超深井大尺寸分級箍固井技術分析

徐明會，陳宇豪，王曉強，鄭杜建，常連玉

（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 253000；2.中國石化石油工程技術研究院固井研究所，北京 100000）

機械式分級箍是雙級固井工藝中相對穩定可靠的固井工具，使用分級箍可以將固井段分為兩段進行依次固井[1]，從而可以減少水泥漿對地層的壓力，也可以更好地針對性地封固易漏地層[2]。目前隨著西部油田的勘探開發力度進一步增強，更多的深井超深井需要進行雙級固井施工，機械式分級箍的下深逐步增大，高溫高壓條件對分級箍的性能產生一定累積的影響[3]，工具的使用范圍是有一定界限的，一旦超過工具的耐受范圍，就會出現相應的工具失效現象，其中，二級固井期間，分級箍提前關孔就是一個嚴重影響固井施工的工具失效現象[4]，因此，在現場應用中，應該充分考慮到分級箍的相關性能來綜合設計施工參數，從而避免分級箍提前關孔事故的發生。

1 雙級固井施工工藝

雙級固井施工分為一級固井和二級固井，其中一級固井施工流程一般分為：注沖洗液—注隔離液—注水泥漿—倒閘門—注壓塞液壓塞—泵替泥漿—一級碰壓—投重力塞—重力塞到位后憋壓實現分級箍開孔—建立循環—候凝（一級封固段）—二級固井。二級固井施工流程一般分為：注沖洗液—注加重隔離液—注水泥漿—倒閘門—注壓塞液壓塞—泵替泥漿—碰壓關孔。其中分級箍提前關孔就是指發生在二級固井泵替泥漿過程中分級箍提前出現關孔動作，導致替漿壓力驟增，套管內部分水泥漿沒有進入環空的現象[5]。這種事故危害巨大，第一點是套管內會留有部分多余水泥塞，鉆除過程較久，影響施工進度[6]；第二點是環空水泥返高沒有達到設計要求，影響固井質量[7]。因此，需要對整個二級固井的注替流程分析，給出二級固井替漿過程中可能出現的風險點。

在整個注替過程中由于流體密度、流變性能參數的不同，在相同的井身結構條件下，流體流型、液柱壓力及摩阻壓耗也各不相同[7]，而且不同流體的注入排量也不相同，所以整個注替過程中井內流體的流動特性每時每刻都在發生改變[8]。

二級注替過程分為三個階段：第一是從注替過程開始到“U”型管效應出現，此過程中管內外靜液柱壓差不足以克服整個循環壓耗，井口注入排量等于井內實際流量，井內流體連續；第二是“U 型管效應”階段，隨著井內注入較高密度的水泥漿，管內外靜液柱壓差逐漸增大至足以克服整個循環壓耗，此時井內實際流量逐漸增大且大于井口注入排量，井內開始出現真空段，井內流體不連續，但是隨著注替過程的繼續進行，水泥漿開始返出套管鞋而進入環空，管內外靜液柱壓差逐漸減小，井內實際流量逐漸減小，直至管內外靜液柱壓差不足以克服整個循環壓耗時，井內實際流量小于井口注入排量，井內真空段開始減小并最終消失，“U 型管效應”結束，井內實際流量等于井口注入排量，井內流體恢復連續；第三是“U型管效應”結束后，此時管外靜液柱壓力大于管內靜液柱壓力，隨著水泥漿不斷返出，管外與管內靜液柱壓差逐漸增大，替漿泵壓逐漸增大，直至替漿結束，井內實際流量等于井口注入排量，井內流體連續。

2 分級箍提前關孔理論分析

2.1 擋塊受力分析

機械式分級箍中設計了防提前關孔裝置——擋塊，擋塊具有一定的承壓能力，理論上避免了一級開孔后由于重力塞面上下壓差過大導致分級箍提前關孔。

二級固井過程中，實際作用于分級箍位置的壓強將直接作用在重力塞面上產生一個對滑套向下的作用力，該作用力傳遞到擋塊機構上，沿徑向分解成擋塊機構與關閉塞座之間的擠壓力，由于關閉塞座為鋁合金材質，強度相對較低，擋塊機構接觸面積較小，應力較為集中，兩者互相擠壓后易發生結構變形，一旦結構變形就會發生分級箍提前關孔事故。

結合YFZ-A 型分級箍內部結構(如圖1 所示)，單獨對擋塊機構進行受力分析求得分級箍關閉塞座與單個擋塊作用力，計算公式如下：

式中:FT——分級箍關閉塞座與單個擋塊的作用力，10kN；

di——不同規格分級箍本體內徑，mm；

P——分級箍位置壓力，MPa。

通過式（1）可以計算出分級箍擋塊的理論承壓能力。

2.2 重力塞上端面受力分析

將重力塞視為一點，那么重力塞面上下始終存在一定壓差，先分析上層壓力，二級注替過程中，分級箍重力塞位置相當于“U”型管的底部(如圖2 所示)，在“U”型管底部任一時刻兩側壓力均保持平衡：

式中:Ps——井口壓力，MPa；

Phc——套管內靜壓力，MPa；

Pfc——套管內摩阻壓耗，MPa；

Pha——環空靜壓力，MPa；

二級注替過程第一階段，井內實際流量與井口注入排量相等，井內不存在真空段，流體連續，由此可以直接計算各個動態參數。

二級注替過程第二階段，“U型管效應”階段，假設真空段連續且位于井口位置，井內實際流量與井口真空段長度是最關鍵的兩個計算參數，在該階段井口始終存在真空段，所以井口壓力始終為零，所以此階段任一時刻下面公式均成立：

任一時刻T井口新注入的流體經過自由下落連續落在井筒內液柱上表面，有研究表明：注入流體對液柱產生的沖擊力較小，故而可以忽略不計。所以建立“U”型管效應模型(如圖3所示)。

公式（3）中各個量的具體計算公式如下：

式中：ρi——環空、套管內部第i段流體的密度，g/cm3；

Lai——環空第i段流體對應的長度，m；

Lci——套管內第i段流體對應的長度，m；

通過“孝廉文化書法邀請展”、“孝廉文化影視作品”、“孝廉文化圖片和公益海報”、“孝廉文化警示長廊”、“孝廉文化教育基地”等孝廉文化教育實踐活動，形成形象生動、情理并重、直觀感人、通俗易懂的孝廉文化培養和教育機制，使孝廉文化教育逼真感人、入腦入心，落地生根，切實達到把孝廉文化建設做實做好的目標要求。

Mi——環空、套管內第i段流體處于不同井身條件下的換算系數；

fai——環空第i段流體摩阻系數；

fci——套管內第i段流體摩阻系數；

Qr——井內實際流量，m3/min。

將（4）～（7）式帶入（3）式整理得到井內實際流量的迭代公式：

由（7）式可以得到井口真空段長度迭代公式：

式中：ΔT——迭代時間步長，s；

Hn——T時刻井口真空段長度，m；

Hn-1——T-ΔT時刻井口真空段長度，m；

dc——套管內徑，mm；

Qrn——T時刻井內實際流量，m3/min；

Qrn-1——T-ΔT時刻井內實際流量，m3/min。

假設“U型管效應”發生在T0時刻，井內實際流量Qr0與井口注入排量Q相等，井口真空高度H0為零，迭代一個時間步長ΔT，那么根據井身結構參數就可以確定T=T0+ΔT時刻井內各種流體的種類和分布位置即Lci和Lai，根據Qr0可以求得井內各段流體的摩阻系數fci和fai，然后將Lci、Lai、fci、fai帶入迭代方程(8)，即可求得T=T0+ΔT時刻井內實際流量Qr1，根據迭代方程(9)就可以得到T=T0+ΔT時刻井口真空段長度H1，如此繼續以時間步長ΔT進行迭代計算，最終得到整個施工過程相應動態參數值；時間步長ΔT取值越小越精確，一般取值在1～10s均能滿足計算要求。

判斷“U型管效應”開始的標志為井口壓力Ps=0；判斷“U型管效應”結束的標志為井口真空段長度Hn=0。

由于“U 型管效應”階段套管內始終存在真空段，計算分級箍重力塞上端面壓力較為復雜，而環空自始至終壓力連續，所以由環空進行分級箍重力塞上端面壓力計算：

2.3 重力塞下端面受力分析

二級固井期間雙級注水泥器開孔時，重力塞下端面所受到的壓力需要結合整個固井流程進行分析，將重力塞位置考慮為一個受力面，在重力塞落到打開塞座上的這一時間節點時，受力面上下受到的壓力是相同的，之后重力塞憋壓開孔，打開塞座與重力塞結合處處于密封狀態，此時重力塞下部至一級碰壓座這一段在一級固井替漿碰壓的前提下是一個密閉腔體，這一密閉腔體里面的液體受到壓縮會對重力塞產生一個向上的壓力，若重力塞下部的壓力高于重力塞受力面上部的壓力時，重力塞就會被頂起，從而實現重力塞上下壓力的平衡，當重力塞上部壓力高于重力塞下部壓力時，重力塞再次與打開塞座密封，下部壓力則更新為此時重力塞受力面上部的壓力。因此重力塞受力面下端面的壓力應為重力塞開孔建立循環后至二級固井施工結束前管內最小靜液柱壓力。如下公式（11）計算套管內靜液柱壓力Pc：

式中：Pc——第i段流體的密度，g/cm3；

Hi——第i段流體所占套管內液柱長度，m；

g——重力加速度，m/s2。

將分級箍重力塞面上部壓差減去下部壓差，得到的差值即為二級固井期間分級箍擋塊受到的壓強。當該值大于擋塊承壓能力標準時，擋塊就會出現受擠壓變形的可能，從而導致分級箍提前關孔。

3 現場應用中避免提前關孔預防措施及施工實例

實際現場施工中，可以根據分級箍擋塊理論承壓值作為依據，提前進行一定的理論計算，從而預估擋塊在二級固井過程中的承壓情況，一般可以將水泥漿返深到井口這一時間節點進行計算，若此時擋塊所受壓力值超過擋塊標準承壓值，即應通過調整相應的施工參數來降低分級箍重力塞面上下壓差，從而在施工源頭上降低二級固井分級箍提前關孔的發生率。

結合第二節的分析，可以得出現場施工中影響分級箍擋塊處壓力的參數主要為水泥漿與泥漿密度差和替漿后期的排量，降低水泥漿與泥漿的密度差可以降低重力塞上下端面的靜液柱壓力差，降低替漿排量可以降低重力塞上端面的環空壓耗。因此，在現場施工中，若通過理論計算分析認為存在分級箍提前關孔的風險，可以通過以下措施進行規避。

（1）降低二級固井水泥漿密度；

（2）增大一級固井后分級箍開孔循環后所用的井漿密度；

（3）當環空水泥漿返高接近設計值，即分級箍碰壓關孔前，提前一定體積降低頂替排量，從而降低環空壓耗。

下面以實際施工井為例進行分析，SHB11 井是西部某油田的重點探井，二開固井設計為365.13mm大尺寸套管雙級井，井深5578m，分級箍下深達到3994m，創造國內同類型尺寸分級箍下深最高紀錄，為規避分級箍下深過高導致的二級固井提前關孔風險，施工前提前進行相關分級箍擋塊受力計算模擬。

該井二級施工流程如表1所示。

表1 SHB11井二級固井施工流程

通過利用前文提及的方法設計的固井軟件模擬，得出分級箍擋塊位置的全過程施工壓力模擬曲線圖，如圖4所示，替漿至最后階段，分級箍擋塊位置承受壓力最高至64.8MPa，此時擋塊下部承受的上頂力通過計算為58.7MPa，即擋塊位置承受壓力差為6.1MPa，低于擋塊的剪切壓力值，預測固井施工不會出現提前關孔現象。實際施工中替漿至后期，替漿壓力最高漲至7.5MPa，與理論模擬基本吻合，最終替漿到量碰壓，壓力由7.5MPa碰壓至18MPa，分級箍成功實現關孔動作，密封良好，后期下鉆探得水泥塞面位置3980m，與分級箍下深位置接近，判斷分級箍成功到量碰壓，未提前關孔。

4 結論

（1）分級箍在二級固井施工中，重力塞上下端面會產生一定的壓力差，上端面壓力為環空靜液柱壓力與環空壓耗之和，下端面壓力為分級箍開孔循環后至二級固井結束前，重力塞上端面受到的最小壓力，兩者壓力差若大于分級箍擋塊標準承壓能力，擋塊就會出現擠壓變形，分級箍會存在提前關孔隱患。

（2）現場施工中，通過前期理論計算可以預估分級箍重力塞上下端面壓力差，通過調整二級固井水泥漿密度、一級固井后分級箍開孔循環后所用的井漿密度及替漿后期的頂替排量可以一定程度規避分級箍提前關孔的風險。