基于新型封隔式回接裝置的尾管回接關鍵技術

孫澤秋 代紅濤 魏 釗 丁玲玲 覃 毅

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 253005；2.中國石化華北石油工程有限公司井下作業分公司, 河南 鄭州 450042；3.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司, 河北 任丘 062552

0 前言

“三高”油氣井因特殊的地層條件,環空極易發生氣竄[1-3]。常規尾管懸掛與回接固井工藝方式不能有效地解決固井后環空氣竄的難題,甚至會造成井口帶壓,帶來嚴重的井控問題,而常規尾管回接工具不具備封隔環空的功能[4-6]。國內外防氣竄技術大都采用防氣竄水泥漿體系,雖取得了一些成果,但未能徹底解決尾管固井存在的氣竄問題[7]。鑒于此,本文提出在回接裝置中設計封隔器,通過封隔器實現環空封隔,保證回接固井的固井質量。國內對帶有封隔器的回接裝置已有研究,但大都局限于工具本身的結構設計研究,與回接工藝的結合較少,尾管回接工藝技術研究不夠透徹[8-10]。本文在研究帶有封隔器及防退機構回接裝置的同時,著重研究尾管回接工藝,并對影響回接效果的三個關鍵點：回接筒磨銑修復、多級壓力控制、精確調整回縮距進行集中研究分析,為提高固井質量、防止環空氣竄提供一種新的技術手段。

1 新型封隔式回接裝置的結構設計

為了解決“三高”油氣井氣竄問題,新型封隔式回接裝置的主要設計原則就是在常規回接插頭的基礎上,增加一套封隔器機構,并結合現場實際進行優化，適應現場的機構設計。新型封隔式回接裝置主要由封隔器膠筒、防退機構、密封組件、防提前坐封機構及導向頭組成,見圖1。防退機構由反向卡瓦組成,卡瓦會沿著錐體坐掛到上層套管內壁上[11-12]。防提前坐封機構主要由彈簧套組成,下放管柱的過程中即便發生遇阻,作用力不會直接作用到封隔器上,大大降低了封隔器提前坐封的風險。密封組件由多組密封圈組成,相互之間獨立密封。導向頭利用可鉆材料,在插頭插入回接筒時起到導向作用。

圖1 新型封隔式回接裝置結構圖

回接固井碰壓結束后,首先將封隔式回接插頭插入到尾管懸掛器的回接筒中,在密封組件的作用下,回接筒內外實現阻隔。繼續下放管柱直至遇阻,此時封隔式回接插頭上的防提前坐封機構接觸回接筒頂部,通過下壓噸位剪斷剪釘,此時下壓噸位直接作用到封隔器的錐套上。繼續下壓剪斷封隔器坐封剪釘,膠筒開始在外力的作用下發生擠壓變形,作用在上層套管內壁上,將外環空封隔。繼續下壓噸位,剪斷防退機構的剪釘,防退卡瓦坐掛到上層套管內。在封隔器坐封及防退卡瓦動作的全過程,封隔器內置防退卡簧,用于實現永久坐封[13-14]。

2 防氣竄尾管回接工藝

結合“三高”油氣井防氣竄固井的實際情況,利用新型封隔式回接插頭、銑鞋、節流浮箍、固井膠塞等固井工具[15],制定了一套可行性強的防氣竄尾管回接工藝。

2.1 磨銑回接筒作業

通過下入與回接筒尺寸相匹配的專用銑鞋,在回接筒內部開泵旋轉清掃,清理回接筒內部水泥殘渣及毛刺,防止回接插頭插入時劃傷密封組件[16]。在清理結束后,銑鞋下至回接筒底部,下壓30～100 kN(根據不同規格的回接插頭,確定下壓噸位),磨銑5 min,旨在讓銑鞋斜肋在回接筒底部(也即懸掛器密封外殼頂端)磨出一道痕跡,用于判斷是否磨銑到回接筒底部。

2.2 回接管柱下入

圖2 封隔式回接裝置入井圖

2.3 試插探底、檢驗密封

2.4 調長、循環固井

根據試插探底深度,調整芯軸懸掛器以下回接管柱的長度。泄壓,上提管柱至回接插頭位于回接筒以上 1 m 左右位置,大排量循環,達到固井設計施工要求,按照固井設計進行固井施工作業。

2.5 坐封封隔器

緩慢下放管柱,將回接插頭插入回接筒內,剛進回接筒時會有一定的阻力,繼續下放使回接插頭完全插入回接筒,下壓100～120 kN,剪斷防提前坐封機構剪釘；下壓至150～180 kN,剪斷封隔器剪釘,封隔器膠筒開始漲封；繼續下壓至300～500 kN,剪斷防退機構剪釘,防退卡瓦張開,封隔器完全漲封[18]。

2.6 坐掛芯軸式懸掛器

將芯軸式懸掛器坐在套管頭上,承受上部套管足夠的懸重,形成有效的密封。

2.7 候凝

泄壓放回水,若斷流,候凝時間不小于28 h；若有回流,則關閉旋塞,憋壓候凝。

3 關鍵技術研究

3.1 回接筒磨銑到位技術研究

井內回接筒的完好度直接決定回接插頭的密封效果,因此銑鞋磨銑回接筒是整個尾管回接中至關重要的環節[19]。

為了確保專用銑鞋插入回接筒進行徹底修復,首先保證銑鞋順利插入回接筒并到達筒底。在同一趟鉆具組合的前提下,通過校核磨銑時回接筒頂部位置與尾管懸掛器丟手下放至遇阻時的位置,來判定銑鞋是否插入回接筒底部。

銑鞋插入回接筒內部進行旋轉修復,轉速控制在40～50 r/min,排量根據鉆具規格來定,一般為0.8～1.5 m3/min。銑鞋進入回接筒清刮筒內的水泥殘留和毛刺,持續下放至筒底,達到懸掛器密封外殼頂端臺階遇阻。通過觀察磨銑后銑鞋斜肋處是否有一道明顯磨痕,并且磨痕外徑等于懸掛器密封外殼頂端內徑,直肋上是否有明顯的周向磨痕,來判定回接筒的井內狀態是否正常,見圖3。

圖3 專用銑鞋磨銑后的實物圖

3.2 封隔式回接裝置的多級壓力控制

在設計方面,多級壓力體系通過設置不同的壓力值,實現多種機械功能。封隔式回接裝置的多級壓力體系就是利用防提前坐封機構(壓力值為p1)、封隔器坐封(壓力值為p2)、防退機構(壓力值為p3)的三級剪釘來實現的,因此剪釘是否可靠直接關系到多級壓力系統的功能能否實現。

剪釘一般采用銅棒坯料,經過車銑打磨,制作成單個剪釘。為了掌握銅銷釘的實際剪切值,利用液壓萬能試驗機測試剪釘剪切,見圖4。

圖4 液壓萬能試驗機測試剪釘剪切值

對出自同一銅棒的同尺寸剪釘進行抽檢,得到同組剪釘的不同屈服強度值σi。去掉屈服強度值中的最大值和最小值,對其它值進行求解平均值處理,確定該批剪釘的屈服強度值σ。

剪釘剪切值的計算公式：

(1)

式中：F為剪釘剪切值,kN；D為剪釘的直徑,mm；σ為剪釘的屈服強度,MPa。

3.3 調長回縮距的精確計算

回縮距能否準確計算直接關系到施工的成敗。心軸懸掛器以下套管過長,則芯軸懸掛器無法坐掛；芯軸懸掛器以下套管過短,則下壓噸位不夠,封隔器無法完全漲封,甚至造成插頭無法插入回接筒[20]。

調長回縮距由下壓力產生的回縮距(L1)、固井前后浮力差作用下的管串收縮長度(L2)、封隔器坐封行程(L3)組成。

下壓力產生的回縮距計算公式：

(2)

式中:L1為下壓力產生的回縮距,m；K為接頭影響系數,一般取0.85～0.95,無量綱；E為鋼材彈性系數,2.059×105 MPa；F為回接套管管體截面積,cm2；W為插頭下壓力,kN；L為回接套管長度,m。

固井前后浮力變化的計算：

(3)

式中:ΔW為固井后浮力差,kN；ρ1為水泥漿密度,g/cm3；ρ2為泥漿密度,g/cm3；ρ3為重泥漿密度,g/cm3；D為回接套管外徑,cm；H為封固段長度,m；V為重泥漿體積,m3。

固井前后浮力差作用下的管串收縮長度L2：

(4)

式中:L2為固井前后浮力差作用下的管串收縮長度,m；g為重力加速度,9.8 m/s2。

4 現場應用

元壩X井是中石化西南分公司部署的一口陸相開發井,該井三開完鉆井深5 082 m,泥漿比重2.18 g/cm3,先期采用Ф 273 mm×Ф 193.7 mm尾管固井工藝,固井后發生氣竄,氣竄對后續完井帶來嚴重影響,采用 Ф 193.7 mm 新型封隔式回接裝置將套管回接至井口。

按照回接工藝要求,完成掃塞和刮管操作,下入 Ф 202 mm 專用銑鞋對回接筒內表面的毛刺和水泥殘渣進行清掃,轉速控制40 r/min,循環排量1.2 m3/min,立管壓力10 MPa,探至回接筒底部鉆壓50 kN,磨銑3 min。起出銑鞋,檢查銑鞋斜肋有一圈明顯的磨痕,其直徑 175 mm 等于懸掛器密封外殼左旋梯形內螺紋直徑,表明確實磨銑到回接筒底部。

下入“封隔式回接插頭+5根套管+節流浮箍+套管串”至設計位置,回接固井施工后,插頭插入,下壓150 kN坐封封隔器,繼續下壓380 kN啟動防退卡瓦,下放管柱坐掛芯軸懸掛器,進行環空試壓8 MPa無壓降。候凝完掃除套管內插頭位置的水泥塞,全井筒試壓50 MPa正常,后期該井未發生氣竄。

5 結論

1)基于新型封隔式回接裝置的尾管回接技術通過封隔管外環空,使回接固井后水泥漿凝固時免受下部氣竄干擾,保證回接固井質量,阻止氣竄至井口。該技術為解決“三高”油氣井尾管固井后氣竄難題提供了一種新手段。

2)新型封隔式尾管回接裝置采取多級剪釘控制,對剪釘的材質和剪切值準確性要求比較高。

3)為了滿足回接更高壓力等級的要求,需要進一步優化密封組件,提高回接插頭的密封能力。

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