Premier封隔器異常原因剖析及對策

張永龍，曹宗波

（中國石化江漢石油工程有限公司井下測試公司，湖北 武漢430040）

引 言

塔河油田碳酸鹽巖油藏埋深5 400～6 900m，壓力系數(shù)1.08～1.12，地溫梯度2.2～2.4℃／100m，具有超深、高溫、高壓的特點(diǎn)，75%以上油氣井需要通過酸壓改造溝通井筒周圍縫洞儲集體后才能投產(chǎn)。S7井為西北局在塔中的一口探井，井深6 600m，井底壓力89.26MPa，井底溫度142.56℃，折算地層壓力系數(shù)達(dá)到1.38，地層破裂壓力梯度0.023 6MPa／m，整體反應(yīng)區(qū)域儲層巖石較致密。因此，選用耐溫177℃、耐壓70MPa的貝克Premier液壓封隔器進(jìn)行酸壓作業(yè)。酸壓過程中出現(xiàn)油套連通現(xiàn)象，為避免損壞套管頭與套管，控制套壓完成壓裂作業(yè)，未能達(dá)到溝通儲集體的目的。

1 Premier封隔器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

Premier封隔器（圖1）是貝克公司近年推廣使用的一款大通徑、高性能的液壓封隔器，該封隔器采用模塊化設(shè)計(jì)理念，具有操作簡單、施工成功率高、可靠性好等特點(diǎn)，廣泛用于高壓油氣井完井作業(yè)。

圖1 Premier封隔器結(jié)構(gòu)圖

Premier封隔器采用組合膠筒、雙向卡瓦的結(jié)構(gòu)，液壓坐封，外徑147.8mm、內(nèi)徑101.2mm、總長2.47m。其結(jié)構(gòu)主要由上接頭、中心管、上卡瓦、膠筒、下卡瓦、液壓缸、剪切環(huán)、下接頭組成，中心管外徑114.3mm，內(nèi)徑101.2mm。

1.2 工作原理

1.2.1 坐封

投球，油管內(nèi)打壓，液壓缸內(nèi)壓力升高至17MPa，剪斷剪切銷釘。活塞推動下卡瓦和膠筒上行，至膠筒膨脹坐封，并且上、下卡瓦張開至套管壁，完成坐封步驟。液缸具有止退機(jī)構(gòu)，防止封隔器松動。

1.2.2 解封

上提中心管，下接頭處剪切環(huán)被剪斷，中心管帶動上卡瓦上行，先使上卡瓦松動，繼續(xù)上行，完成膠筒與下卡瓦的解封動作。剪切環(huán)設(shè)計(jì)剪斷拉力為54t，考慮到該井管柱重量67.7t，則解封載荷達(dá)121.7t，接近油管抗拉極限，因此，將剪切環(huán)更換為剪斷拉力27t（說明：Premier封隔器原設(shè)計(jì)通徑101.2mm，配合41／2″油管，可使整個管柱通徑保持大通徑，解封環(huán)標(biāo)準(zhǔn)配置為12萬磅；為了適應(yīng)西部油田的使用工況，完井油管大部分為31／2″，引進(jìn)時將封隔器上下扣型改為了31／2″，考慮到解封時井口油管的抗拉強(qiáng)度解封環(huán)配置為6萬磅）。

2 S7井施工情況

2.1 管柱結(jié)構(gòu)

S7井為五級井身結(jié)構(gòu)，前期打水泥塞至6 600m，射孔井段6 547～6 555m、6 564～6 568m。塔河油田考慮油管強(qiáng)度、液體摩阻等因素，壓裂作業(yè)采用88.9mm＋73mm復(fù)合管柱進(jìn)行施工，為減少壓裂作業(yè)造成的溫度、鼓脹等效應(yīng)對管柱的影響，通常套管封隔器上部安裝水力錨。考慮Premier封隔器為雙卡瓦結(jié)構(gòu)，具有雙向錨定能力。因此，S7井壓裂管柱結(jié)構(gòu)為：喇叭口＋球座＋27／8″油管1根＋Premier封隔器＋伸縮管2根＋31／2″油管4 943m＋油管掛（圖2）。

圖2 S7井酸壓管柱結(jié)構(gòu)示意圖

下酸壓完井管柱到位后，投球，逐級正打壓至28 MPa坐封封隔器，泄壓至0MPa。環(huán)空打壓25MPa驗(yàn)封合格。之后正打壓試擠，最高泵壓45MPa（圖3）。

圖3 封隔器坐封壓力曲線

曲線中可以看出4處關(guān)鍵點(diǎn)：①打壓至28MPa坐封封隔器；②打壓至35MPa打落球座；③試擠至37 MPa壓力出現(xiàn)一次明顯跳動，并且對應(yīng)套壓出現(xiàn)波動；④試擠最高泵壓45MPa。

2.2 施工情況簡述

該井為探井，地層破裂壓力不明確。為了確定酸壓施工參數(shù)，進(jìn)行了地層破裂壓力測試（圖4）。曲線中可以看出5處關(guān)鍵點(diǎn)：①緩慢打油壓至20MPa，同時補(bǔ)套管平衡壓至15MPa后，啟泵測試，隨即出現(xiàn)油套連通現(xiàn)象；②－④過程中套壓持續(xù)上漲，為保護(hù)套管頭，不斷泄套壓至低于35MPa，但套壓上漲并未迅速追平油壓，而更接近滲漏特征；⑤油套壓差越小，套壓上漲越快。

油套泄壓后再次驗(yàn)封。環(huán)空打壓10MPa，油壓同步上漲，表現(xiàn)為油套連通；正打壓11MPa，套壓升至2MPa，停泵3分鐘后，油套壓平衡于4.7MPa，套壓對油壓變化反應(yīng)存在延遲，表現(xiàn)為滲漏。

起出酸壓管柱。上提管柱，無封隔器解封噸位顯示，判斷Premier封隔器提前解封。起出工具檢查，2根伸縮節(jié)全部拉開，并且地面壓力測試伸縮管密封完好；封隔器剪切環(huán)已正常剪斷；上卡瓦磨損嚴(yán)重，下卡瓦基本完好。

圖4 地層破裂壓力測試曲線

3 異常現(xiàn)象原因分析

根據(jù)管柱力學(xué)理論，對施工過程中封隔器、伸縮管、油管受力變化進(jìn)行分析。

伸縮管外徑114mm、內(nèi)徑60mm、耐溫177℃、耐壓70MPa、抗拉能力50t、2根伸縮距4m、銷釘剪切強(qiáng)度15t（圖5）。

圖5 伸縮管結(jié)構(gòu)圖

由于作業(yè)過程中，泵注排量與液量都很小，溫度效應(yīng)影響可忽略。Premier封隔器中心管外徑為114.6mm規(guī)格，上部油管為88.9mm規(guī)格（內(nèi)徑76mm），變扣接頭處產(chǎn)生5 775.37mm2面積差造成活塞效應(yīng)。因此，封隔器中心管及剪切環(huán)主要受此活塞效應(yīng)與油管鼓脹效應(yīng)產(chǎn)生的軸向力影響。伸縮管內(nèi)密封件同樣存在活塞作用影響，同時承受油管鼓脹變形影響。應(yīng)用管柱力學(xué)理論，對施工過程中管柱各部分受力及變形情況進(jìn)行分析：

1）活塞效應(yīng)。當(dāng)密封件上下壓力不同時，壓差作用在密封件上產(chǎn)生活塞效應(yīng)。

活塞效應(yīng)產(chǎn)生軸向力的數(shù)學(xué)模型為：

活塞力引起的油管彈性變形為：

式中：Ap－為封隔器密封腔的橫截面積，mm2；Ai－為油管內(nèi)截面積，mm2；Ao－為油管外截面積，mm2；Pi－為油管內(nèi)壓力，MPa；Po－為環(huán)空壓力，MPa；E－為油管彈性模量，MPa；△Pi－為封隔器處油管內(nèi)壓力變化，MPa；△Po－為封隔器處環(huán)空壓力變化，MPa；本次施工，活塞效應(yīng)作用有3處：封隔器中心管與上部油管尺寸差產(chǎn)生活塞效應(yīng)，作用在封隔器剪切環(huán)上；封隔器膠筒產(chǎn)生活塞效應(yīng)，作用在封隔器卡瓦上；伸縮管密封件產(chǎn)生活塞效應(yīng)，作用在伸縮管剪切銷釘上。

2）鼓脹效應(yīng)。當(dāng)油管所承受的內(nèi)壓高于外壓時，油管直徑變大、長度縮短；反之，外壓大于內(nèi)壓時，油管直徑減小、長度伸長。其數(shù)學(xué)模型為：受力變化：

式中：為泊松比；R為油管外徑與內(nèi)徑之比。

根據(jù)完井施工與地破試驗(yàn)時出現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)分析各部件受力狀態(tài)，現(xiàn)單獨(dú)計(jì)算油管鼓脹效應(yīng)與活塞效應(yīng)（表1）。

表1 油管受力計(jì)算結(jié)果

3.1 完井作業(yè)階段

完井作業(yè)階段，封隔器、伸縮管受各自活塞作用于油管鼓脹變形，影響計(jì)算結(jié)果（表2）。

完井作業(yè)階段，關(guān)鍵點(diǎn)③時刻，封隔器中心管受到的軸向力為26.32t（設(shè)計(jì)解封力為27t），伸縮管受拉力15.89t（設(shè)計(jì)打開拉力15t），實(shí)際受力均接近設(shè)計(jì)值，考慮剪切環(huán)與剪切銷釘加工誤差，不能準(zhǔn)確判斷哪個工具首先動作。

如果伸縮管首先打開，它的伸長1.31m補(bǔ)償油管鼓脹縮短產(chǎn)生的9.13t軸向力，則步驟③、④中，封隔器中心管只受活塞作用力，分別為17.19t、21.9t，不會解封。

若封隔器首先解封，卡瓦錨定失效，封隔器受軸向力作用向上移動，則步驟③、④中，伸縮管只承受活塞作用力，分別為7.4t、9.68t，不會打開。

由地破試驗(yàn)初期出現(xiàn)明顯油套連通現(xiàn)象判斷，認(rèn)為步驟③過程中，封隔器首先解封，導(dǎo)致油套壓出現(xiàn)劇烈波動。由于泵壓大于套壓，膠筒在下部壓力作用下，上頂上錐體撐開上卡瓦，上卡瓦緊貼套管內(nèi)壁向上滑動，并隨泵壓變化往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生劇烈磨損。此時膠筒在上卡瓦支撐下暫時保持脹大狀態(tài)，沒有立即表現(xiàn)出失封現(xiàn)象，而是滲漏狀態(tài)。

表2 完井作業(yè)階段井下工具受力計(jì)算結(jié)果

3.2 地破試驗(yàn)階段

地破試驗(yàn)階段，由于封隔器失封，油管軸向力得到釋放，封隔器卡瓦錨定失效，僅伸縮管剪切銷釘在泵壓作用下受自身活塞作用力（表3）。

表3 地破試驗(yàn)階段伸縮管受力計(jì)算結(jié)果

地破階段泵壓達(dá)到94MPa時，2根伸縮管僅受自身活塞作用影響，即可全部打開。

3.3 再次驗(yàn)封

反打壓時，下卡瓦不起作用，膠筒下部沒有支撐，無法承壓，因此油套連通明顯。

正打壓時，與地破施工時類似，膠筒上頂使上錐體撐開上卡瓦，膠筒得到支撐，起到節(jié)流作用，使套壓對油壓的響應(yīng)發(fā)生延遲。

4 技術(shù)對策

假設(shè)封隔器沒有失封，伸縮節(jié)受外界作用力17.34t（油管鼓脹效應(yīng)、封隔器坐封殘余拉力），折算油管縮短2.5m。即：2根伸縮管提供4m伸縮距足夠補(bǔ)償油管長度變化，伸縮管配置合理。

假設(shè)伸縮管首先打開，油管軸向長度變化將不會影響封隔器中心管。但僅考慮114.6mm中心管與上部88.9mm油管產(chǎn)生的活塞作用，油套壓差不宜超過40 MPa。為避免產(chǎn)生上述異常情況，應(yīng)采取以下措施：

1）上部油管采用4－1／2″規(guī)格，與 Premier封隔器中心管保持一致，消除面積差產(chǎn)生的活塞效應(yīng)。則封隔器中心管僅受油管鼓脹產(chǎn)生的拉伸作用，伸縮管打開拉力小于封隔器剪切環(huán)剪切拉力，能夠避免封隔器意外解封。

2）上部采用3－1／2″油管，管柱配置時需要考慮削減封隔器芯軸活塞面積對解封環(huán)的影響或?qū)π据S采取限位措施；可以采取在Premier封隔器上部增加水力錨，限制芯軸的位移，避免剪切環(huán)意外剪斷情況發(fā)生。在施工壓力預(yù)計(jì)不超過90Mpa的工況下，也可采取在封隔器下部增加一個油管錨，坐封封隔器之前，先坐封油管錨，對Premier封隔器施加10～15t的噸位，用于抵消部分活塞力。

5 結(jié)束語

西部油田碳酸鹽巖油藏具有超深、高溫、高壓的特點(diǎn)，高泵壓施工使井下工具工作環(huán)境更加惡劣，受力復(fù)雜。對于新引進(jìn)的封隔器，一定要確定其使用條件，不能單獨(dú)從封隔器本身出發(fā)考慮，對設(shè)計(jì)參數(shù)改動需要充分論證其可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)管柱時提前做好相應(yīng)的預(yù)防措施。對于類似S7井的工況，應(yīng)優(yōu)化井下管柱組合，適當(dāng)增加油管錨、水力錨等井下工具，提高管柱安全性，防止意外解封情況發(fā)生。

［1］張波，薛承瑾，周林波，等.遇水膨脹封隔器分段酸壓技術(shù)及應(yīng)用［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，35（02）：109－114.

［2］耿宇迪，張 燁，韓忠艷，等.塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏水平井酸壓技術(shù)［J］.新疆石油地質(zhì)，2011，32（01）：89－91.

［3］江夏，張燁.塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏深度改造技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2010，17（06）：107－110.

［4］馬衛(wèi)榮，裴付林，張波.塔河油田酸壓工藝管柱研究［J］.新疆石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16（03）：48－52.

［5］李子甲.塔河油田分層酸壓、采油管柱技術(shù)［J］.新疆石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，13（04）：27－29.

［6］竇益華，張福祥.高溫高壓深井試油井下管柱力學(xué)分析及其應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2007，30（05）：17－20.