套管滑套完井固井胶塞研制与应用

周文军，吴学升，黄占盈，欧阳勇

（1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018）①

长庆油气田地层存在多层叠合的特点，尽可能打开更多的可采层数量成为提高单井产量的有效途径之一。套管滑套［1－2］是实现高效分层压裂、提高单井产量的新技术，该技术分层压裂级数不受限制，通径大、压裂施工摩阻低，还可以选择性开关目的层，是多层段分层改造的一种新手段。套管滑套采用114.3mm（4英寸）套管＋滑套工具串固井完井。与常规的固井工艺相比，套管滑套工具串固井完井存在3个难点：

1） 套管滑套内径变化大，给固井配件设计带来困难。

2） 套管压裂无法使用分级箍，全井段封固对固井胶塞密封性能提出了更高的要求。

3） 由于不需要射孔，需通过憋压憋穿水泥环，固井质量好坏是关系着压裂施工能否顺利进行的关键。

长期以来，该技术及配套工具由外国公司垄断［3－5］，工具与技术服务费用高昂，不利于长庆油气田的低成本开发战略，而国内目前还无自主研发的套管滑套工具。为降低成本，形成自主知识产权技术，2011年长庆油田分公司油气工艺研究院组织工程技术人员研发出适应长庆油田套管滑套的新型固井胶塞。

1 结构及原理

套管滑套固井胶塞结构如图1所示。胶塞结构根据套管滑套的内部结构尺寸，采用大—小—小—小—小—大顺序排列胶碗，该胶塞结构在通过套管滑套工具的内腔时保证至少1个大胶碗起到密封作用。工作时，当胶塞下移到浮箍处时，卡头向下的推力会导致大小胶碗收缩，从而使配合结构通径变大。卡头通过配合结构后，大小胶碗不再受力，恢复原有弹性，配合结构恢复原有尺寸，通过卡钉回撤实现锁定。

图1 套管滑套固井胶塞结构

2 主要技术参数

总长度 600mm

邵尔硬度 65～80HA

小胶碗外径 108／112mm

大胶碗外径 154mm

最大工作压差 35MPa

硫化条件 150℃×60min

3 创新技术

本文研制的高耐磨性、强柔韧性新型套管滑套固井胶塞，满足了套管直径在85～140mm超大变径条件下的安全固井要求。具有3个方面创新：

1） 采用不同尺寸外径的胶碗结构来实现不同内径条件下对套管刮削，从而满足固井作业要求。胶塞设计了卡钉，提供自锁功能，避免胶塞后期浮于套管内而影响固井作业。

2） 胶塞结构采用分体式设计，对大小胶碗采用大—小—小—小—小—小—大排列，其结构在过套管滑套工具内腔时保证至少1个大胶碗起到密封作用。

3） 胶塞橡胶材料选用氢化丁腈材料，小胶碗硬度控制在65～80HA，大胶碗硬度控制在60～70 HA，胶塞柔韧性较好，可以顺利通过不同大小内径的套管而无磨损变形。

4 室内试验

4.1 结构改进

根据国外现有胶塞结构及长庆油气工艺研究院设计的滑套结构，初步设计配套胶塞结构。胶塞芯子选用铝合金，可钻性好；胶塞橡胶材料选用氢化丁腈，硬度85～90HA，采用分体式设计，大胶碗直径为154mm，小胶碗直径为112mm，胶碗采用不同模具硫化组合而成，既能降低加工难度，又可提高硫化质量。

通过现场试验，由于大胶皮与小胶皮距离过近，2个胶碗挤到一起导致胶皮脱落，如图2所示。因此，原设计的胶碗与套管的过盈量大，使用硬度85～90HA橡胶不能保证压缩能力满足要求。根据存在问题改进胶塞结构，并对胶料配方进行调整。结构上，小胶碗4个组合1组，胶碗直径为108 mm，大胶碗分别配置在胶塞本体两端，直径为154 mm。胶塞芯子材料选用氢化丁腈橡胶，将小胶碗硬度控制在65～80HA，大胶碗硬度控制在60～75 HA，以增加胶碗柔韧性。通过结构改进和完善，套管滑套固井胶塞物理结构能够满足滑套结构工作要求。

图2 原设计胶塞初次试验后照片

4.2 耐磨性能试验

使固井胶塞通过模拟套管，试验室检测胶碗各项性能指标，试验情况如图3所示。

图3 胶塞耐磨性能试验结果

通过40次耐磨试验后，对胶塞性能进行检测，数据如表1所示。

表1 耐磨试验40次后胶塞性能检测数据

由表1可以看出：新型套管滑套胶塞在多次通过模拟套管后，胶塞性能良好，符合固井胶塞技术要求，能够满足套管滑套固井工作要求。

4.3 水压密封性能

摸拟套管滑套工具的结构尺寸，进行胶塞的水压通过试验，试验分段加压10、25MPa，分别稳压5 min。在增压、稳压过程中，模拟套管压降均为0 MPa。试验结果表明：在过套管滑套工具的内腔时至少有1个大胶碗起到密封作用，能够满足套管滑套固井工作要求。

5 现场应用

2011－05以来，套管滑套固井胶塞现场试验13井次，成功率100%，满足套管滑套固井完井施工要求。

5.1 典型井例

长庆陇东午121－A0井是1口石油预探井，套管下 深 2 264.98m， 滑 套 位 置 为 1 863.27～1 865.75m，2 163.72～2 165.83m。2011－05－27，经过磁定位后，循环准备套管滑套固井，同步试验新型固井胶塞工作性能。现场循环1.5h，循环排量30 L／s，循环泵压6.5～7.0MPa。井身结构如图4所示。

图4 午121－A0井井身结构

该井套管滑套固井完井前按照标准要求循环泥浆，固井参数如表2。

表2 午121－A0井固井施工数据

后期探水泥塞面合格，固井质量良好，满足后期作业要求。胶塞与套管滑套工具串配合正常，现场施工顺利，胶塞性能稳定，保证了固井施工顺利完成。

6 结论

1） 室内试验表明：该固井胶塞具有良好的耐磨性能和密封性能，能够满足套管滑套固井要求。

2） 套管滑套固井胶塞是为114.3mm（4英寸）套管滑套专用设计的胶塞，解决了变径井筒固井难题。

3） 现场试验13口井，成功率100%，表明研制的固井胶塞性能可靠，促进长庆油田套管滑套压裂技术的发展。

［1］Thomas E Ferg.Novel Approach to More Effective Plug and Abandonment Cementing Techniques［C］／／SPE Arctic and Extreme Environments Conference ＆ Exhibition，Moscow，Russia.SPE148640，2011：18－20 .

［2］Majid H Al－Otaibi.Application of Multivariate Methods to Optimize Development of Thin Oil Zones in a Mature Carbonate Reservoir［C］／／SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition，Al－Khobar，Saudi Arabia.SPE160896，2012：8－11.

［3］秦金立，苏 同.国外固井胶塞研究新进展［J］.石油矿场机械，2010，39（1）：39－42.

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［5］林建增，柳文杨.防转胶塞及其配套浮箍的研制与应用［J］.西部探矿工程，2012（4）：102－103.