戴文潮， 鄭曉志， 杜鵬德

(中國石化石油工程技術(shù)研究院)

目前國內(nèi)疏松砂巖油藏水平井或大斜度井主要采用“篩管頂部注水泥”完井工藝[1-2]?，F(xiàn)場作業(yè)中“水力擴(kuò)張式封隔器+壓差式分級注水泥器+盲板短節(jié)”構(gòu)成的篩管頂部注水泥工藝管柱使用較為廣泛，但該管柱在下入過程中，經(jīng)常出現(xiàn)壓差式分級注水泥器循環(huán)孔提前打開或低壓打開的現(xiàn)象[3-5]，分級注水泥器提前打開后管柱內(nèi)外連通，管內(nèi)不能憋壓使得封隔器無法正常脹封，同時高密度水泥漿會與鉆井液發(fā)生置換并沉入篩管段，嚴(yán)重影響裸眼完井效果，存在水泥漿封固篩管使整口井報廢的風(fēng)險。因此，研究分級注水泥器循環(huán)孔提前打開的原因并提出解決方案，對于保證篩管頂部注水泥固井工藝的順利實施具有重要意義。

一、壓差式分級注水泥器工藝及工具

1.篩管頂部注水泥工藝流程

篩管頂部注水泥工藝管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示，可簡化為引鞋+篩管串+套管(1～2 根)+盲板短節(jié)+套管(1～2 根)+管外封隔器+分級注水泥器+套管串(至井口)。

施工過程中首先通過管柱憋壓使鉆井液充填封隔器使其坐封，將環(huán)空封隔成篩管段和套管段，然后繼續(xù)憋壓打開分級注水泥器循環(huán)孔，通過循環(huán)孔實現(xiàn)上部套管進(jìn)行注水泥和替漿作業(yè)，碰后關(guān)閉循環(huán)孔，隨后鉆除井盲板及殘余附件，進(jìn)行洗井、酸化解除鉆井液傷害，最后進(jìn)行開采作業(yè)[6-9]。

圖1 篩管頂部注水泥管柱結(jié)構(gòu)

2.分級注水泥器提前打開現(xiàn)象描述

壓差式分級注水泥器，是篩管頂部分級注水泥工藝管柱中的重要部件，固井作業(yè)中為注水泥和替漿作業(yè)提供循環(huán)通道，固井結(jié)束后通過膠塞關(guān)閉此通道。通常工藝管柱中分級注水泥器開啟壓力較管外封隔器脹封壓力高出8～10 MPa，該壓差能夠滿足正常施工要求。但在深井篩管頂部注水泥作業(yè)中多次出現(xiàn)管內(nèi)不起壓的現(xiàn)象，起出管柱后發(fā)現(xiàn)封隔器未脹封且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)正常，而分級注水泥器循環(huán)孔卻在未憋壓的條件下打開。初步判斷管柱下入過程中瞬時形成的壓力激蕩是造成分級注水泥器循環(huán)孔提前打開的主要原因。

二、壓差式分級注水泥器提前開啟原因分析

水擊壓力與抽汲壓力復(fù)合作用稱為水力激蕩，為準(zhǔn)確了解水力激蕩對壓差是分級注水泥器的影響，結(jié)合現(xiàn)場具體施工井例，對篩管頂部注水泥工藝中，管內(nèi)激蕩壓力進(jìn)行計算分析。

1.案例井情況簡介

該井三開為?215.9 mm井眼、完鉆井深3 480 m，采用篩管頂部注水泥完井工藝完井，鉆井液密度1.88 g/cm3，黏度71 s，最大井斜3.82°。下入“篩管+盲板+分級注水泥器+封隔器+套管串”管柱，分級注水泥器下深3 410.65 m，盲板下深3 434.49 m，分級注水泥器循環(huán)控開啟壓力17 MPa，封隔器脹封壓力9 MPa，下套管過程中速度達(dá)3 m/s。

套管下至設(shè)計深度灌滿鉆井液，進(jìn)行封隔器脹封作業(yè)，管內(nèi)憋壓至2.5 MPa后井口返出鉆井液且壓力不再升高，無法進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，判斷管內(nèi)外連通，隨后起出井內(nèi)所有套管及工具，檢查發(fā)現(xiàn)分級注水泥器開孔滑套已下行至循環(huán)孔位置，循環(huán)孔已經(jīng)提前打開，如圖2所示。

圖2 分級注水泥器提前開孔

2.水擊壓力計算

管柱內(nèi)液體突然停止時液體流速瞬時變化引起水擊壓力可由計算公式(1)、式(2)確定[10-11]：

Δp=ρα(v0-v)

(1)

(2)

式中：Δp—由于液流速度的瞬時變化所引起的初始水擊壓力；α—水擊壓力波在該管道中的傳播速度；v0—套管上提速度(即此時為液體流速)；v—突然改變后的液體流速，液體遇到盲板后，流速立即降將為零，即v為0；E—管材彈性模量，206.9×109Pa；D—管道內(nèi)徑，0.12136 m；δ—管壁厚度，0.00917 m；ρ—液體密度，1.88×103kg/m3；K—液體的體積彈性系數(shù)，21750×105Pa；C1=1-μ/2(μ為約束系數(shù))，μ為0.3。

通過計算數(shù)據(jù)表明，當(dāng)鉆井液密度和套管尺寸一定的情況下，套管活動速度大小與水擊壓力成正比。套管瞬時速度v0為3 m/s時，水擊壓力Δp則達(dá)到5.7 MPa。

3.抽汲壓力計算

管柱運動瞬間引起的管柱外抽汲壓力按式(3)、式(4)[12-13]計算。

(3)

(4)

式中：psw—鉆井液在技術(shù)套管內(nèi)產(chǎn)生的抽吸壓力；D1—套管內(nèi)徑，121.4 mm；D2—裸眼井徑，215.9 mm；d—下入管柱外徑，139.7 mm；v1—技術(shù)套管環(huán)空流速；v2—裸眼段環(huán)空流速；L1—外層套管中下入管柱長度，3 068.27 m；L2—裸眼段中下入管柱長度，366.22 m；f1—技術(shù)套管摩擦系數(shù)；f2—裸眼內(nèi)流體摩擦系數(shù)，均近似取為0.01；Kc—鉆井液黏附系數(shù)，根據(jù)環(huán)空直徑比查閱黏附系數(shù)圖取Kc為0.46。

上述數(shù)值帶入式(3)、式(4)，當(dāng)3 m/s時抽汲壓力psw為18.2 MPa。

4. 壓差計算

由于管柱下入過程中管內(nèi)外壓差為水擊壓力和抽汲壓力之和，即Δp+p，根據(jù)計算結(jié)果得到瞬時速度與管內(nèi)外壓差的關(guān)系，瞬時速度為3 m/s時，正向壓差為p為23.9 MPa，此時已超過分級注水泥器的打開壓力18 MPa，激蕩壓力是此壓差式雙級注水泥器失效的根本原因。

三、解決方案與現(xiàn)場應(yīng)用

盲板是產(chǎn)生水力激蕩的根本原因，對于深井或鉆井液密度高的井即使在下套管過程中下達(dá)控制操作速度、嚴(yán)禁猛提猛剎等指令，也難免產(chǎn)生誤操作，造成分級注水泥器提前打開，所以改進(jìn)盲板結(jié)構(gòu)是減少或徹底解決分級注水泥器發(fā)生提前開孔問題的根本措施，為此設(shè)計研制了水力激蕩壓力釋放短節(jié)。

1.水力激蕩壓力釋放短節(jié)

釋放水力激蕩短節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由三層結(jié)構(gòu)組成，從外到內(nèi)分別是殼體、關(guān)閉滑套、球座式滑套。位于封隔器的下端，能夠?qū)崿F(xiàn)封隔器脹封、打開分級注水泥器的作用，同時在管柱下入過程中使得管柱內(nèi)外保持聯(lián)通，不受管柱下放速度影響。整個管柱下入過程中，通過短節(jié)循環(huán)孔來釋放水力激蕩。在管柱下到設(shè)計位置，投球憋壓剪斷剪釘，使球座式滑套帶動關(guān)閉套下行且被卡簧鎖定實現(xiàn)永久關(guān)孔，繼續(xù)憋壓完成封隔器脹封和分級注水泥器開孔，釋放水力激蕩短節(jié)循環(huán)空關(guān)閉狀態(tài)如圖4所示。

圖3 釋放水力激蕩短節(jié)初始狀態(tài)

圖4 釋放水力激蕩短節(jié)關(guān)閉狀態(tài)

2.室內(nèi)性能測試

為確認(rèn)方案的可行性，進(jìn)行了樣機(jī)地面試驗，并模擬井下程序完成投球關(guān)孔、關(guān)孔后承壓試驗。注入液體憋壓至8 MPa球座式滑套剪釘剪斷，關(guān)閉循環(huán)孔，隨后憋壓至31 MPa，穩(wěn)壓15 min沒有壓降，滿足入井壓力標(biāo)準(zhǔn)以及后續(xù)封隔器和分級注水泥操作要求。

3.現(xiàn)場應(yīng)用

釋放水力激蕩短節(jié)已在5口大斜度井和水平井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，最大井斜90°，分級注水泥器在2 500～3 600 m位置。5口井作業(yè)過程中，套管均順利下放到位，水力擴(kuò)張式封隔器一次性脹封，分級注水泥器沒有提前打開，均正常打開，開孔壓力為18 MPa±0.5 MPa，與設(shè)計值相符(表1)。

表1 釋放水力激蕩短節(jié)使用情況

四、結(jié)論

(1)水力激蕩引發(fā)的水擊壓力和抽汲壓力復(fù)合作用，是壓差式分級注水泥器循環(huán)孔提前打開的原因。

(2)通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，水力激蕩壓力釋放短節(jié)，能有效解決分級注水泥器提前打開的問題。

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