自膨脹輔助固井工具研制及試驗

鄒曉敏，李 偉，余金陵，徐 鑫，魏新芳

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017） ①

自膨脹輔助固井工具研制及試驗

鄒曉敏，李 偉，余金陵，徐 鑫，魏新芳

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017） ①

在不同溫度和介質條件下試驗研究了遇油／遇水膨脹橡膠材料的膨脹性能，并優選出性能優良的主體橡膠材料。采用該材料研制了自膨脹輔助固井工具。室內試驗證明，該工具的最大膨脹率達到512%，承壓性能滿足要求。在3口井上成功應用，施工工藝簡便，能有效防止層間竄槽。為封隔大直徑及不規則井眼、提高固井質量、在水平井實施固井完井工藝提供技術支持。

固井；工具；遇油遇水膨脹橡膠；試驗

目前，固井完井是優先采用的完井方式之一，其作用是將套管與地層隔離，防止套損；封隔異質層，防止層間互擾。容易出現的固井質量問題主要有：①固井質量難以保證，封固效果不好。其中，老區調整井大量采用注水、注汽開發導致地層壓力紊亂，層間壓力差異大，固井作業中易發生漏失、油氣水竄；油水夾層問題則導致水泥環的第1、2界面膠結質量較差，達不到預期開發效果；②紊亂的地層壓力造成水泥環封隔逐漸失效。主要由于長期的注水、注汽等技術措施使得地層壓力紊亂，一些增產作業也帶來異常壓力，即使水泥環封隔的質量合格、層位合適，這些壓力的往復作用也會讓水泥環失效，逐漸失去封隔效果，容易發生層間竄流，造成油氣資源不可挽回的流失，并且對地下環境也構成巨大威脅［1］。尤其是在水平井固井施工中由于水泥漿本身的性能原因，水泥環在凝固過程中會發生收縮，造成水泥環與套管膠結不好，出現通道，一旦生產中出水，極易造成竄槽［2－5］。因此，如何提高固井質量，特別是水平井的固井質量已成為目前完井技術亟待解決的工藝難題之一。

1 工具用途

自膨脹輔助固井工具的重要組成部分是遇油／水自膨脹橡膠材料，在含油／含水環境下能自動膨脹，且膨脹比高。該工具在固井完井工藝中使用，能有效封隔大直徑及不規則井眼，無需專門的漲封結構和液壓力。在施工過程中，將自膨脹輔助固井工具套接在套管串上，下至設計位置，油井正常生產一段時間后，橡膠自動膨脹從而達到封隔效果。該工具可用于分段完井、封隔水層、輔助固井（如圖1）和防砂等。還可用于提高固井射孔段上、下的封隔效果。在需要射孔的井段上、下安放自膨脹輔助固井工具，防止由于射孔導致的水泥封固不好而竄層（如圖2）。施工工藝簡單，施工風險低，成本低。

圖1 自膨脹輔助固井工具在固井現場

圖2 自膨脹輔助固井工具在固井射孔段的安裝位置

2 自膨脹橡膠材料性能試驗

2.1 遇油膨脹橡膠

遇油膨脹橡膠（如圖3）屬于功能性吸油高分子材料，是在傳統橡膠的基體上引入親油性官能團或親油性組分［6－7］。該材料的特點是膨脹速率快、膨脹倍率高、原料來源方便、成本低、工藝簡單。

遇油膨脹橡膠與油介質接觸時，介質通過毛細擴散作用及表面吸附等物理作用進入材料內部，進而與聚合物中的某些分子間形成極強的結合力。由于材料中的分子結構不斷吸收介質，致使聚合物材料發生彈性體積形變。溶劑分子試圖滲入聚合物網絡內部，而聚合物大分子網絡的彈性收縮力又試圖將溶劑分子擠出去，這是一對相反作用的傾向，最終達到溶脹平衡。當抗形變力與介質的滲透壓力達到相對平衡時，聚合物材料的形變達到穩定狀態。

圖3 遇油膨脹橡膠

2.1.1 材料選型

根據遇油膨脹材料在井下的使用要求，結合井下其他腐蝕因素（油、酸、堿、硫化氫等）及改性加工工藝對聚合物基體材料的要求，對氯丁二烯單體經乳液聚合反應合成的高分子聚合物、氯磺化聚乙烯聚合物、丁二烯、苯乙烯共聚物、丁二烯和丙烯腈單體經乳液聚合合成的無規共聚物，以及丙烯酸酯橡膠等做了性能篩選。丁二烯和丙烯腈單體經乳液聚合合成的無規共聚物經改性后具有耐油、耐酸堿、強度高、耐高溫及加工工藝性好等特點，因此選定該橡膠材料作為主體材料。

2.1.2 膨脹性能試驗

對遇油膨脹橡膠進行了不同溫度、不同介質下的膨脹試驗，數據如圖4～5。可以看出：遇油膨脹橡膠的膨脹速度隨溫度升高而加快，其在柴油中的膨脹速度大于在原油中的膨脹速度，少量柴油就可以使其膨脹，在純柴油中膨脹效果最好。

圖4 遇油膨脹橡膠120℃高溫膨脹試驗曲線

圖5 遇油膨脹橡膠140℃高溫膨脹試驗曲線

2.2 遇水膨脹橡膠

遇水膨脹橡膠（如圖6）是一種新型高分子功能材料，具有橡膠的良好彈性和力學強度，吸水后體積膨脹，且強度和彈性良好。

圖6 遇水膨脹橡膠

2.2.1 材料選型

根據遇水膨脹輔助固井工具的使用要求，對異戊二烯的聚合物、丁二烯和苯乙烯共聚物、氯丁二烯單體經乳液聚合反應合成的高分子聚合物、乙烯和丙烯及少量非共軛雙烯類烯烴的三元共聚物、丁二烯和丙烯腈單體經乳液聚合合成的無規共聚物以及丙烯酸酯橡膠等做了遇水膨脹性能篩選。對比材料價格、力學性能及工藝性能后，選定丁二烯和丙烯腈單體經乳液聚合合成的無規共聚物作為主體材料。

2.2.2 膨脹性能試驗

不同溫度、不同礦化度介質下的膨脹試驗數據如圖7～8。可以得出：遇水膨脹橡膠隨著礦化度的提高，其膨脹倍數明顯降低；隨著介質溫度的提高，其膨脹率略有提高。造成這些現象的原因是介質條件的改變，改變了試驗體系的滲透壓平衡。

70℃的清水和油水混合介質膨脹試驗數據如圖9。可以得出：在含水率為15%的油水混合介質中，遇水膨脹橡膠仍可以膨脹，但其膨脹速度較在清水介質中有所下降。

圖7 遇水膨脹橡膠高溫試驗（48h，NaCl，100℃±5℃）

圖8 遇水膨脹橡膠高溫試驗（48h，NaCl，120℃±5℃）

圖9 遇水膨脹橡膠70℃下不同介質中膨脹倍率曲線

另外，還通過試驗選出了最佳硫化體系、補強劑、防老填充劑以及其他助劑。在此不再詳述。

3 工具結構及室內試驗

利用選出的遇油／遇水自膨脹橡膠材料加工出自膨脹輔助固井工具（如圖10）。

圖10 自膨脹輔助固井工具外形

試制的自膨脹輔助固井工具具有6個特點：

1） 膨脹比高，能封隔大直徑井眼。遇油、遇水膨脹，膨脹率為512%。

2） 適合不規則井眼，可實現無間隙擠壓式填充封隔，密封效果良好。

3） 能自動膨脹，施工工藝簡化，施工風險和成本降低。在使用過程中，將自膨脹輔助固井工具套接在套管串上，下至設計位置后，無需井口加壓或下內管進行脹封，油井正常生產后，自膨脹輔助固井工具遇油／水后自動膨脹，因而可明顯減少井隊作業時間，降低施工風險，有效節約油井開發成本。

4） 自膨脹輔助固井工具設計的弧形結構有利于下井施工，且實現了膨脹材料向2個界面膨脹，提高了固井質量且不破壞水泥環的結構，防止竄槽，提高了固井封固質量。

5） 自膨脹輔助固井工具可廣泛應用于層段隔離、輔助固井或替代固井的完井施工，應用前景廣闊。

6） 膠筒兩端的吸收區域面積較大，膨脹時兩端先膨脹，中間后膨脹。

試制的自膨脹輔助固井工具在內徑為230 mm鋼管內測試，如圖11。膠筒兩端的吸收區域面積較大，膨脹時兩端先膨脹，中間后膨脹。20d后顯示膨脹和承壓性能良好，其整體承壓可達11 MPa，滿足現場使用要求。

圖11 自膨脹輔助固井工具地面承壓試驗

4 現場應用

目前，自膨脹輔助固井工具已在勝利油田3口井上成功應用。其中Y66－P7井設計井深1 707m，完鉆后電測顯示該井2段油層上中下有3段水層，由于油層水淹不適合篩管完井而采用套管射孔完井。為保證完井順利，提高固井質量，在3段水層處分別下3個遇油遇水自膨脹封隔器進行隔離；同時在1 659m處使用自膨脹輔助固井工具，防止發生固井竄槽現象。后期電測曲線圖顯示：該井第1界面膠結良好，水平段第2界面除油層段對應的地方膠結不是很好外，其他地方膠結良好，對油層段進行了有效封固。

5 結論

1） 自膨脹輔助固井工具采用遇油／水自膨脹橡膠材料，在含油／水環境下能自動膨脹并實現地層的有效封隔，無需專門的漲封結構和液壓力。

2） 在勝利油田3口井的應用表明，其施工簡單，風險小，成本低，封隔效果明顯。

3） 該工具在現場應用仍不廣泛，應加強推廣力度。

［1］ 徐 鑫，魏新芳，余金陵.遇油遇水自膨脹封隔器的研究與應用［J］.石油鉆探技術，2009，37（6）：67－69.

［2］ 張國文，沈澤俊，童 征，等.遇油／遇水自膨脹封隔器在水平井完井中的應用［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：41－44.

［3］ 劉 猛，董本京，張友義.水平井分段完井技術及完井管柱方案［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：28－32.

［4］ 趙 巍，陳樹杰，陳光星.新型遇油膨脹封隔器技術的研究和應用［J］.石油科技動態，2011（2）：64－67.

［5］ 沈澤俊，童 征，張國文，等.遇水自膨脹封隔器研制及在水平井中的應用［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：38－41.

［6］ 張明昌.固井工藝技術［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［7］ 王 強，曹愛麗，王 蘋.遇油膨脹橡膠的制備及性能研究［J］.高分子材料科學與工程，2003，19（2）：206－208.

Development and Experiment of Auto－expansion Auxiliary Cementing Tool

ZOU Xiao－min，LI Wei，YU Jin－ling，XU Xin，WEI Xin－fang
（Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257017，China）

Expansion capacity of expandable rubber material while run into water and oil were tested under the condition of different temperature and medium，and optimizing the performance of the main rubber materials.The materials developed the auto－expansion auxiliary cementing tool.Indoor experiment proved that，the biggest expansion rate of the tool reached to 512%，the bearing performance meets the requirements.Successful application were made on 3wells in simple construction process，which can effectively prevent the interlayer channeling and provide technical support for the implementation of the isolation of large diameter and irregular borehole，improving the cementing quality in horizontal well cementing and completion technology.

well cementing；tool；oil ＆water swellable elastomer；test

1001－3482（2012）08－0043－04

TE925.207

A

國家重大專項課題“低滲油氣田完井關鍵技術研究”（2011ZX05022－006）部分研究成果

鄒曉敏（1985－），女，山東榮成人，2008年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，現從事石油完井工程技術研究，E－mail：zouxiaomin.slyt＠sinopec.com。

文章編號：1001－3482（2012）08－0020－06