碳酸鹽巖選擇性固井管外封隔器失效原因探討

李早元胡光輝劉 健張茹紅鄭 凱郭小陽

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室· 西南石油大學，四川成都 610500； 2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

碳酸鹽巖選擇性固井管外封隔器失效原因探討

李早元1胡光輝1劉 健1張茹紅2鄭 凱1郭小陽1

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室· 西南石油大學，四川成都 610500； 2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

采用選擇性固井工藝開發碳酸鹽巖油氣藏，能滿足儲層多段改造和油田后期增產開發需求。管外封隔器（ECP）是選擇性固井應用中的關鍵工具，針對選擇性固井實踐中ECP失效問題進行了研究，對井底溫度、下入過程影響因素、漲封位置井徑及管串結構等方面進行了分析，結果表明導致ECP失效的主要原因分別是井底溫度過高導致橡膠撕裂強度降低，井眼曲率過大影響工具順利下入，通井措施不到位加劇下入過程中摩阻，漲封位置井徑過大降低承壓能力以及管串結構不合理對ECP起不到有效的保護作用等。針對上述失效原因，制定了對應的技術措施：實際最高工作溫度設定為額定工作溫度乘以安全系數，采用有效的技術措施控制井眼曲率，利用西瓜銑進行模擬通井，合理選擇漲封位置井徑以及在ECP兩端連接裝有扶正器的短套管等。這些措施對減少ECP施工失效、提高選擇性固井施工成功率具有指導意義。

選擇性固井；管外封隔器；失效原因；預防措施

碳酸鹽巖具有多重孔縫、非均質性、成藏復雜等特點，水平井是提高碳酸鹽巖儲層單井產能的重要手段。為了最大限度增大儲層滲流面積，提高單井產量，在深、超深碳酸巖儲層進行了水平井選擇性固井實踐。選擇性固井采用管外封隔器、分級箍等各種井下工具，將地層有目的地分成若干段，通過特殊工藝技術，對多層系油氣藏實現只固上覆蓋層不固油氣層的目的。既可防止水泥漿對儲層的傷害，又可實現層間封隔，從而為完井后實施分段改造、開發動態監測、修井找水堵水等作業留下工作通道。同時，這種特殊工藝也可在建井過程中根據工程需要，有針對性地封固水層或漏失層，防止高壓油氣水竄，減少漏失，節約鉆井成本，提高固井質量，延長油井壽命［1-3］。但我國碳酸鹽巖儲層一般埋藏較深，管外封隔器（ECP）在下入及漲封過程中常因各種原因造成膠筒破損而導致環空封隔失效的工程事故。冉小豐等［4］認為造成超深水平井ECP失效的影響因素是井底溫度過高、井眼曲率過大、井眼不規則等。本文不僅詳細分析了上述因素造成ECP失效的影響機理，而且從漲封位置、管串結構設計等方面對此類特殊工藝中ECP失效原因做進一步的探討。

1 管外封隔器結構及工作原理

1.1 結構

ECP主要由接箍、中心管、密封箍、橡膠筒等組成，可直接與套管串連接。橡膠筒是一種可承受高壓的可膨脹密封元件，由軟金屬片疊加成的加強層與橡膠硫化而成。

1.2 工作原理

根據井身結構要求將其下入所需層位，準確到位后開泵并小排量憋壓，壓力達到ECP的進液壓力時進液閥的銷釘被剪斷，高壓液體推動進液閥壓縮彈簧，經進液閥、單流閥和限壓閥進入膠筒的膨脹腔內（圖1第1、2步）。在壓力作用下，膠筒膨脹變形并與井壁緊密接觸形成密封，封閉和分隔環形空間。當橡膠體膨脹腔內的壓力達到ECP限壓閥安全銷釘的剪斷壓力時，限壓閥的銷釘將被剪斷，限壓閥關閉；井口放壓后，單流閥、進液閥在彈簧的作用力下關閉進液通道，形成永久密封（圖1第3、4步）。此時，套管內壓力的變化不會對ECP膠筒膨脹腔產生影響，膠筒外表面與井壁緊密接觸，對井壁施加足夠大的徑向壓力，從而對封隔段實現有效封隔。

2 管外封隔器失效原因探討及應對措施

通過對ECP失效原因進行現場調研和理論分析研究，發現ECP失效影響因素主要有井底溫度、管外封隔器下入過程、漲封位置井徑及管外結構設計等。

2.1 溫度的影響及應對措施

目前，國內外ECP的最高額定耐溫值為150 ℃。橡膠是一種彈性模量低、黏彈性高的材料，高溫條件下易老化，撕裂強度降低［5］。ECP伴隨套管串入井過程中，若漲封位置的井底溫度高于ECP橡膠筒額定耐溫值，則會降低橡膠筒的撕裂強度。在通過裸眼井段并與不規則井壁刮擦后，ECP橡膠材料極易因承壓能力降低發生局部破損，并因此導致環空封隔失效。

圖1 管外封隔器閥組工作原理

為了提高施工成功率，ECP的額定工作溫度應大于井底溫度。高溫會破壞閥組密封件，并且加速橡膠變性軟化，降低其耐磨性，建議在額定工作溫度乘以一定的安全系數（推薦≤80%）作為實際最高工作溫度。

2.2 下入過程中的影響因素及應對措施

2.2.1 井眼曲率的影響及應對措施 在井眼曲率大的井段，井身曲率半徑較小，套管串下入過程中可能會出現阻卡現象。另外，由套管串的結構可知，ECP的外徑大于連接于其上下套管的外徑，進一步縮小了套管串彎曲的有效半徑，增大了ECP下入過程中遇阻的可能性（圖2）；當ECP通過井眼曲率較大的井段時，套管串將發生彎曲，使套管串在井眼中發生偏心甚至緊貼井壁，增大了ECP膠筒與井壁之間的側向力和接觸面，使ECP在上提下放解阻的過程中容易發生刮擦失效。

圖2 管外封隔器通過彎曲井段曲率半徑變化

在計算井眼軌跡曲率半徑的基礎上，結合管柱和井眼的幾何關系，可以得到大斜度井井下工具能通過的最大長度計算公式［6］

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ECP最大外徑，m；L為封隔器最大允許通過長度，m。

利用上述公式計算了現場應用較多的2種井眼與ECP的尺寸組合在不同井眼曲率井段允許通過的膠筒最大長度，計算結果見表1。

表1 不同井眼曲率時允許通過管外封隔器膠筒的最大長度

目前，現場應用較多的ECP膠筒長度在3 m左右。結合表1計算結果可知，井眼曲率在15（°）/25 m以內時，其允許通過的膠筒最大長度接近于3 m，因此，要求在鉆井過程中盡量保證井眼軌跡平滑，且在造斜段的井眼曲率應控制在15（°）/ 25 m以內，以保證ECP順利安全下入到井底。

2.2.2 井眼形狀的影響及應對措施 在鉆井過程中，若擴劃眼、短起下不及時，易造成井壁不光滑、不平整；在造斜率較大的井段，方位和井斜同時改變，會形成三維螺旋形井眼、臺階和鍵槽，另外，巖屑易在大斜度井段和水平井段的下井壁沉積，形成巖屑床，減小ECP通過的有效截面。套管在下放的過程中井眼準備不充分，則會加劇ECP在下放過程中的磨損失效。

工序原則上要求模擬管串不能劃眼轉動，因為ECP入井后不能轉動。若遇阻應以活動鉆具（提、放）為主，并本著由易到難的原則，下一次通井在上一次通井無阻卡情況下進行，鉆具下到井底后必須打稠塞充分循環，清潔井眼。模擬通井措施：第1次模擬通井用原鉆具通井；第2次模擬通井用雙西瓜銑通井，其通井鉆具組合為鉆頭+下西瓜銑+1根加重鉆桿+上西瓜銑+加重鉆桿；第3次模擬通井用三西瓜銑通井，其通井鉆具組合為鉆頭+下西瓜銑+1根加重鉆桿+中西瓜銑+1根加重鉆桿+上西瓜銑+加重鉆桿。

2.3 漲封位置井徑的影響及應對措施

ECP的型號選定之后，其承受環空壓差能力與漲封位置井徑大小有關，且在一定的漲封范圍內，承受環空壓差能力隨漲封井徑的擴大而降低。按照井徑擴大率分別為5%、10%、15%、20%、25%等5個等級，對ECP承壓值進行計算分析，結果見表2。從表中可知，在?215.9 mm井眼中下入?177.8 mmECP，當漲封位置井眼擴大率達到25%時，其承壓值僅為設計值的50%。另外，ECP在漲封位置發生偏心出現寬窄環空間隙，相當于在一定程度上增大了漲封位置井徑，進一步降低了ECP的承壓值。若在ECP封隔位置的下部地層存在漏失，或施工造成ECP上部與下部壓差過大的情況下，容易因壓差過大而導致ECP失效。

ECP漲封位置地層巖性要求穩定、致密、強度高，因此，合理選擇漲封位置，可提高環空封隔承壓值。在確定下入ECP的井段進行測井，依據井徑測量結果及管外封隔器在不同井徑下的承壓值，計算ECP在漲封位置的承壓值。同時，應考慮管串偏心對承壓值降低的影響，要求理論計算值大于施工過程中可能遇到的最大壓差，進而保證作業施工的安全。

表2 不同尺寸配合的管外封隔器在不同井徑擴大率下的承壓值

2.4 管串結構的影響及應對措施

套管串在水平井中要通過彎曲井段并下至預定井深，在下入的過程中，由于重力作用、井身結構、井眼情況、套管串的剛度和施工操作等因素的影響，ECP在下放的過程中會出現一定程度的偏心甚至是緊貼井壁的情況。在為了在套管下入過程中保護ECP，減少其磨損量，推薦使用管串結構為：短套管（3 m左右+剛性扶正器）+ECP+短套管（3 m左右+剛性扶正器）的管串結構（圖3）。

圖3 管串結構圖

采用該套管串結構，主要可以起到以下作用：（1）由于套管較短，可以起到縮小扶正器在ECP兩端活動的范圍；（2）提高ECP局部套管串的剛度，在剛性扶正器的保護下，可以減少其與井壁接觸的幾率。

3 結論

（1）為了提高施工成功率，應根據不同的施工需求，對不同廠家的ECP進行優選，篩選出最符合井下施工條件、完井方式和開采工藝需求的ECP。

（2）研究發現，影響ECP失效的主要原因分別為井底溫度過高，井眼曲率過大，通井措施不到位，漲封位置井徑太大以及管串結構設計不合理等。

（3）將ECP順利下到預定位置，是整個工藝技術成功與否的關鍵。將額定工作溫度乘以一定的安全系數，采用有效的技術措施控制井眼曲率，嚴格執行西瓜銑模擬通井措施，合理選擇漲封位置井徑以及使用ECP兩端連接安裝扶正器的短套管的管串結構等，是保證施工成功的重要環節。

［1］宋顯民，張立民，李良川，等.水平井和側鉆水平井篩管頂部注水泥完井技術［J］.石油學報，2007，28（1）：119-126.

［2］王益山，周俊然，劉合林，等.選擇性完井技術在任平6井的應用［J］.石油鉆采工藝，2009，31（6）：61-63.

［3］孔濤，趙建新，張宏軍，等.ECP在完井固井工藝中的應用與分析［J］.石油鉆采工藝，2010，32（5）：48-52.

［4］冉小豐，王越之，彭小剛.超深水平井管外封隔器失效機理探討及解決對策［J］.長江大學學報，2013，10（8）：104-106.

［5］呂仁國，李同生，劉旭軍.橡膠摩擦磨損特性的研究進展［J］.高分子材料科學與工程，2002，18（5）：12-15.

［6］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.

（修改稿收到日期 2013-12-28）

〔編輯 朱 偉〕

Discussion on failure cause of the external casing packer in carbonate selective cementing technology

LI Zaoyuan1,HU Guanghui1,LIU Jian1,ZHANG Ruhong2,ZHENG Kai1,GUO Xiaoyang1
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China;2.PetroChina Tarim Oilfield Company,Kurle841000,China)

Selective cementing technology has been used to exploit the carbonate reservoir,which has satisfied the needs of multistage reform and later stimulation of reservoir.External Casing Packer (ECP),which is the key tool to selective cementing technology,is discussed in this paper to explore its main failure causes during the selective cementing operation.Analysis of the bottom hole temperature,running-in influencing factors,sealing position diameter and pipe string structure shows that rubber tear strength reduced by higher bottom temperature,unsmooth running-in influenced by oversized hole curvature,intensified friction during running-in induced by incompetent drifting measure,loading capacity reduced by oversized sealing position diameter and unreasonable pipe string structures,and non-effective protection to the ECP are the main causes of the ECP failure.According to the failure causes above,corresponding technical measures have been established:the actual maximum operating temperature is rated operating temperature multiplying by a safety factor;using the effective technical measures to control the borehole curvature;simulating drifting with the watermelon mill;choosing the rational borehole diameter of the sealing up position and connecting short casing fitted with centralizer at both ends in the ECP.These measures are significant for reducing the possibility of ECP failure and improving the safety reliability of selective cementing technology.

selective cementing;ECP;failure causes;preventive measures

李早元，胡光輝，劉健，等.碳酸鹽巖選擇性固井管外封隔器失效原因探討［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：100-103.

TE256

：B

1000-7393（2014）01-0100-04

10.13639/j.odpt.2014.01.027

李早元，1976年生。主要從事固井完井工程的教學和科研工作，碩士生導師，副教授。E-mail：swpilzy@swpu.edu.cn。通訊作者：郭小陽，主要從事油井固井完井工程及材料體系研究，博士生導師，教授。E-mail：guoxiaoyangswpi@126.com。