞的一次成功提供保障，使得原來一次成功率在50%左右提高到了95%以上；

4）過鉆桿水泥傘適用于所有類型的水泥塞作業(yè)，出廠之后的水泥傘隨時處于下井狀態(tài)，不需要專門的下井工具來輔助。

參考文獻：

[1] CALVERT， DAVID G.， HEATHMAN， et al. Plug Cementing： Horizontal to Vertical Conditions [C]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Dallas， Texas， October 1995.

[2] 陳志峰.注水泥塞精確定位固井工具研究[D].青島：中國石油大學（華東），2016.

[3] 鐘守明，鄧寬海，吳彥先，等.永久性棄置井封堵效果的試驗評價[J].安全與環(huán)境學報，2023，23（3）：792-800.

[4] DUTTA R..， LEE C.-H.. -H.， ODUMABO， S..， et al. Ayala H..Experimental Investigation of Fracturing-Fluid Migration Caused by Spontaneous Imbibition in Fractured Low-Permeability Sands[J]. SPE Res Evalamp;Eng，2014（17）：74-81.

[5] 向少華，熊江勇，周建平，等.裸眼水平井封堵施工工藝研究[J].石油天然氣學報，2012，34（3X）：246-247.

[6] 王桂忠，張文正.人工水泥傘在油井堵水中的應(yīng)用[J].鉆采工藝，1997，19（4）：102-103.

[7] HARESTAD， KRISTIAN， HERIGSTAD， et al. New Tool Improves Success Ratio for Balanced Plug Cementing [C]. IADC/SPE Drilling Conference， New Orleans， Louisiana， March 1996.