國外固井膠塞研究新進展

秦金立,蘇 同

(德州大陸架油氣高科技有限公司,山東德州253034)

國外固井膠塞研究新進展

秦金立,蘇 同

(德州大陸架油氣高科技有限公司,山東德州253034)

為降低水泥漿受污染程度,提高鉆井效率及固井質量,近幾年不斷有新型膠塞被研制應用。介紹了國外4種新型固井膠塞,即,套管固井防轉固井膠塞、尾管固井多膠塞系統、尾管懸掛-分級注-封隔器聯合固井4塞系統、深海套管固井海底釋放塞系統的結構特點和工作原理,可為國內膠塞的研制、改進和創新提供參考。

膠塞;固井;固井質量

在固井作業中,水泥漿會受到井內泥漿、濾餅的影響而嚴重污染,造成固井二界面封固系統密封失效,即使延長候凝時間效果也不明顯[1]。另外,鉆井公司為提高鉆井效率,不僅要改善隔離、刮削的效果,還要提高膠塞的可鉆性。鑒于上述情況,國外各公司加大了膠塞的研發力度,并取得了顯著的成效。筆者對目前4種常用固井工藝的特點和國外相應的新型固井膠塞的工作原理和結構特點進行了論述。

1 套管固井防轉固井膠塞

套管固井是從井口到井底按規定下入一定尺寸的套管注水泥進行封固的固井方法。套管固井作業中用的膠塞有常規固井膠塞和防轉固井膠塞系統。與常規固井膠塞系統相比,防轉固井膠塞縮短了鉆除時間,降低了鉆井成本。Weatherford、Davis和TOP-CO公司推出了不同防轉機構及可鉆性強的防轉膠塞系統,其中,Weatherford公司研制的防轉膠塞系統的防轉機構導入性更強,防轉效果更佳,如圖1。

1.1 工作原理

在水泥漿注入前,投入防轉下膠塞,其作用是將套管內壁的死泥漿或泥餅刮削干凈,從而有效保證之后注入的水泥漿在整個管串運行過程中不會受到污染。注入全部水泥漿后投入防轉上膠塞,水泥漿被2個膠塞全部隔離,防轉下膠塞到達套管底部的防轉浮箍時實現碰壓,防轉下膠塞被擊穿,水泥漿通過擊穿孔進入環空,當防轉上膠塞和防轉下膠塞復合后,再次實現碰壓,替漿結束。

圖1 Weatherford公司防轉固井膠塞系統

1.2 特點

設置防轉機構。由于上、下防轉膠塞和防轉浮箍的鎖緊,在鉆除過程中膠塞等不會隨鉆頭一起轉動,有效地提高了鉆除效率,降低了鉆井成本。

2 尾管固井膠塞

2.1 單膠塞固井

尾管固井是在上部已下入套管的井內只對下部新鉆出的裸眼井段下套管、注水泥進行封固的固井方法,可通過尾管懸掛器來實現。該固井方法節約套管,降低了鉆井成本。但是當尾管段越長時,水泥漿受井內流體污染就越嚴重,同時還會造成環空膠結質量差。

常規尾管固井用膠塞系統由尾管膠塞和鉆桿膠塞組成,尾管膠塞通過膠塞短節連接在送入工具的底部。其工作原理是當尾管懸掛器成功坐掛于上層套管后,開始進行注水泥固井作業,向鉆桿內注入水泥漿,注入全部水泥漿后投入鉆桿膠塞,鉆桿膠塞與尾管膠塞復合后實現碰壓,剪斷尾管膠塞與膠塞短節連接的剪釘后繼續替漿,當組合鉆桿膠塞和尾管膠塞與下面的尾管膠塞鎖緊座復合后,實現碰壓,固井結束。

尾管固井作業相當于單膠塞固井,即只在水泥漿注入后壓入膠塞。這種固井方式簡單,存在的問題是鉆井泥漿等流體會污染水泥漿,鉆桿和套管內壁上被膠塞刮削下來的殘留泥漿也會污染水泥漿,影響水泥漿的膠結質量。

2.2 多膠塞系統

針對上述問題,TIW、Weatherford、Smith和Baker公司推出了多膠塞系統,其中 TIW公司的多膠塞系統由上、下2個泵送塞和上、下2個尾管塞組成,膠塞短節連接在送入工具底部,如圖2。

2.2.1 工作原理

注水泥前投入下泵送塞,然后注入水泥漿。當下泵送塞到達下尾管塞時,泵壓增加,下尾管塞與上尾管塞脫離,注入全部水泥漿后投入上泵送塞,水泥漿被多膠塞全部隔離,當下泵送塞-下尾管塞組合到達碰壓座時,水泥漿可以旁通,正常進入環空,當上泵送塞-尾管塞組合進入碰壓座時,實現碰壓。由于只有當下尾管塞釋放后,上尾管塞才能激發釋放,故不會出現井下復雜情況[1]。

2.2.2 特點

多膠塞系統的應用可以減少水泥漿受污染程度,無論尾管多長,水泥漿污染程度都可從55%降到10%[1]。

圖2 TIW公司多膠塞系統

3 尾管懸掛-分級注-封隔器聯合固井膠塞

在水平井中,尾管加篩管的完井方式可以保護油層,較好地發揮地層的產能,但在多數情況下需要在篩管頂部固井。為防止水泥下沉,保證環空封固質量,需要在篩管頂部加管外封隔器。較常見的管串結構為:送入鉆具+尾管懸掛器+尾管串+雙級注水泥器循環孔+管外封隔器+盲板+篩管串+引鞋。該管串結構的缺點是由于操作不當,易導致雙級注水泥器提前打開或封隔器提前膨脹坐封,致使下一步工作無法進行;在下入過程中即使遇阻也無法開泵循環,從而使整個管串不能到達預定位置[2]。

針對上述情況,Weatherford、Halliburton等公司研制出了一種新型膠塞系統,即4塞系統。在進行完井作業時,其管串結構改為:送入鉆具+尾管懸掛器+4塞系統+尾管串+雙級注水泥器+管外封隔器+碰壓座+篩管串+引鞋。與常見管串結構的區別在于盲板改為碰壓座,尾管膠塞改為4塞系統。Halliburton公司4塞系統如圖3。

3.1 4塞系統工作原理

先投入鉆桿膠塞,當下鉆桿膠塞運行至一級膠塞時,泵壓增加,一級膠塞與二級膠塞脫離,并攜帶下鉆桿膠塞運行至碰壓座處碰壓,懸掛器坐掛,封隔器膨脹坐封,雙級注水泥器打開后進行注水泥固井作業。注入全部水泥漿后投入上鉆桿膠塞,當上鉆桿膠塞運行至二級膠塞時,泵壓增加,剪斷銷釘,上鉆桿膠塞與二級膠塞一起下行至雙級注水泥器位置后,推動關閉套下行,實現循環孔關閉。

圖3 Halliburton公司4塞系統

3.2 特點

將雙級注水泥器的一級膠塞(撓性塞)和二級膠塞(關閉塞)進行了改進和組合設計,并連同上、下鉆桿膠塞一起配套應用于復雜井完井作業中。能夠避免尾管懸掛器-分級注水泥器-封隔器-盲板完井方案的弊端;下入過程中管內外是連通的,能夠實現自動灌漿,大大縮短作業時間。

4 深海套管固井膠塞

在深海鉆井作業中,如果采用半潛式鉆井船,井口設計在海底,套管頭不能連接到鉆臺面上,因此不能像陸地套管固井一樣,直接把固井膠塞安裝到套管水泥頭內,而需要使用鉆具將膠塞送入海底井口內進行固井作業。

針對深海鉆井作業,Weatherford、Halliburton、CaseTech、TOP-CO等公司推出了海底釋放塞系統。Weatherford公司海底釋放塞系統如圖4,主要由上、下2個泵送塞和上、下2個防轉膠塞及1個補償器組成,其連接方式為下防轉膠塞通過下泵送塞捕捉器連接到上防轉膠塞,上防轉膠塞通過上泵送塞捕捉器連接到補償器上,補償器的轉換接頭連接在海底井口處的鉆桿接頭底部。

4.1 工作原理

注水泥前投入下泵送塞,然后注入水泥漿,當下泵送塞運行至下防轉膠塞時,泵壓增加,剪斷下防轉膠塞捕捉器與上防轉膠塞連接銷釘。在注入全部水泥漿后投入上泵送塞,水泥漿被上、下泵送塞隔離;當下泵送塞-下防轉膠塞組合到達防轉浮箍時,泵壓增加,憋通下防轉膠塞擋板,水泥漿可以通過旁通孔進入環空。當上泵送塞運行至上防轉膠塞時,再增加泵壓,剪斷上防轉膠塞捕捉器與補償器連接銷釘。當上泵送塞-上防轉膠塞組合運行至下防轉膠塞組合時,碰壓,固井結束。補償器可與鉆桿等一起提出井口重復利用。

4.2 特點

應用該海底釋放塞系統能夠解決深海固井難題;設置的防轉機構可縮短鉆除時間,降低鉆井成本。

5 結論

1) 應用防轉膠塞不僅能夠提高固井質量,而且可以縮短鉆除時間,降低鉆井成本。

圖4 Weatherford公司海底釋放膠塞系統

2) 應用多膠塞系統可以大大提高長尾管的固井質量。

3) 應用4塞膠塞系統可以很好地解決尾管懸掛-分級注-封隔器-盲板完井工藝存在的問題。

4) 應用海底釋放塞系統可以解決深海固井的難題。

5) 膠塞系統應向高隔離效果、高刮削性能及短鉆除時間的方向發展。

[1] 司萬春,郭朝輝,馬蘭榮.可膨脹尾管懸掛器技術及其應用[J].石油礦場機械,2006,35(4):100-102.

[2] 陳會年,秦金立,刁國玉,等.中國特殊雙級注水泥器的研制現狀與發展趨勢[J].油氣地質與采收率,2007,14 (4):98-101.

Advance in Cementing Plug Outside China

QIN Jin-Li,SU Tong
(Dezhou Shelf Oil Tools Co.,Ltd.,Dezhou253034,China)

Recent years,many new patterns of plug have been designed and applied to minimize the contamination of cement slurry,improving drilling efficiency and cement job quality.In this paper,Four different patterns of plug for cementing will be introduced and analyzed for future study and improvement,including anti-rotation plug for casing;liner-wiper plug for casing;liner hanger-multi staged cementing-packer four-plug system;subsurface release cementing plug system.

plug;cementing;cement job quality

1001-3482(2010)01-0039-04

TE925.2

A

2009-09-02

秦金立(1979-),女,天津武清人,工程師,2003年畢業于江漢石油學院,從事固井工具研發工作,E-mail:qjl@sinopd.com。