环空带压先期预防封堵工具研究与应用

田晓勇 蒋本强 张京华 蒋海涛 宋剑鸣 苟旭东 古青

摘要：针对储气库等气井环空带压问题的先期预防环空封堵工具，采用液压方式完成第一、二胶结面的先期有效密封，后期利用自膨胀材料对微裂缝进行补偿密封，阻止油气上窜，同时利用减震锚定机构，降低管串振动对胶筒封堵效果的影响。通过数值模拟方法对工具关键结构进行模拟分析，封隔能力能达到50 MPa以上，锚定减震机构针对P110套管的最大锚定力小于600 kN，减震效果明显，工具功能及分析结果均得到现场试验有效验证，应用井环空带压预防效果明显，环空带压问题得到改善。

关键词：环空带压； 封堵工具；密封；锚定；自膨胀

中图分类号：TE925.2文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.011

随着天然气需求量不断增加，气井开发量及储气库建设不断增长，伴随的油套破损、固井质量差、井下环境变化等引起的环空带压问题也越来越突出［1-4］。国内外在预防环空带压方面开展了大量研究，包括改善水泥浆性能、提高顶替效率、在管串中加入封隔器等［5-9］。这些技术在生产初期能起到一定的预防效果，但随着生产周期、生产强度的不断提高以及后期作业处理，伴随的机械破坏不仅会导致套管与水泥环胶结面产生微裂缝。同时，还会导致封隔器胶筒发生蠕动变形，失去封隔作用。在井下高温、腐蚀介质及地层环境变化等综合因素下，这种情况还会加剧［10-15］。如果在固井施工管串中提前下入一种特殊工具，在注水泥作业完成后，通过液压方式完成管外环空先期封堵，实现对第一、二胶结面的有效密封。后期作业时，如果一、二胶结面形成了微裂缝，油气上窜，该工具还可与油水发生反应，自动膨胀，填补一、二胶结面的微裂缝，阻止油气上窜，那么環空带压问题将在很大程度得到改善。同时，为降低后期生产管串伸缩及震动对密封胶筒产生的损害，还可以在工具上设计减震或锚定机构，减少振动对胶筒产生的蠕变影响。由此，研究设计了一种液压自膨胀防震动环空封堵工具，通过数值模拟分析得出了工具封隔压力和锚定效果参数，并在试验中得到有效验证。该工具可配合尾管悬挂器进行顶部封隔固井，也可以配合分级箍完成筛管外顶部封隔半程固井，并在中原、华北油田储气库井应用10多口井，有效解决了应用区块环空带压问题。

第53卷第2期田晓勇，等：环空带压先期预防封堵工具研究与应用石油矿场机械2024年3月1工具结构、原理及技术参数

1.1工具结构

液压自膨胀防震动环空封堵工具主要由上接头、中心管、上胶筒组、支撑环、剪销、上液缸、限位卡簧、上活塞、堵塞器、下活塞、限位卡簧、下液缸、剪销、下胶筒组、卡瓦锥套、卡瓦、卡瓦连接套、限位套和下接头等组成，其中上、下胶筒组分别由上、中、下三胶筒、支撑环以及护肩组成，胶筒组采用自膨胀胶筒+高压胶筒+自膨胀胶筒组合，进液孔采用断开式堵塞器堵塞，具体结构如图1所示。

1.2工作原理

施工时，工具随套管串下入设计位置，堵塞器可保障工具入井过程及固井碰压前液体无法进入液缸，活塞不动作，当固井胶塞通过堵塞器时，打断断开杆，连通压力传递通道，利用胶塞碰压压力使液体进入液缸，启动销钉被剪断，液压力同时向两个方向推动活塞，压缩上胶筒组、下胶筒组、卡瓦锥体轴向移动，完成第一、二截面的高压封堵和锚定，并在自锁机构作用下锁死。后期作业施工，管柱发生震动时，锚定机构将工具与外层套管固定在一起，降低轴向振动对封堵工具胶筒的蠕变影响，延长胶筒寿命。当水泥环发生微裂缝，油气上窜时，自膨胀胶筒可吸收油、气、水完成二次膨胀，对微裂缝进行封堵，实现

密封补偿。特殊工况施工时，堵塞器需提前打掉。

1.3技术参数

2关键结构模拟分析

2.1胶筒密封性分析

建立如图2所示的内管、胶筒组、外层套管模型，设置外层套管外径244.5 mm，内径222 mm，并根据橡胶150 ℃环境拉伸应变实验数据，选择橡胶本构模型进行实验数据的拟合，如图3所示。根据拟合结果对比，Ogden三参数橡胶本构模型与实际实验参数误差较小，因此本文选择Ogden模型作为橡胶本构模型进行分析， Ogden模型理论公式为：

W=∑Ni=1μiαi（αi1+αi2+αi3-3）+∑Ni=11di（J-1）2i（1）

式中：αi，μi为材料参数，N为多项式的阶数（本文选择N=3），di为材料参数，J为弹性体积比，λ为拉伸比。

图3橡胶拟合数据曲线与实验数据曲线对比确定橡胶材料参数后，对胶筒分析模型一端施加200 kN的轴向坐封载荷，并固定在当前位置，另一端受压区域施加50 MPa的围压载荷。 分析结果如图4 所示，胶筒和外管的大面积稳定接触应力为52.7 MPa，和内管的大面积稳定接触应力为55 MPa，两端自膨胀橡胶膨胀后与内外管的接触应力在58 MPa左右，能够满足50 MPa的要求。

2.2锚定减震机构模拟分析

建立锚定机构三维模型如图5所示，并对模型进行简化处理，设置内管、锥体、卡瓦、推环、外管之间接触关系。各部件材料参数如表2所示，设置外层套管外径244.5 mm，内径222 mm。

设置卡完为坐卡状态，推环轴向施加200 kN反向推力载荷，观察卡瓦对外层套管影响，然后逐步增加推力载荷，直至外层套管发生大面积塑性变形，应力如图6～7所示。当施加200 kN载荷后，外层套管上出现了明显的咬痕，咬合区域主要集中在和卡瓦中部牙接触的位置，咬合处出现塑性应变，深度为仅为0.255 mm，认为不会造成外层套管的破坏。 当载荷增加至600 kN时，外层套管咬合处塑性应变区域明显增大，套管出现明显的损坏。因此，外层套管采用P110钢级时，最大坐卡或锚定载荷不能超过600 kN。

2）锚定机构减震效果分析。

主要分析锚定机构对坐封后的胶筒防震动的作用，通过对比带锚定和不带锚定机构的分析结果，得出锚定机构的防震动效果。首先对密封胶筒左侧施加载荷，使胶筒完成坐封、卡瓦完成坐卡，然后对推环施加一定频率的轴向冲击载荷。如图8所示，采用锚定机构时，胶筒坐封后，在冲击载荷作用下，最大位移波动仅为0.056 mm，而不采用锚定机构，最大位移波动为11.47 mm，由此可见锚定机构对胶筒减震保护起到了很好效果。

3室内实验

室内模拟试验示意如图9所示，将封堵器置于内径224 mm试验筒内进行了封隔能力和锚定效果实验。试验前将封堵器堵塞器拆除，内部憋压20 MPa胀封封堵器，坐卡锚定系统，然后环空打压50 MPa，稳压15 min，压力保持不变，轴向等效载荷约280 kN，封隔器未发生整体位移，锚定效果良好。泄压后，封隔器反向施加轴向载荷，载荷300～500 kN，反复施加载荷50次卸载。环空再次打压至50 MPa，稳压15 min，压力保持不变，验证了减震锚定系统对密封系统具有很好的保护作用。

4现场应用

截止目前，环空封堵工具已开展现场应用10口井以上，应用效果良好。以白庙储2-2井为例，该井为中原储气库建设重点井，设计井深3 505 m，采用尾管固井工艺完井，环空封堵工具配合尾管悬挂器实现顶部封隔，对高压层进行先期预防封堵。管串组合：浮鞋+套管+浮箍+套管+浮箍+套管串+封堵工具+尾管悬挂器+送入钻具。

施工过程工具入井过程顺利，接头气密封良好，管串到位后循环正常，验证封堵工具胶筒未提前胀封，锚定机构未提前打开。尾管悬挂器顺利座挂、丢手试提顺利。悬挂器座挂后循环正常，再次证明封堵工具在悬挂器座挂操作过程未启动，堵塞器完好。尾管胶塞复合通过堵塞器时压力出现瞬时波动，判断堵塞器打开。碰压后蹩压至设计压力完成一、二界面封堵和坐卡。钻塞前进行套管试压，试压压力35 MPa，稳压30 min，压降0.2 MPa，试压合格，验证封堵工具封堵效果良好。该井投入运行5个月左右，井筒未出现环空带压现象。与应用封堵工具前井筒投产即发生生环空带压的其同区块井相比，预防效果明显。

5结论

1）现场应用证明液压自膨胀环空封堵工具利用先期高压密封，后期自膨胀补偿密封的封堵技术可有效预防储气库环空带压问题。

2）模拟分析和现场应用验证了液压自膨胀环空封堵工具采用高压胶筒与自膨胀胶筒组合方式，可实现50 MPa以上壓力封隔，且减震锚定机构可有效保护注采施工振动对胶筒封隔效果影响。

3）环空带压问题是一个长期性、复杂性问题，液压自膨胀环空封堵工具封堵效果只是得到初步验证，随着生产周期延长，胶筒封隔效果是否可持续，还需要进一步跟踪论证。研究全生命周期的环空封堵工具将会成为新的研究方向。

参考文献：

［1］张智， 顾南， 杨辉，等. 高含硫高产气井环空带压安全评价研究［J］. 钻采工艺， 2011， 34（1）： 42-44.

［2］杜培伟， 王其春. 弹性自愈合水泥浆对环空带压的修复作用及应用［J］. 石油化工应用， 2021， 40（9）：21-25.

［3］冯学章，孙玉铎，王晓磊，等.基于贝叶斯网络的气井环空带压风险评价模型及应用分析［J］.石油钻采工艺，2021，43（4）：532-537.

［4］刘浩亚.治理环空带压的密封剂的研制与评价［J］.钻井液与完井液，2022，39（3）：334-338.

［5］石榆帆， 张智， 肖太平，等. 气井环空带压安全状况评价方法研究［J］. 重庆科技学院学报（自然科学版）， 2012， 14（1）：97-99.

［6］宋建建，陈小龙，许明标，等.页岩气井环空带压防治难点分析及对策［J］.钻采工艺，2019，42（2）：32-35.

［7］刘洋，鲜明，冯予淇.川中高压气井钻完井期间环空带压原因分析及应对固井技术［J］.钻井液与完井液，2018，35（1）：77-82.

［8］陈雷，陈会年，张林海，等.JY页岩气田水平井预防环空带压固井技术［J］.石油钻采工艺，2019，41（2）：152-159.

［9］李建，和鹏飞，冯雷，等.管外封隔器固井技术在临兴地区浅层气井的应用［J］.石油化工应用，2020，39（9）：57-59.

［10］张辉，王瑞祥，毕闯，等.渤南区域注水井环空带压原因浅析及应对措施［J］.石化技术，2018，25（6）：160-161.

［11］付海龙，郭晰元，邹龙庆，等.气井环空带压条件下橡胶-管柱接触面干摩擦影响因素分析［J］.石油矿场机械，2019，48（6）：26-30.

［12］刘禹铭，郝宙正，马英明，等.微牙痕卡瓦在封隔器中的应用研究［J］.石油机械，2016，44（8）：85-88.

［13］李万钟，邓冲，徐建宁.封隔器仿生鳞片齿卡瓦微牙痕及稳定性研究［J］.石油机械，2022，50（7）：98-106.

［14］王迪，何世平，张熹.封隔器卡瓦接触应力研究［J］.实验力学，2006，21（3）：351-356.

［15］韩传军，彭雪峰，李林涛.封隔器卡瓦锚定力学行为与高温高压实验分析［J］.天然气工业，2020，40（7）：76-82.2024年第53卷