國外尾管頂部封隔器技術研究現狀

郭朝輝,楊德鍇,馬蘭榮

(德州大陸架石油工程技術有限公司,山東德州253034) *

國外尾管頂部封隔器技術研究現狀

郭朝輝,楊德鍇,馬蘭榮

(德州大陸架石油工程技術有限公司,山東德州253034)*

尾管頂部封隔器用于封隔套管與尾管重疊段的環空空間,防止固井過程中油氣水竄流通道形成。介紹了尾管頂部封隔器的結構組成和工作原理,分析了國外典型尾管頂部封隔器的結構特點,為國內相關技術的發展提供借鑒。

尾管頂部封隔器;尾管;固井;防凸環

在尾管固井作業中,由于尾管與上層套管重疊段不能形成有效密封,經常會出現異常地層壓力或水泥漿失重產生的高壓油氣水侵入到未完全凝固的水泥漿內形成竄流通道,致使油氣井在后期鉆進或生產中井口帶壓影響施工,嚴重的可造成全井報廢甚至發生安全問題。采用尾管頂部擠水泥補救措施通常由于不能準確判斷氣竄位置、狹小的竄流通道難以擠注水泥、過高的水泥壓力容易破壞水泥膠結甚至壓裂地層等原因,嚴重影響了固井質量[1]。將尾管頂部封隔器技術應用到尾管固井作業中,可有效阻斷重疊段附近環空井段的壓力傳遞,阻止環空氣竄向上部運移,提高固井質量。

目前,國外固井工具生產商開發了多項尾管頂部封隔器技術,以滿足深井、大斜度井、高壓井等復雜油氣井的尾管固井施工要求,取得了良好的應用效果[2]。

1 封隔式尾管懸掛器

1.1 結構組成及工作原理

按功能單元劃分,封隔式尾管懸掛器可分為送入工具、回接筒、密封總成、尾管頂部封隔器、尾管懸掛器5個主要組成部分,如圖1。

圖1 封隔式尾管懸掛器結構

尾管頂部封隔器是實現重疊段環空封隔的重要單元,主要包括封隔器本體、密封膠筒、鎖緊裝置、坐封剪釘等。封隔器本體位于上端的密封總成與下端的尾管懸掛器之間,并安裝有鎖緊裝置及密封膠筒,在封隔器漲封后實現鎖緊,提高密封效果。

送入工具的作用是將尾管懸掛器及尾管送至井下設計位置,并實現尾管懸掛器坐掛和尾管頂部封隔器坐封,然后“丟手”并進行送入鉆具與尾管管串的分離。送入工具主要由提拉短節、坐封機構、丟手機構等組成。當尾管串和懸掛器下放到設計位置,首先完成懸掛器單元的坐掛、丟手和注水泥固井作業,然后上提送入鉆具,將送入工具上的坐封擋塊提出至回接筒外。當坐封擋塊在彈簧作用下張開后,再下放送入鉆具至一定載荷,通過坐封擋塊將送入鉆具的重力通過回接筒傳遞到尾管頂部封隔器,從而使密封單元發生徑向形變封隔套管環空。在下放送入鉆具坐封封隔器的同時,封隔器上的鎖緊機構限制密封單元與封隔器本體發生逆向位移使其無法發生回彈,從而實現封隔器的永久坐封,提高固井質量[3-4]。尾管頂部封隔器坐封前后對比如圖2。

圖2 尾管頂部封隔器坐封前后對比

1.2 特點

1) 能夠在注水泥前坐掛尾管,注水泥后立即封隔尾管-套管環空,避免由于地層壓力較高形成油氣水竄流通道。

2) 特殊設計的膠筒保護套可以防止入井過程中膠套受損,降低循環壓力,有效防止坐封后壓縮膠筒在環空之間的軸向凸出,確保形成高效密封。

3) 封隔器膠筒抗高溫、耐腐蝕性能好,可長時間保證有效密封。

4) 能承受較高的正負壓差作用,確保完井作業和生產作業的順利進行。

5) 可在多種類型的井內與多種類型的尾管懸掛器配套應用。

2 尾管頂部封隔器發展現狀

美國TIW、Weatherford、Liner Tools LC、Baker、DRIL-QUIP等公司在尾管頂部封隔器技術研究方面取得了許多研究成果,并且形成了種類多、規格全的尾管頂部封隔器產品,可應用于深井、超深井、大位移井、大斜度井和水平井等各種復雜井的尾管固井作業[5]。

2.1 軟金屬防凸環尾管頂部封隔器

TIW公司的HLX型尾管頂部封隔器耐溫可達150℃,耐壓達到35 MPa,可與 TIW的多種尾管懸掛器組合,應用于深井、超深井及大位移井等多種尾管固井或完井作業中。HLX型尾管頂部封隔器采用壓縮膠筒式結構,主要由回接筒、密封外殼、封隔器本體、蓄能彈簧、防退卡瓦、鎖緊卡簧、HSN型封隔元件等組成,如圖3。

圖3 HLX型尾管頂部封隔器

該型封隔器采用帶有端部防凸環的單膠筒設計,端部防凸環采用銅、鉛等軟金屬制成,如圖4。該結構可提高對封隔器膠筒的防護性能,防止封隔器入井過程中的損傷,增加大排量循環時膠筒的安全性。最重要的是端部防凸環可有效防止坐封后的封隔器膠筒的軸向擠出,保證了封隔器膠筒在外層套管與封隔器本體之間的擠壓應力,從而達到提高密封性能的目的。

該型封隔器還設計了蓄能彈簧、防退卡瓦、鎖緊卡簧3種防止坐封后膠筒松弛裝置。蓄能彈簧的作用是確保通過回接筒傳遞的坐封力持續地施加到封隔器膠筒上,并防止后續作業中因為溫度和壓力變化而引起的膠筒松弛;防退卡瓦和鎖緊卡簧避免了坐封后的封隔器膠筒的松弛,并防止在管內壓力的作用下坐封后的封隔器上移,確保了密封的穩定性和可靠性。

圖4 端部防凸環

2.2 鎖緊防凸環尾管頂部封隔器

Liner Tools LC公司的 GorillaPak II型尾管頂部封隔器采用帶有端部防凸裝置的單膠筒設計結構,如圖5～6。與 HLX型尾管頂部封隔器的區別在于其防凸環為雙層鎖緊式結構,封隔器坐封時,雙層鎖緊防凸環在斜面上的徑向力作用下發生徑向變形,直至接觸套管內壁將壓縮后的封隔器膠筒封閉到套管環空之間,從而防止橡膠軸向凸出,提高封隔器膠筒與封隔器本體和外層套管的接觸應力,達到提高環空封隔壓力的目的。

圖5 GorillaPak型封隔器

圖6 帶防凸環的封隔器膠筒結構

GorillaPak II型尾管頂部封隔器的另一特點是擁有一組內藏式防退卡瓦,主要作用是防止下部地層高壓油氣推動坐封后的封隔器上移,從而造成井下作業失敗。內藏式卡瓦設計有效地減小了封隔器外徑,增加了環空過流面積,保護了入井過程中的卡瓦組,消除了卡瓦碰損、提前坐掛等井下隱患。該型卡瓦設計結構可有效增加卡瓦與上層套管之間的接觸面積,降低卡瓦與上層套管之間的接觸應力,防止大壓差作用下的上層套管物理損傷,如圖7。

圖7 新型卡瓦與常規卡瓦應力對比

該型封隔器通過專用的送入工具進行憋壓坐封,不需要釋放鉆具重力壓縮坐封封隔器,因此更適用于大斜度井和大位移井的尾管固、完井作業。

2.3 膨脹環防凸型尾管頂部封隔器

TSP型尾管頂部封隔器(如圖8)可作為一個整體與 Weatherford公司的多種尾管懸掛器、回接工具配套應用到深井、超深井、大斜度井、大位移井等多種復雜井況,還可以應用到尾管鉆井和篩管完井等其他鉆井作業。該封隔器的密封壓力可達到70 MPa,耐溫性能可達到190℃。TSP型尾管頂部封隔器本體采用一體式結構,在頂端設計有可傳遞扭矩的連接機構,允許管串入井過程中通過旋轉操作,增強尾管串的下入能力。還設計有擋塊裝置(如圖9),用于防止尾管下入過程中,在尾管懸掛器丟手操作之前由于遇阻造成的封隔器提前坐封。

圖8 TSP型尾管頂部封隔器

TSP型尾管頂部封隔器同樣采用了單膠筒結構,并且在膠筒與本體之間硫化有金屬密封環,環內安裝有密封圈,可極大提高膠筒與本體之間的密封性能,如圖10。這種結構有效地降低了封隔器入井過程中的抽吸作用,提高了管串的下入速度和循環效率,有助于洗井過程中鉆屑的通過和提高水泥漿的頂替效率。

圖9 擋塊裝置

圖10 單膠筒結構

與GorillaPak II型尾管頂部封隔器相似,TSP型尾管頂部封隔器具有雙層鎖緊式防凸環設計,在坐封后可形成牢固的密封,防止水泥漿膠結時的氣體或液體運移,同時,該結構還具備保護膠筒的功能,膨脹環表面涂有降低摩擦阻力的涂層,降低封隔器的坐封力,確保封隔器在大位移井中的有效坐封。

TSP型尾管頂部封隔器防退機構采用彈簧式防退卡簧結構,如圖11。在坐封過程中,彈簧推動卡簧下行,使卡簧前段錐度斜面與膨脹錐套的配合斜面保持貼緊,卡簧內側的鋸齒螺紋與本體形成防退鎖緊。該結構使膨脹錐套與卡簧相對于本體沒有可回縮空間,保證了封隔器在坐封后回縮距離盡可能減小,同時依靠膨脹錐套對卡簧前段錐度斜面的擠緊作用使卡簧徑向收縮,實現了雙保險防退效果,提高了封隔器的承壓性能。

該型封隔器的膠筒上部防退卡瓦和集束式蓄能彈簧機構可防止坐封后封隔器的松弛和上移,蓄能彈簧同時具有防止坐封過程中橡膠瞬時應力集中損傷膠筒的作用,并且在后期的作業中,在環境溫度和壓力發生變化的情況下能夠保持封隔器膠筒的牢固坐封。

圖11 卡簧式防退機構

2.4 膨脹式尾管頂部封隔器

Baker公司的 ZXP型尾管頂部封隔器(如圖12)承壓>70 MPa,耐溫性能達到204℃,在近10 a內成功應用超過20 000井次。

圖12 ZXP型尾管頂部封隔器

將該型封隔器下入到設計位置并完成坐掛、丟手、注水泥等操作后,在送入鉆具重力的作用下,封隔器的膨脹錐套軸向下行楔入到可膨脹金屬骨架內,使金屬骨架發生徑向形變,減小封隔器外徑與上層套管內徑之間的間隙,將橡膠層擠壓到上層套管上形成可靠的環空密封。

ZXP型尾管頂部封隔器利用金屬膨脹技術設計出了革命性的環空封隔技術,密封單元采用金屬骨架式結構,由可膨脹金屬材料硫化橡膠膠筒加工而成,可膨脹金屬骨架外側加工有多層凸起環狀(如圖13),并在凸起環狀表面硫化了橡膠層,可防止膠筒在承受較大軸向壓差時從金屬骨架脫落。該結構外形尺寸較小,極大地降低了由于高循環排量引起抽吸作用而造成的封隔器提前坐封,其允許的井下環空流體循環排量最高可達2.7 m3/min,降低了封隔器膠筒在入井過程中的機械損壞幾率,極大地提高了封隔器的可靠性。ZXP型尾管頂部封隔器坐封前后對比如圖14。

該型封隔器的防退機構采用雙面鋸齒卡簧結構(如圖15),卡簧內、外表面設計有鋸齒螺紋,內部細齒螺紋與本體上的螺紋嚙合,起防止相對位移的作用,外表面粗齒螺紋與膨脹錐套上的螺紋相配合。當封隔器承受軸向壓差而產生回彈趨勢時,膨脹錐套通過螺紋將卡簧壓緊在本體上,提高防退和承壓性能,降低封隔器回彈風險。

圖13 可膨脹金屬骨架

圖14 坐封前后對比

圖15 雙面鋸齒卡簧防退機構

2.5 膨脹式一體化尾管頂部封隔器

DRIL-QUIP公司的LS-15型尾管頂部封隔器適用于大位移井、大斜度井、水平井和極端惡劣尾管完井施工,如圖16。

圖16 LS-15型尾管頂部封隔器

LS-15型尾管頂部封隔器的封隔元件采用與ZXP型封隔器相同的金屬骨架支撐式密封結構(如圖17),不同處在于其可膨脹金屬骨架上預加工有多條縱向開口,使封隔器坐封時更容易在此處產生應力集中,以降低封隔器的坐封力。

圖17 金屬骨架支撐式密封結構

LS-15型尾管頂部封隔器是一種結構緊湊、性能優良的耐高溫高壓封隔器。該型封隔器的懸掛器與封隔器組合,抗扭矩達到50 kN·m,非常適用于尾管鉆井施工作業,并同樣具有很大的環空過流面積,可承受較大的環空流速,提高尾管下入速度,降低循環壓力。

3 結論

1) 國外尾管頂部封隔器的結構組成各不相同,但其性能及實現方法都能夠滿足在深井、超深井、大斜度井、水平井等復雜井況中的使用要求。

2) 承壓性能高,普遍可達到70 MPa(10 000 psi),耐溫性好,通常可達200℃以上。

3) 采用特殊膠筒結構,在保證較大承壓性能的同時具有相對較大的環空過流面積,允許施工中的大排量循環,能夠保證施工安全。

4) 膠筒采用端部支撐環或金屬骨架支撐環結構,能有效防止膠筒在受擠壓狀態下的擠出,極大地提高封隔器承壓性能。

5) 采用的防退裝置可靠,能夠保證封隔器坐封后在承受較高壓差作用的情況下,膠筒與本體的相對位置固定,防止封隔器因回彈產生的密封失效。

6) 我國的尾管頂部封隔器可從改進結構出發,優化膠筒及防凸機構的結構,提高承壓性能和在復雜井況中的適用性及可靠性,以縮短與國外同類產品的差距。

[1] 張 益,李相方,李軍剛,等.膨脹式尾管懸掛器在高壓氣井固井中的應用[J].天然氣工業,2009,29(8): 57-59.

[2] 秦金立,蘇 同.國外固井膠塞研究新進展[J].石油礦場機械,2010,39(1):39-42.

[3] 馬蘭榮,郭朝輝,姜向東,等.新型封隔式尾管懸掛器的開發與應用[J].石油鉆探技術,2006,34(5):54-56.

[4] 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.

[5] 馬開華,朱德武,馬蘭榮.國外深井尾管懸掛器技術研究新進展[J].石油鉆探技術,2005,33(5):52-55.

Current Research Status for Key Technologies of Foreign Liner Top Packer

GUO Zhao-hui,YAN G De-kai,MA Lan-rong
(Dezhou Shelf oil Petroleum Equipment&Services Co.,L td.,Dezhou253034,China)

Liner top packer may be used to seal the liner-casing annulus,prevent the formation of channeling path.The structure and working principle of liner top packer are introduced,and some typical structure of foreign companies is deeply analyzed to further research the technology of liner top packer.

liner top packer;liner;cementing;back-up ring

1001-3482(2011)07-0013-05

TE931.2

A

2010-12-23

郭朝輝(1980-),男,河北元氏人,工程師,2003年畢業于江漢石油學院機械制造及自動化專業,主要從事井下工具研發工作,E-mail:gzh@shelfoil.com。