李鵬飛， 鄒傳元， 劉洪彬

(1中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司2中石油集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

順南區(qū)塊位于新疆塔里木盆地塔中Ⅰ號斷裂帶的順托果勒南古城墟隆起西傾斜坡區(qū)，是近些年中國石化西北油田分公司的天然氣勘探開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域，具有的超深、超高溫、高壓、含酸性氣體的干氣氣藏的極端井下條件，不僅給鉆井、固完井各個環(huán)節(jié)帶來嚴(yán)重影響，對固井工具也產(chǎn)生了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。針對順南區(qū)塊固井施工中復(fù)雜的井下條件，常規(guī)固井工藝技術(shù)及固井工具由于工藝技術(shù)局限、工具結(jié)構(gòu)單一、適應(yīng)性差和抗風(fēng)險能力低等特點(diǎn)[2]，已較難滿足現(xiàn)場需求。為此，開展了適用于順南區(qū)塊所需系列特制固井工具的研制與應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用取得良好效果。

一、固井工具面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

1. 固井技術(shù)難點(diǎn)

(1)超深、井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。順南區(qū)塊設(shè)計井深6 700～7 200 m，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井工程技術(shù)難度大，全部采用五開井身結(jié)構(gòu)，需依次下入?508 mm、?339.7 mm、?244.5 mm、?177.8 mm等規(guī)格套管完成各開次固井作業(yè)。

(2)高溫、氣層活躍。根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，順南區(qū)塊目前井底溫度為180℃～200℃，同時該區(qū)塊屬于裂縫性儲層，氣層活躍、壓力窗口窄、壓穩(wěn)與防漏矛盾突出，對固井水泥漿的抗高溫性能和水泥環(huán)完整性、長久密封效果等要求高，固井難度大。

(3)對固井工具及附件性能要求高。順南區(qū)塊要求固井工具不僅滿足該區(qū)塊復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)對固井工具的種類、規(guī)格、材質(zhì)、扣型多樣性的需求，還要求固井工具具有結(jié)構(gòu)可靠、耐高溫高壓、密封可靠、防腐蝕等多種功能。

2.常規(guī)固井工具面臨的問題

(1)結(jié)構(gòu)功能單一。由于常規(guī)固井工具在設(shè)計原理上主要考慮了一些常規(guī)井的固井作業(yè)要求，很多功能較單一，局限性大，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代油氣井勘探開發(fā)中應(yīng)對各種復(fù)雜問題的需求。

(2)可靠性差。在超深、高溫、高壓等復(fù)雜井下條件下，常規(guī)固井工具由于存在應(yīng)用技術(shù)參數(shù)誤差大、提前工作或不能正常工作等異常事故的概率較大，直接威脅著整個固井作業(yè)的安全。

(3)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力低。固井施工中一些不確定性復(fù)雜情況經(jīng)常出現(xiàn)，而常規(guī)固井工具由于存在結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能特點(diǎn)等方面的制約，其抗風(fēng)險和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場作業(yè)的要求[2-3]。

二、系列特制固井工具的研制

針對順南區(qū)塊所需尾管固井、分級固井、回接固井、短回接固井等特殊固井工藝技術(shù)的需求，開展了適應(yīng)順南區(qū)塊所需的特制固井工具的研制工作。

1. 內(nèi)嵌式尾管懸掛器

針對常規(guī)尾管懸掛器在超深井、小間隙井等復(fù)雜井內(nèi)面臨重載、入井安全性差和循環(huán)壓力高、在運(yùn)輸或入井過程中易出現(xiàn)卡瓦磕碰變形或脫落、尾管載荷過大時坐掛易造成外層套管擠毀、坐掛后過流面積減小造成環(huán)空循環(huán)不暢等多重問題，研制了內(nèi)嵌式尾管懸掛器，具有承載能力大、坐掛成功率高、下入安全、過流面積大等優(yōu)點(diǎn)。

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如圖1，內(nèi)嵌式尾管懸掛器由液缸、卡瓦、回接筒、密封裝置、扶正環(huán)、下接頭等件組成，采用液壓方式坐掛，由于內(nèi)嵌卡瓦具有復(fù)合斜面、立體承載機(jī)構(gòu)能夠承受更重的負(fù)荷，下入過程中卡瓦更安全，坐掛后形成內(nèi)通道，過流面積增大30%以上[4-6]。

圖1 內(nèi)嵌式尾管懸掛器

(2)技術(shù)參數(shù)。NSSX-C型?244.5 mm×?177.8 mm內(nèi)嵌式尾管懸掛器主要技術(shù)參數(shù)有：抗拉強(qiáng)度3 500 kN，懸掛負(fù)荷2 000 kN，載荷支撐盤承載能力160 kN，密封能力35 MPa，液缸剪釘剪切壓力9～10 MPa，球座剪釘剪切壓力18 MPa，尾管膠塞剪釘剪切壓力12 MPa，本體最大外徑215 mm、最小內(nèi)徑155 mm，憋壓球直徑45 mm，坐掛前/后過流面積49/43 cm2，套管/鉆桿連接扣型TIGER/NC50。

2. 新型分級注水泥器

研制了新型YFZ-A型分級注水泥器，該工具具備常規(guī)材質(zhì)、防H2S材質(zhì)和防CO2材質(zhì)等三種，防H2S材質(zhì)和防CO2材質(zhì)的分級注水泥器滿足了順南區(qū)塊井下酸性氣體對工具的抗腐蝕性要求，包括該區(qū)塊所需的?339.7 mm和?244.5 mm兩種規(guī)格。

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。YFZ-A型分級注水泥器主要由雙級箍(本體)、撓性塞、撓性塞座(碰壓座)、重力型打開塞、關(guān)閉塞等件組成(見圖2)。該新型分級注水泥器打開關(guān)閉均由一個滑套實(shí)現(xiàn)；滑套上設(shè)有特殊機(jī)構(gòu)，打開、關(guān)閉動作時均不存在小腔液體壓縮問題，可預(yù)防提前關(guān)閉；關(guān)閉循環(huán)孔后特殊機(jī)構(gòu)防止滑套倒退，實(shí)現(xiàn)永久關(guān)閉；內(nèi)部單元的獨(dú)特密封結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了工具整體氣密封要求，密封能力和密封可靠性大大提高[7-8]。

圖2 YFZ型分級注水泥器

(2)技術(shù)參數(shù)。新型YFZ-A型分級注水泥器的技術(shù)參數(shù)有(以?339.7 mm為例)：打開壓力7 kN，打開作用力545.5 kN，關(guān)閉壓力5 MPa，關(guān)閉作用力390 kN，密封能力≥35 MPa，額定負(fù)荷4 160 kN，本體最大外徑375 mm，內(nèi)徑314 mm，總長920 mm。

3.封隔式尾管回接工具

研制了帶頂部封隔器的尾管回接工具。該工具在常規(guī)尾管回接工具的基礎(chǔ)上增加了一套封隔裝置，具有回接、封隔、防退及防止提前坐封的功能，其中封隔器為機(jī)械方式坐封，具有三組V形密封組件和一套封隔膠筒雙重密封裝置，密封面積大，密封能力強(qiáng)，密封可靠，適合密封能力要求高的高壓油氣井。

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。封隔式尾管回接工具為封隔器與回接插頭一體式結(jié)構(gòu)，封隔器主要由防退卡瓦、錐體、封隔膠筒、鎖緊機(jī)構(gòu)等件組成；回接插頭由插入導(dǎo)向頭、鋁制引鞋、密封組件等件組成[9-11]，見圖3。

圖3 封隔式尾管回接工具

(2)技術(shù)參數(shù)。HC-D型?177.8 mm封隔式尾管回接工具的主要技術(shù)參數(shù)有：封隔器密封能力≥50 MPa，回接插頭密封能力≥35 MPa，封隔器坐封剪釘剪切壓力150 kN，防退卡瓦坐掛剪釘剪切壓力250 kN，耐溫200℃，最大外徑211 mm，最小內(nèi)徑157 mm，坐封行程150～170 mm。

4. 高性能工具附件

在開發(fā)了內(nèi)嵌式尾管懸掛器、新型分級注水泥器、封隔式尾管回接工具等系列非常規(guī)固井工具的基礎(chǔ)上，還研制了配套的固井工具附件以滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

(1)易鉆式浮箍浮鞋。針對傳統(tǒng)金屬式浮箍浮鞋在超深、高溫高壓井內(nèi)使用存在鉆除時間長、耐沖蝕性能不佳的問題開發(fā)了易鉆除、密封可靠的水泥式浮箍浮鞋。該易鉆式浮箍浮鞋滿足API RP 10F IIIC要求，耐沖蝕試驗24 h，最大測試壓力34.5 MPa，耐溫能力204℃，平均節(jié)約鉆除時間1 h，密封能力提高35%[12]。

(2)螺旋樹脂扶正器。研制的螺旋樹脂扶正器摩擦系數(shù)低、耐磨性好，其摩擦系數(shù)(無潤滑時)僅為0.25，是普通剛性扶正器的1/3、鋁合金扶正器的5/8，有助于套管的下入，保證了套管的居中度。同時，鑒于順南區(qū)塊井深、井下溫度高，通過優(yōu)選原材料及對樹脂高分子材料進(jìn)行耐溫、強(qiáng)度試驗分析，其耐溫能力達(dá)到245℃，剛性(沖擊強(qiáng)度)為44.6 kg/m，抗擠壓強(qiáng)度228 GPa[13]。

表1 順南區(qū)塊各井主要固井工具應(yīng)用情況

注：配系列水泥式易鉆浮箍浮鞋、樹脂旋流剛性扶正器等若干。

(3)整體硫化式鉆桿膠塞。順南區(qū)塊超深井其送入鉆具基本采用幾種規(guī)格的復(fù)合鉆具結(jié)構(gòu)進(jìn)行送放尾管，常規(guī)分體式鉆桿膠塞存在膠皮“脫褲子”的風(fēng)險，而研制的整體硫化式鉆桿膠塞不僅有效保證了鉆桿膠塞在固井替漿期間隔離及刮拭的效果，適用于常規(guī)及復(fù)合鉆具結(jié)構(gòu)，還降低鉆桿膠塞膠皮“脫褲子”風(fēng)險，確保了固井施工安全[14-15]。

(4)硫化橡膠球。尾管懸掛固井作業(yè)中，投球憋壓的密封可靠性對尾管懸掛器是否成功坐掛至關(guān)重要。而高溫、井深等井況條件對常規(guī)銅球的密封效果有著顯著影響，而改進(jìn)后的硫化橡膠球通過在傳統(tǒng)銅球外表面硫化一層密封橡膠恰好解決了憋壓球在下落過程中的容易磕碰導(dǎo)致密封不嚴(yán)或失效的問題。為尾管懸掛器坐掛、液壓丟手、憋通球座、固井等關(guān)鍵步驟奠定了基礎(chǔ)。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

通過跟蹤分析順南401、順南7、順南501、順南5-1、順南4-1、順南5-2、順南6等7口井的固井施工情況(見表1)，系列特制固井工具現(xiàn)場應(yīng)用不僅滿足了固井施工要求，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著，許多固井技術(shù)難題也得以解決。如套管下入均一次順利，開泵循環(huán)壓力穩(wěn)定，固井施工連續(xù)平穩(wěn)，固井質(zhì)量全部符合預(yù)定要求。且固井施工后在后期完井高壓測試期間，管串試壓全部合格，說明固井工具整體密封性能良好。

(1)NSSX-C型?339.7 mm×?244.5 mm和?244.5 mm×?177.8 mm兩種內(nèi)嵌式尾管懸掛器分別應(yīng)用7口和8口井，懸掛器全部實(shí)現(xiàn)成功坐掛、倒扣丟手、密封可靠，坐掛壓力11.5～14 MPa，憋通球座17～21 MPa，全部在設(shè)計范圍內(nèi)。

(2)YFZ-A型?339.7 mm和?177.8 mm兩種新型分級注水泥器分別應(yīng)用5口和7口井，施工中分級注水泥器全部按設(shè)計值成功打開、關(guān)閉循環(huán)孔，密封良好，打開壓力6.5～10 MPa，關(guān)閉壓力5～8 MPa，較好解決了?339.7 mm技術(shù)套管下深較深、?177.8 mm回接固井封隔段長、氣層活躍、一次固井質(zhì)量難以保證的問題。

(3)順南501井?177.8 mm尾管固井施工后由于固井質(zhì)量差加上氣層活躍發(fā)生了環(huán)空竄氣現(xiàn)象，導(dǎo)致下開次作業(yè)無法進(jìn)行，后使用一套HC-D封隔式尾管回接工具采取了短回接固井工藝進(jìn)行擠水泥補(bǔ)救。固井結(jié)束后插頭順利插入回接筒、憋壓15 MPa無壓降、下壓封隔器漲封現(xiàn)象明顯，后期試壓20.6 MPa合格，氣竄問題得到解決。

四、結(jié)論與建議

(1)順南區(qū)塊系列特制固井工具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、性能指標(biāo)符合要求、技術(shù)優(yōu)勢明顯，能較好適應(yīng)該地區(qū)復(fù)雜井下條件的對固井工具的特殊需求。

(2)順南區(qū)塊畢竟還是一個新興油氣勘探區(qū)塊，其面臨的很多技術(shù)難題還需要在后續(xù)的開發(fā)中不斷去認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)，建議繼續(xù)開展系列特制固井工具后期應(yīng)用效果評估。

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