顺南区块系列特制固井工具的研制与应用

李鹏飞， 邹传元， 刘洪彬

(1中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司2中石油集团公司川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

顺南区块位于新疆塔里木盆地塔中Ⅰ号断裂带的顺托果勒南古城墟隆起西倾斜坡区，是近些年中国石化西北油田分公司的天然气勘探开发重点区域，具有的超深、超高温、高压、含酸性气体的干气气藏的极端井下条件，不仅给钻井、固完井各个环节带来严重影响，对固井工具也产生了严峻挑战[1]。针对顺南区块固井施工中复杂的井下条件，常规固井工艺技术及固井工具由于工艺技术局限、工具结构单一、适应性差和抗风险能力低等特点[2]，已较难满足现场需求。为此，开展了适用于顺南区块所需系列特制固井工具的研制与应用，经现场应用取得良好效果。

一、固井工具面临的技术挑战

1. 固井技术难点

(1)超深、井身结构复杂。顺南区块设计井深6 700～7 200 m，地质条件复杂，钻井工程技术难度大，全部采用五开井身结构，需依次下入Ø508 mm、Ø339.7 mm、Ø244.5 mm、Ø177.8 mm等规格套管完成各开次固井作业。

(2)高温、气层活跃。根据测井数据显示，顺南区块目前井底温度为180℃～200℃，同时该区块属于裂缝性储层，气层活跃、压力窗口窄、压稳与防漏矛盾突出，对固井水泥浆的抗高温性能和水泥环完整性、长久密封效果等要求高，固井难度大。

(3)对固井工具及附件性能要求高。顺南区块要求固井工具不仅满足该区块复杂井身结构对固井工具的种类、规格、材质、扣型多样性的需求，还要求固井工具具有结构可靠、耐高温高压、密封可靠、防腐蚀等多种功能。

2.常规固井工具面临的问题

(1)结构功能单一。由于常规固井工具在设计原理上主要考虑了一些常规井的固井作业要求，很多功能较单一，局限性大，已经很难满足现代油气井勘探开发中应对各种复杂问题的需求。

(2)可靠性差。在超深、高温、高压等复杂井下条件下，常规固井工具由于存在应用技术参数误差大、提前工作或不能正常工作等异常事故的概率较大，直接威胁着整个固井作业的安全。

(3)适应复杂环境的能力低。固井施工中一些不确定性复杂情况经常出现，而常规固井工具由于存在结构设计、性能特点等方面的制约，其抗风险和适应复杂环境的能力低，已经不能满足现场作业的要求[2-3]。

二、系列特制固井工具的研制

针对顺南区块所需尾管固井、分级固井、回接固井、短回接固井等特殊固井工艺技术的需求，开展了适应顺南区块所需的特制固井工具的研制工作。

1. 内嵌式尾管悬挂器

针对常规尾管悬挂器在超深井、小间隙井等复杂井内面临重载、入井安全性差和循环压力高、在运输或入井过程中易出现卡瓦磕碰变形或脱落、尾管载荷过大时坐挂易造成外层套管挤毁、坐挂后过流面积减小造成环空循环不畅等多重问题，研制了内嵌式尾管悬挂器，具有承载能力大、坐挂成功率高、下入安全、过流面积大等优点。

(1)结构特点。如图1，内嵌式尾管悬挂器由液缸、卡瓦、回接筒、密封装置、扶正环、下接头等件组成，采用液压方式坐挂，由于内嵌卡瓦具有复合斜面、立体承载机构能够承受更重的负荷，下入过程中卡瓦更安全，坐挂后形成内通道，过流面积增大30%以上[4-6]。

图1 内嵌式尾管悬挂器

(2)技术参数。NSSX-C型Ø244.5 mm×Ø177.8 mm内嵌式尾管悬挂器主要技术参数有：抗拉强度3 500 kN，悬挂负荷2 000 kN，载荷支撑盘承载能力160 kN，密封能力35 MPa，液缸剪钉剪切压力9～10 MPa，球座剪钉剪切压力18 MPa，尾管胶塞剪钉剪切压力12 MPa，本体最大外径215 mm、最小内径155 mm，憋压球直径45 mm，坐挂前/后过流面积49/43 cm2，套管/钻杆连接扣型TIGER/NC50。

2. 新型分级注水泥器

研制了新型YFZ-A型分级注水泥器，该工具具备常规材质、防H2S材质和防CO2材质等三种，防H2S材质和防CO2材质的分级注水泥器满足了顺南区块井下酸性气体对工具的抗腐蚀性要求，包括该区块所需的Ø339.7 mm和Ø244.5 mm两种规格。

(1)结构特点。YFZ-A型分级注水泥器主要由双级箍(本体)、挠性塞、挠性塞座(碰压座)、重力型打开塞、关闭塞等件组成(见图2)。该新型分级注水泥器打开关闭均由一个滑套实现；滑套上设有特殊机构，打开、关闭动作时均不存在小腔液体压缩问题，可预防提前关闭；关闭循环孔后特殊机构防止滑套倒退，实现永久关闭；内部单元的独特密封结构设计实现了工具整体气密封要求，密封能力和密封可靠性大大提高[7-8]。

图2 YFZ型分级注水泥器

(2)技术参数。新型YFZ-A型分级注水泥器的技术参数有(以Ø339.7 mm为例)：打开压力7 kN，打开作用力545.5 kN，关闭压力5 MPa，关闭作用力390 kN，密封能力≥35 MPa，额定负荷4 160 kN，本体最大外径375 mm，内径314 mm，总长920 mm。

3.封隔式尾管回接工具

研制了带顶部封隔器的尾管回接工具。该工具在常规尾管回接工具的基础上增加了一套封隔装置，具有回接、封隔、防退及防止提前坐封的功能，其中封隔器为机械方式坐封，具有三组V形密封组件和一套封隔胶筒双重密封装置，密封面积大，密封能力强，密封可靠，适合密封能力要求高的高压油气井。

(1)结构特点。封隔式尾管回接工具为封隔器与回接插头一体式结构，封隔器主要由防退卡瓦、锥体、封隔胶筒、锁紧机构等件组成；回接插头由插入导向头、铝制引鞋、密封组件等件组成[9-11]，见图3。

图3 封隔式尾管回接工具

(2)技术参数。HC-D型Ø177.8 mm封隔式尾管回接工具的主要技术参数有：封隔器密封能力≥50 MPa，回接插头密封能力≥35 MPa，封隔器坐封剪钉剪切压力150 kN，防退卡瓦坐挂剪钉剪切压力250 kN，耐温200℃，最大外径211 mm，最小内径157 mm，坐封行程150～170 mm。

4. 高性能工具附件

在开发了内嵌式尾管悬挂器、新型分级注水泥器、封隔式尾管回接工具等系列非常规固井工具的基础上，还研制了配套的固井工具附件以满足现场作业要求。

(1)易钻式浮箍浮鞋。针对传统金属式浮箍浮鞋在超深、高温高压井内使用存在钻除时间长、耐冲蚀性能不佳的问题开发了易钻除、密封可靠的水泥式浮箍浮鞋。该易钻式浮箍浮鞋满足API RP 10F IIIC要求，耐冲蚀试验24 h，最大测试压力34.5 MPa，耐温能力204℃，平均节约钻除时间1 h，密封能力提高35%[12]。

(2)螺旋树脂扶正器。研制的螺旋树脂扶正器摩擦系数低、耐磨性好，其摩擦系数(无润滑时)仅为0.25，是普通刚性扶正器的1/3、铝合金扶正器的5/8，有助于套管的下入，保证了套管的居中度。同时，鉴于顺南区块井深、井下温度高，通过优选原材料及对树脂高分子材料进行耐温、强度试验分析，其耐温能力达到245℃，刚性(冲击强度)为44.6 kg/m，抗挤压强度228 GPa[13]。

表1 顺南区块各井主要固井工具应用情况

注：配系列水泥式易钻浮箍浮鞋、树脂旋流刚性扶正器等若干。

(3)整体硫化式钻杆胶塞。顺南区块超深井其送入钻具基本采用几种规格的复合钻具结构进行送放尾管，常规分体式钻杆胶塞存在胶皮“脱裤子”的风险，而研制的整体硫化式钻杆胶塞不仅有效保证了钻杆胶塞在固井替浆期间隔离及刮拭的效果，适用于常规及复合钻具结构，还降低钻杆胶塞胶皮“脱裤子”风险，确保了固井施工安全[14-15]。

(4)硫化橡胶球。尾管悬挂固井作业中，投球憋压的密封可靠性对尾管悬挂器是否成功坐挂至关重要。而高温、井深等井况条件对常规铜球的密封效果有着显著影响，而改进后的硫化橡胶球通过在传统铜球外表面硫化一层密封橡胶恰好解决了憋压球在下落过程中的容易磕碰导致密封不严或失效的问题。为尾管悬挂器坐挂、液压丢手、憋通球座、固井等关键步骤奠定了基础。

三、现场应用

通过跟踪分析顺南401、顺南7、顺南501、顺南5-1、顺南4-1、顺南5-2、顺南6等7口井的固井施工情况(见表1)，系列特制固井工具现场应用不仅满足了固井施工要求，现场应用效果显著，许多固井技术难题也得以解决。如套管下入均一次顺利，开泵循环压力稳定，固井施工连续平稳，固井质量全部符合预定要求。且固井施工后在后期完井高压测试期间，管串试压全部合格，说明固井工具整体密封性能良好。

(1)NSSX-C型Ø339.7 mm×Ø244.5 mm和Ø244.5 mm×Ø177.8 mm两种内嵌式尾管悬挂器分别应用7口和8口井，悬挂器全部实现成功坐挂、倒扣丢手、密封可靠，坐挂压力11.5～14 MPa，憋通球座17～21 MPa，全部在设计范围内。

(2)YFZ-A型Ø339.7 mm和Ø177.8 mm两种新型分级注水泥器分别应用5口和7口井，施工中分级注水泥器全部按设计值成功打开、关闭循环孔，密封良好，打开压力6.5～10 MPa，关闭压力5～8 MPa，较好解决了Ø339.7 mm技术套管下深较深、Ø177.8 mm回接固井封隔段长、气层活跃、一次固井质量难以保证的问题。

(3)顺南501井Ø177.8 mm尾管固井施工后由于固井质量差加上气层活跃发生了环空窜气现象，导致下开次作业无法进行，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艺进行挤水泥补救。固井结束后插头顺利插入回接筒、憋压15 MPa无压降、下压封隔器涨封现象明显，后期试压20.6 MPa合格，气窜问题得到解决。

四、结论与建议

(1)顺南区块系列特制固井工具结构设计合理、性能指标符合要求、技术优势明显，能较好适应该地区复杂井下条件的对固井工具的特殊需求。

(2)顺南区块毕竟还是一个新兴油气勘探区块，其面临的很多技术难题还需要在后续的开发中不断去认识和发现，建议继续开展系列特制固井工具后期应用效果评估。

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