新型濾餅刮削器的研制與應用

胡晨彬，張 銳，謝虹橋, 徐軍浩

(1中石化勝利油田分公司河口采油廠 2勝利油田森諾勝利工程有限公司 3中國石化石油工程技術研究院 4中石化勝利工程公司固井中心)

勝利油田經過50多年的長期開采，地下異常復雜，形成了共存的多套壓力層系，同時層間壓差大，產層水淹嚴重；剩余油開發和分層開采，特別是低滲透難動用油藏的開發必須高壓壓裂，要求固井二界面質量必須封隔良好。二界面固井質量問題也越來越突出。因此，提高固井二界面質量已成為油田開發亟待解決的難題。

一、影響固井二界面質量因素與應用技術

1.影響因素

影響二界面固井質量的因素是：①地質(地層巖性、斷層、多套壓力體系)。②井身質量(軌跡、井眼擴大率、井徑變化率)。③鉆井液性能與濾餅質量。④套管偏心與居中度。⑤鉆井復雜情況(井漏與井涌)。⑥水泥漿體系與性能。⑦井壁清潔與處理。⑧固井施工與頂替效率等等。

2．應用技術

目前，為提高二界面質量研究應用的技術：①防止水泥石收縮微膨脹技術。包括：顆粒級配水泥漿體系；低失水微膨脹水泥漿體系(晶格)；自修復自膨脹自密封水泥漿體系等。②提高頂替效率(置換與充填)技術。包括：套管居中技術(根據井眼軌跡和地層巖性選擇扶正器)；活動套管技術；流變學頂替技術；振蕩固井技術；旋流發生器技術等。③界面清潔技術。包括：界面沖洗(物理、化學)；界面刮削。④二界面膠結(整體固化)技術等。

二、界面膠結分析與清理辦法

二界面膠結是水泥漿與鉆井液濾餅之間的膠結，室內實驗表明，當濾餅厚度在0.5～1.0 mm之間時，不影響水泥漿與其膠結；當濾餅厚度大于1.0 mm時，膠結強度降低；當濾餅厚度達5.0 mm時，水泥漿與濾餅無膠結強度。濾餅厚度對二界面的膠結質量至關重要。清除井壁濾餅的方法有物理法與化學法。化學上常采用水力沖蝕與化學驅油(沖洗液)清除濾餅；物理上常采用剛性通井方式(鉆具裝扶正器)修整井壁，因受排量或鉆具尺寸的限制這些方式具有一定作用但效果有限。目前，國外的濾餅刷或刮泥器現場應用少[1-2]，效果不佳；國內也有研究[3-6]：都是應用于修井套管刮削。目前還沒有一種用在完井固井方面為提高二界面的刮泥器。作者研究一種套管刮泥器，類似于鋼絲刷，通過工藝處理，改善性能，刮削濾餅，提高界面膠結質量。

三、新工具的研制

國外的刮泥器[1]一般采用鋼片或鋼絲繩制成，由于在國內應用效果不好沒有得到推廣。

1．新工具的設計思路

1.1 設計原則

根據目前井身質量井徑擴大率目的層段不超過10%，大多都是斜井或定向井或水平井的現狀，要求：工具外徑不小于鉆頭外徑的110%；具有扶正、刮削效果；耐高溫、抗腐蝕；彈性高、抗撓強；具有巖屑返出通道；滿足360°井眼刮削；抗疲勞破壞，滿足復雜井身結構和深井的需要。

1.2 初步方案與試驗產品。

兩種結構型式：①在剛性扶正器的基礎上，按照剛性扶正條與濾餅刷間隔排列，此種結構扶正效果好。②剛性扶正器保留兩端25 mm剛性扶正條，其余全是鋼絲刷，此種結構刮削效果好。初始產品：鋼絲刷是單絲，鋼絲焊接。

1.3 初始產品試驗

對主要附件試驗：①鋼絲單絲直徑0.50 mm。②鋼絲形變：在100 kN∕30 min(75次∕min)垂直作用下形變情況。在100 kN垂直作用壓縮到扶正塊外徑，然后橫向30 min(75次∕min頻率)摩擦30 min后形變情況。③鋼絲：在工業用稀硫酸和燒堿水中浸泡24 h,表面破損，耐腐蝕性能。試驗證明，鋼絲與本體結合處發生疲斷約30%；第一種結構不如第二種結構刮削效果好。因此，改進工藝，設計制造成獨特產品。

2．獨特產品

2.1 獨特設計

整體按照剛性扶正器規范。把扶正條改為兩端扶正塊，中間鋼絲束。兩端扶正塊作為支撐體，可以滿足扶正、抗沖擊和保護鋼絲束的需要；鋼絲束采用調質中強波紋鋼絲編織成細繩束，鋼體與繩束采用非焊接方式聯結，進一步增強抗疲勞破壞能力。按照不同井型可以選擇不同強度和長短的鋼絲類型。總體呈弧形設計，長度(外徑)按照井徑擴大率10%～15%，增強掛刷、清潔井壁能力。如圖1。

圖1 新型刮泥器

2.2 獨特選材

鋼體：采用45#鋼無縫鋼管，扶正塊采用45#鋼淬火調質處理，鋼體、扶正塊具有較高的屈服強度、耐沖擊力強；鋼絲：采用高強彈性75錳鋼絲，磷化涂層，磷化膜可以提高制繩鋼絲表面的耐磨損、耐腐蝕能力。鋼絲波紋成型，編織成細鋼絲繩，具有較高的韌性和彈塑性，抗疲勞破壞能力強。達到在不破壞井壁穩定的前提下實現清除環空井壁泥餅的目的。

2.3 獨特工藝

采用剛性扶正器規范，鋼體一次成型，保證有足夠的強度，抗沖擊防破壞；五條鋼絲束均勻旋流分布，之間留有旋流通道，掛刷掉的虛濾餅或巖屑可以通過。鋼絲束承受力足夠大時，能夠有伸展空間，同時對大的障礙物有一個緩沖和緩存功效，不至于卡住鉆桿；鋼絲束植于鋼絲束固定孔內，鋼絲束固定孔開孔方向垂直于圓心，波紋鋼絲鑲嵌非焊接，避免了焊點在外力下的疲勞破壞，堅固而耐用。

3.產品實驗

實驗數據①整體剛性：整體350 kN/30 min靜壓載下內徑不變，承載安全可靠。②鋼絲：鋼絲單絲直徑0.50 mm，強度526 MPa。③鋼絲形變：在100 kN/30 min(75次/min)垂直作用下形變1.2%。在100 kN垂直作用壓縮到扶正塊外徑，然后橫向(75次/min頻率)摩擦30 min后形變1.5%。④鋼絲：在工業用稀硫酸和燒堿水中浸泡24 h,未發現表面破損，耐腐蝕性好。

4．安放位置

濾餅刮泥器安放在套管柱旋流孔的下面，有利于下完套管開泵，在套管柱的入井過程中因鋼絲外徑尺寸大于鉆頭直徑，對井壁上的虛濾餅特別是大井眼(適度擴大)上的濾餅進行物理清除，從而提高二界面水泥與地層的膠結質量。

四、現場應用

1．車302井

基本情況：探井，完鉆井深3 400 m,為保證二界面固井質量設計下入2個套管刮泥器。管串結構：引鞋+短套管(刮泥器)+短套管(刮泥器)旋流管+浮箍+1根套管+浮箍+套管串。套管下入位置：N80×9.17 mm套管下深3 383.60 m，浮箍1#：3 350.41 m，浮箍2#：3 339.37 m，濾餅刮泥器1#：3 383.27 m，濾餅刮泥器2#:3 361.15 m。套管下入：套管順利下至預定井深3 383.60 m，未見遇阻顯示。

固井施工與質量評價：按照設計注入G級高抗硫水泥144 t，低密度水泥漿平均密度1.55 g/cm3，高密度水泥漿平均密度1.93 g/cm3，碰壓18～24 MPa，施工正常，敞壓候凝。電測結果顯示，固井一、二界面優良，固井質量評價為優質井，使用效果十分明顯。

2．鹽222-斜4井

該井為難動用開發井，完鉆井深4 400 m,為保證二界面固井質量設計下入2個套管刮泥器。管串結構：引鞋+短套管(刮泥器)+短套管(刮泥器)旋流管+浮箍+1根套管+浮箍+套管串。按照設計要求位置加放2個刮泥器。套管順利下至預定井深4 397.01 m，未見遇阻顯示。

固井施工與質量評價：按照設計注入低密度水泥漿(1.55～1.60 g/cm3)、高密度水泥漿(1.93～1.99 g/cm3)共126 m3，碰壓19～23 MPa，施工正常，敞壓候凝。電測結果顯示，固井一、二界面優質，固井質量評價為優質井，與鄰井鹽222-斜7井對比，使用效果更加明顯。

2017年在鹽235、鹽236、坨203、濱178、坨172等井應用了該工具，二界面質量大大提高，有的達到優質。該工具的應用，2017年二界面固井質量合格率由48.6%提高到89.7%，提高了41.1%。

五、結論與建議

(1)下入的2只刮泥器能夠清除井徑規則且小于238 mm(井徑擴大率10%)井壁上的虛濾餅，較好地起到清除濾餅的目的，能有效提高二界面固井質量。

(2)在大肚子、糖葫蘆井眼，未見大量濾餅返出，刮泥器似乎未起太大作用，井徑不規則，糖葫蘆井眼較多，造成大量濾餅堆積在糖葫蘆井眼處。

(3)對于井徑不規則且井徑偏大，刮泥器位于下井壁(定向井斜井段)，鋼絲外徑受尺寸限制未能有效清除井壁虛濾餅，對于提高二界面固井質量效果不是十分理想，建議定向井(斜井)、井眼偏大井段增大鋼絲外徑。

(4)目前在勝利油田已經推廣使用100多口井，從使用情況來看，此種刮泥器適用除漏失井之外的所有井,且效果明顯,二界面固井質量大大提高。