自通径分级注水泥器的研究与应用

李进++高立超++吕海丹

摘 要：自通径分级注水泥技术克服了常规分级注水泥技术作业后，必须下小钻杆钻水通井的技术难题，并提高了固井质量。文章介绍了一种通径分级注水泥器的基本结构、性能参数及其工作原理， 室内试验表明性能可靠、使用方便。今年该工具在长庆采油六厂成功应用40口井，缩短建井周期80余天，为钻井提速提供了有效保障。

关键词：自通径；分级注水泥器；钻井提速

中图分类号：TE925.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0003-02

1 概 述

分级注水泥技术是当前石油工业钻完井工程中普遍采用的一种工艺技术。它主要解决的技术难题包括：渗透性地层与低压油气井固井时的漏失问题、深井及超深井固井时由于水泥封固段长、水泥浆用量大、施工时间长、及水泥浆稠化时间过长等问题。这种工艺可以有效降低由水泥浆失重造成的危害，减小气侵，防止钻井液串槽，提高固井质量；也可通过降低水泥浆液柱高度，进而减少注水泥过程对油气储层的伤害；可以实现上下有效封隔，而中间无水泥环封隔的固井技术难题。但在常规分级注水泥作业后，需下小钻杆钻水泥塞，该过程不仅延长了完井周期，而且增加了钻井费用，此外钻胶塞时钻具在套管中的振动和撞击，会影响二级注水泥环的封固质量。为此，研究自通径分级注水泥技术，在一级注水泥结束后，正常压胶塞碰压后，套管内憋压打开循环孔，二级注水泥碰压后，通径的部件自动脱落，靠自重下落至井底，完成分级注水泥施工作业，该技术对保证固井质量，缩短钻完井周期具有现实意义。

2 自通径分级注水泥器设计

根据现场实际需要，研制了一种自通径液压分级注水泥器，主要用于长庆采油六厂φ139.7 mm油层套管，以减少分级注水泥固井后下小钻具钻分级注水泥器内部结构的步骤，有效降低了完井周期。

2.1 关键技术

可靠地密封设计。为了实现自通径技术，并确保胶塞等附件无障碍落入井底，要求套管内径与通径系统外径之间实现有效密封。该有效密封同时也是保证工具设计成功的关键技术。为此，在设计工具优选了一种特殊密封圈装置，确保密封效果。

自通径结构的可靠性。自通径主要是依靠工具中的胶塞、胶塞座等装置脱离主体，依靠装置的自重落至井底。自通径装置的成功脱落决定了免钻胶塞工艺的顺利进行。为确保装置的成功脱落，设计上采用了一种特殊的脱落装置，在完成二级注水泥循环孔关闭后，脱落装置与主体进行分享分离， 胶塞、胶塞座依靠自重落至井底。

支承装置承载压力高，其执行打开、关闭、脱开任务时施工压力低且互不干涉。通常双级注水泥器是用于深井超深井、长封井或低压易漏井固井，在第二级注水泥时，常由于套管内的水泥浆施加给工具支承装置的载荷较大，销钉支承普遍用在双级注水泥工具中。而为了能增加载荷，往往采用较大直径的销钉，这势必需要用较高的压力以实现打开和关闭动作，进而要求地面固井设备等有较好的密封性能和较高的压力。该工具设计中采用了承受载荷较高、动作压力较低的特殊支承装置，以确保工具打开、关闭、脱开等各级剪销压力互不干涉，并且与工具下井深度无直接关系。

2.2 机械结构及特点

该免钻分级箍包括外套、重力塞座、上接头、下滑套、关闭套和胶塞套。重力塞座下端为座体，上端为筒体，上端筒体连接胶塞套形成一体，重力塞座与外套之间通过下滑套和关闭套相隔开，下滑套在下，关闭套在上；通过第三销钉组和第四销钉组将重力塞座、筒体与下滑套和关闭套相连，通过第一销钉组和第二销钉组将下滑套和关闭套与外套相连接，外套顶端口连接上接头。

2.3 技术参数

Φ139.7 mm自通径分级注水泥器：总长884 mm，额定负荷120 t，密封能力25 MPa，打开压力7.0 MPa，关闭压力5.0 MPa，脱落压力20.0 MPa，最大外径Φ170 mm，本体通径Φ121 mm，适用于套管壁厚7.72 mm，挠性塞长度330 mm，重力打开塞长度 310 mm，关闭塞长度238 mm。

Φ177.8 mm自通径分级注水泥器：总长884 mm，额定负荷180 t，密封能力25 MPa，打开压力7.0 MPa，关闭压力5.0 MPa，脱落压力20.0 MPa，最大外径Φ208 mm，本体通径Φ155 mm，适用于套管壁厚9.19 mm/10.36 mm，挠性塞长度415mm，重力打开塞长度310 mm，关闭塞长度252 mm。

2.4 工作原理

同时将分级注水泥器与套管串，按照固井设计的要求下到井内预定位置。

按照固井程序进行第一级注水泥作业，第一级固井注水泥完成并碰压结束后，投重力塞；待重力塞下至分级箍重力塞座位置后，在井口加压，剪断开孔的销钉组，这时重力塞座与下滑套将同步向下行，打开循环孔建立二级循环，实施第二级注水泥作业；在二级注水泥作业完成后，打入二级胶塞压塞液，待二级胶塞下行至分级箍胶塞套时，完成二级碰压；继续加压，剪断关闭套和第二销钉组，并推动这两个装置向下行，关闭循环孔，此时继续加压，剪断下滑套之间的第三销钉组合和第四销钉组合，严格控制压力变化，确保重力塞、重力塞座、二级胶塞、胶塞套连为一体，并落入井底，完成第二级注水泥。

2.5 主要特点

①采用先进的内关闭式结构，结构合理 ，密封能力强，关闭可靠；

②具有永久关闭功能，即关闭套的外壁和外筒的内壁有挡块相连，用来锁紧关闭套上下滑动，从而实现永久关闭；

③打开、关闭动作时，均不存在小腔液体压缩问题；

④关闭套关闭到位后，在关闭套上限位块落入设计好的槽内，整个内套与打开塞和关闭塞一起脱离关闭套，在自重的作用下落到井底，减少了钻出费用；

⑤进行了适当选材及配合间隙，以避免工具下井后受拉或热膨胀使内外套形成过盈配合而不利于打开和关闭。

3 室内试验及现场应用

3.1 室内试验

该自通径分级注水泥器在室内进行多次试验，试验结果表明该工具的开孔、关孔、胶塞座脱落等动作均可灵活完成，试验数据与设计值基本吻合，采用清水密封试压30 MPa，30 min不渗不漏，以φ139.7mm自通径分级注水泥器进行室内试验。打开压力值设计为7.0 MPa，设计实验三组数据分别是7.3 MPa、 7.5 MPa和6.8 MPa，平均值为7.2 MPa。关闭压力值设计为 5.0 MPa，设计实验三组数据分别是5.0 MPa、5.3 MPa和5.0 MPa，平均值为5.1MPa。脱落压力值设计为20.0MPa，设计实验三组数据分别是20.5 MPa、20.0 MPa和20.0 MPa，平均值为10.2 MPa。在现场应用时，可根据实际情况灵活调整剪切销钉的数量，以控制开孔、关孔和胶塞座脱落的压差。

3.2 现场应用

2015年，该自通径分级注水泥器在长庆采油六厂成功推广应用40口井。固井施工过程中工具的开孔、关孔、胶塞座脱落的压差基本符合设计要求，应用情况良好。以郝41-01井固井为例，本井完钻井深2 507 m，最大井斜18 °，设计要求下入φ139.7mm套管固井，因为该区块在1 600 m存在严重的漏失层，因此要求采用双级固井。入井管串结构为弹簧浮鞋+套管+弹簧浮箍+套管+碰压座+套管串+自通径分级注水泥器+套管串，自通径分级注水泥器下入位置1 555 m。为减小固井井漏风险，采用防漏型前置液，水泥浆体系采用高强低密度水泥浆和常规密度水泥浆，一级固井水泥浆理论量为30 m3，设计量为 35 m3（高强低密度水泥浆15 m3，普通密度水泥浆20 m3）；二级固井水泥浆理论量为50 m3，设计量为55 m3（高强低密度水泥浆 35 m3，普通密度水泥浆20 m3）。本井于2015年7月26日进行固井施工作业，作业施工过程如下：

第一级注水泥：通过水泥车先注入防漏型前置液8 m3，粘度为40 S，然后注入水泥浆领浆15 m3，密度为1.45 g/cm3 ， 水泥浆中间浆10 m3，密度为1.85 g/cm3 ，水泥浆尾浆10 m3，密度为 1.90 g/cm3 ，排量均为1 m3/min，投挠性塞后用水泥车进行清水顶替，顶替排量1 m3/min，当柔性塞过分级箍位置时，将顶替排量降至0.3 m3/min，碰压时压力8～15 MPa；放回水检查断流；打开水泥头顶盖投入炮弹，炮弹下落时间为30 min；炮弹到位后，使用水泥车憋压7 MPa，开孔循环，并用井队泥浆泵洗井，洗出分级箍以上全部水泥浆，水泥浆候凝时间为8 h，8 h后循环泥浆，泥浆0.3 m3/min，碰压8～15 MPa；性能达到要求后进行二级固井。

第二级：水泥车注入粘度40 S的防漏型前置液8 m3，密度1.45 g/cm3的水泥浆领浆35 m3，密度1.85 g/cm3 的水泥浆中间浆10 m3，密度1.90 g/cm3 的水泥浆尾浆10 m3，排量均为1 m3/min，然后注入清水0.5 m3（注清水目的是清洗分级箍，以保证脱落装置可以顺利脱落），投关闭塞，进行清水顶替，排量为1m3/min，当关闭塞即将到达分级箍位置时，将排量降至0.3 m3/min，碰压13～18 MPa，以0.1 m3/min继续进行顶替，最终达到稳压状态，关孔成功。

内套脱落过程：当分级箍关孔后，水泥车继续注入清水，排量为0.1 m3/min，至压力上升到20 MPa，然后压力略有下降，此时说明分级箍内套脱落（降低略有下降的原因：内套脱落后，分级箍以下套管膨胀，泥浆微量压缩），继续给套管内加压，当压力至20 MPa，稳压5 min，放回水检查。再次注入清水，排量为 0.1 m3/min，压力上升为20 MPa并稳压，说明分级箍内套已经完全脱落，放回水正常，敞压候凝。

本井施工过程正常，48后测声幅，测井仪器直接到达人工井底，无遇阻现象，说明自通径分级注水泥器内套已经完全脱落到井底，工具性能稳定，声幅值在15%以内，固井质量优质。室内试验和现场应用结果表明，自通径分级注水泥器施工完后，胶塞座等影响套管通径的内部装置依靠自重落入井底，节省了上钻机钻分级注水泥器内部结构作业的步骤，有效解决了小直径套管使用分级注水泥技术时用小钻具钻分级注水泥器的内部结构这一难题，据统计，平均每口井可节省钻井周期 2 d，2015年一年使用该分级注水泥器节约直接钻井成本400万元以上。

4 结论和建议

本文通过对双级注水泥器的研究，研制出自通径分级注水泥器，经过试验和现场应用效果良好。

①自通径分级注水泥器性能可靠、结构新颖、使用便利，能有效解决低压易漏井、长封固段井、深井超深井等复杂井固井存在的技术难题。

②自通径分级注水泥器与常规的分级注水泥器相比，该工艺简化了施工程序，缩短了建井周期，降低了钻完井成本，对提高固井质量和增加油气采收率具有重要的意义。自通径分级注水泥器受机械结构的限制，尺寸为φ139.7 mm的工具仅限于使用在壁厚为7.72 mm的套管中，影响了该工具在深井、超深井中的应用。

③此自通径式分级注水泥器经现场应用效果良好，具有良好的推广应用前景。

参考文献：

[1] 袁进平，蔡俊林，宋本岭.自通径液压分级注水泥器[J].石油机械，2002，

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