新型封隔式尾管懸掛器的研制及應用

劉國祥郭朝輝孫文俊趙德利初永濤萬 斌

（1.中國石化石油工程技術研究院德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253000；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100029；3.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司，四川成都 610016）

新型封隔式尾管懸掛器的研制及應用

劉國祥1郭朝輝1孫文俊1趙德利1初永濤2萬 斌3

（1.中國石化石油工程技術研究院德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253000；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100029；3.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司，四川成都 610016）

為適應元壩地區高溫高、高壓、高含硫等，以及高固相井況條件，解決環空氣竄問題，研發了新型封隔式尾管懸掛器。封隔器單元采用單膠筒結構，保證了工具的安全可靠性。防退卡瓦結合內部防退卡簧結構設計，有效減小了膠筒脹封后的回彈間隙，保證了封隔器的封隔能力。現場4口井的應用效果分析表明，該工具使用安全性及使用效果，總體上達到了設計要求，初步解決了元壩氣田環空氣竄難題。

環空氣竄；內嵌卡瓦；封隔式尾管懸掛器；脹封

元壩地區海相主力氣藏位于飛仙關和長興組，以裂縫型、孔隙型和溶洞型為主［1］，具有高溫、高壓、高含硫等特點，防氣竄難度大，四開油層套管氣竄及環空帶壓問題，一直未能得到有效解決。目前國內現有的封隔式尾管懸掛器，在施工作業安全性以及環空密封能力方面，均難以滿足該地區復雜的井況條件。為此，專門對封隔器及坐掛機構進行重新設計，研制出單膠筒內嵌卡瓦封隔式尾管懸掛器。該工具具有密封壓力高、坐掛能力強、井下工作安全性高等優點，成功在元壩地區進行推廣應用。

1 元壩氣田四開尾管固井存在的難點

（1）氣層活躍，封固效果較差，氣竄風險較大。本開次固井由于地層壓力體系復雜，壓力窗口狹窄，地層壓力當量密度較高，鉆井液密度超過1.9~2.2 g/ cm3。單次封固小間隙裸眼段較長，部分井還存在鹽膏層與低壓漏失層同層［2］，頂替效率較低，固井質量難以保證。另外，固井后水泥環薄，在射孔和壓裂等后期地層改造作業時，容易發生脆性破碎，導致水泥環密封能力受到破壞甚至喪失［3-5］。

（2）井況條件復雜，套管下入困難。目前元壩海相井，多采用定向井結構，造斜半徑小、井眼曲率大，?206.4 mm無接箍套管穿過造斜段困難，斜井段易黏卡。5 322~6 204 m為膏巖及膏巖和灰巖互層段，易出現縮徑現象，套管下入難度大。

（3）對工具性能要求高，現有工具無法滿足要求。本開次完鉆井深6 500 m左右，尾管長1 800 m、浮重850 kN，對懸掛器懸掛能力要求較高。鉆井液密度大，固相含量高，套管壁濾餅厚，對封隔器下入影響較大，封隔器在濾餅阻力作用下，容易提前脹封。井底溫度高達145 ℃左右，對懸掛器及附件橡膠密封組件耐溫性能要求高。氣層壓力高，要求封隔器密封能力不低于70 MPa。

2 新型封隔式尾管懸掛器技術分析

針對以上技術難點，結合元壩地區特殊的井況條件，專門研發單膠筒內嵌卡瓦封隔式尾管懸掛器。在固井替漿結束后，脹封頂部封隔器，有效封隔重疊段環空，達到防止環空氣竄目的。

2.1 工作原理

2.1.1 懸掛器坐掛原理 采用投球憋壓的方式實現坐掛。當球到達球座后憋壓，壓力通過懸掛器本體上的傳壓孔傳到液缸內，液缸剪釘剪斷，液缸推動卡瓦支撐套，并帶動卡瓦沿錐套斜面上行，卡瓦脹開，楔入懸掛器錐體和上層套管之間的環狀間隙里實現坐掛。2.1.2 封隔器工作原理 采用機械方式進行封隔器漲封。固井作業結束后，緩慢上提送入工具，脹封擋塊提出回接筒，擋塊在彈簧作用下張開，下放鉆具，脹封擋塊壓在回接筒上端。繼續下放鉆具，鉆具重量通過脹封擋塊傳至回接筒，再傳至鎖緊錐套，剪斷銷釘后擠壓封隔器膠筒，封隔器膠筒在外力下擠壓變形，使膨脹套筒與外層膠筒外徑增大，封隔本體與外層套管之間的環狀間隙，繼續下壓，防退卡瓦剪釘剪斷，卡瓦沿卡瓦錐體上行，與上層套管內壁接觸，行程坐掛，形成自鎖［6］。

2.2 工具結構

該工具主要由封隔器單元、懸掛器單元2部分組成，如圖1。

圖1 新型封隔式尾管懸掛器結構

封隔器單元：封隔器摒棄常規三膠筒及金屬骨架結構，采用單膠筒結構設計，并帶有防止軸向竄動的防退卡瓦。主要由本體、剪釘、鎖緊套、卡簧、卡瓦、膠筒等組成。

懸掛器單元：采用內嵌卡瓦式設計，由本體、上接頭、錐套、卡瓦、液缸、剪釘、扶正環等組成。

2.3 技術優點

（1）封隔器采用單膠筒結構，技術優勢明顯，大大提高井下適用性與施工安全性。兩端設計可膨脹式防凸結構，保護性好，可有效避免下入過程中提前漲封風險，適合高密度鉆井液環境。封隔器表面無臺階，抗沖蝕能力強，可解決大排量循環條件下封隔器提前漲封的問題。防退卡瓦與雙面卡簧雙重鎖緊機構，既可以減小封隔器的坐封回彈，也能防止封隔器的軸向竄動，提高了封隔器的坐封穩定性，保證了封隔器的密封效果與密封能力。采用特殊密封組件，最高密封能力可達70 MPa。

（2）懸掛器單元采用內嵌卡瓦結構，坐掛能力更強，環空過流面積更大［7-8］。采用6片內嵌卡瓦結構，增大卡瓦受力面，懸掛能力較常規懸掛器提高25%；利用卡瓦兩側面承載，坐掛后卡瓦被錐套托起，與尾管懸掛器芯體形成內過流通道，顯著提高了坐掛后環空過流面積，懸掛器坐掛后環空過流面積較常規懸掛器增加34%，對懸掛尾管長井下易漏等復雜井況有較強的適應能力。

2.4 性能參數

新型封隔式尾管懸掛器主要性能參數見表1。

表1 新型懸掛器性能參數

3 現場應用及評價

目前，新型封隔式尾管懸掛器在元壩27-3H、元壩29-1、元壩10-1H、元壩272-1H進行推廣使用。從實際使用情況來看，該工具在元壩地區應用過程中，工具使用安全性及使用效果總體達到了設計要求。

3.1 工具復雜井況適應性評價

4口井施工情況見表2，封隔器在下入及固井施工過程中一切正常，未發生提前脹封。說明采用單膠筒結構，結合膠筒兩端防凸裝置，可以有效避免由于濾餅堆積阻塞，以及循環過程中沉沙沖蝕造成的提前脹封事故，有效地降低了作業風險。工具在高固相、厚濾餅井筒條件下，具有更好的安全性。

表2 現場施工情況統計

3.2 封隔器密封效果評價

為了更好地評價封隔器封隔效果，對尾管掃塞、全井筒降密度及五開作業過程中的后效情況進行跟蹤，具體見表3。在固井質量普遍偏差的情況下，后續施工無后效顯示，說明封隔器密封效果良好，初步達到設計要求。防退卡瓦結合內部防退卡簧結構，有效地減小了膠筒脹封后的回彈間隙，從而保證封隔器的封隔能力。

表3 后效情況統計

3.3 環空循環壓降變化

表4為新型封隔式懸掛器與常規懸掛器循環情況統計，從對比數據可以看出，相比于常規懸掛器，在懸掛器位置，環空壓降略微增大，循環排量略有減小，給該井段施工帶來漏失風險，對固井頂替效率會有一定影響。

表4 循環壓力統計

新型封隔式尾管懸掛器雖然采用內嵌卡瓦結構，卡瓦位置環空過流面積得到大幅提高，但由于需要通過回接筒加載載荷，脹封封隔器，相比于常規懸掛器，回接筒厚度有所增加，環空間隙偏小。另一方面，為了保證丟手倒扣的安全性，回接筒設計加長，也會對環空過流通道的帶來影響。

3.4 對固井質量的影響

通過對元壩地區封隔式懸掛器及常規尾管固井封固效果統計可以看出（見表5），相較于常規尾管，固井質量略有降低，水泥界面膠接優良率偏低。目前國內外針對頂部封隔器對固井質量影響的研究較少，其影響效果到底多大，難以形成明確的結論。如何解決封隔器脹封后，環空加壓困難問題，成為下一步研究方向。

表5 固井質量統計

4 結論及建議

（1）新型封隔式尾管懸掛器采用單膠筒結構，提高了抗沖蝕能力，減小了高固相、厚濾餅對膠筒的不良影響，現場使用效果良好，解決了封隔器在下入及循環過程中提前脹封的風險。封隔器單元采用防退卡瓦結合防退卡簧設計，形成多重防退機構，封隔器密封能力明顯提高，現場使用封固效果達到設計要求，有效緩解了元壩地區環空帶壓難題。

（2）通過現場實際使用效果統計可看出，由于封隔器的存在，回接筒加長、加厚，嚴重影響了環空通道，尤其是回接筒位置，造成過流通道的減小，從而增大了循環阻力，造成了井漏風險及施工安全風險。封隔器脹封后，環空形成密閉空間，水泥漿稠化失重過程中缺少壓力補充，對封固質量會有一定影響。

（3）建議回接筒部分采用高鋼級材質在保證相關機械強度的前提下，減小外徑，增大過流面積，提高循環排量，降低循環壓耗，有效提高替漿頂替效率，降低漏失風險。

（4）建議設計開發滑套式剪切碰壓座，碰壓結束，封隔器脹封后，實現管內可持續憋壓，對水泥液柱施加一定壓力補充，提高水泥漿封固效果，提高封固質量。

（5）建議對橡膠材料進行優選，進一步提高膠筒耐酸、抗硫、抗高溫性能以及抗沖蝕能力，保證膠筒井下復雜條件下的密封效果，增加橡膠井下正常作用時效，提高氣井安全生產周期。

［1］王正和，鄧建，譚欽銀，等.元壩地區長興組典型沉積相及各相帶物性特征［J］.礦物巖石，2012，32（2）：82-96.

［2］牛新明，張克堅，丁士東，等.川東北地區高壓防氣竄固井技術［J］.石油鉆探技術，2008，36（3）：10-15.

［3］李真祥，王瑞和，高航獻.元壩地區超深探井復雜地層固井難點及對策［J］.石油鉆探技術，2010，38（1）：20-25.

［4］高航獻.元壩地區復雜尾管固井難點與對策［J］.天然氣技術，2010，4（4）：27-30.

［5］陳濟鋒，李根生，萬立夫.川東北地區鉆井難點及對策［J］.石油鉆探技術，2009，37（ 6）：48-52.

［6］馬蘭榮，郭朝輝，姜向東，等.新型封隔式尾管懸掛器的開發與應用［J］.石油鉆探技術，2006，34（5）：54-56.

［7］阮臣良，馬蘭榮，姜向東，等.內嵌卡瓦尾管懸掛器的優勢與現場應用分析［J］.鉆采工藝，2013，36（2）：84-86.

［8］阮臣良，馮麗瑩，張金法，等.內嵌卡瓦尾管懸掛器的研制與應用［J］.石油機械，2012，40（8）：18-23.

（修改稿收到日期 2014-07-14）

〔編輯 付麗霞〕

Development and application of new isolated liner hanger

LIU Guoxiang1,GUO Zhaohui1,SUN Wenjun1,ZHAO Deli1,CHU Yongtao2,WAN Bin3
（1.Continental Shelf Petroleum Engineering Technology Co.,Ltd.,SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Dezhou25300,China;2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing, 100029,China;3.Southwest Oil &Gas Branch Company of SINOPEC,Chengdu610016,China）

In order to adapt to high temperature,high pressure,high sulfur content and high solid wellbore conditions in Yuanba region,a new isolated liner hanger was developed to solve the gas channeling problem of hollow ring.The packer unit uses single-barrel structure,which ensures safety and reliability of the tool.The retrieve-proof slip is designed along with the internal retrieve-proof spring structure,which effectively reduces the rebound clearance after expansion of the barrel and ensures the isolation capacity of the packer.Application of the tool in four wells shows that this tool satisfies the design requirement in terms of safety and effectiveness and solves the problem of gas channeling in annulus in Yuanba Gas Field.

gas channeling;built-in slip;isolated liner hanger;expansion sealing

劉國祥，郭朝輝，孫文俊，等.新型封隔式尾管懸掛器的研制及應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：120-123.

TE931.1

：B

1000–7393（2014） 05–0120–04

10.13639/j.odpt.2014.05.030

劉國祥，1980年生。2004年畢業于石油大學（華東）石油工程系，2013年獲得中國石油大學（北京）石油與天然氣專業碩士學位。電話：18605349830。E-mail：lgx@shelfoil.com。