套管滑套完井固井膠塞研制與應用

周文軍，吳學升，黃占盈，歐陽勇

（1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018）①

長慶油氣田地層存在多層疊合的特點，盡可能打開更多的可采層數量成為提高單井產量的有效途徑之一。套管滑套［1－2］是實現高效分層壓裂、提高單井產量的新技術，該技術分層壓裂級數不受限制，通徑大、壓裂施工摩阻低，還可以選擇性開關目的層，是多層段分層改造的一種新手段。套管滑套采用114.3mm（4英寸）套管＋滑套工具串固井完井。與常規的固井工藝相比，套管滑套工具串固井完井存在3個難點：

1） 套管滑套內徑變化大，給固井配件設計帶來困難。

2） 套管壓裂無法使用分級箍，全井段封固對固井膠塞密封性能提出了更高的要求。

3） 由于不需要射孔，需通過憋壓憋穿水泥環，固井質量好壞是關系著壓裂施工能否順利進行的關鍵。

長期以來，該技術及配套工具由外國公司壟斷［3－5］，工具與技術服務費用高昂，不利于長慶油氣田的低成本開發戰略，而國內目前還無自主研發的套管滑套工具。為降低成本，形成自主知識產權技術，2011年長慶油田分公司油氣工藝研究院組織工程技術人員研發出適應長慶油田套管滑套的新型固井膠塞。

1 結構及原理

套管滑套固井膠塞結構如圖1所示。膠塞結構根據套管滑套的內部結構尺寸，采用大—小—小—小—小—大順序排列膠碗，該膠塞結構在通過套管滑套工具的內腔時保證至少1個大膠碗起到密封作用。工作時，當膠塞下移到浮箍處時，卡頭向下的推力會導致大小膠碗收縮，從而使配合結構通徑變大。卡頭通過配合結構后，大小膠碗不再受力，恢復原有彈性，配合結構恢復原有尺寸，通過卡釘回撤實現鎖定。

圖1 套管滑套固井膠塞結構

2 主要技術參數

總長度 600mm

邵爾硬度 65～80HA

小膠碗外徑 108／112mm

大膠碗外徑 154mm

最大工作壓差 35MPa

硫化條件 150℃×60min

3 創新技術

本文研制的高耐磨性、強柔韌性新型套管滑套固井膠塞，滿足了套管直徑在85～140mm超大變徑條件下的安全固井要求。具有3個方面創新：

1） 采用不同尺寸外徑的膠碗結構來實現不同內徑條件下對套管刮削，從而滿足固井作業要求。膠塞設計了卡釘，提供自鎖功能，避免膠塞后期浮于套管內而影響固井作業。

2） 膠塞結構采用分體式設計，對大小膠碗采用大—小—小—小—小—小—大排列，其結構在過套管滑套工具內腔時保證至少1個大膠碗起到密封作用。

3） 膠塞橡膠材料選用氫化丁腈材料，小膠碗硬度控制在65～80HA，大膠碗硬度控制在60～70 HA，膠塞柔韌性較好，可以順利通過不同大小內徑的套管而無磨損變形。

4 室內試驗

4.1 結構改進

根據國外現有膠塞結構及長慶油氣工藝研究院設計的滑套結構，初步設計配套膠塞結構。膠塞芯子選用鋁合金，可鉆性好；膠塞橡膠材料選用氫化丁腈，硬度85～90HA，采用分體式設計，大膠碗直徑為154mm，小膠碗直徑為112mm，膠碗采用不同模具硫化組合而成，既能降低加工難度，又可提高硫化質量。

通過現場試驗，由于大膠皮與小膠皮距離過近，2個膠碗擠到一起導致膠皮脫落，如圖2所示。因此，原設計的膠碗與套管的過盈量大，使用硬度85～90HA橡膠不能保證壓縮能力滿足要求。根據存在問題改進膠塞結構，并對膠料配方進行調整。結構上，小膠碗4個組合1組，膠碗直徑為108 mm，大膠碗分別配置在膠塞本體兩端，直徑為154 mm。膠塞芯子材料選用氫化丁腈橡膠，將小膠碗硬度控制在65～80HA，大膠碗硬度控制在60～75 HA，以增加膠碗柔韌性。通過結構改進和完善，套管滑套固井膠塞物理結構能夠滿足滑套結構工作要求。

圖2 原設計膠塞初次試驗后照片

4.2 耐磨性能試驗

使固井膠塞通過模擬套管，試驗室檢測膠碗各項性能指標，試驗情況如圖3所示。

圖3 膠塞耐磨性能試驗結果

通過40次耐磨試驗后，對膠塞性能進行檢測，數據如表1所示。

表1 耐磨試驗40次后膠塞性能檢測數據

由表1可以看出：新型套管滑套膠塞在多次通過模擬套管后，膠塞性能良好，符合固井膠塞技術要求，能夠滿足套管滑套固井工作要求。

4.3 水壓密封性能

摸擬套管滑套工具的結構尺寸，進行膠塞的水壓通過試驗，試驗分段加壓10、25MPa，分別穩壓5 min。在增壓、穩壓過程中，模擬套管壓降均為0 MPa。試驗結果表明：在過套管滑套工具的內腔時至少有1個大膠碗起到密封作用，能夠滿足套管滑套固井工作要求。

5 現場應用

2011－05以來，套管滑套固井膠塞現場試驗13井次，成功率100%，滿足套管滑套固井完井施工要求。

5.1 典型井例

長慶隴東午121－A0井是1口石油預探井，套管下 深 2 264.98m， 滑 套 位 置 為 1 863.27～1 865.75m，2 163.72～2 165.83m。2011－05－27，經過磁定位后，循環準備套管滑套固井，同步試驗新型固井膠塞工作性能。現場循環1.5h，循環排量30 L／s，循環泵壓6.5～7.0MPa。井身結構如圖4所示。

圖4 午121－A0井井身結構

該井套管滑套固井完井前按照標準要求循環泥漿，固井參數如表2。

表2 午121－A0井固井施工數據

后期探水泥塞面合格，固井質量良好，滿足后期作業要求。膠塞與套管滑套工具串配合正常，現場施工順利，膠塞性能穩定，保證了固井施工順利完成。

6 結論

1） 室內試驗表明：該固井膠塞具有良好的耐磨性能和密封性能，能夠滿足套管滑套固井要求。

2） 套管滑套固井膠塞是為114.3mm（4英寸）套管滑套專用設計的膠塞，解決了變徑井筒固井難題。

3） 現場試驗13口井，成功率100%，表明研制的固井膠塞性能可靠，促進長慶油田套管滑套壓裂技術的發展。

［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.

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［4］趙 煒.應用井下鉆井滑套降低套管的磨損和扭矩［J］.國外石油機械，1998，10（4）：56－57.

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