大慶油田化學驅上下返機械封堵技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向

孫江 蔡萌 趙驪川 師國臣 林忠超 何慶

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室

20世紀60年代至今，大慶油田攻關應用化學驅技術，實現(xiàn)了高含水后期開發(fā)階段采收率的提高［1-2］。目前，化學驅技術已成為支撐大慶油田穩(wěn)產的主體技術，年產量超過1 000 萬t。隨著含水率快速上升，層間矛盾加大，當一類油層驅替結束，驅替對象轉向二、三類油層時，大批注、采井需要進行上、下返封堵［3-4］。由于大慶油田層系調整是將一、二、三類油層層系進行組合，分成5～6套獨立的層系，按照先后順序進行開采［5-6］，因此，要求層系調整上、下返封堵工藝可依次封堵驅替完畢的層系，并且被封堵的層系還可重新被利用，同時化學驅技術的實施，對封堵管柱可靠性和有效期提出了更高要求，需要管柱密封壽命達到6 年以上［7］。目前，大慶油田已經形成了以機械封堵技術為主、化學封堵封竄技術為輔的上下返封堵技術體系，基本滿足了大多數(shù)常規(guī)井況條件的封堵需求。由于現(xiàn)場應用的上下機械封堵技術種類較多，封堵可靠性、適用范圍、技術特點各不相同，部分技術尚不成熟，影響了化學驅返層開發(fā)的效果，因此有必要對現(xiàn)有上下返機械封堵技術進行統(tǒng)計分析，從技術角度明確其優(yōu)缺點和適用范圍，為化學驅返層開發(fā)的上下返機械封堵技術的選擇提供參考，同時分析面臨的問題，提出下步發(fā)展方向。

1 上返機械封堵技術現(xiàn)狀

上返機械封堵工藝主要使用橋塞、封隔器類工具或膨脹管組成封堵管柱，封堵下部驅替完畢層位，生產上部層位。截至2022年初，大慶油田上返機械封堵技術在用3 545 口井，主要應用可鉆式、卡瓦懸掛、注堵一體、膨脹管等4類封堵技術，滿足了大部分井況的上返封堵需求，其中可鉆式封堵技術應用1 809 口井，占比51 %，是主體技術。其余3類技術作為對可鉆式封堵技術的有效補充，卡瓦懸掛封堵技術占比24.4 %，注堵一體封堵技術占比19.6 %，膨脹管封堵技術占比5%，滿足了部分特殊工況條件井的封堵要求。

1.1 可鉆式封堵技術

可鉆式封堵技術適用于套管完好的注入井和采出井的上返封堵，具有封堵性能可靠、封堵施工簡單、封堵成本低(工藝總成本4～7 萬元/井)、有效期長(10 a以上)等優(yōu)點［8］，有可鉆橋塞和可鉆封隔器+尾管共2種工藝管柱形式，以可鉆橋塞為主，應用數(shù)量最多，占比73%。

可鉆橋塞主要采用球墨鑄鐵材質，此類材質具有較高強度，良好的切削加工性能、磨銑性能以及耐腐蝕性能。如圖1所示，工具結構為雙卡瓦形式，壓縮式膠筒位于正反相對安裝的兩組卡瓦之間，坐封后正反向卡瓦受錐體擠壓，錨定在套管內壁上，膠筒被壓縮后沿徑向膨脹，與套管內壁形成密封。由于膠筒在空間上被限制在兩組卡瓦之間，受到外部壓力時，膠筒不會移動，保證了密封效果；此外膠筒被壓縮后，自身的回彈力可支撐住位于膠筒兩端的錐體，從而為卡瓦提供持續(xù)的應力補償，保證長期工作時的錨定效果。材質和結構的特點，保證了可鉆橋塞優(yōu)良的封堵可靠性，有效期最長可達10 年以上。

圖1 可鉆橋塞坐封后結構Fig.1 Structure of drillable bridge plugs after setting

由于現(xiàn)有大多數(shù)可鉆橋塞沒有可靠的多級磨銑咬合結構，在1個封堵周期結束，再次上返時，需要磨銑解封前一級可鉆橋塞，再下入新一級可鉆橋塞封堵驅替完畢層位。金屬材料工具磨銑時，容易出現(xiàn)“鉆頭軌跡”現(xiàn)象，即鉆頭在磨銑時，經常在金屬表面磨銑形成的某一軌跡中反復無效運轉，長時間沒有進尺，為此需要頻繁上提鉆頭，快速下放并施加高鉆壓，以便破壞原有鉆頭軌跡，重新建立鉆頭進尺［9］。球墨鑄鐵材質可鉆橋塞在磨銑時，需要施加30～50 kN鉆壓，因此磨銑施工常用方轉盤+鉆桿或液壓小轉盤+鉆桿。方轉盤扭矩大，可施加30 kN以上鉆壓，3 h內可完成單級可鉆橋塞磨銑，施工費用35～50 萬元/井，且現(xiàn)場施工隊伍并非專職磨銑橋塞，無法滿足上返區(qū)塊大規(guī)模橋塞磨銑施工需求；液壓小轉盤+鉆桿是目前現(xiàn)場磨銑施工采用的主要方式，設備的低擋扭矩可滿足磨銑要求，但鉆頭磨損大，有時需中間更換鉆頭，磨銑單級可鉆橋塞平均13 h，費用約 13 萬元/井。

針對傳統(tǒng)可鉆橋塞磨銑施工效率低、費用高的問題，國內研發(fā)了易磨銑的新型鋁合金可鉆橋塞，包括?110 mm和?96 mm共2種型號，設計有效期均為8年以上，使用鋁合金材質，表面防腐處理，采用與傳統(tǒng)可鉆橋塞相似的雙卡瓦結構，橋塞上下兩端設計能夠可靠咬合的多級磨銑對接機構，可多級連續(xù)上返封堵使用，使用常規(guī)油管+螺桿鉆具+配套磨鞋，一趟管柱即可完成多級鋁合金可鉆橋塞磨銑，平均單級橋塞磨銑用時約1.5 h，磨銑成本降低60%以上。新型可鉆橋塞系列產品可滿足套管完好井和?100 mm以上套變井的上返封堵需求。

1.2 卡瓦懸掛封堵技術

卡瓦懸掛封堵技術適用于套管完好的采出井的上返封堵，具有施工簡單、可打撈解封等優(yōu)點，主要包括Y445封隔器+Y341堵水封隔器+球座(圖2a)、Y445封隔器+尾管+絲堵(圖2b)等工藝管柱形式?？ㄍ邞覓旆舛录夹g存在的主要問題是：受落物、死油死蠟及腐蝕影響，長期封堵打撈解封困難，需要大修作業(yè)，施工費用50 萬元以上，現(xiàn)場約有24%的此類封堵管柱難以解封，尤其是在注入井中長期使用后，受銹蝕、結垢、落物等因素影響，更易出現(xiàn)解封困難的問題，因此該技術不適合在注入井使用；由于工具結構為膠筒位于卡瓦一側，坐封后卡瓦缺少持續(xù)的應力補償，長期工作后，卡瓦錨定力下降，容易出現(xiàn)管柱滑移現(xiàn)象；此外管柱解封時，卡瓦回收失去錨定，若膠筒因老化未完全回收，井內液壓產生的活塞力容易上頂管柱，出現(xiàn)作業(yè)事故。

圖2 卡瓦懸掛上返封堵工藝管柱Fig.2 Slip-hanging packer upward plugging process string

1.3 注堵一體封堵技術

部分上返區(qū)塊注入井的封堵層上部隔層厚度＜6 m，若用可鉆橋塞封堵，則其上部分層注入管柱的尾部口袋較短。測試時，因測試儀器工作所需空間長度＞6 m，無法對緊鄰封堵層的注入層進行測試。在常規(guī)管柱底部直接連接可洗井封隔器或不可洗井封隔器封堵底層(圖3)，形成注堵一體封堵工藝管柱，實現(xiàn)封堵管柱底部留測試口袋。該技術具有工藝管柱簡單、成本低、易調整等優(yōu)點。根據(jù)在封堵層使用的封隔器種類不同，可分為2類注堵一體封堵工藝管柱。

圖3 注堵一體封堵工藝管柱Fig.3 Injection and plugging integrated plugging process string

（1）采用可洗井封隔器的注堵一體封堵工藝管柱（圖4）。此類管柱在正常注入時，可洗井封隔器的洗井活塞處于關閉狀態(tài)，油管內注入壓力p1＞注入層壓力p2+封堵層壓力p3，油管內注入壓力p1作用在洗井活塞上，使其無法開啟，此時洗井活塞和封隔器膠筒將上部注入層和下部封堵層隔離開，實現(xiàn)了對底層的封堵。該管柱存在的主要問題：在停注時，若可洗井封隔器上部的注入層或下部的封堵層壓力高，井內液壓會推開可洗井封隔器的洗井活塞，打開洗井通道，隨后若受井內雜質影響，洗井活塞無法復位，此時封堵層和注入層連通，導致封堵失效；另外，在正常洗井后，洗井活塞開啟，此時洗井活塞兩側液壓作用面積相同，若可洗井封隔器上部相鄰注入層為加強層，恢復正常注入時，上部常規(guī)分層注入管柱位于加強層位置的配注器沒有節(jié)流，油管內注入壓力p1和油套環(huán)空壓力相等，無法建立壓差推動洗井活塞復位，也會導致封堵失效。據(jù)統(tǒng)計，此類封堵管柱的封堵失效率達到20%，部分區(qū)塊達到48.8%。

圖4 正常注入時可洗井封隔器的洗井活塞狀態(tài)Fig.4 Well flushing piston state of well-washable plugging packer during normal injection

（2）采用不可洗井封隔器的注堵一體封堵工藝管柱。此類管柱的主要問題是無法正常洗井，長期工作后，配注器和近井地帶堵塞，影響投撈和注入效果。注堵一體封堵工藝實現(xiàn)了注入管柱下部留測試口袋，但使用可洗井封隔器的注堵一體封堵工藝封堵可靠性較差，使用不可洗井封隔器的注堵一體封堵工藝無法洗井，均無法很好地滿足封堵層上部隔層＜6 m的注入井上返封堵、洗井要求，有必要對其進行改進完善，提高封堵可靠性，同時滿足洗井要求。此外需要注意的是，由于在封堵層使用的封隔器與上部分層注入管柱連接為一體，正常生產時，注入液體的壓力變化會使管柱產生伸縮蠕動，長期工作條件下，影響封隔器的膠筒密封效果；另外，注入井因措施或投撈遇阻等原因導致的起管柱作業(yè)比較頻繁，當注入管柱起出時，封堵層的封隔器隨注入管柱起出，封堵層隨之打開，影響驅替效果。

1.4 膨脹管封堵技術

上返區(qū)塊部分井封堵層上部隔層及油層厚度小于1 m，為滿足注采強度要求，不能有陪堵層，因此采用膨脹管進行上返封堵(圖5)。該技術可實現(xiàn)0～1 m小夾層特殊工況井的上返封堵，膨脹管脹后內通徑?108 mm，采用特制膨脹密封螺紋連接，實現(xiàn)了18 m長井段連續(xù)封堵。膨脹管封堵技術的工作原理為：膨脹管下至預定深度后，油管打壓，當壓力快速上升至40 MPa以上、懸重下降大于50 kN且管柱上行明顯時，上提管柱帶動脹錐上行，膨脹管隨脹錐運行由下至上逐漸膨脹，膨脹壓力30～40 MPa；當管柱上行膨脹管全長時，壓力突降至0，膨脹施工結束，完成目的層封堵。

圖5 膨脹管上返封堵工藝管柱Fig.5 Upward plugging process string with expandable pipe

膨脹管封堵技術存在的主要問題是：目前井下作業(yè)工藝管柱外徑多為?114 mm，膨脹管封堵后內徑?108 mm，影響后續(xù)工藝實施；膨脹管膨脹后無法解封，一旦出現(xiàn)封堵失效，難以再次實施封堵；此外，若封堵段以下發(fā)生套損，因上部膨脹管位置出現(xiàn)縮徑，正常尺寸修井管柱無法下入，導致修復困難。

膨脹管封堵工藝滿足了小隔層、免陪堵特殊工況井的上返封堵要求，但由于在井筒內形成變徑，影響后續(xù)工藝實施，且如何判定和決策底部封堵層在今后是否不再動用，目前尚存在爭議，所以該工藝僅可作為可鉆橋塞等常規(guī)封堵工藝的補充技術。

2 下返機械封堵技術現(xiàn)狀

下返機械封堵工藝主要使用封隔器類工具組成封堵管柱，封堵上部驅替完畢層位，生產下部層位。截至2022年初，大慶油田下返機械封堵技術在應用井數(shù)達到869 口，其中注入井占比52.8 %，采出井占比47.2 %。注入井下返封堵主要采用橋式雙管跨層封堵、可洗井封堵等2大類技術，按應用規(guī)模二者分別占比49.4 %、50.6 %；采出井下返封堵均采用卡瓦懸掛封堵技術。以上技術滿足了大部分常規(guī)工況井的下返封堵需求。

2.1 注入井下返機械封堵技術

按照封堵層管柱結構形式不同，分為橋式雙管跨層封堵技術和可洗井封堵技術。

2.1.1 橋式雙管跨層封堵技術

2011年為了實現(xiàn)洗井液不進入封堵層，提高封堵管柱密封可靠性，國內研發(fā)了一種外管帶有伸縮管的橋式可洗井封堵工藝管柱，實現(xiàn)了跨層洗井、封堵［10］?，F(xiàn)場使用中暴露出管柱連接復雜、封堵可靠性受到施工質量和工具質量影響等問題。針對橋式管柱的上述問題，國內研發(fā)了橋式雙管跨層封堵技術，根據(jù)結構不同分為內管插入式橋式雙管封堵工藝管柱和一體化橋式雙管封堵工藝管柱。

如圖6所示，內管插入式橋式雙管封堵工藝管柱主要由橋式封隔器、橋式外管、橋式內管、密封段、工作筒、橋式封隔器等組成，其中橋式內管下端設計了具有多級密封圈的密封段和工作筒插接密封機構，可上下調節(jié)一定范圍，并保持密封。該工藝管柱通過橋式內、外管之間的環(huán)空形成獨立的洗井通道，與外部封堵層完全隔絕。洗井時，洗井液不進入封堵層，且橋式封隔器的洗井閥是否關閉不影響封堵效果。該技術具有封堵可靠性較高、橋式雙管組配簡單、管柱潛在的密封風險點少等優(yōu)點。存在主要問題有：由于橋式外管為非標管，其外徑為106～108 mm，起下管柱需要使用配套非標吊卡；此類大尺寸管柱起下作業(yè)，需要配備非標井口控制設備，防止管柱受液壓產生的活塞力上頂，預防安全事故。

圖6 內管插入式橋式雙管封堵工藝管柱Fig.6 Double-tube plugging string with inner tube insertion

如圖7所示，一體化橋式雙管封堵工藝管柱主要由橋式封隔器、一體化橋式雙管、橋式封隔器等組成。為了降低雙管組配難度，將橋式內、外管固定在一起，形成了一體化橋式雙管。其中，內管采用?73 mm油管，外管采用?88.9 mm油管，當量過流通徑達到?35 mm時，可滿足30 m3/h以上大排量洗井要求。內管下端和上端分別為公、母插接密封面，組配時外管間通過絲扣連接，對應的內管間隨之相互插接密封。由于采用標準尺寸內、外管，施工時不需使用非標吊卡，每組橋式雙管均為固定一體形式，組配管柱時無需計算、調節(jié)內外管長度差?，F(xiàn)場應用效果表明，管柱的組配效率較舊的橋式可洗井封堵工藝管柱提高了61%。當封堵井段較長時，隨著使用的一體化橋式管增多，潛在密封風險點也隨之增多，因此該技術的長期可靠性尚需時間檢驗。

圖7 一體化橋式雙管封堵工藝管柱Fig.7 Integrated bridge double-tube sealing pipe string

內管插入式橋式、一體化橋式雙管封堵工藝管柱均實現(xiàn)了洗井通道與封堵層隔絕，避免了封隔器洗井閥關閉失效對封堵的影響，保證了封堵可靠性。在配套設備齊全的情況下，尤其是長井段封堵時，內管插入式橋式雙管封堵工藝密封可靠性更高，滿足套管完好注入井的下返封堵要求。

2.1.2 可洗井封堵技術

如圖8所示，工藝管柱主要由2級可洗井封隔器通過光油管連接組成，還可在光油管部位設置帶死嘴堵塞器的配注器，實現(xiàn)投撈驗封，具有施工簡單、成本低、可洗井等優(yōu)點。存在的主要問題與前述注堵一體上返封堵工藝相同：洗井液流經封堵層，影響封堵及洗井效果；受雜質影響，洗井閥關閉不嚴造成封堵失效。因此，可洗井封堵工藝不適合作為注入井下返封堵的主要技術使用。

圖8 可洗井封堵工藝管柱Fig.8 Well-washable plugging process string

2.2 采出井下返機械封堵技術

如圖9所示，2種管柱結構在本質上相同，該技術可滿足套管完好采出井的下返封堵需求，具有施工簡單、成本低、封堵跨度不受限等優(yōu)點，有效期達到3年以上。由于封堵層位置管柱為光油管連接，無法對封隔器驗封，為此部分采出井使用雙膠筒自驗封封隔器組成自驗封管柱，但只能在初次坐封管柱時驗封，管柱丟手后無法再次進行驗封操作，后續(xù)僅能通過分析動態(tài)生產數(shù)據(jù)間接判斷封堵管柱是否密封，所需周期較長，影響返層開發(fā)效果。

圖9 采出井下返封堵工藝管柱Fig.9 Downward return plugging pipe for production wells

針對采出井下返封堵管柱無法驗封問題，研究了采出井可驗封下返封堵技術，在管柱封堵層位置設計重復驗封器，建立溝通油管和套管空間的可反復開關的驗封通道。驗封時，隨檢泵作業(yè)下入驗封管柱開啟重復驗封器的驗封通道，向封堵層施加激動壓力，開關器內的雙通道壓力計記錄油套壓力數(shù)據(jù)，作為判斷管柱是否密封的依據(jù)；驗封管柱起出時，驗封通道隨之關閉，管柱恢復封堵狀態(tài)。該技術使用一趟管柱完成驗封和恢復管柱封堵狀態(tài)，可多次反復驗封，滿足采出井下返封堵管柱驗封要求。

3 面臨問題及發(fā)展方向

“十三五”期間形成的以機械封堵為主、化學封堵為輔的封堵工藝技術體系，基本滿足了常規(guī)井況的返層封堵需求。隨著開發(fā)的深入，面臨的復雜工況井增多，現(xiàn)有機械封堵及配套技術難以滿足這部分井的封堵需求。

3.1 面臨問題

(1)目前大慶油田套變井數(shù)量較多，經過密封加固修復的井，內通徑為?104～108 mm，常規(guī)機械封堵工藝管柱外徑?114 mm，無法通過變徑點完成封堵。目前套變井下返主要使用水泥封堵技術，施工成本 32～35 萬元/井、周期 12.5～7.8 d，存在焊管柱風險。水泥封堵后需鉆除水泥塞，極易損傷套管，且殘余水泥使井壁粗糙，導致封隔器難以密封，影響后續(xù)機械分層注、采工藝效果。此外，水泥封堵的井段，后期難以再次射開利用。

(2)封堵管柱下入前，需要對封堵層相鄰的隔層驗竄，目前常用擴張式封隔器和彈簧噴砂器組成驗竄管柱，采用套溢法和套壓法驗竄，這兩種方法驗竄精度不高，準確度和可靠性較低。其中，套溢法需要人工觀察井口溢流變化，溢流量大或無溢流等情況僅憑人工肉眼觀察無法準確判斷；套壓法在井口使用壓力表觀察壓力變化，壓力波動受套管內液柱影響大，影響判斷的準確性。如果在常規(guī)驗竄管柱中使用雙通道壓力計來提高驗竄精度，由于擴張式封隔器的膠筒在啟動和回收過程中壓力波動較大，再加上擴張式封隔器密封性能與現(xiàn)場泵車性能、管線連接質量及打壓操作人員的熟練程度相關，這些因素疊加均會影響對竄槽的判斷。

(3)隨著化學驅返層開發(fā)持續(xù)深入，上下返封堵工藝應用規(guī)模不斷擴大，油藏對封堵工藝的可靠性、有效期、調整效率、施工成本等方面提出了很高要求。目前，油田在用的封堵技術種類較多，適用界限各不相同，缺少統(tǒng)一規(guī)范的封堵工藝技術體系指導封堵技術選擇，同時部分技術不成熟，綜合導致了應用過程中出現(xiàn)施工效率低、有效期短、成本高等諸多問題，影響了返層開發(fā)的效果。

3.2 發(fā)展方向

(1)針對套變井下返封堵主要使用的水泥封堵技術，對比1個驅替周期內的封堵成本，水泥封堵技術需32～35 萬元/井。機械封堵技術的封堵工具隨生產管柱一起下入，機械封堵工具成本在0.6～1.5 萬元/井，考慮1個驅替周期6年內因其他原因作業(yè)或封堵失效，管柱需重下2 次，成本也僅為1.2～3 萬元。此外，與水泥封堵相比，機械封堵工藝管柱施工風險小，解封效率高，不影響封堵層再次利用。

(2)研究精準驗竄工藝，管柱采用機械方式坐封，通過雙通道壓力計記錄的油套壓力數(shù)據(jù)判斷是否竄槽，避免管柱自身原因引起的壓力波動導致誤判，提高驗竄精度。

(3)建立規(guī)范統(tǒng)一的封堵工藝技術體系，形成封堵技術選擇圖版，保證化學驅上下返封堵效果。

4 結論

(1)在上返機械封堵方面，可鉆橋塞具有封堵可靠性高、有效期長等優(yōu)點，可滿足大多數(shù)井況條件下的上返封堵要求，應作為上返封堵的主體技術；新型鋁合金可鉆橋塞實現(xiàn)了常規(guī)作業(yè)條件下多級高效磨銑，滿足了套管完好井和?100 mm以上套變井的封堵要求，可逐步替代傳統(tǒng)球墨鑄鐵可鉆橋塞用于上返封堵。注堵一體上返封堵技術可解決上返注入井管柱下部測試口袋不夠長的問題，但管柱的封堵性能尚不可靠，待改進提高封堵可靠性后，方可在封堵層上部隔層厚度＜6 m的注入井中謹慎使用。膨脹管封堵技術由于封堵后導致井筒內縮徑，且無法解封，應作為其他上返封堵工藝的補充，僅在小隔層等特殊井況條件下謹慎選用。

(2)在下返機械封堵方面，橋式雙管跨層封堵技術實現(xiàn)了跨層洗井，封堵可靠性優(yōu)于可洗井封堵技術，應作為注入井下返封堵的主要技術；其中內管插入式橋式雙管封堵技術與一體化橋式雙管封堵技術相比，潛在密封風險點少，應作為首選技術。一體化橋式雙管封堵技術作業(yè)效率高，但在長井段封堵時，內管潛在的泄露點較多，若密封失效，將影響分注效果，應繼續(xù)監(jiān)測評價密封性能。采出井下返封堵技術滿足了套管完好井的下返封堵需求，配合新研發(fā)的可驗封下返封堵技術可滿足目前下返區(qū)塊的封堵和驗封要求。

(3)在套變井下返封堵方面，機械封堵較水泥封堵技術成本和技術優(yōu)勢顯著，有必要開展套變井下返機械封堵技術研究，提高可靠性，降低封堵成本。