小井眼封隔堵漏工具研究與試驗

摘" "要：長慶油田公司近幾年部署了大量小井眼定向井，小井眼井漏失數量加劇，且伴隨長裸眼井段多套壓力薄弱層及漏失層位同存的情況，嚴重制約鉆井提速增效。為實現？準152.4 mm及？準165.1 mm小井眼井的安全高效堵漏、快速鉆井，針對鉆井時裸眼的井徑擴大率，通過理論設計、有限元分析及實物試驗相結合的方式，研發了一種小井眼裸眼封隔堵漏工具及其配套的腰鼓型膠筒。該工具具備多種解封方式及下接鉆柱的功能，配套膠筒兼具徑向的大膨脹量及對井筒的密封性，可封隔最大？準190 mm尺寸井眼環空。該封隔堵漏工具通過多次現場功能性試驗，驗證了該工具可實現下接230 m鉆柱，且坐封后保持最大擠封壓力4.5 MPa及2 min內快速解封的功能，為小井眼鉆井堵漏相關領域提供技術借鑒。

關鍵詞：致密氣；封隔器；堵漏工具；小井眼；膠筒

中圖分類號：TE921.5" " " " "文獻標志碼：B" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.004

Research and Testing of Small Wellbore Pack and Sealing Tools

YANG Ziye， ZHANG Panlong， YANG Sen

（Changqing General Drilling Company，CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.， Ltd.， Xi’an 710018， China）

Abstract：" In recent years， the Changqing Oilfield Company has deployed a considerable number of small wellbore directional wells， which has resulted in an increase in the number of small wellbore leaks. The coexistence of multiple sets of pressure-weak layers and leaking layers in the long open-hole section significantly impedes the speed and efficiency of drilling operations. In order to achieve safe and efficient plugging and rapid drilling of small wellbore wells with a diameter of 152.4 mm and 165.1 mm， this paper considers the enlargement rate of the open hole during drilling. A small wellbore open-hole plugging tool and its matching waist-drum type rubber cylinder were designed and developed through a combination of theoretical design， finite element analysis， and physical testing. The tool is equipped with a number of unsealing techniques and is designed to facilitate the connection of the drill string. The matching rubber cylinder exhibits both substantial radial expansion and effective sealing capabilities for the wellbore， with the capacity to seal the wellbore annulus with a maximum diameter of 190 mm. The functionality of the sealing and plugging tool was validated through on-site testing， wherein the tool demonstrated its ability to connect a 230 m drill string， withstand a maximum extrusion pressure of 4.5 MPa post-setting， and rapidly unblock within two minutes. This provides a technical reference for the field of small-hole drilling and plugging.

Key words： tight gas; packer; sealing tools; small wellbore; rubber cylinder

為提高油氣田開采效率，降低鉆采成本，長慶油田公司相關單位及蘇里格項目部加大部署優化三開水平井、二開水平井等非標井身結構，在蘇里格氣田、宜黃區塊部署了大量？準152.4 mm（6英寸）及？準165.1 mm（6■英寸）小井眼定向井。小井眼井漏失數量加劇，同時伴隨著長裸眼井段多套壓力薄弱層及漏失層位同存。2022年，已鉆漏失井中長裸眼井段多個易漏層位同存的漏失井占比高達23.5%，堵漏及高承壓難度大幅增加，嚴重制約著鉆井提速增效。而在小井眼中，井下工具的尺寸受到限制，其結構設計成為難題。

張懷文等［1］設計了一種適用于大縫洞的堵漏工具，通過半密封漿袋將水泥漿等凝固類或顆粒類堵漏材料限制在漿袋內，保證堵漏材料能夠在地層縫洞中固結，從而形成封堵，提升了堵漏效果。范鋼等［2-3］設計了一種內設攔截袋的堵漏工具，可將堵漏漿聚集在一定位置，對惡性漏失有較好效果。國內學者還設計了多種隨鉆堵漏工具［4-8］，通過投球的方式控制工具旁通孔的打開與關閉，實現隨鉆堵漏。裸眼封隔器在堵漏作業中已有所應用［9］，證明了封隔堵漏工具能使堵漏材料有效進入并留在漏層，提高堵漏效果。近幾年，遇水反應型堵漏材料（聚氨酯）已大范圍推廣應用［10-14］，朱明明等［15］設計并研發了一種聚氨酯配套堵漏工具，該工具應用了封隔原理，經現場應用發現可使堵漏工作液有效進入漏層，提高堵漏效率。

本文考慮鉆井時裸眼的井徑擴大率，設計研發了一種適用于？準152.4 mm（6英寸）及？準165.1 mm（6■英寸）小井眼裸眼封隔堵漏工具，具備封隔裸眼井眼環空的能力，同時具備多種解封方式及下接鉆柱的功能，大幅提高工具堵漏作業的安全性。

1 小井眼封隔堵漏工具

1.1 堵漏原理

當面對長裸眼井段多個易漏層位同存的井漏情況時，堵漏材料難以全部進入至漏層中，常規方法堵漏成功率較低。使用帶有膠筒的封隔堵漏工具，膠筒坐封后，在漏層上部一定距離對井眼形成密封，在一定密封壓力下，堵漏時堵漏材料無法通過環空上返至地面循環設備，進而增加堵漏材料進入漏層的比例，提高堵漏成功率。

采用固化堵漏漿體進行堵漏作業時，該工具可下接200 m鉆柱，可有效規避固化類/膠凝類工作液上返至封隔器的位置，造成“焊鐵樹”、粘卡或砂卡等在擠封堵漏作業時易發生風險。

堵漏完成后，該工具可通過上提或旋轉上部鉆具的方式，實現膠筒的收縮解封，解封時間可控制在2 min以內，使該工具在應用固化堵漏漿時的安全性得到有效提升。

1.2 工具結構

小井眼裸眼封隔堵漏工具結構如圖1所示。工具上接頭與鉆桿螺紋連接，通過投球的方式開始工作，中心軸設置旁通孔，球落座后，中心軸過流通道關閉，鉆井液經中心軸上的旁通孔，通過液壓的方式向上推動中心軸外部套設的滑動套，進而壓縮膠筒使其產生軸向位移。工具的棘齒結構能維持膠筒的壓縮狀態。膠筒采用腰鼓型設計，兼顧徑向大膨脹量及對裸眼井段的密封性，膠筒壓縮膨脹后繼續增大壓力，球座即會剪切落入球座接頭，中心軸過流通道打開，此時可進行堵漏作業。工具同時具備套設在中心軸上的上提解封機構和旋轉解封機構，堵漏完成后可通過上提鉆柱或旋轉鉆柱的方式解鎖工具的棘齒結構，達到快速解封的目的。工具下端球座接頭通過轉換接頭與鉆桿螺紋連接。

該工具可滿足小井眼堵漏作業時高效處理事故的要求，坐封解封地面可控，多種方式快速解封，實現固化、凝膠、多形態固相顆粒材料的安全、高效堵漏作業。

1.3 堵漏工藝流程

1） 根據現場工況的需要，入井合適長度的鉆桿后，通過轉換接頭接入該工具。

2） 該工具上接頭連接鉆桿，將工具送至漏層上方。

3） 投球，球落入球座后，堵塞中心軸過流通道，泥漿經旁通進入活塞腔推動滑動套，壓縮膠筒，達到封隔漏層上部井眼的目的，棘齒結構可使膠筒保持壓縮狀態。

4） 加大泵壓，使球座剪切落入球座接頭內，中心軸過流通道打開，此時可進行堵漏作業，由于井眼環空上部循環通路被膠筒封隔，堵漏材料更多進入漏層內。

5） 堵漏完成后，可通過上提鉆柱或旋轉鉆柱的方式使該工具解封。

6） 起鉆侯凝，完成堵漏作業。

2 堵漏封隔器膠筒

2.1 膠筒結構設計

封隔器性能的優劣和井下工作效果主要取決于密封膠筒，膠筒的密封性、穩定性直接影響封隔器工作的可靠性［16-18］，封隔器膠筒結構又影響膠筒的密封性與穩定性。已有國內外多位學者研究小直徑封隔器，主要針對套管微量變形。通過研制膠筒新型材料和改進膠筒的幾何形狀來增加膨脹量，達到增強密封性能的目的，而對大膨脹量的橡膠研究尚為少見。

為了兼顧封隔器膠筒的徑向膨脹量和密封性，設計了一種新型膠筒，如圖2所示。該膠筒外徑尺寸為？準135 mm，內徑尺寸為？準90 mm，材料為丁腈橡膠，其具有很好的耐油性和柔韌性，且在高溫下具有良好的抗擠性能，長期使用溫度上限達到120 ℃。膠筒內部為對稱的腰鼓型內腔，中間為最薄處；膠筒兩側內部對稱開設有兩個環形凹槽，環形凹槽內部設置有聚四氟乙烯環，可有效降低膠筒軸向壓縮變形時與內部中心軸之間的摩擦力；膠筒兩側端部各均布4個螺紋孔，與兩側連接環及滑動套連接，提供膠筒壓縮及復位后的定位功能。

該膠筒受到環形活塞的軸向壓力時會在鼓峰處產生徑向膨脹，與井壁充分貼合。通過不同參數的腰鼓形內腔膠筒進行有限元分析及室內試驗分析，對膠筒性能參數進行優選。

2.2 膠筒有限元分析

油氣井封隔器的膠筒由橡膠制成，材料為超彈性，體積不可壓縮，其應力－應變曲線呈現出非線性的特點［19-21］。堵漏封隔器膠筒的井筒環空較大，小井眼的環空超過膠筒厚度的1倍，會導致橡膠在密封過程中的膨脹變形較大，尤其是局部變形已經超過一半的小變形范圍，基于此選擇 Yeoh 模型，進行本構模型參數的計算和獲取。Yeoh模型為：

有限元分析中，分析步采用隱式動力的分析方法，模擬仿真膠筒在工作過程中的變化情況。根據膠筒實際工作方式，固定膠筒底端，上端施加位移，采用位移加載的方式進行仿真計算，得到膠筒有限元分析云圖，如圖5所示。

根據圖5有限元仿真結果可以看出，當膠筒的最大壓縮位移量增加到107 mm時，分析過程中膠筒沒有發生失穩，相應的Mises最大應力達到9.500 MPa，最大接觸應力達到2.376 MPa，通過對沿著徑向位移表面基礎應力的提取和分析，發現該結構膠筒對？準190 mm的井筒具備一定的密封效果。

2.3 膠筒室內試驗

模擬仿真完成后，進行膠筒的室內試驗，膠筒外套？準190 mm鋼制圓筒用來模擬井壁，中心穿？準90 mm的中心桿，膠筒一端頂在盲板上，另一端用鋼板壓縮。觀察膠筒受壓的膨脹變形及膠筒外圓與鋼制圓筒內壁的接觸情況。膠筒室內試驗情況如圖6所示。

試驗時，當膠筒的軸向壓縮位移量達到100" mm時，膠筒與鋼制圓筒內壁開始產生接觸，當膠筒的壓縮位移量達到120 mm時，膠筒出現失穩扭曲變形現象，且無法繼續壓縮。保持壓力2 min，釋放壓力后膠筒恢復尺寸，膠筒外觀發現明顯折痕。

1） 對膠筒施加軸向位移后，膠筒能與？準190 mm井筒產生接觸，并具備一定密封效果。

2） 膠筒的軸向壓縮位移量需要控制，當達到極限位移壓縮量時，膠筒易產生失穩扭曲變形現象，影響膠筒與井筒間的密封性，嚴重時甚至會損壞膠筒，致使堵漏封隔工具失效。

3） 該膠筒性能可通過進一步入井試驗測試得到驗證。

3 現場功能性試驗

3.1 測試步驟

1） 在井口對工具進行檢查，確認上下兩套解鎖機構處于正確位置后，連接鉆具開始入井。

2） 將工具下放到目標深度，觀察并記錄懸重。以一定排量開泵后，記錄立管壓力。

3） 從井口投球，等待球落入球座。

4） 小排量開泵，憋壓至8 MPa，使膠筒膨脹，略微下放鉆具，觀察并記錄鉆壓。

5） 小排量開泵，憋壓至銷釘剪切壓力，如壓力瞬間降低可判斷球座銷釘被剪斷，球及球座落入球座接頭中，工具導通。

6） 小排量開泵，憋壓后停泵，觀察并記錄立管壓力及鉆壓，每5 min觀察壓力情況，持續30 min以上。由此判斷膠筒對井壁產生的密封效果。

7） 采用順時針旋轉及上提的方式對工具進行解封，觀察并記錄懸重，下放后無鉆壓、立管無壓力，則可判斷工具解封，開始起鉆。

8） 對工具進行出井檢查分析。

3.2 工具功能性試驗情況

2024 - 05，該小井眼裸眼封隔堵漏工具，采用3.1所述測試步驟在長慶區域某井進行了功能性試驗，該井井深2 569 m。試驗時，鉆具由井口至井底采用方鉆桿+400 m鉆桿+小井眼裸眼封隔堵漏工具+180 m鉆桿的組合形式。

前期在室內測試中，測試該工具的導通銷釘剪切壓力為21 MPa，上提解封拉力為30 kN，旋轉解封可靠。工具下至指定位置后，井口投球，待球落入球座，小排量開泵，憋壓至8 MPa，使膠筒膨脹，下放鉆具無鉆壓顯示。憋壓至20 MPa時剪切銷釘剪斷，立管壓力瞬間歸0，判斷水眼導通，此時以5 L/s的排量開泵，立管壓力升至2.5 MPa，下放鉆具鉆壓無顯示。停泵憋壓觀察泵壓期間，平均每5 min，泵壓降低0.5 MPa。旋轉一定圈數后，提起方鉆桿2 m，立管壓力降為0，判斷工具解封，準備起鉆檢查工具。

3.3 工具出井檢查結果

工具出井后，膠筒狀態如圖7所示，膠筒中間仍呈現部分鼓包狀態，經檢查發現解封機構沒有完全回位，膠筒解封不完全，使用鏈鉗人工旋轉后，解封機構完全回位。

膠筒解封不完全，及上述工具試驗情況中膠筒膨脹后下放鉆具無鉆壓顯示，水眼導通后立管壓力無法保持的情況，分析原因為膠筒膨脹不充分，與井壁接觸應力不足，造成旋轉解封摩擦力不足，憋壓后無法持續穩壓。后續擬針對膠筒封隔部分結構進行改進。

4 試驗優化改進

4.1 試驗工具改進

根據上述現場試驗中發現的問題，對膠筒封隔部分結構進行優化調整。

1） 膠筒總體結構不變，通過增加膠筒數量來增加摩擦面積，工具由單膠筒結構改變為雙膠筒結構，兩個膠筒之間設置連接環。

2） 增加滑動套與液體接觸面的面積，以增加推動力，使膠筒充分膨脹。

改進后的雙膠筒結構如圖8所示。

4.2 工具改進后現場測試

2024 - 09，改進后的小井眼裸眼封隔堵漏工具在長慶區域某井進行了功能性試驗。該井井深3 418 m，二開鉆頭尺寸？準165.1 mm（6■英寸），采用水基鉆井液。試驗時，鉆具由井口至井底采用方鉆桿、725 m鉆桿、小井眼裸眼封隔堵漏工具以及230 m鉆桿的組合形式。其中，小井眼裸眼封隔堵漏工具下接約 230 m鉆桿，試驗井深的電測井徑為？準177 mm。

工具現場功能性測試步驟與前述3.1一致，工具下至指定位置后，井口投球，待球落入球座，小排量開泵，憋壓至8.5 MPa，使膠筒膨脹，下放鉆具鉆壓顯示為15 kN，據此判斷膠筒完成壓縮變形。憋壓至21.5 MPa時剪切銷釘剪斷，立管壓力瞬間降低，判斷水眼導通，此時以5 L/s的排量開泵，立管壓力升至4.5 MPa，井口無返漿，下放鉆具鉆壓顯示為40 kN。停泵憋壓觀察泵壓期間，壓力基本保持穩定，沒有出現壓力下降現象。采用順時針旋轉及上提的方式對工具進行解封，轉速為20 r/min，上提拉力增加26 kN后，立管壓力降為0，判斷工具解封，準備起鉆檢查工具。

4.3 工具出井檢查結果

工具出井后，下方的230 m鉆柱連接完好，證明該工具具備下接230 m鉆柱的能力。工具導通剪切壓力21.5 MPa及上提解封拉力26 kN與室內測試結果基本吻合。坐封后，最大擠封壓力達到 4.5 MPa，達到堵漏作業條件。工具解封后起鉆時無阻力，出井后工具狀態如圖9所示，經檢查發現，解封機構已完

全回位。該工具具備封隔裸眼井眼環空的能力，可實現坐封憋壓堵漏的目的。

5 結論

1） 根據長慶油田各類型小井眼井的堵漏需求，考慮鉆井時裸眼井徑擴大率，設計了一種適用于？準152.4 mm（6英寸）及？準165.1 mm（6■英寸）小井眼的裸眼封隔堵漏工具，具備封隔井眼環空能力、多種解封方式及下接鉆柱的功能，能有效提高堵漏作業的效率及安全性。

2） 設計了一種腰鼓形內腔的膠筒，選取合適材料后，利用有限元軟件采用隱式動力分析方法，模擬仿真了膠筒在工作過程中的變化情況。發現當膠筒的壓縮位移量增加到107 mm時，膠筒不會發生失穩，相應的Mises最大應力達到9.500 MPa，最大接觸應力達到2.376 MPa，且通過對沿著徑向位移表面基礎應力的提取和分析，發現該結構膠筒對？準190 mm的井筒具備一定的密封效果。

3） 對設計的膠筒進行了室內試驗分析，發現膠筒的軸向壓縮位移量需要控制，過大的位移壓縮量會使膠筒產生失穩扭曲變形的現象，影響膠筒與井筒間的密封性。

4） 設計的裸眼封隔堵漏工具在長慶區域某井場進行了多次現場功能性試驗。該工具實現了下接230 m鉆柱的能力，最高擠封壓力達到4.5 MPa，表明膠筒對井壁具有密封效果，并通過上提和旋轉管柱的方式實現了工具的快速解封，驗證該工具可實現封隔裸眼井眼環空進行憋壓堵漏作業的功能。

參考文獻：

［1］ 張懷文，曲從鋒，何海星，等.昭通地區頁巖氣淺層大縫洞堵漏工具研制［J］.天然氣工業，2021，41（S1）：182-185.

［2］ 范鋼，張宏剛，李前貴.新型堵漏工具——攔截式堵漏工具的研究［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2012，39（2）：42-44.

［3］ 陳勇.攔截式堵漏工具研發現狀及進展［J］.西部探礦工程，2021，33（9）：29-31.

［4］ 王大陸，栗亞寧，黃津松.渤海X井隨鉆堵漏工具的應用［J］.石化技術，2022，29（2）：12-13.

［5］ 郭新超，張新文，李勇龍，等.多次開關循環堵漏工具的研制與應用［J］.新疆石油天然氣，2017，13（4）：79-81.

［6］ 董趙朋，曹靖瑜，蔣海濤，等.可多次開關隨鉆堵漏閥的研制及應用［J］.石油機械，2017，45（8）：19-21.

［7］ 儲明來，丁建林，朱一星，等.鉆井堵漏材料送入工具的研究與應用［J］.石油機械，2007，35（9）：85-86.

［8］ 李波.渤海油田淺層沉砂卡鉆處理新技術［J］.石油礦場機械，2020，49（4）：27-30.

［9］ 孫等軍，王武.裸眼封隔器在堵漏作業中的應用［J］.化學工程與裝備，2018（4）：100-101.

［10］ 李志宏，陳鵬偉，高果成.適用于鄂爾多斯盆地天環塌陷西翼的體膨脹堵漏工藝［J］.鉆井液與完井液，2018，

35（1）：61-65.

［11］ 孫歡，朱明明，石崇東，等.長慶區域隨鉆堵漏技術研究與應用［J］.鉆探工程，2024，51（S1）：364-367.

［12］ 段昊天.反應型親水聚氨酯封堵劑研制［D］.北京：北京化工大學，2022.

［13］ 黎凌，李巍，歐陽偉.遇水快速膨脹膠凝堵漏技術在長寧頁巖氣區塊的應用［J］.鉆井液與完井液，2019，36（2）：

181-188.

［14］ 黎凌.遇水快速凝固膨脹堵漏材料性能評價［C］//中國石油學會天然氣專業委員會，2018年全國天然氣學術年會論文集（4工程技術），油氣田應用化學四川省重點實驗室，中國石油集團川慶鉆探鉆采工程技術研究院，2018.

［15］ 朱明明，孫歡，孫艷，等.隴東致密油區域惡性出水漏層堵漏技術［J］.石油鉆探技術，２０２３，4５（１６）５0-５６.

［16］ 張付英，郭威，張玉飛.三種結構封隔器膠筒變形穩定性對比研究［J］.潤滑與密封，2021，46（3）：95-99.

［17］ 馬美琴，陳嵐，柯俊.壓縮式封隔器膠筒的研究進展

［J］.橡膠工業，2023，70（11）：917-921.

［18］ 孫永濤，魏安超，陳宗琦，等.高溫高壓封隔器膠筒密封結構設計［J］.潤滑與密封，2023，48（9）：140-145.

［19］ 岳欠杯，王崗，劉巨保，等.高溫高壓下擴張式封隔器膠筒非線性流動仿真計算［J］.計算力學學報，2023，40

（3）：411-423.

［20］ 黃亮，郭知龍，王喜樂，等.封隔器密封膠筒擠壓失效分析與改進設計［J］.液壓與氣動，2023，47（7）：177-182.

［21］ 王智勇，劉軍嚴，朱帥，等.封隔器膠筒非線性仿真及性能評價［J］.機械制造與自動化，2023，52（3）：112-116.

（編輯：馬永剛）