膏鹽層局部高抗擠固井工具結構及施工工藝

季小娜，張京華，劉義彬，王志剛，田曉勇，蔣立坤

(渤海鉆探工程有限公司 工程技術研究院，河北 任丘 062550)

在鉆井和采油過程中，許多套損井的套損點均發生在膏鹽層段及其附近地層。在膏鹽層，由于上覆巖層壓力的作用和鹽層遇水膨脹, 造成鹽層蠕變, 產生塑性流動, 并向井眼中心擠壓, 形成一種異常外擠力, 使標準套管無法承受，從而產生變形或擠毀, 嚴重影響油氣井的壽命和原油產量, 造成極大的經濟損失[1-4]。解決套管變形通常采用的工藝有使用厚壁高抗擠套管，或增大井徑，提高水泥環厚度,提高套管抗擠力，或下雙層套管。但這幾種工藝都存在一定的問題，因此，在膏鹽層采用局部雙層組合套管結構是降低鉆井成本，提高抵抗外部不均外載能力的有效措施，確保固井施工安全，提高固井質量[5-9]。

1 膏鹽層套損現狀

在膏鹽層或泥巖層及其它蠕變率高的地層，由于地層蠕變，井壁四周的地層向井眼中心擠壓，地層上覆壓力會部分或全部作用到套管上。隨著井深的增加，地層上覆壓力也增大。一般情況下地層上覆壓力梯度取22.653 kPa/m，而在塑性流動地層, 套管的實際外擠力可以達到上覆地層壓力的1.5～3.5倍。因而，一般高強度套管本身的強度很難抵御這樣大的外擠力。同時，膏鹽層對金屬有很強的腐蝕性，當管材受到腐蝕后，其強度就會大幅下降，加速套管損壞[10]。

目前，國內外防止地層蠕變而擠毀套管的方法主要有4種[11]：

1) 使用厚壁高抗擠套管。

2) 增大井徑，提高水泥環厚度,提高套管抗擠力。

3) 全井下雙層套管。

4) 使用水泥充填的雙層套管固井工具。

這幾種方式有各自的不足，如表1。

表1 防止地層蠕變而擠毀套管的方法及優缺點對比

解決套管擠毀問題的通常作法是采用精制厚壁套管或下技術套管及油層套管雙層套管。前者不能顯著地提高抵抗不均勻外載或不均勻外載的組合載荷的能力[12]。后者成本大。因而，采用局部雙層組合套管結構是解決膏鹽層擠毀套管間題的最好方法。

2 局部高抗擠固井工具結構

局部高抗擠固井工具主要包括外套管、內套管、上閥和下閥，如圖1所示。上閥和下閥分別與雙層套管的上部和下部連接。上閥由套管短節、橡膠密封件和密封套組成。下閥由中心管、外套、閥芯、彈簧和三扣接頭等組成，外套上有壓力平衡孔。上閥和下閥都是采用螺紋方式與外層套管連接。內層套管上端與套管短節連接，下端與三扣接頭連接。為了防止內層套管與下閥井下對接時密封失效漏油，還設計了密封系統。

1—接箍；2—芯管；3—密封套；4—外層套管短節；5—接箍；6—芯管；7—連接接頭；8—保護套；9—剪銷；10—三扣接頭。

3 雙層套管固井工具抗擠能力模擬計算

外層套管材質為P110，外徑193.7 mm，壁厚12.7 mm。內層套管材質為P110，外徑139.7 mm，壁厚10.54 mm。外層作用均質載荷210 MPa(力學模型如圖2所示)。

圖2 雙層固井套管的力學模型

1) 方案一。環空填充水泥。假設水泥固化后彈性模量為20 GPa，泊松比為0.18，密度為2 g/cm3。計算在外載荷作用下內層套管的應力，分析結果如圖3所示。

a 應力云圖

b 內層套管內表面應力曲線圖3 內填充水泥雙層套管段力學分析結果

2) 方案二。環空填充液壓油。假設水泥固化后彈性模量為1 GPa，泊松比為0.18，密度為0.9 g/cm3。計算在外載荷作用下內層套管的應力，分析結果如圖4所示。

從圖3～4可以看出，在210 MPa均質外載荷作用下，內填充水泥雙層套管段內層套管最大應力為810 MPa，內填充液壓油雙層套管段內層套管最大應力為745 MPa，而P110材質屈服強度為758～965 MPa，故在210 MPa均質外載荷下，2種固井方案的內層套管都是安全的，且后者較前者更安全。水泥漿配方和液壓油的型號的差異，對分析結果存在一定的影響。另外，采用液壓油作為充填介質,不但可以更好地保證外層套管通過液體介質傳遞給內層套管的是均勻載荷，還可以簡化施工工藝。

a 應力云圖

b 內層套管內表面應力曲線圖4 內填充液壓油雙層套管段力學分析結果

4 注油式高抗擠固井工具性能室內評價試驗

雙層組合套管的外管外徑193.67 mm、鋼級P110、壁厚12.7 mm。內管外徑139.7 mm、鋼級P110、壁厚10.54 mm。

1) 閥芯配合間隙檢驗。

閥芯與外套間隙：0.15～0.25 mm；閥芯與中心管：0.10～0.15 mm。

2) 耐壓試驗。

各零部件裝配好后，閥芯關閉，采用電動試壓泵，從壓力平衡孔處接試壓接頭并泵入清水試驗，加壓至30 MPa，保壓20 min無泄漏，說明閥芯內外密封正常，三扣接頭與中心管螺紋連接密封良好。

5 注油式雙層套管的下套管工藝

雙層組合套管柱主要應用在膏鹽層固井。該管柱主要由油層套管、上閥、外層套管、內層套管和下閥膏鹽層以下的油層套管組成，如圖5所示。

1—油層套管；2—上閥；3—外層套管；4—液壓油；5—下閥；6—水泥石；7—油層套管；8—內層套管；9—膏鹽層。

雙層組合套管的下套管作業步驟為：

1) 首先下入油層管，下入到設計長度。

2) 連接下閥。

3) 將外層套管與上閥連接后下入，直到設計長度。

4) 在外層套管內部下入內層套管，直到下入設計長度。在每1根或2根下入一剛性扶正器；內層套管與外層套管應按等長設計。

5) 在雙層之間灌入液壓油。

6) 連接上閥及套管短節。

7) 下入油層套管。

8) 常規固井施工作業。

6 現場應用

2019年，渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院研制的局部高抗擠固井工具在現場試驗14口井，施工地區為荊丘油田。荊丘油田為深縣—束鹿凹陷南端的局部鼻狀構造,巖層傾角為5～8°，主要開采下第三系沙河街組油層,油層分布在2 900～3 300 m井段。套管變形段大都在2 750～3 000 m，該段巖性主要為灰褐色泥巖、膏泥巖互層,即稱膏鹽巖層。因為膏鹽層或膏質泥巖層段地應力所產生的巖石塑性流動擠壓套管，使荊丘油田套管損壞,嚴重影響了油田正常生產[13]。在該地區膏鹽層的上—巖層壓力大約為67 MPa，根據資料，作用在套管上的最大水平主應為力為189.23 MPa，套管在井內會受到強大流動及蠕動的外擠力，容易導致套管變形[13]。為防止套管的損壞，其在晉45斷塊采用了局部雙層組合套管固井工具及局部雙層套管固井工藝，施工數據如表2所示。應用效果良好。

表2 局部高抗擠固井工具在現場應用統計數據

7 結論

1) 膏鹽層局部高抗擠固井技術是提高套管柱強度，抵抗異常高壓地層壓力和不均勻載荷的最有效措施，解決了荊丘地區套管嚴重損壞問題。本技術既可用于單一鹽層，也可用于多套復合鹽層。

2) 膏鹽層局部高抗擠固井技術可以簡化井身結構，縮短鉆井周期，節約大量套管，從而節約鉆井成本，延長油氣井使用壽命，提高油氣開發的綜合效益。

3) 在國內，中原油田、塔里木油田、新疆油田，四川和江漢等油區都存在不同程度的膏鹽層段，同樣存在著鹽層蠕變擠毀套管的問題。大慶油田、勝利油田等有不少油區都出現了非正常套管損壞。因此，膏鹽層局部高抗擠固井技術的應用前景較好。