易漏地層完井裝置設計研究

劉平全（長城鉆探工程有限公司 工程技術研究院，遼寧 盤錦124010）

0 引言

在石油天然氣勘探開發領域中，易漏失地層的完井作業一直是一個難題，此類地層存在破裂壓力梯度低、裂縫發育等問題，固井時容易造成水泥漿破壞并涌入地層的現象[1]，不能按要求從環空返出，進而導致作業失敗。另一方面，經過多年的開發，我國大多數油氣藏都已經進入了中后期[2]，其典型的特點就是地層壓力系數低。由于存在較低的地層壓力，常規完井作業時，容易使大量水泥漿進入產層，不僅會嚴重影響油氣井的產量，甚至會造成水泥漿返高不足乃至完井失敗的后果[3]。為解決上述問題，目前常采用的解決辦法是裸眼完井、篩管完井、近平衡注水泥固井、低密度水泥漿固井、兩凝水泥漿固井、分級注水泥固井等[4]。裸眼完井和篩管完井對產層有著嚴格的要求，應用范圍受到限制，僅適用于物性一致、無氣頂、無水層的同壓力體系油氣井。近平衡注水泥固井、低密度水泥漿[5]固井則需要改變水泥漿體系的性能，通過降低密度來降低其靜液柱壓力，進而減小其對易漏地層的破壞。兩凝水泥漿固井、分級注水泥固井需要改變注水泥工藝，以期達到減小破壞地層的目的。綜上述方法，不但工藝復雜，價格較高，而且其效果僅使水泥漿損害或破壞易漏地層的現象在一定程度上得到了改善，但未從根本上解決這一問題。本文所提出的易漏地層完井裝置克服了上述方法的缺點和不足，特別適用于含易漏及低壓地層油氣井的常規固完井作業，無需改變水泥漿性能及工藝過程，能夠以簡單合理的結構有效地解決所述難題。

1 結構及工作原理

1.1 結構

易漏地層固井時的完井管串由上至下是套管、易漏地層完井裝置、套管、配套閥組。完井裝置結構如圖1所示，主要由頂部中心管、上環流封隔器、頂部外筒、復合結箍、底部中心管、下環流封隔器、底部外筒組成。該裝置是一個對稱結構，上下完全對稱，由復合結箍將上、下兩部分連接。

環流封隔器結構如圖2所示，主要由導流盤、壓縮式膠筒[6]、襯管、擠壓套、控制閥[7]、環形腔、密封圈、卡簧、支撐環組成。導流盤包括內盤和外盤，內、外盤之間通過筋板固接，留有空間供泥漿或水泥漿流通，內盤套裝在頂部中心管上，由螺釘將兩者固定，外盤和襯管螺紋連接，膠筒套裝在襯管上，上下兩端分別由導流盤和擠壓套限位。擠壓套和襯管是軸孔連接，可沿襯管往復旋轉運動，擠壓套下端的鋸齒形槽和卡簧嚙合，只能單向移動，反向則自鎖。支撐環和襯管螺紋密封連接，上面安裝有密封圈以實現和擠壓套之間的密封性，其溝槽內放置卡簧，下端和外筒螺紋連接，控制閥將中心管內側和襯管外側連通，當中心管內側液體壓力高于襯管外側壓力時，控制閥開啟，反向則截止。

復合結箍結構如圖3所示，主要由上伸縮節、復合結箍和下伸縮節組成。復合結箍包括內圈和外圈，均設有套管螺紋，內外圈之間用筋板固接，筋板間留有間隙供泥漿或水泥漿流通。兩伸縮節結構一樣，對稱布置，上伸縮節上端套裝在外筒上，可沿外筒做軸向位移和周向轉動，由密封圈實現封閉，下端有套管螺紋，和復合結箍連接，伸縮節只起密封作用，而不承受外管柱剛性連接，安裝時也不與中心管因同軸問題發生自由度干涉。

配套閥組包括分級循環箍[8]和浮鞋，分級箍結構如圖4所示，主要由閥體、上滑套、上銷釘、下滑套、下銷釘、后置膠塞和前置膠塞等組成。閥體上端和套管螺紋連接，下端和浮鞋螺紋連接，底部留有臺肩，閥體上有循環孔，連通內外；內腔套裝上滑套和下滑套，分別用銷釘連接，兩滑套各有兩組密封圈，以實現密封。浮鞋采用常規浮鞋[9]，結構原理不再贅述。

1.2 工作原理

完井管柱參照易漏層段的位置串入易漏地層完井裝置，底部連接分級循環箍及浮鞋，下入井內，下入過程中可按作業規程[10]正常循環鉆井液以避免遇阻或卡鉆，環流封隔器的控制閥具有一定的開啟壓力值，環流封隔器不會在循環過程中受壓脹開[11]，管柱底部的浮鞋可實現管內防噴。下入到位后，上、下環流封隔器應分別位于易漏層段上、下兩端，分級循環箍初始狀態如圖5（a）所示，正常流通。首先從井口投入前置膠塞[12]，膠塞在鉆井液推動下移直至碰到下滑套，井筒壓力升高后控制閥開啟，鉆井液經過控制閥進入環形腔，推動擠壓套沿襯管向上移動并壓縮膠筒，同時其另一端的鋸齒形防脫扣壓縮卡簧，完成上移，膠筒受壓變形并貼緊井壁，實現對井壁的密封，井筒繼續憋壓升高到預定值，滑套剪斷銷釘，前置膠塞和下滑套下移至凸臺處停止，循環孔打開如圖5（b）所示，管內鉆井液經循環孔向兩側流出，管內壓力迅速降低。此時，一方面由于控制閥的反向截止作用，環形腔內的液壓不會降低；另一方面由于擠壓套上的鋸齒槽和卡簧形成反向自鎖，即使環形腔壓力消失，仍會保持對膠筒的擠壓，使其與井壁保持額定接觸應力。

圖1 易漏地層完井裝置組裝圖

圖2 環流封隔器結構圖

圖3 復合結箍連接結構圖

101.閥體 102.上滑套 103.銷釘 104.下滑套 105.循環孔 106.銷釘 107.后置膠塞 108.前置膠塞

隨后向完井管柱內注入水泥漿以及壓入后置膠塞和替漿液，水泥漿經循環孔進入套管與井壁的環形空間，當抵達環流封隔器后，因膠筒將井壁密封，所以不會侵入易漏層位，繼而依次經過導流盤進入環流封隔器和底部中心管的環空、底部外筒與底部中心管的環空、復合結箍內外圈的環空、頂部外筒和頂部中心管的環空、頂部環流封隔器和頂部中心管的環空，最后從導流盤流出，沿井筒繼續上返。當替漿液推動后置膠塞下行至上滑套后“碰壓”，管柱內壓力升高直至上滑套剪斷銷釘下移，將循環孔關閉如圖5（c）所示，防止水泥漿倒流，至此完成固井作業。整個過程中，水泥漿始終不與所述易漏層位發生接觸，根本上杜絕了水泥漿侵入易漏地層的問題。

圖5 分級循環箍動作示意圖

在含有多個易漏層段油氣井的完井方式與上述一致，不同之處僅在于完井管柱串入了多個完井工具，不再贅述。

1.3 主要結構參數

裝置最大外徑是環流封隔器φ202 mm，外管采用7″套管[13]φ177.8 mm，壁厚9.17 mm，中心管外徑φ130 mm，內徑φ121 mm（和51/2″套管保持通徑），工具長度根據易漏地層的厚度相應配置，具體應用時可增加復合結箍以及外管和中心管數量，必須保證環流封隔器位于易漏層位的上、下兩端。

2 參數計算

水泥漿從完井裝置返出時，需經過裝置的環形空間流出，流通面積如圖6所示。此環形區域要小于套管和井壁之間的間隙，水泥漿流過時會產生壓降，現對此環形區域進行流通阻力計算[14]。

圖6 環流封隔器間隙

取一組常用水泥漿參數：ρ=1.9 g/cm3，θ300=186，θ200=127，θ100=68，θ6=14，θ3=12。排量為25 L/s。

3 地面模擬試驗

采用內徑220 mm、壁厚10 mm鋼筒模擬井筒（考慮215井眼的擴大率[15]），將完井裝置放入鋼管內，模擬固井流程逐步實施，循環清水排量1.8 m3，投入前置膠塞并碰壓，憋壓至7 MPa后控制閥開啟，封隔器脹開，直至壓力升至10 MPa后，下滑套剪斷銷釘打開循環孔。水泥車注入水泥漿，密度1.9 g/cm3，流量1.5 m3，產生壓降1.32 MPa。觀察水泥漿正常返出后，投入后置膠塞，改用高壓水泵用清水替漿，碰壓后憋壓15 MPa，上滑套剪斷銷釘，關閉循環孔，試驗初步取得成功。

4 結論

易漏地層完井裝置可從根本上避免水泥漿接觸到易漏地層，優勢明顯。而且不需要改變水泥漿性能，無需特殊壓力控制設備，無需改變注水泥工藝，成本低，易于實施。可用于含有多個不同壓力體系產層油氣井的完井。同時用于多個易漏層位時要充分考慮該裝置固井產生的壓降累積現象。