超深水平井管外封隔器失效機理探討及解決對策

冉小豐，王越之 （長江大學石油工程學院，湖北 武漢434023）

彭曉剛 （中石油塔里木油田分公司塔北項目部，新疆 庫爾勒841000）

碳酸鹽巖是塔里木油田快速上產中最重要的區域，而水平井是提高碳酸鹽巖單井產量的重要手段，目前的篩管完井和裸眼封隔器分段改造技術已不能滿足多段改造和油田后期開發的要求。利用管外封隔器進行選擇性固井是水平井完井的一種重要方式，利用該技術能夠實現復雜儲層的有效封隔，并為后期多段改造、動態監測、找堵水作業留下工作通道［1-2］。由于塔里木油田超深水平井中管外封隔器施工存在著諸多特殊情況，使得管外封隔器的使用效果不理想，為此，筆者對封隔器失效原因進行分析并提出提高固井成功率的相應方法。

1 管外封隔器結構及工作原理

1．1 結構

管外封隔器 （ECP）的結構基本相同，主要由控制閥部件、密封部件和聯接部件3部分構成?？刂崎y部件包含鎖緊閥、單流閥和限壓閥，完成對膨脹介質的流動控制。密封部件包含內膠筒、外膠筒、金屬加強片、支撐環和膠筒接頭等，是實現密封的主要部件。聯接部件包含中心管、提升短節、接箍和套管短節等，主要起配合連接的作用。

1．2 工作原理

管外封隔器的工作原理如下：在施工過程中，當頂替膠塞通過封隔器閥系接頭時，將密封在進液孔上的斷開桿碰斷。當頂替膠塞運行到阻流板時使套管內形成密封，蹩壓時液體經閥系的進液孔進入鎖緊閥，當壓力達到設定值時鎖緊閥銷釘被剪斷，鎖緊閥打開，同時單流閥也打開，液體經限壓閥進入中心管與膠筒間的膨脹腔內，使封隔器膨脹與井壁緊密接觸形成密封。當膨脹腔內的壓力達到限壓閥銷釘的設定值時，限壓閥銷釘剪斷，關閉進液孔，實現安全座封。井口放壓為零、鎖緊閥自動鎖緊，從而實現永久關閉。

2 管外封隔器失效機理研究

截止2011年底，塔里木油田在碳酸鹽巖進行選擇性固井中，有9口井使用了管外封隔器，其中5口井封隔器使用失效，成功率僅為44%。通過對管外封隔器使用失效原因的理論分析和現場資料調研，發現主要影響因素有井底溫度高、裸眼段長、井眼曲率大、膠筒-井壁間隙小和井眼不規則嚴重。

2．1 井底溫度高

塔里木油田管外封隔器的最高下入深度已超過7000m，工作溫度超過160℃，壓力達到77MPa。然而，目前國內外管外封隔器產品的膠筒最高耐溫150℃ （氫化丁腈橡膠），并且高溫下膠筒材料的扯斷強度、撕裂強度大幅下降，已不能進行100%的長度拉伸 （177℃時的撕裂強度只有25℃時的14%，扯斷強度只有22．5%［3］）。膠筒在井下酸、鹽、油等介質環境下，膨脹密封井眼，若坐封間隙過大，則容易產生破壞。

2．2 裸眼段長

塔里木油田碳酸鹽巖選擇性固井中，封隔器通過的裸眼段長度大。在已使用的9口井中，最長達851m，最短為211m，平均539m。在長距離的裸眼段 （包括彎曲段和水平段）中運行，使得各種不利因素對封隔器膠筒的損壞機率增大。

2．3 膠筒-井壁間隙小

標準的管外封隔器膠筒外徑較大，當管串下行時，扶正器貼井壁，膠筒外表面與井壁的間隙非常?。ㄒ姳?），其中114-Ⅰ型和178-Ⅱ型管外封隔器的膠筒-井壁間隙分別僅為1mm和2mm，使得膠筒與井壁極容易發生接觸、摩擦和擠壓膠筒。

表1 幾種尺寸封隔器膠筒與井壁間間隙值

2．4 井眼曲率大

根據管柱與井眼的幾何關系，可以得出彎曲段管外封隔器能通過的最大長度計算公式如下［4］：

式中，R為井身曲率半徑，m；D為曲率半徑為R處的井徑，m；d為封隔器最大外徑，m；L為封隔器最大允許通過長度，m。

由于封隔器膠筒最大外徑已接近井徑 （見表1），因而彎曲段能通過的膠筒長度較小。利用式 （1）對塔里木H901H井進行計算，發現部分井彎曲段封隔器下放過程中會遇阻，實際膠筒長度與允許通過膠筒長度相交點為可能遇阻井深 （見圖1），該判斷在實際施工中得到驗證，遇阻后下壓超過50kN才得以通過，分析認為井壁的擠壓和摩擦對封隔器膠筒已造成損傷。

圖1 H901H井封隔器通過能力計算圖

2．5 井眼不規則嚴重

存在井眼縮徑、擴徑，井底存在脫落巖石碎屑等復雜情況時，都有可能造成巖石與封隔器膠筒的接觸，嚴重時甚至扶正器失效，管柱重量坐落在封隔器之上，加之高溫下膠筒強度大幅降低，極易造成膠筒的損傷和破壞。此外，若巖石尖角接觸膠筒，也很可能將外膠筒刮破。從塔里木油田各井的6側臂井徑測井曲線發現，部分井封隔器通過的長裸眼段不規則程度嚴重。以YM321-5H井為例，在5102～5235m井段出現井眼縮徑，同樣在5490～5560mm井段出現較為嚴重的擴徑，分析認為封隔器外膠筒在下入過程中已經被磨損和刮傷。

3 解決措施

3．1 合理選型

1）尺寸型號選擇 針對塔里木油田碳酸鹽巖區域常用的幾種裸眼井徑，計算后期所需管外封隔器承受的上下或環空壓差，根據各管外封隔器生產廠家提供的井徑與壓差關系曲線，確定封隔器尺寸型號 （見表2）。

表2 塔里木碳酸鹽巖管外封隔器建議選型系列

2）長度選擇 當管外封隔器膠筒長度超過3m、僅膠筒兩端板條加固或采用全橡膠式時，可按API的井下工具允許通過的最大井眼曲率公式進行計算。經過計算，得到封隔器膠筒長度選擇結果：①當狗腿度＜15°／30m時，選用膠筒長3m以下封隔器，全不銹鋼或鋁板條加固；②當15°／30m≤狗腿度≤30°／30m時，選用膠筒長3～6m封隔器，僅膠筒兩端加固或全橡膠式；③當狗腿度＞30°／30m時，選用膠筒長6m以上封隔器，僅膠筒兩端加固或全橡膠式。

3）膠筒材料選擇 要求膠筒材料具有良好的耐溫性、耐磨性、耐化學介質性以及在井下復雜環境下仍有較高的扯斷強度和撕裂強度，從而提高膠筒在通過裸眼段和加壓脹封時的安全性。根據塔里木油田的實際情況，建議選用氫化丁腈橡膠 （HNBR）材料制作膠筒。

3．2 優化通井方案

優化通井方案時，要求鉆井起下鉆井眼暢通無阻，無明顯阻卡現象。如果井眼不順暢，在采用常規鉆具通完井后要求使用西瓜銑反復通井 （下入1個封隔器采用2個西瓜銑通井，下入2個以上封隔器采用3個西瓜銑通井）。

3．3 確定鉆井液性能

下套管前的最后一次通井，鉆井液性能必須達到以下要求：具有良好的攜砂懸浮性能；保證井筒內鉆井液粘度、切力，高溫高壓失水應控制在10ml以內；不含堵漏材料。

3．4 嚴格封隔器下放程序

封隔器下放過程要求平穩慢速，套管內不低于2min／柱，進入裸眼內不低于3min／柱，每下5～10柱灌漿1次，若中途下鉆遇阻，可適當下壓，在除開摩阻的情況下不得超過5t。

3．5 精確控制打壓坐封

封隔器坐封施工打壓過程中，應嚴格遵守封隔器膨脹過程壓力要求。若發現實際進液量超過預算進液量，應迅速打壓至限壓閥銷釘剪斷壓力之上，關閉限壓閥，停止進液以保護膠筒。對泵車要求如下：①適當選用電動泵以便精確控制階梯打壓和緩慢泄壓過程。②泵車上儀器儀表應靈敏可靠，且能記錄進液量。

4 現場應用

2012年，塔里木油田碳酸鹽巖區域選擇性固井在5口井中使用了套管外封隔器，施工過程中出現井底溫度高、裸眼段長和井眼不規則嚴重等問題，為此根據上述解決措施制定施工方案?，F場作用表明，5口井全部固井成功，成功率達100%，說明上述施工方案是可行的，能夠在碳酸鹽巖選擇性固井中推廣應用。

［1］許國林，李博，王洪潮，等．?140型裸眼分段壓裂套管外封隔器的研制 ［J］．石油機械，2011，39（7）：54-58．

［2］Chow J H，Blount C G，Hilleary N，et al．Annular isolation of horizontal slotted liners with chemical external casing packers ［J］．SPE21643，2009．

［3］唐海雄，張俊斌，馮定，等 ．螺桿泵定子用氫化丁腈橡膠性能分析 ［J］．石油機械，2010，38（6）：81-83．

［4］甘慶明，楊承宗，黃偉，等 ．大斜度井井下工具通過能力分析 ［J］．石油礦場機械，2008，37（7）：59-61．