卡封工艺分析及完善措施

（中国石化胜利油田股份公司，山东 东营 257000）

1 前言

桩西油田现有油井3000 多口，随着油田开发的深入，每一口油井从上到下馆陶、东营、沙河街等油藏层系有条件的基本全部打开。由于开发需求不同，单井筒内除在井网的目的层需要生产开发外，非目的层不需要生产。每一个层系开发都存在水驱、注聚区等不同驱动类型，导致各油层生产压差不同，因井筒的连通作用而形成了层间干扰，如果不采取分层卡封、丢封等完井工艺将严重影响油井目的层正常生产。伴随井筒条件或开发工艺的需要提升，精细化管理对井筒工艺要求越来越高。油井卡封工艺在油田开发过程中所占比例逐年大幅度提升，卡封工艺由开始的Y211+Y111+防顶卡瓦的一代卡封工艺发展到Y211+Y445的二代卡封工艺，两种卡封工艺的支撑方式都是加压坐封,存在封隔器之间连接管柱丢封前受压，丢封后有一个强大的恢复弹力，严重影响封隔器密闭的稳定效果。特别是如果卡封层油层地层压力较高时，卡封之间的高压液体产生上顶力加剧卡封失效，存在卡封周期短的情况，频繁的换卡封作业即增加了油井生产成本又影响了油井生产。

创新研制新型卡封工艺，改善油井卡封效果，提高油井生产效益就是在这种井筒条件、开发工艺需求及低成本运行形势下迫切的课题。

2 传统卡封工艺失效分析

1.近几年卡封失效79 井次，卡封失效主要存在两个因素：主观因素和客观因素。

主观方面存在三个情况：施工操作人员操作不平稳下钻速度过快，导致封隔器胶皮刮创套管内壁形成破坏性损坏或形成轻微裂纹，影响卡封的密闭性；未按施工标准执行丢封稳压时间，稳压时间短导致Y445 锁紧部分位移没有足够时间推动行程小，轴向压缩胶皮力度不够，胶皮径向扩张不足与套管内壁贴合度低卡封密闭效果差；Y211 坐封加压负荷过大，卡封之间油管弯曲变形严重，油管回弹位移大，上顶力破坏性强。

客观方面存在三个方面：高压卡封层油层压力在Y445封隔器与套管内壁环空封隔器胶皮上产生的液压上顶力认识不足，在卡封工艺中未考虑其破坏力，通过计算证明当卡封层地层压强大于2.0MPa 将产生足够的上顶破坏力；套管壁腐蚀影响了封隔器胶皮与套管内壁密闭效果；卡距设计过大，为油管提供了更大弯曲空间，油管弯曲回弹行程大破坏力大。

2.对卡封失效的79 口井从七个方面分析情况如下：

（1）不同套管型号内卡封失效情况：D177.8mm 套管井卡封失效70 口井，占89%；D139.7mm 套管井卡封失效9 口井，占11%；近几年下入井内Y445-150 封总计610台，Y445-115 封176 台，Y445-150 封与Y445-115 封总数比是3.5:1，而卡封出现问题之比是8:1，由于套管与封隔器中心管环空的面积不同产生的上顶力不同，同等卡封层压力值情况下对D177.8mm 套管内封隔器产生上顶力大于D139.7mm 套管（如下表1）；同时大的径向空间导致卡封油管弯曲度更大产生的弹性回弹力更大，对卡封封隔器稳固性破坏能力大，问题相对出现的多高达3 倍以上。

在等径油管情况下，油管在大直径套管中发生的弯曲度越大，产生的弹性恢复力越大。

现场施工Y445 封隔器打捞解卡负荷240KN，一般减去原井管柱负荷120KN，Y445 封锁定机构的解封负荷也就在100KN-150KN。如果我们坐封加压80KN，注聚及水驱中心区域的地层压力一般高于2.0MPa 产生大于27KN 的上顶力，坐封产生的恢复力和地层压力产生上顶力之和，处于Y445 封隔器解封负荷的临界状态。如果套管内壁腐蚀凹凸不平，封隔器牙与套管内壁咬合效果差，卡封层油层压力大于2.0Mpa 时，综合因素作用下都加剧Y445 封经过一段时间后自我解封[1]。

（2）卡封之间油管刺孔16 口井占失效总数的20%；其中油管刺坏又出砂7 口井占油管刺坏比例的44%说明有些油管刺孔并不是出砂所致，而是卡封井井眼位于地层液体主流道处，液流对贴壁油管冲击，形成刺孔。

（3）出砂42 口井占失效总数的53%，主要是卡封封隔器失效后，地层砂从失效封隔器与套管环空之间返到套管内，证明卡封层能量足。

（4）封隔器胶皮损坏57 口井占失效总数的72%，通过统计封隔器胶皮损坏明显增多主要原因为：下钻速度快造成的原始胶皮下部与套管内壁摩擦损坏；打捞卡封过程解卡及上提刮碰磨损造成胶皮上部损坏该情况属于后期施工造成不是卡封失效的原因；封隔器胶皮质量的检测存在不足。

图1

图2

表1 不同地层压力值产生的上顶力对应表

（5）卡距与卡层厚度之比过大，最大之比 22，卡封之间油管长度过多导致油管弯曲度严重，产生弹性回弹力大造成封隔器解封隐患概率高。卡距与卡层厚度之比大于3的井占14 井次，占短周期井的64%，可见卡距越长丝扣连接处越多，失效隐患点越多；卡封之间油管油管加压后蕴藏恢复力越大，卡封稳定性效果越差。

（6）打捞卡封层后使用比重大于1.22 大卤水的34 口井占43%，卡封层为高压层明显偏多，地层油压在封隔器横截面上产生破坏上顶力，影响封隔器的稳定性。卡封有效期低于100 天的22 口井，占失效总数的28%。其中使用比重大于1.22 卤水13 口井，占到有效期低于100 天口数的60%。可见卡封层高压破坏封隔器稳定性卡封效果差，严重影响卡封效果。

（7） 因套变卡封失效6 口井占总数的8%，这个比例会随着开发深入而提高，套管井壁完好度变差而增多，长时间生产在起下钻磨损及产出液腐蚀下套管内壁完好度越差，提供给封隔器牙片的支撑点越弱，坐封稳定性下降。

3 卡封工艺的建议

卡距长度与卡层厚度之比建议1.5:1，尽量减少卡封之间有关长度，下部封隔器定位卡封层下界2.0 米处；卡封层为高压层或下部生产层为高产油量层建议水泥封堵。避免因卡封层压力高导致卡封失效，重复作业造成作业成本浪费；卡封坐封加压建议取坐封加压标准下值，降低油管弯曲后的弹性恢复力，Y211 封隔器下放坐封标准D139.7mm套管坐封加压60-80KN，D177.8mm 套管坐封加压80-100KN，结合实际工作建议统一坐封加取其下限减少油管恢复弹力对Y445 封产生的上顶破坏；Y445 封隔器丢封稳压时间以及下封操作速度严格执行标准，由于坐封稳压时间不标准活塞行程小导致锁紧装置不到位坐封不严，下钻速度过快容易使封隔器胶皮损坏，在恢复力作用下容易在短时间内失效。

封隔器卡封短期失效或多次失效，解剖时要测40 臂井壁测井，利用监测技术落实套管完好程度，由于开发的中后期，套管内壁腐蚀损坏严重，影响与封隔器密闭效果；封隔器坐封位置严禁与上一次作业重复同一位置，卡封设计要注明封隔器附近套管接箍位置深度。

工具改进建议：Y445 封结构将马齿扣锁环加宽，增加接触面提高解封负荷；Y211 封隔器增加自锁功能，坐封胶皮压缩后自动锁定，上提恢复小于原井负荷后，对Y445 封投球丢手。来消除油管弯曲产生的上顶力。

对封隔器胶皮性能进一步提高，降低因胶皮损坏而导致卡封短期内失效。

4 创新研发Y445+Y341 组合

主要用Y445 封+Y341 封卡封管柱组合替代Y445 封+Y211 封卡封管柱组合。双封隔器均为液压坐封消除了加压坐封造成油管受压发生弯曲，避免了卡封之间油管的弯曲后的恢复力对Y445 封隔器上顶力的破坏，小直径冲管可以通过卡封管柱及封隔器，同时满足特殊油田的探冲需求。

将Y341 封隔器下部连接坐封密封管，把Y445 封坐封堵截通过内管相连接下到Y341 封下部密封管内，卡封外管柱与内管、坐封堵截一次下入打压坐封，内管设计留有压力传递通孔，在完成Y341 封隔器坐封的同时也完成Y445封隔器坐封，座封后倒扣丢手起出内管及坐封堵截卡封完成。传统Y445+Y341 卡封组合是投球式，在Y341 封隔器下部有个接球栏，无法满足小直径冲管通过，探冲下部机械防砂体内腔的需求。

卡封方式根据卡封深度来确定：浅部卡封采取大通径过泵封卡封组合；中部深度卡封，卡封层压力低于静水柱压力时建议Y445+211 组合，卡封层地层压力大于静水柱压力值时建议Y445+Y341 组合 ；深部卡封采取由于地温较高建议使用耐高温胶皮的FXY445+FXY341 组合。

5 卡封管住组配注意事项

施工前对管柱三丈量三核实，确保管柱组配无误差，油管按每千米伸长十公分累计长度，如果卡封油层间距小于3 米，工具下到位后必须进行磁定位测试校正关注误差；下卡封工序前进行通井刮管工序施工，验证清理套管井筒完好套管壁无结垢无毛刺，卡封工具顺利到位；对于采出液矿化度较大的，可以提前采取测40 臂井径验证电化学对套管壁的腐蚀程度，确保Y211 封隔器的支撑点及封隔器胶皮的接触面完好。

卡封井段两封隔器之间大于30 米，每三十米一个扶正器，降低油管弯曲度，消除油管弹性恢复力；卡封使用Y445+Y211 组合时，Y211 封下放坐封加压取标准值下限；D177.8mm 套管加压80KN，D139.7mm 套管加压60KN，在标准范围内降低油管受压弯曲；卡封层地层压力大于静水柱压力值时，卡封组合选用Y445+Y341 组合，这样Y445只承受高压液体的上顶了，避免了油管弯曲弹性恢复的破坏力；卡封层压力小于静水柱压力值时，卡封组合选用Y445+Y211 组合，主要可以节约材料费用。