國外固井膠塞研究新進(jìn)展

秦金立,蘇 同

(德州大陸架油氣高科技有限公司,山東德州253034)

國外固井膠塞研究新進(jìn)展

秦金立,蘇 同

(德州大陸架油氣高科技有限公司,山東德州253034)

為降低水泥漿受污染程度,提高鉆井效率及固井質(zhì)量,近幾年不斷有新型膠塞被研制應(yīng)用。介紹了國外4種新型固井膠塞,即,套管固井防轉(zhuǎn)固井膠塞、尾管固井多膠塞系統(tǒng)、尾管懸掛-分級注-封隔器聯(lián)合固井4塞系統(tǒng)、深海套管固井海底釋放塞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和工作原理,可為國內(nèi)膠塞的研制、改進(jìn)和創(chuàng)新提供參考。

膠塞;固井;固井質(zhì)量

在固井作業(yè)中,水泥漿會受到井內(nèi)泥漿、濾餅的影響而嚴(yán)重污染,造成固井二界面封固系統(tǒng)密封失效,即使延長候凝時間效果也不明顯[1]。另外,鉆井公司為提高鉆井效率,不僅要改善隔離、刮削的效果,還要提高膠塞的可鉆性。鑒于上述情況,國外各公司加大了膠塞的研發(fā)力度,并取得了顯著的成效。筆者對目前4種常用固井工藝的特點和國外相應(yīng)的新型固井膠塞的工作原理和結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了論述。

1 套管固井防轉(zhuǎn)固井膠塞

套管固井是從井口到井底按規(guī)定下入一定尺寸的套管注水泥進(jìn)行封固的固井方法。套管固井作業(yè)中用的膠塞有常規(guī)固井膠塞和防轉(zhuǎn)固井膠塞系統(tǒng)。與常規(guī)固井膠塞系統(tǒng)相比,防轉(zhuǎn)固井膠塞縮短了鉆除時間,降低了鉆井成本。Weatherford、Davis和TOP-CO公司推出了不同防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及可鉆性強(qiáng)的防轉(zhuǎn)膠塞系統(tǒng),其中,Weatherford公司研制的防轉(zhuǎn)膠塞系統(tǒng)的防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)導(dǎo)入性更強(qiáng),防轉(zhuǎn)效果更佳,如圖1。

1.1 工作原理

在水泥漿注入前,投入防轉(zhuǎn)下膠塞,其作用是將套管內(nèi)壁的死泥漿或泥餅刮削干凈,從而有效保證之后注入的水泥漿在整個管串運行過程中不會受到污染。注入全部水泥漿后投入防轉(zhuǎn)上膠塞,水泥漿被2個膠塞全部隔離,防轉(zhuǎn)下膠塞到達(dá)套管底部的防轉(zhuǎn)浮箍時實現(xiàn)碰壓,防轉(zhuǎn)下膠塞被擊穿,水泥漿通過擊穿孔進(jìn)入環(huán)空,當(dāng)防轉(zhuǎn)上膠塞和防轉(zhuǎn)下膠塞復(fù)合后,再次實現(xiàn)碰壓,替漿結(jié)束。

圖1 Weatherford公司防轉(zhuǎn)固井膠塞系統(tǒng)

1.2 特點

設(shè)置防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。由于上、下防轉(zhuǎn)膠塞和防轉(zhuǎn)浮箍的鎖緊,在鉆除過程中膠塞等不會隨鉆頭一起轉(zhuǎn)動,有效地提高了鉆除效率,降低了鉆井成本。

2 尾管固井膠塞

2.1 單膠塞固井

尾管固井是在上部已下入套管的井內(nèi)只對下部新鉆出的裸眼井段下套管、注水泥進(jìn)行封固的固井方法,可通過尾管懸掛器來實現(xiàn)。該固井方法節(jié)約套管,降低了鉆井成本。但是當(dāng)尾管段越長時,水泥漿受井內(nèi)流體污染就越嚴(yán)重,同時還會造成環(huán)空膠結(jié)質(zhì)量差。

常規(guī)尾管固井用膠塞系統(tǒng)由尾管膠塞和鉆桿膠塞組成,尾管膠塞通過膠塞短節(jié)連接在送入工具的底部。其工作原理是當(dāng)尾管懸掛器成功坐掛于上層套管后,開始進(jìn)行注水泥固井作業(yè),向鉆桿內(nèi)注入水泥漿,注入全部水泥漿后投入鉆桿膠塞,鉆桿膠塞與尾管膠塞復(fù)合后實現(xiàn)碰壓,剪斷尾管膠塞與膠塞短節(jié)連接的剪釘后繼續(xù)替漿,當(dāng)組合鉆桿膠塞和尾管膠塞與下面的尾管膠塞鎖緊座復(fù)合后,實現(xiàn)碰壓,固井結(jié)束。

尾管固井作業(yè)相當(dāng)于單膠塞固井,即只在水泥漿注入后壓入膠塞。這種固井方式簡單,存在的問題是鉆井泥漿等流體會污染水泥漿,鉆桿和套管內(nèi)壁上被膠塞刮削下來的殘留泥漿也會污染水泥漿,影響水泥漿的膠結(jié)質(zhì)量。

2.2 多膠塞系統(tǒng)

針對上述問題,TIW、Weatherford、Smith和Baker公司推出了多膠塞系統(tǒng),其中 TIW公司的多膠塞系統(tǒng)由上、下2個泵送塞和上、下2個尾管塞組成,膠塞短節(jié)連接在送入工具底部,如圖2。

2.2.1 工作原理

注水泥前投入下泵送塞,然后注入水泥漿。當(dāng)下泵送塞到達(dá)下尾管塞時,泵壓增加,下尾管塞與上尾管塞脫離,注入全部水泥漿后投入上泵送塞,水泥漿被多膠塞全部隔離,當(dāng)下泵送塞-下尾管塞組合到達(dá)碰壓座時,水泥漿可以旁通,正常進(jìn)入環(huán)空,當(dāng)上泵送塞-尾管塞組合進(jìn)入碰壓座時,實現(xiàn)碰壓。由于只有當(dāng)下尾管塞釋放后,上尾管塞才能激發(fā)釋放,故不會出現(xiàn)井下復(fù)雜情況[1]。

2.2.2 特點

多膠塞系統(tǒng)的應(yīng)用可以減少水泥漿受污染程度,無論尾管多長,水泥漿污染程度都可從55%降到10%[1]。

圖2 TIW公司多膠塞系統(tǒng)

3 尾管懸掛-分級注-封隔器聯(lián)合固井膠塞

在水平井中,尾管加篩管的完井方式可以保護(hù)油層,較好地發(fā)揮地層的產(chǎn)能,但在多數(shù)情況下需要在篩管頂部固井。為防止水泥下沉,保證環(huán)空封固質(zhì)量,需要在篩管頂部加管外封隔器。較常見的管串結(jié)構(gòu)為:送入鉆具+尾管懸掛器+尾管串+雙級注水泥器循環(huán)孔+管外封隔器+盲板+篩管串+引鞋。該管串結(jié)構(gòu)的缺點是由于操作不當(dāng),易導(dǎo)致雙級注水泥器提前打開或封隔器提前膨脹坐封,致使下一步工作無法進(jìn)行;在下入過程中即使遇阻也無法開泵循環(huán),從而使整個管串不能到達(dá)預(yù)定位置[2]。

針對上述情況,Weatherford、Halliburton等公司研制出了一種新型膠塞系統(tǒng),即4塞系統(tǒng)。在進(jìn)行完井作業(yè)時,其管串結(jié)構(gòu)改為:送入鉆具+尾管懸掛器+4塞系統(tǒng)+尾管串+雙級注水泥器+管外封隔器+碰壓座+篩管串+引鞋。與常見管串結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于盲板改為碰壓座,尾管膠塞改為4塞系統(tǒng)。Halliburton公司4塞系統(tǒng)如圖3。

3.1 4塞系統(tǒng)工作原理

先投入鉆桿膠塞,當(dāng)下鉆桿膠塞運行至一級膠塞時,泵壓增加,一級膠塞與二級膠塞脫離,并攜帶下鉆桿膠塞運行至碰壓座處碰壓,懸掛器坐掛,封隔器膨脹坐封,雙級注水泥器打開后進(jìn)行注水泥固井作業(yè)。注入全部水泥漿后投入上鉆桿膠塞,當(dāng)上鉆桿膠塞運行至二級膠塞時,泵壓增加,剪斷銷釘,上鉆桿膠塞與二級膠塞一起下行至雙級注水泥器位置后,推動關(guān)閉套下行,實現(xiàn)循環(huán)孔關(guān)閉。

圖3 Halliburton公司4塞系統(tǒng)

3.2 特點

將雙級注水泥器的一級膠塞(撓性塞)和二級膠塞(關(guān)閉塞)進(jìn)行了改進(jìn)和組合設(shè)計,并連同上、下鉆桿膠塞一起配套應(yīng)用于復(fù)雜井完井作業(yè)中。能夠避免尾管懸掛器-分級注水泥器-封隔器-盲板完井方案的弊端;下入過程中管內(nèi)外是連通的,能夠?qū)崿F(xiàn)自動灌漿,大大縮短作業(yè)時間。

4 深海套管固井膠塞

在深海鉆井作業(yè)中,如果采用半潛式鉆井船,井口設(shè)計在海底,套管頭不能連接到鉆臺面上,因此不能像陸地套管固井一樣,直接把固井膠塞安裝到套管水泥頭內(nèi),而需要使用鉆具將膠塞送入海底井口內(nèi)進(jìn)行固井作業(yè)。

針對深海鉆井作業(yè),Weatherford、Halliburton、CaseTech、TOP-CO等公司推出了海底釋放塞系統(tǒng)。Weatherford公司海底釋放塞系統(tǒng)如圖4,主要由上、下2個泵送塞和上、下2個防轉(zhuǎn)膠塞及1個補(bǔ)償器組成,其連接方式為下防轉(zhuǎn)膠塞通過下泵送塞捕捉器連接到上防轉(zhuǎn)膠塞,上防轉(zhuǎn)膠塞通過上泵送塞捕捉器連接到補(bǔ)償器上,補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)換接頭連接在海底井口處的鉆桿接頭底部。

4.1 工作原理

注水泥前投入下泵送塞,然后注入水泥漿,當(dāng)下泵送塞運行至下防轉(zhuǎn)膠塞時,泵壓增加,剪斷下防轉(zhuǎn)膠塞捕捉器與上防轉(zhuǎn)膠塞連接銷釘。在注入全部水泥漿后投入上泵送塞,水泥漿被上、下泵送塞隔離;當(dāng)下泵送塞-下防轉(zhuǎn)膠塞組合到達(dá)防轉(zhuǎn)浮箍時,泵壓增加,憋通下防轉(zhuǎn)膠塞擋板,水泥漿可以通過旁通孔進(jìn)入環(huán)空。當(dāng)上泵送塞運行至上防轉(zhuǎn)膠塞時,再增加泵壓,剪斷上防轉(zhuǎn)膠塞捕捉器與補(bǔ)償器連接銷釘。當(dāng)上泵送塞-上防轉(zhuǎn)膠塞組合運行至下防轉(zhuǎn)膠塞組合時,碰壓,固井結(jié)束。補(bǔ)償器可與鉆桿等一起提出井口重復(fù)利用。

4.2 特點

應(yīng)用該海底釋放塞系統(tǒng)能夠解決深海固井難題;設(shè)置的防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可縮短鉆除時間,降低鉆井成本。

5 結(jié)論

1) 應(yīng)用防轉(zhuǎn)膠塞不僅能夠提高固井質(zhì)量,而且可以縮短鉆除時間,降低鉆井成本。

圖4 Weatherford公司海底釋放膠塞系統(tǒng)

2) 應(yīng)用多膠塞系統(tǒng)可以大大提高長尾管的固井質(zhì)量。

3) 應(yīng)用4塞膠塞系統(tǒng)可以很好地解決尾管懸掛-分級注-封隔器-盲板完井工藝存在的問題。

4) 應(yīng)用海底釋放塞系統(tǒng)可以解決深海固井的難題。

5) 膠塞系統(tǒng)應(yīng)向高隔離效果、高刮削性能及短鉆除時間的方向發(fā)展。

[1] 司萬春,郭朝輝,馬蘭榮.可膨脹尾管懸掛器技術(shù)及其應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2006,35(4):100-102.

[2] 陳會年,秦金立,刁國玉,等.中國特殊雙級注水泥器的研制現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].油氣地質(zhì)與采收率,2007,14 (4):98-101.

Advance in Cementing Plug Outside China

QIN Jin-Li,SU Tong
(Dezhou Shelf Oil Tools Co.,Ltd.,Dezhou253034,China)

Recent years,many new patterns of plug have been designed and applied to minimize the contamination of cement slurry,improving drilling efficiency and cement job quality.In this paper,Four different patterns of plug for cementing will be introduced and analyzed for future study and improvement,including anti-rotation plug for casing;liner-wiper plug for casing;liner hanger-multi staged cementing-packer four-plug system;subsurface release cementing plug system.

plug;cementing;cement job quality

1001-3482(2010)01-0039-04

TE925.2

A

2009-09-02

秦金立(1979-),女,天津武清人,工程師,2003年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院,從事固井工具研發(fā)工作,E-mail:qjl@sinopd.com。