小井眼三聯(lián)合膠塞固井技術(shù)及關(guān)鍵工具研究

田曉勇，宋劍鳴，楊 旭，蔣立坤，蔣海濤，張京華，何 平，明祥貴

(中國石油渤海鉆探工程公司 工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)

由于小井眼鉆井能夠降低油田勘探開發(fā)成本[1-2]，蘇南道達(dá)爾區(qū)塊全部采用?152.4 mm小井眼鉆井技術(shù)[3]，完井時下入?88.9 mm油管并固井。其固井工具主要由浮箍、浮鞋和三聯(lián)合膠塞組組成。通過調(diào)研，蘇南道達(dá)爾區(qū)塊大多采用國外進(jìn)口工具，且多次出現(xiàn)校準(zhǔn)塞承壓盤擊穿壓力異常的情況，甚至出現(xiàn)超過額定擊穿壓力2倍以上才擊穿的情況(如表1)，增加了施工設(shè)備、地面管匯、井下油管的損壞風(fēng)險，影響施工質(zhì)量。

表1 蘇南區(qū)塊校準(zhǔn)塞承壓盤異常情況統(tǒng)計

通過分析，主要是承壓盤材料性能穩(wěn)定性差、設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理、加工誤差等因素引起。為了提高校準(zhǔn)塞承壓盤的穩(wěn)定性，本文針對承壓盤材質(zhì)優(yōu)選與結(jié)構(gòu)優(yōu)化開展了相關(guān)研究，提高了承壓盤破裂壓力穩(wěn)定性。

1 工藝原理

如圖1所示，小井眼三聯(lián)合膠塞固井技術(shù)，關(guān)鍵是固井前投入校準(zhǔn)塞用于驗(yàn)證管柱的密封性和計量頂替量，后期固井頂替時頂替量參考校準(zhǔn)塞計量頂替量，有效避免替空或留塞的井下復(fù)雜事故；然后蹩壓擊穿校準(zhǔn)塞并投入下膠塞隔離泥漿與水泥漿，水泥漿泵送結(jié)束后投入碰壓膠塞完成頂替。

圖1 小井眼固井膠塞投放程序

2 校準(zhǔn)塞結(jié)構(gòu)原理

小井眼三聯(lián)合膠塞固井技術(shù)的核心工具為校準(zhǔn)塞，如圖2所示，校準(zhǔn)塞主要由膠塞本體、膠盤、卡簧、引導(dǎo)頭、密封件、承壓盤、鎖緊環(huán)等結(jié)構(gòu)組成。應(yīng)用時，將其泵送至固井管串預(yù)先安裝的碰壓工具上，

通過密封件和卡簧實(shí)現(xiàn)與碰壓工具間的密封和自鎖。其泵送液體用量可作為固井水泥漿替漿量。然后利用承壓盤的密封承壓作用，可以實(shí)現(xiàn)對管柱密封性能的檢驗(yàn)。試壓后蹩壓擊破承壓盤，打開循環(huán)通道進(jìn)行固井。

1-膠塞本體；2-膠盤；3-卡簧；4-引導(dǎo)頭；5-密封件1；6-密封件2；7-鎖緊環(huán)；8-承壓盤。圖2 校準(zhǔn)塞結(jié)構(gòu)示意

3 校準(zhǔn)塞研制

3.1 優(yōu)選承壓盤

承壓盤原理與爆破片[4]原理相同，只是安裝的方法和用途不同，因此材料的選擇可以參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB 567.1—2012常用的爆破片材質(zhì)，主要有鋁、銅、鎳、不銹鋼、合金等金屬材料及石墨材料[5]。其形式及特性如表2所示。

表2 爆破片形式及特性

固井校準(zhǔn)塞承壓盤要求具備承壓密封能力，以及爆破后形成較大的流通通道，金屬碎片容易造成對底部浮箍、浮鞋等閥件的損傷。石墨爆破片具有耐燭性能好，熱穩(wěn)定性能好,破碎后泄放面積大的特點(diǎn)[6]。因此，選擇石墨材料作為校準(zhǔn)塞承壓盤材料。石墨按照成型方式可以分為等靜壓石墨、模壓石墨和擠壓石墨。本文選取等靜壓石墨作為承壓盤材料進(jìn)行研究。

3.2 破裂盤結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

常用的石墨爆破片主要有平板型和凹槽型，平板型基本淘汰[7]。初步選擇凹槽型結(jié)構(gòu)作為承壓盤結(jié)構(gòu)，如圖3所示。Bestehorn等[8-11]利用工程計算法及均勻減薄弧長法建立了爆破片爆破壓力計算模型，但不適用石墨型平面爆破片的設(shè)計計算。本文采用了李新東等提到的計算方法[12]，其破裂壓力計算公式為

(1)

式中：p為爆破壓力，MPa ；H為承壓盤厚度，mm；h為凹槽深度，mm；d為凹槽直徑，mm。

圖3 柱形沉孔結(jié)構(gòu)示意

設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 承壓盤設(shè)計參數(shù)

通過計算，破裂壓力為17.5 MPa。

3.3 模擬分析

利用三維設(shè)計軟件對初選結(jié)構(gòu)建立三維分析模型，如圖4。通過有限元分析方法[13-15]進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖5所示，對凹槽地面施加17 MPa軸向載荷后，承壓盤的破裂趨勢為中心向外突出。

圖4 柱形沉孔結(jié)構(gòu)三維模型

圖5 柱形沉孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

3.4 試驗(yàn)效果

通過20組試制樣片室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，破裂壓力16～18 MPa，呈中心突破效果，試驗(yàn)破裂壓力與計算吻合，爆破結(jié)果與模擬結(jié)果相似，但存在破裂碎片較大，最大直徑大于1 cm,形成通孔較小的缺陷。如圖6及表4所示。

圖6 柱形沉孔結(jié)構(gòu)破裂形貌

表4 初選結(jié)構(gòu)承壓盤測試數(shù)據(jù)

3.5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

初期試驗(yàn)效果表明，石墨作為脆性材料，破裂機(jī)理主要是剪切破壞.但從模擬分析可以看出，其破壞機(jī)理實(shí)際是先拉伸后剪切，因此呈中心拉伸突破趨勢。為了提高其破裂效果，設(shè)計了如圖7所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在柱形沉孔的基礎(chǔ)上，在底部支撐面設(shè)計了米字型開槽結(jié)構(gòu)，設(shè)想其破裂會受開槽影響，沿開槽方向破裂。

圖7 米字型開槽模型

3.6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)模擬分析

模擬分析結(jié)果如圖8所示，在凹槽地面施加17 MPa軸向載荷后，承壓盤的中心位置出現(xiàn)屈服，破裂趨勢為呈米字型向外突出。

3.7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)試驗(yàn)效果

如圖9所示，通過試制樣片室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加壓13～14 MPa，承壓盤即發(fā)生破裂，中心區(qū)域全部破碎形成完整大通孔，碎屑呈顆粒及小片狀。破裂趨勢與模擬結(jié)果吻合，且達(dá)到理想的破裂效果，但破裂壓力誤差大于20%。

圖8 米字型開槽模型應(yīng)力云圖

圖9 開槽結(jié)構(gòu)破裂形貌

3.8 二次優(yōu)化與試驗(yàn)效果

米字型結(jié)構(gòu)存在破裂壓力誤差較大，是由于米字型開槽結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的誤差。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)減少承壓盤凹槽深度可以減小開槽結(jié)構(gòu)引起的誤差。如表5及圖10所示，將米字型結(jié)構(gòu)承壓盤凹槽深度減少0.5 mm,通過20組樣件試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計，其破裂壓力趨于穩(wěn)定，設(shè)計破裂壓力17 MPa，最大18 MPa，最小16.5 MPa誤差小于10%。破后最小孔徑大于25 mm，碎片最大直徑小于6 mm。

表5 優(yōu)化承壓盤結(jié)構(gòu)后測試數(shù)據(jù)

圖10 米字型開槽結(jié)構(gòu)破裂壓力測試曲線

3.9 膠塞橡膠件性能測試

小井眼三聯(lián)合膠塞固井技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)除了校準(zhǔn)塞的破裂盤破裂穩(wěn)定性，還需考慮膠塞的DIN磨耗、拉伸性能(如圖11)、伸長率、老化性能體積膨脹率、整體耐磨性等特性。為此，本項(xiàng)目開展了大量試驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證， 其結(jié)果如表6所示。

表6 膠塞技術(shù)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)

做膠塞整體耐磨性測試。如圖12所示，模擬現(xiàn)場88.9 mm(3英寸)套管串(套管內(nèi)徑74 mm，總長度為20 m，在其間平均設(shè)置2個標(biāo)準(zhǔn)接箍)，以清水作為推動介質(zhì)，膠塞在水平放置的鋼管內(nèi)正向運(yùn)行，累計運(yùn)行總長度為4 000 m。膠塞磨損前后的外徑差≤5 mm。檢測膠塞外觀基本完好，滿足現(xiàn)場施工要求。

圖11 橡膠試件撕裂強(qiáng)度測試

圖12 膠塞整體磨損測試

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

截至目前，共在長慶油區(qū)試驗(yàn)6口井，試驗(yàn)成功率100%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。試驗(yàn)井封固段均長達(dá)3 000 m以上；152.4 mm井眼下88.9 mm套管，屬于小環(huán)空非常規(guī)固井，套管的容積小，頂替排

量受限且施工壓力高；對頂替液性能和計量準(zhǔn)確性要求高。如果管內(nèi)留水泥塞將無法鉆除，將會導(dǎo)致全井報廢。

采用三聯(lián)合膠塞固井技術(shù)后，校準(zhǔn)塞校準(zhǔn)替量與實(shí)際頂替量吻合，校準(zhǔn)塞破裂盤打開壓力誤差小于5%，固井碰壓明顯，無替空、留塞事故復(fù)雜。

表7 6口井現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1) 三聯(lián)合膠塞固井技術(shù)利用校準(zhǔn)塞破裂盤一定范圍的承壓能力及可破裂的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)固井水泥漿頂替量的準(zhǔn)確校核，有效解決小井眼固井替漿量難以準(zhǔn)確計量，存在過替或留塞風(fēng)險的技術(shù)難題。

2) 現(xiàn)場試驗(yàn)成功率100%，校準(zhǔn)塞破裂盤打開壓力誤差小于5%，充分驗(yàn)證了校準(zhǔn)塞破裂盤穩(wěn)定性及其膠塞組件高耐磨性能。

3) 現(xiàn)場試驗(yàn)的成功充分驗(yàn)證了工具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果正確。

4) 建議進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)場應(yīng)用，嘗試開展其他系列尺寸工具研究。