國內分級注水泥工藝需求與開發對策

劉曉平，秦金立

（1.中國石化集團公司國際勘探開發有限公司，北京100029；2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京100101）

分級注水泥器作為石油鉆井的重要工具，被廣泛應用于技術套管固井或產層完井工藝。近些年，隨著石油鉆井技術的快速發展及提質提速提效的升級，新疆等地區的深井、超深井鉆井常常遇到特殊的井身結構以及復雜的井下條件，如H2S、CO2單種腐蝕介質或兩種共存腐蝕介質，井底高壓高溫、地層差異大存在惡性漏失等[1]。陜西等地區的井相對不深，因地層差異大、承壓能力低，易發生滲漏和惡性漏失[2]，完井常采用5-1/2″分級固井工藝，但小尺寸分級固井后內部附件因鉆頭加壓困難，鉆除時間長且鉆后存在密封失效的風險。山東等地區的水平井完井為保護產層，增加泄油面積，提高防砂效果常采用篩管頂部注水泥的完井方式，作業后鉆塞會造成偏磨，留有毛刺，易損壞酸洗皮碗等后期作業工具[3]。為適應復雜的作業環境及提質提速提效的雙向需求，分級注水泥器的性能指標不斷提升，規格類型不斷推陳出新。

1 特殊尺寸的分級注水泥器

隨著鉆井技術的不斷發展，深井、超深井不斷增多，井身結構不斷優化，從最常規的13-3/8″→9→5/8″-7″的井身結構，演化為10-3/4″→7-5/8″-5→1/2″、11-3/4″→8-5/8″→6-5/8″等多種井身結構。隨著井身結構的不斷優化升級，為適應特殊的井身結構要求，國內開發了14-3/8″、11-3/4″、8-5/8″等特殊規格的分級注水泥器，見表1，最大尺寸達14-3/8″。

表1 國內分級注水泥器規格尺寸與性能

2 高溫高壓氣密封分級注水泥器

鉆井深度不斷加深，溫度越來越高，且常伴隨有高壓氣層，為解決高溫條件下，分級注水泥器的密封可靠性，需解決橡膠密封件的持久密封性及螺紋扣氣密封問題。

分級注水泥器是通過相對件的運動打開和關閉循環孔注液通道實現分級固井，而循環孔注液通道通過橡膠密封件來實現密封。橡膠密封件可根據使用環境的溫度進行選擇，小于120℃可以選用丁腈橡膠作為密封件材料；120℃～150℃可以選用氫化丁睛橡膠作為密封件的材料；超過150℃可以選用氟橡膠作為密封件的材料。密封件可以由O 形密封圈單獨實現密封，也可與格萊圈組合實現高壓力的長效密封。

套管及分級注水泥器等固井工具通過套管連接螺紋連接形成完整管柱。連接螺紋一般選用API套管長圓扣或偏梯扣，但對于高壓氣井，由于氣體的穿透性強，很容易穿透公母螺紋間隙中的密封脂引起密封失效。為解決高壓氣密封問題，國內外涌現了多種氣密封螺紋扣，見表2。其基本原理是增加了金屬對金屬密封結構，公、母頭金屬表面通過彈性過盈配合實現其接頭連接部位密封。

3 防腐蝕分級注水泥器

表2 國內外主要特殊連接螺紋的生產廠家及名稱

隨著工程師對油氣田腐蝕的深入研究，發現H2S、CO2、O2、Cl-和水分是油氣田腐蝕的主要介質，而其中CO2和H2S 腐蝕的危害最大。CO2腐蝕主要是一種流體力學化學腐蝕，流體力學主要加速腐蝕產物FeCO3膜的破壞而導致腐蝕加劇。H2S引起電化學腐蝕，硫化物腐蝕產物膜影響著腐蝕速率和腐蝕形態。由于HS-和S2-對氫原子復合的毒化作用，析氫反應生成的氫原子更易進入金屬內部，從而誘發硫化物應力腐蝕開裂、和氫致開裂（SSCC、HIC），往往造成管材的突然斷裂，危害極大[4]。當氣體中同時存在H2S 與CO2時，用PCO2/PH2S可以大致判定是H2S腐蝕還是CO2腐蝕。現有資料表明：當PCO2/PH2S＜200 時，H2S 控制整個腐蝕過程，腐蝕產物主要是FeS；當200＜PCO2/PH2S＜500時，CO2/H2S 混合交替控制，腐蝕產物主要是FeS 和FeCO3；當PCO2/PH2S＞500時，CO2控制整個腐蝕過程，腐蝕產物主要是FeCO3[5]。

應對油田中存在的腐蝕介質，國內外開發了不同的抗腐蝕材料。對于H2S單腐蝕介質金屬材料可選用天津鋼管公司研制的TP80SS、TP90SS、TP95SS/TP110SS，上海寶鋼研制的BG80S、BG95S、BG110S等材料作為抗H2S應力腐蝕的雙級注水泥器的加工材料。對于CO2單獨腐蝕介質，金屬材料可選用低碳（3%～5%）Cr 鋼、13Cr 和超級 13Cr 等[5]作為雙級注水泥器的加工材料。對于H2S與CO2共存介質，且含量較高的腐蝕介質環境下，可以選用Ni-Cr-Mo-Cu 系鎳基及鐵鎳基合金，如725、825、925、718等材料作為分級注水泥器的加工材料，但費用相對較貴。

4 封隔式分級注水泥器

井漏是石油鉆井工程中常見的復雜事故，對于漏失不嚴重的井通過采用分級注水泥器將環空水泥分隔成兩段或多段進行注水泥作業，降低液柱壓力，減少發生井漏的可能性[6]。但某些地層埋藏深，承壓能力低，壓力窗口窄，漏失變化大。即使采用分級固井工藝仍然會出現失返性漏失。為減少一級漏失，阻止二級漏失，研發了封隔式分級注水泥器。

封隔式分級注水泥器（圖1）是將具有分級開閉循環孔功能的分級注水泥器單元與具有環空封隔功能的套管外封隔器單元通過聯動控制機構有機連為一體[7]。該結構的封隔式分級注水泥器在入井過程中封隔器的注液通道處于關閉狀態，不會受管柱內的壓力變化出現封隔器提前脹封，影響固井作業，當一級注水泥結束后，投入打開塞，激活注液通道，注入液體脹封封隔器，封隔環空將上下兩段進行隔離，封隔器上部的液體壓力作用在封隔器膠筒上，瞬間可降低下部液柱壓力，當液柱壓力低于地層壓力時，漏失將會降低，甚至停止。當封隔器封隔環空，膠筒內壓力達到一定壓力時，便會關閉封隔器注液通道，同時打開分級注水泥器的循環孔注液通道，可實現循環及二級固井。在二級固井時，因為封隔器封堵下部地層，故可以阻止二級固井過程中水泥漿漏失。

5 滑脫式免鉆塞（自通徑）分級注水泥器

圖1 封隔式分級注水泥器

5-1/2″套管完井工藝在長慶油田、延長油田、大慶油田等地區廣泛應用，因低壓易漏地層的存在，需要分級注水泥器進行分級固井。但結構尺寸小，內部附件鉆除時需要更換小鉆具進行鉆除作業，不僅增加了鉆井時間和成本，鉆除中還存在著鉆偏鉆漏的問題。本著提速提效，控制成本，縮短建井周期，國內開發了滑脫式免鉆塞分級注水泥器，并在延長、長慶等油田廣泛應用。

滑脫式免鉆塞分級注水泥器結構如圖2 所示。打開套、關閉套與本體及上下滑套通過剪切銷釘控制循環孔的開啟、關閉及滑脫等動作。上下滑套與打開套、關閉套為大間隙設計，密封能力大于25MPa，保證打開、關閉動作的可靠性，其上下滑套的內徑小于套管通徑，提高滑套及附件滑脫至井底的成功率。

滑脫式免鉆塞分級注水泥器的工作原理：在一級水泥注入完成后，投入一級膠塞，用頂替液推動一級膠塞下行，經過分級注水泥器本體后，繼續替漿與碰壓座復合，碰壓，完成一級固井。井口泄壓，投入重力型打開塞，并自由下落與下滑套復合，憋壓，剪斷剪釘，打開套與下滑套下行，打開循環孔二級注液通道，進行循環后，注入二級水泥，頂替液推動二級膠塞下行，待到與上滑套復合后，剪斷銷釘，在上滑套的帶動下關閉套下行，關閉二級注液通道。再繼續加壓上下滑套與打開套、關閉套脫開，靠自由重力滑至井底[2]。

6 打撈式免鉆塞分級注水泥器

篩管頂部注水泥完井技術是勝利油田等水平井完井作業的常用技術，其典型的管柱組合是篩管+盲板+套管外封隔器+壓差式分級注水泥器。頂部注水泥結束鉆塞時，可能會損壞分級注水泥器及套管嚴重的會造成套管開窗，井眼報廢。鉆掉的鋁塊不能全部循環上來，會造成井下螺紋，影響后期作業[8]。為此，國內開發了打撈式免鉆塞分級注水泥器。

圖2 滑脫式免鉆塞分級注水泥器

打撈式免鉆塞分級注水泥器結構如圖3所示，各零部件組成了注入總成、打撈總成、鎖緊機構、支撐總成等組件。注入總成通過對接筒與打撈總成連接，鎖緊機構將注入總成鎖定在打撈總成上，支撐總成通過鎖塊機構固定在支撐套上[8]。

打撈式免鉆塞分級注水泥器的工作原理是管柱到位后，通過套管加壓，液體通過進液孔脹封套管外封隔器。再繼續加壓，通過壓差剪斷剪釘，打開套下行，讓出循環孔，與環空建立循環通道，可進行頂部注水泥作業，水泥注入完成后，頂替液推動膠塞至膠塞座，膠塞座下頂彈性塊，剪斷剪釘后下行。彈性塊頂關閉套，關閉套下行將外筒的循環孔關閉。關閉套關閉后，膠塞上的卡簧機構卡在對接筒上，然后可下入打撈工具，通過打撈總成將鎖緊機構和注入總成撈出，實現全通井，避免再次鉆塞作業[8]。

圖3 打撈式免鉆塞分級注水泥器

7 分級注水泥器技術發展方向

隨著油氣勘探開發不斷向深層、超深層發展，遇到的固井技術問題會越來越多，越來越難，不變的是鉆井提質提速提效總要求。針對發展需求，筆者分析分級注水泥器的發展趨勢。

（1）深層惡性漏失井不斷增多，封隔式分級注水泥器的市場需求不斷擴大，性能將不斷提升，規格尺寸也會從單一的尺寸向多種不同規格尺寸延伸。

（2）目前的分級注水泥工藝是兩級分級固井，隨著的鉆井的深入，會采取多級注水泥工藝，隨之三級或四級分級注水泥器會被研發并應用。

（3）隨著油氣田開發的酸化壓裂技術日益成熟，被用于技術套管固井的分級注水泥器的承壓能力要求越來越高，超高壓分級注水泥器，V0 級分級注水泥器的需求會越來越多。

（4）隨著提質提速提效的升級，免鉆塞分級注水泥器的應用技術將再次升級，無需下入打撈工具內部附件可實現自行溶解分級注水泥器，這將進一步降低施工成本，提高可靠性。