過(guò)鉆桿水泥傘輔助注水泥塞作業(yè)原理與應(yīng)用分析

摘" 要：注水泥塞作業(yè)是解決井漏、棄井、回填枯竭層位、側(cè)鉆和隔絕地層等問(wèn)題的主要手段，提高其作業(yè)質(zhì)量和一次成功率，對(duì)于提高生產(chǎn)效率、降低鉆機(jī)日費(fèi)具有重要意義。然而由于水泥漿的密度明顯高于井內(nèi)鉆井液的密度，水泥漿與鉆井液之間容易出現(xiàn)置換下沉，嚴(yán)重限制水泥塞作業(yè)成功率。針對(duì)上述問(wèn)題，該文引入過(guò)鉆桿水泥傘作為注水泥塞作業(yè)輔助工具，并從其結(jié)構(gòu)組成、材料選型、工作原理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等角度進(jìn)行論述，以解決水泥塞作業(yè)成功率低的問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果表明，水泥傘具有隔離水泥漿與鉆井液的物理屏障作用，可以解決由于不同流體間密度差異大引起的混合沉降問(wèn)題，從而有效提高水泥塞作業(yè)的一次成功率。

關(guān)鍵詞：注水泥塞；過(guò)鉆桿水泥傘；工作原理；作業(yè)成功率；材料選型

中圖分類號(hào)：TV421" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）09-0192-05

Abstract： Cement plug operation is the main means to solve problems such as lost circulation， abandonment of wells， backfilling of depleted horizons， sidetracking and isolation of formations. Improving the quality of its operation and one-time success rate is of great significance for improving production efficiency and reducing daily costs of drilling rigs. However， because the density of cement slurry is significantly higher than that of drilling fluid in the well， displacement and subsidence between cement slurry and drilling fluid are easy to occur， which seriously limits the success rate of cement plug operations. In response to the above problems， this paper introduces a drill pipe cement umbrella as an auxiliary tool for cement plug injection operations， and discusses its structural composition， material selection， working principle and field application to solve the problem of low success rate of cement plug operation. The actual application results in the field show that the cement umbrella has a physical barrier effect to isolate cement slurry and drilling fluid， and can solve the mixed settlement problem caused by the large density difference between different fluids， thus effectively improving the one-time success rate of the cement plug operation.

Keywords： cement plug; drill pipe cement umbrella; working principle; operation success rate; material selection

隨著油氣資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)井老井側(cè)鉆和探井棄井回填水泥塞作業(yè)任務(wù)日益增多，如何提高水泥塞作業(yè)質(zhì)量和成功率一直是鉆井行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。

影響注水泥塞作業(yè)質(zhì)量的因素除了水泥漿體系本身的性能要求及井下實(shí)際條件外，一個(gè)最主要的因素是水泥漿與鉆井液之間的置換下沉導(dǎo)致水泥漿性能受到嚴(yán)重影響[2]。具體地，當(dāng)將水泥塞泵注和頂替到預(yù)設(shè)深度時(shí)，候凝結(jié)束后通常不會(huì)在預(yù)設(shè)位置探到水泥塞，而是在井下更深位置發(fā)現(xiàn)水泥塞，即便在預(yù)設(shè)的深度發(fā)現(xiàn)水泥塞，一般來(lái)說(shuō)這樣的水泥塞也可能無(wú)法滿足性能要求（偏軟或不耐壓等）[3]。特別地，僅依靠鉆桿進(jìn)行注水泥塞作業(yè)時(shí)，當(dāng)鉆桿從水泥塞中拔出時(shí)，水泥塞下方較輕流體會(huì)侵入鉆桿拔出后遺留的空間，進(jìn)一步造成混漿。在大斜度井或者水平井中，井眼低側(cè)的水泥流將下方的流體向上推入水泥塞，污染水泥漿，水泥塞也最終更深地向下滑入井中，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)水泥塞準(zhǔn)確定位和水泥塞質(zhì)量保證[4]。

為解決流體間密度差引起的混合沉降問(wèn)題，可以采用墊稠塞的方式增大水泥塞下方流體的黏度，然而上述方法很難保證實(shí)際應(yīng)用效果。因此，有必要選用合理的注水泥塞作業(yè)輔助工具，以減少因水泥塞沉降帶來(lái)的混漿、水泥塞下沉、重新注水泥等一系列問(wèn)題。目前，水泥塞輔助工具包括橋塞、過(guò)鉆桿水泥傘和一趟式注水泥塞工具等，各種工具在海洋鉆井作業(yè)中均有應(yīng)用[5]。表1詳細(xì)對(duì)比了各種注水泥塞輔助工具適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

由表1可知，過(guò)鉆桿水泥傘具有操作簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、兼容性好，且適應(yīng)于棄井水泥塞、側(cè)鉆水泥塞、套管井造斜器錨定等多種作業(yè)場(chǎng)景。因此，從作業(yè)安全、工作原理和經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合考慮，過(guò)鉆桿水泥傘往往是大多數(shù)水泥塞作業(yè)的優(yōu)選方案[6]。然而，目前針對(duì)過(guò)鉆桿水泥傘的研究分析和應(yīng)用情況的研究尚不多見(jiàn)，因此有必要從其結(jié)構(gòu)組成、材料選型、工作原理等方面進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步明確其提高懸空水泥塞作業(yè)成功率的關(guān)鍵，從而提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)施工精準(zhǔn)度。

1" 過(guò)鉆桿水泥傘結(jié)構(gòu)組成

圖1給出了過(guò)鉆桿水泥傘整體結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，過(guò)鉆桿水泥傘由解鎖機(jī)構(gòu)、彈簧傘骨機(jī)構(gòu)、傘布、飛鏢部分組成[7]。具體地，解鎖機(jī)構(gòu)主要由上端頭、勾片、扭簧以及螺栓等4部分組成。上端頭通常作為解鎖機(jī)構(gòu)的操作部位，是整個(gè)解鎖機(jī)構(gòu)的主體件。勾片與上端頭連接，通過(guò)勾住或釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖定或解鎖功能。扭簧提供彈性回復(fù)力，使勾片在需要釋放的時(shí)候能夠瞬間釋放。螺栓用于固定和連接各個(gè)部件，確保解鎖機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

彈簧傘骨機(jī)構(gòu)是過(guò)鉆桿水泥傘的核心結(jié)構(gòu)，由固定塊、滑塊、傘骨、彈簧以及傘繩5部分構(gòu)成，當(dāng)滑塊滑動(dòng)時(shí)，能夠讓傘布如雨傘一般進(jìn)行開(kāi)合。彈簧傘骨機(jī)構(gòu)主要用于保持送入筒和管內(nèi)泵送時(shí)的壓縮狀態(tài)，以及在套管或裸眼中的自動(dòng)伸展。傘布的主要作用是封隔水泥漿和鉆井液，提高懸空水泥塞的成功率。固定塊作為基礎(chǔ)支撐部件，提供穩(wěn)定的連接，確保整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。滑塊是實(shí)現(xiàn)傘布開(kāi)合動(dòng)作的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件，其滑動(dòng)的順暢性直接影響傘布開(kāi)合的成效。傘骨起到支撐和傳遞力量的作用，需要具備一定的強(qiáng)度和柔韌性，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和受力情況。彈簧兩端由傘繩連接，依靠自身的收縮力，使傘布能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候自動(dòng)伸展開(kāi)來(lái)。傘繩連接在彈簧的兩端，另外兩端分別連接固定塊和滑塊，起到控制彈簧收縮來(lái)讓滑塊進(jìn)行工作，使傘布撐開(kāi)。傘布材質(zhì)通常具有良好的耐溫性和耐磨損性，能夠有效地封隔水泥漿和鉆井液，其質(zhì)量和性能對(duì)提高懸空水泥塞的成功率起著至關(guān)重要的作用。

2" 材料選型

為確保過(guò)鉆桿水泥傘在復(fù)雜井筒環(huán)境中不出現(xiàn)變形、破裂的情況，其應(yīng)具備耐高溫、高壓、耐磨以及易于鉆取的性能，以便最大限度地發(fā)揮其隔離和保護(hù)作用。為此，需要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求對(duì)水泥傘組成零部件進(jìn)行選材，并對(duì)每批材料進(jìn)行材質(zhì)化驗(yàn)和機(jī)械性能的試驗(yàn)，以確保材質(zhì)性能可靠。

鉆桿水泥傘的上端頭、滑塊、固定塊是過(guò)鉆桿水泥傘關(guān)鍵部位的零件，而運(yùn)輸筒則主要起到便于過(guò)鉆桿水泥傘運(yùn)輸、存放以及作為解鎖機(jī)構(gòu)限位的作用。所以，為滿足在井下工作的需要，必須確保材料的機(jī)械性能和化學(xué)性能。為此，針對(duì)其特點(diǎn)選用綜合性能較為出色的鋁合金作為加工材料。所選材料的機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，鋁合金的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

滿足過(guò)鉆桿水泥傘易鉆取的特性，材料的選擇需要有良好力學(xué)性能且要耐磨、耐高溫、高韌性等，根據(jù)其情況刪選：環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂3種材料中選取一種作為復(fù)合材料的主體材料，從玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維這3種材料中選取一種作為復(fù)合材料的特殊增強(qiáng)材料。對(duì)比其性能和市場(chǎng)價(jià)格，優(yōu)選環(huán)氧樹(shù)脂作為復(fù)合材料的主體材料，優(yōu)選玻璃纖維作為復(fù)合材料的特殊增強(qiáng)材料。復(fù)合材料性能見(jiàn)表4。

最后，飛鏢部分材質(zhì)主要為橡膠，針對(duì)井下的具體狀況，優(yōu)選3種橡膠材料：分別是氟橡膠、丁腈橡膠和氫化丁腈橡膠，它們的性能與價(jià)格均有所不同，見(jiàn)表5。

3" 工作原理

針對(duì)水泥漿注入及下沉的特點(diǎn)，過(guò)鉆桿水泥傘采用可自動(dòng)張開(kāi)的水泥傘結(jié)構(gòu)，提供了一種在水泥漿與鉆井液間添加物理分隔層的工藝方法來(lái)提高水泥塞的質(zhì)量。地面和井下試驗(yàn)均證明，此方法能夠有效阻止水泥漿下沉和置換，對(duì)水泥塞進(jìn)行準(zhǔn)確定位，促使水泥漿凝固后形成高質(zhì)量的封堵層。

過(guò)鉆桿水泥傘工作原理示意圖如圖2（a）—圖2（e）所示：①如圖2（a）所示，將過(guò)鉆桿水泥傘和運(yùn)輸筒組合插入鉆桿之中；②把過(guò)鉆桿水泥傘從運(yùn)輸筒推入鉆桿內(nèi)后移除運(yùn)輸筒，如圖2（b）所示；③如圖2（c）所示，使用水泥漿或者鉆井液頂替鉆桿膠塞；④過(guò)鉆桿水泥傘通過(guò)鉆桿并膨脹打開(kāi)，如圖2（d）所示；⑤最后水泥塞置于水泥傘上面，并最終完成注水泥塞作業(yè)，如圖2（e）所示。

表6給出了常用尺寸的過(guò)鉆桿水泥傘技術(shù)參數(shù)。只要工具下方井段沒(méi)有井漏問(wèn)題，可用于任何懸空水泥塞作業(yè)。可用于內(nèi)徑最大達(dá)42英寸（1英寸等于2.54 cm）的井眼中。適用于從0°到水平或者更高的井斜的井眼，且不受靜液柱壓力限制，能夠與所有已知的鉆井液兼容。

4" 應(yīng)用效果及分析

目前，過(guò)鉆桿水泥傘已經(jīng)在中海油200余井次棄井和側(cè)鉆水泥塞作業(yè)中取得成功應(yīng)用。本節(jié)以南海鉆井平臺(tái)的WC10-3E-1井NO.5、WC10-3E-1井NO.6和WC19-3-7Sa井為例，統(tǒng)計(jì)了采用水泥傘工具進(jìn)行不同的注水泥塞作業(yè)所取得的實(shí)際效果。各井作業(yè)任務(wù)如圖3所示。

特別的以WC10-3E-1井NO.6進(jìn)行側(cè)鉆水泥塞作業(yè)任務(wù)為例，介紹應(yīng)用水泥傘輔助現(xiàn)場(chǎng)操作流程：①起鉆至553 m，接頂驅(qū)循環(huán)，要求泥漿比重進(jìn)出口均勻，振動(dòng)篩返出干凈，降低井底循環(huán)溫度，氣測(cè)值要求小于3%，掃稠塞算井徑后投水泥傘，起鉆至550 m。（充分循環(huán)后掃稠漿反算井徑，固井泵房清掃吹灰管線及水泥恒壓罐試壓15 psi/10 min）；②接活絡(luò)彎頭+2″旋塞閥＋固井管線，注水泥作業(yè)期間保持上下活動(dòng)管柱（管柱上下活動(dòng)范圍2～3 m，活動(dòng)速度小于0.05 m/s）；③固井管線通混合水5 bbls并對(duì)管線試壓300 psi/5 min、3 000 psi/15 min；④固井泵泵入混合水；⑤混泵密度為1.90S.G的水泥漿；⑥固井泵泵入后置液（混合水）；⑦固井泵頂替海水；⑧固井泵泄壓查回流；⑨鉆臺(tái)拆固井管線；{10}起鉆至400 m，水泥塞內(nèi)慢起3柱（0.1～0.15 m/s）；{11}循環(huán)排混漿。

采用水泥傘輔助現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)取得的實(shí)際應(yīng)用效果見(jiàn)表7。完成注水泥塞作業(yè)后，對(duì)水泥塞進(jìn)行探塞面檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)水泥塞灰面基本保持在預(yù)設(shè)位置，從而確認(rèn)水泥塞質(zhì)量良好。這表明水泥傘在使用過(guò)程中能夠順利前行，并在預(yù)設(shè)位置打開(kāi)，顯著提高了注水泥塞的一次成功率。

5" 結(jié)論

過(guò)鉆桿水泥傘是一種簡(jiǎn)便有效的井下工具，能夠適應(yīng)多種注水泥塞作業(yè)。它主要是模擬人工底部，用于承托水泥漿或者隔離下部流體，防止水泥塞下沉事件的發(fā)生，從而提高注水泥塞作業(yè)一次成功率。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，采用水泥傘工具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）過(guò)鉆桿水泥傘能夠阻止水泥漿下沉和置換，對(duì)水泥塞進(jìn)行準(zhǔn)確定位，促使水泥漿凝固后形成高質(zhì)量的封堵層；

2）節(jié)省了鉆機(jī)時(shí)間，顯著降低了由于重復(fù)多次水泥塞作業(yè)產(chǎn)生的鉆時(shí)損失；

3）為水泥塞的一次成功提供保障，使得原來(lái)一次成功率在50%左右提高到了95%以上；

4）過(guò)鉆桿水泥傘適用于所有類型的水泥塞作業(yè)，出廠之后的水泥傘隨時(shí)處于下井狀態(tài)，不需要專門的下井工具來(lái)輔助。

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