自通徑分級注水泥器的研究與應用

李進++高立超++呂海丹

摘 要：自通徑分級注水泥技術克服了常規分級注水泥技術作業后，必須下小鉆桿鉆水通井的技術難題，并提高了固井質量。文章介紹了一種通徑分級注水泥器的基本結構、性能參數及其工作原理， 室內試驗表明性能可靠、使用方便。今年該工具在長慶采油六廠成功應用40口井，縮短建井周期80余天，為鉆井提速提供了有效保障。

關鍵詞：自通徑；分級注水泥器；鉆井提速

中圖分類號：TE925.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0003-02

1 概 述

分級注水泥技術是當前石油工業鉆完井工程中普遍采用的一種工藝技術。它主要解決的技術難題包括：滲透性地層與低壓油氣井固井時的漏失問題、深井及超深井固井時由于水泥封固段長、水泥漿用量大、施工時間長、及水泥漿稠化時間過長等問題。這種工藝可以有效降低由水泥漿失重造成的危害，減小氣侵，防止鉆井液串槽，提高固井質量；也可通過降低水泥漿液柱高度，進而減少注水泥過程對油氣儲層的傷害；可以實現上下有效封隔，而中間無水泥環封隔的固井技術難題。但在常規分級注水泥作業后，需下小鉆桿鉆水泥塞，該過程不僅延長了完井周期，而且增加了鉆井費用，此外鉆膠塞時鉆具在套管中的振動和撞擊，會影響二級注水泥環的封固質量。為此，研究自通徑分級注水泥技術，在一級注水泥結束后，正常壓膠塞碰壓后，套管內憋壓打開循環孔，二級注水泥碰壓后，通徑的部件自動脫落，靠自重下落至井底，完成分級注水泥施工作業，該技術對保證固井質量，縮短鉆完井周期具有現實意義。

2 自通徑分級注水泥器設計

根據現場實際需要，研制了一種自通徑液壓分級注水泥器，主要用于長慶采油六廠φ139.7 mm油層套管，以減少分級注水泥固井后下小鉆具鉆分級注水泥器內部結構的步驟，有效降低了完井周期。

2.1 關鍵技術

可靠地密封設計。為了實現自通徑技術，并確保膠塞等附件無障礙落入井底，要求套管內徑與通徑系統外徑之間實現有效密封。該有效密封同時也是保證工具設計成功的關鍵技術。為此，在設計工具優選了一種特殊密封圈裝置，確保密封效果。

自通徑結構的可靠性。自通徑主要是依靠工具中的膠塞、膠塞座等裝置脫離主體，依靠裝置的自重落至井底。自通徑裝置的成功脫落決定了免鉆膠塞工藝的順利進行。為確保裝置的成功脫落，設計上采用了一種特殊的脫落裝置，在完成二級注水泥循環孔關閉后，脫落裝置與主體進行分享分離， 膠塞、膠塞座依靠自重落至井底。

支承裝置承載壓力高，其執行打開、關閉、脫開任務時施工壓力低且互不干涉。通常雙級注水泥器是用于深井超深井、長封井或低壓易漏井固井，在第二級注水泥時，常由于套管內的水泥漿施加給工具支承裝置的載荷較大，銷釘支承普遍用在雙級注水泥工具中。而為了能增加載荷，往往采用較大直徑的銷釘，這勢必需要用較高的壓力以實現打開和關閉動作，進而要求地面固井設備等有較好的密封性能和較高的壓力。該工具設計中采用了承受載荷較高、動作壓力較低的特殊支承裝置，以確保工具打開、關閉、脫開等各級剪銷壓力互不干涉，并且與工具下井深度無直接關系。

2.2 機械結構及特點

該免鉆分級箍包括外套、重力塞座、上接頭、下滑套、關閉套和膠塞套。重力塞座下端為座體，上端為筒體，上端筒體連接膠塞套形成一體，重力塞座與外套之間通過下滑套和關閉套相隔開，下滑套在下，關閉套在上；通過第三銷釘組和第四銷釘組將重力塞座、筒體與下滑套和關閉套相連，通過第一銷釘組和第二銷釘組將下滑套和關閉套與外套相連接，外套頂端口連接上接頭。

2.3 技術參數

Φ139.7 mm自通徑分級注水泥器：總長884 mm，額定負荷120 t，密封能力25 MPa，打開壓力7.0 MPa，關閉壓力5.0 MPa，脫落壓力20.0 MPa，最大外徑Φ170 mm，本體通徑Φ121 mm，適用于套管壁厚7.72 mm，撓性塞長度330 mm，重力打開塞長度 310 mm，關閉塞長度238 mm。

Φ177.8 mm自通徑分級注水泥器：總長884 mm，額定負荷180 t，密封能力25 MPa，打開壓力7.0 MPa，關閉壓力5.0 MPa，脫落壓力20.0 MPa，最大外徑Φ208 mm，本體通徑Φ155 mm，適用于套管壁厚9.19 mm/10.36 mm，撓性塞長度415mm，重力打開塞長度310 mm，關閉塞長度252 mm。

2.4 工作原理

同時將分級注水泥器與套管串，按照固井設計的要求下到井內預定位置。

按照固井程序進行第一級注水泥作業，第一級固井注水泥完成并碰壓結束后，投重力塞；待重力塞下至分級箍重力塞座位置后，在井口加壓，剪斷開孔的銷釘組，這時重力塞座與下滑套將同步向下行，打開循環孔建立二級循環，實施第二級注水泥作業；在二級注水泥作業完成后，打入二級膠塞壓塞液，待二級膠塞下行至分級箍膠塞套時，完成二級碰壓；繼續加壓，剪斷關閉套和第二銷釘組，并推動這兩個裝置向下行，關閉循環孔，此時繼續加壓，剪斷下滑套之間的第三銷釘組合和第四銷釘組合，嚴格控制壓力變化，確保重力塞、重力塞座、二級膠塞、膠塞套連為一體，并落入井底，完成第二級注水泥。

2.5 主要特點

①采用先進的內關閉式結構，結構合理 ，密封能力強，關閉可靠；

②具有永久關閉功能，即關閉套的外壁和外筒的內壁有擋塊相連，用來鎖緊關閉套上下滑動，從而實現永久關閉；

③打開、關閉動作時，均不存在小腔液體壓縮問題；

④關閉套關閉到位后，在關閉套上限位塊落入設計好的槽內，整個內套與打開塞和關閉塞一起脫離關閉套，在自重的作用下落到井底，減少了鉆出費用；

⑤進行了適當選材及配合間隙，以避免工具下井后受拉或熱膨脹使內外套形成過盈配合而不利于打開和關閉。

3 室內試驗及現場應用

3.1 室內試驗

該自通徑分級注水泥器在室內進行多次試驗，試驗結果表明該工具的開孔、關孔、膠塞座脫落等動作均可靈活完成，試驗數據與設計值基本吻合，采用清水密封試壓30 MPa，30 min不滲不漏，以φ139.7mm自通徑分級注水泥器進行室內試驗。打開壓力值設計為7.0 MPa，設計實驗三組數據分別是7.3 MPa、 7.5 MPa和6.8 MPa，平均值為7.2 MPa。關閉壓力值設計為 5.0 MPa，設計實驗三組數據分別是5.0 MPa、5.3 MPa和5.0 MPa，平均值為5.1MPa。脫落壓力值設計為20.0MPa，設計實驗三組數據分別是20.5 MPa、20.0 MPa和20.0 MPa，平均值為10.2 MPa。在現場應用時，可根據實際情況靈活調整剪切銷釘的數量，以控制開孔、關孔和膠塞座脫落的壓差。

3.2 現場應用

2015年，該自通徑分級注水泥器在長慶采油六廠成功推廣應用40口井。固井施工過程中工具的開孔、關孔、膠塞座脫落的壓差基本符合設計要求，應用情況良好。以郝41-01井固井為例，本井完鉆井深2 507 m，最大井斜18 °，設計要求下入φ139.7mm套管固井，因為該區塊在1 600 m存在嚴重的漏失層，因此要求采用雙級固井。入井管串結構為彈簧浮鞋+套管+彈簧浮箍+套管+碰壓座+套管串+自通徑分級注水泥器+套管串，自通徑分級注水泥器下入位置1 555 m。為減小固井井漏風險，采用防漏型前置液，水泥漿體系采用高強低密度水泥漿和常規密度水泥漿，一級固井水泥漿理論量為30 m3，設計量為 35 m3（高強低密度水泥漿15 m3，普通密度水泥漿20 m3）；二級固井水泥漿理論量為50 m3，設計量為55 m3（高強低密度水泥漿 35 m3，普通密度水泥漿20 m3）。本井于2015年7月26日進行固井施工作業，作業施工過程如下：

第一級注水泥：通過水泥車先注入防漏型前置液8 m3，粘度為40 S，然后注入水泥漿領漿15 m3，密度為1.45 g/cm3 ， 水泥漿中間漿10 m3，密度為1.85 g/cm3 ，水泥漿尾漿10 m3，密度為 1.90 g/cm3 ，排量均為1 m3/min，投撓性塞后用水泥車進行清水頂替，頂替排量1 m3/min，當柔性塞過分級箍位置時，將頂替排量降至0.3 m3/min，碰壓時壓力8～15 MPa；放回水檢查斷流；打開水泥頭頂蓋投入炮彈，炮彈下落時間為30 min；炮彈到位后，使用水泥車憋壓7 MPa，開孔循環，并用井隊泥漿泵洗井，洗出分級箍以上全部水泥漿，水泥漿候凝時間為8 h，8 h后循環泥漿，泥漿0.3 m3/min，碰壓8～15 MPa；性能達到要求后進行二級固井。

第二級：水泥車注入粘度40 S的防漏型前置液8 m3，密度1.45 g/cm3的水泥漿領漿35 m3，密度1.85 g/cm3 的水泥漿中間漿10 m3，密度1.90 g/cm3 的水泥漿尾漿10 m3，排量均為1 m3/min，然后注入清水0.5 m3（注清水目的是清洗分級箍，以保證脫落裝置可以順利脫落），投關閉塞，進行清水頂替，排量為1m3/min，當關閉塞即將到達分級箍位置時，將排量降至0.3 m3/min，碰壓13～18 MPa，以0.1 m3/min繼續進行頂替，最終達到穩壓狀態，關孔成功。

內套脫落過程：當分級箍關孔后，水泥車繼續注入清水，排量為0.1 m3/min，至壓力上升到20 MPa，然后壓力略有下降，此時說明分級箍內套脫落（降低略有下降的原因：內套脫落后，分級箍以下套管膨脹，泥漿微量壓縮），繼續給套管內加壓，當壓力至20 MPa，穩壓5 min，放回水檢查。再次注入清水，排量為 0.1 m3/min，壓力上升為20 MPa并穩壓，說明分級箍內套已經完全脫落，放回水正常，敞壓候凝。

本井施工過程正常，48后測聲幅，測井儀器直接到達人工井底，無遇阻現象，說明自通徑分級注水泥器內套已經完全脫落到井底，工具性能穩定，聲幅值在15%以內，固井質量優質。室內試驗和現場應用結果表明，自通徑分級注水泥器施工完后，膠塞座等影響套管通徑的內部裝置依靠自重落入井底，節省了上鉆機鉆分級注水泥器內部結構作業的步驟，有效解決了小直徑套管使用分級注水泥技術時用小鉆具鉆分級注水泥器的內部結構這一難題，據統計，平均每口井可節省鉆井周期 2 d，2015年一年使用該分級注水泥器節約直接鉆井成本400萬元以上。

4 結論和建議

本文通過對雙級注水泥器的研究，研制出自通徑分級注水泥器，經過試驗和現場應用效果良好。

①自通徑分級注水泥器性能可靠、結構新穎、使用便利，能有效解決低壓易漏井、長封固段井、深井超深井等復雜井固井存在的技術難題。

②自通徑分級注水泥器與常規的分級注水泥器相比，該工藝簡化了施工程序，縮短了建井周期，降低了鉆完井成本，對提高固井質量和增加油氣采收率具有重要的意義。自通徑分級注水泥器受機械結構的限制，尺寸為φ139.7 mm的工具僅限于使用在壁厚為7.72 mm的套管中，影響了該工具在深井、超深井中的應用。

③此自通徑式分級注水泥器經現場應用效果良好，具有良好的推廣應用前景。

參考文獻：

[1] 袁進平，蔡俊林，宋本嶺.自通徑液壓分級注水泥器[J].石油機械，2002，

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