碰壓自鎖固井水泥塞控制器的研制

摘 要

摘要：現(xiàn)場(chǎng)浮箍失效在近期常有發(fā)生，使水泥漿倒流、封固段縮短、水泥塞增高，嚴(yán)重影響了固井質(zhì)量，增加了鉆井成本。為改變當(dāng)前浮箍失效的狀況，對(duì)浮箍失效的原因進(jìn)行了深入分析，在保證
摘要：現(xiàn)場(chǎng)浮箍失效在近期常有發(fā)生，使水泥漿倒流、封固段縮短、水泥塞增高，嚴(yán)重影響了固井質(zhì)量，增加了鉆井成本。為改變當(dāng)前浮箍失效的狀況，對(duì)浮箍失效的原因進(jìn)行了深入分析，在保證密封體與密封座吻合的前提下，設(shè)計(jì)上盡可能擴(kuò)展?jié){體的過(guò)流間隙，適當(dāng)提高密封體的自由度，增強(qiáng)浮箍對(duì)阻卡物的釋放能力。所研制出的“碰壓自鎖水泥塞控制器”解決了固井水泥塞控制技術(shù)的一大難題，能克服浮箍失效的后期隱患，可防止“水泥漿替空”和“水泥漿倒流”，達(dá)到了提高固井質(zhì)量的目的。
關(guān)鍵詞：深井；固井；浮箍；失效；碰壓；自鎖；水泥塞；控制器
1 浮箍的結(jié)構(gòu)、作用原理及失效原因
    近年來(lái)，在四川油氣田內(nèi)固井施工現(xiàn)場(chǎng)浮箍失效事故常有發(fā)生，浮箍失效導(dǎo)致水泥漿倒流、封固段縮短、水泥塞增高，嚴(yán)重地影響了固井質(zhì)量，增加了鉆井成本。根據(jù)現(xiàn)有浮箍的結(jié)構(gòu)原理和使用特點(diǎn)，對(duì)其失效原因進(jìn)行了分析研究。
1.1 浮箍的結(jié)構(gòu)
    根據(jù)常用浮箍不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為浮球式浮箍和支撐式浮箍?jī)纱箢?lèi)；根據(jù)浮箍?jī)?nèi)部所用材質(zhì)的易鉆性能差異可分為鋁浮箍、玻鋼浮箍、水泥浮箍等品種。
    浮球式浮箍主要由外殼、加強(qiáng)環(huán)、密封座、浮球和球藍(lán)等構(gòu)成(圖1)。其特點(diǎn)在于所用的空心浮球必須具備相當(dāng)?shù)钠∧芰蜐M(mǎn)足較高的抗壓強(qiáng)度要求，在靜止?fàn)顟B(tài)和受反向回壓時(shí)能自動(dòng)與密封座相吻合，保持關(guān)閉狀態(tài)；在正循環(huán)時(shí)能夠與密封座分離自如，保持循環(huán)暢通。由于空心球在深井中所承受的井內(nèi)液柱壓力大，往往因材質(zhì)強(qiáng)度難以達(dá)到使用要求而受到限制。
支撐式浮箍主要由外殼、加強(qiáng)環(huán)、密封座、球形密封體或錐形密封體、彈簧和球藍(lán)等構(gòu)成(圖2、圖3)。其特點(diǎn)在于所用球形密封體或錐形密封體在彈簧的支撐作用下，能夠與密封座相吻合形成密封缶構(gòu)，在靜止?fàn)顟B(tài)和受反向回壓時(shí)保持關(guān)閉密封狀態(tài)；在正循環(huán)時(shí)，可通過(guò)壓縮彈簧使密封體與密封座分離打開(kāi)循環(huán)通道，保持循環(huán)暢通。當(dāng)彈簧在井下工作的時(shí)間較長(zhǎng)，反復(fù)壓縮次數(shù)多時(shí)有可能產(chǎn)生疲勞，所以對(duì)彈簧質(zhì)量要求較高。球形密封體表層膠皮具有良好的補(bǔ)償性，但膠皮容易損壞甚至脫落，錐形密封體耐磨性較好不容易損壞。球形密封體或錐形密封體在受彈簧支撐的同時(shí)，自由度也受到一定的限制，較容易發(fā)生異物阻卡而影響關(guān)閉效果。
 
1.2 浮箍作用原理
    浮箍是固井中常用的回流控制閥(簡(jiǎn)稱(chēng)回壓閥)，用于固井下套管時(shí)，可借助于井內(nèi)鉆井液浮力以減輕管柱重力降低下套管負(fù)荷。固井施工時(shí)，安裝在套管串位于水泥塞位置，可控制水泥漿回流和限制水泥塞高度。當(dāng)正循環(huán)時(shí)，正向壓力使密封體與密封座處于分離狀態(tài)，回壓閥開(kāi)通；當(dāng)靜止或承受反向回壓時(shí)，密封體與密封座處于吻合狀態(tài)，回壓閥關(guān)閉。
1.3 浮箍失效原因
    1) 目前所用易鉆性能較好的浮箍，密封座材料采用酚醛樹(shù)脂(簡(jiǎn)稱(chēng)玻鋼)，其特點(diǎn)在于可鉆性良好，強(qiáng)度較差，高壓下會(huì)發(fā)生崩裂使流體從裂縫中泄漏，導(dǎo)致浮箍失去控制能力，此現(xiàn)象可稱(chēng)為玻鋼崩裂失效。
    2) 常用浮箍的結(jié)構(gòu)為彈簧支撐式，彈簧在井下隨工作時(shí)間增加其支撐能力有可能衰減，所以在浮縮入井工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，也擔(dān)心彈簧發(fā)生疲勞而導(dǎo)致密封體和密封座分離，使其反向泄流失去控制，此可稱(chēng)為彈簧疲勞失效。
3) 浮箍在井下的工作情況條件差，過(guò)流漿體內(nèi)難免有攜帶雜物，如鉆井液處理劑包裝袋碎片等，這種現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)發(fā)生故障時(shí)，檢查中經(jīng)?？梢?jiàn)濾網(wǎng)被雜物纏繞阻塞。當(dāng)雜物流入浮箍時(shí)，由于支撐式浮箍密封體自由間隙較小，阻卡可能發(fā)生在密封體與密封座之間或密封體與球籃之間，一旦使密封體受阻再不能回到與密封座吻合的關(guān)閉位置，承受反向回壓時(shí)就會(huì)發(fā)生泄流而失去控制能力，此可稱(chēng)為異物阻卡失效。
2 浮箍失效及解決方案
2.1 浮箍失效
    1) 從目前浮箍失效的情況看，多發(fā)生在Ø177.8mm和Ø177.8mm以下的套管固井中。所用浮箍采用球形支撐式或錐形支撐式結(jié)構(gòu)，密封座采用玻鋼或鋁制品，一般都采取兩種類(lèi)型的組合應(yīng)用，即一個(gè)球形支撐式玻鋼浮箍加一個(gè)錐形支撐式鋁浮箍。按此方法用一個(gè)優(yōu)質(zhì)鋁材研制了鋁浮箍，其設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)都符合技術(shù)要求，抗回壓強(qiáng)度已足夠安全，可排除單純的玻鋼崩裂失效的可能性。
    2) 從采用的球形支撐式或錐形支撐式結(jié)構(gòu)看，均涉及彈簧支撐，對(duì)于浮箍密封體所需要的支撐力度要求，只需滿(mǎn)足密封體與球座達(dá)到相吻合的程度就可以了，增強(qiáng)密封主要依靠反向回壓的幫助，或許彈力偏強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，使密封體自由度變差。從浮箍的現(xiàn)場(chǎng)使用成功率可明顯感覺(jué)到，如果失效的原因是彈簧彈力衰減所致應(yīng)該具有普遍性，也有超時(shí)施工的井沒(méi)出現(xiàn)浮箍失效。
    3) 從浮箍在井下所處的工作情況條件看，過(guò)流漿體內(nèi)所包含攜帶物的可能性隨機(jī)存在，有的井泥漿池隨時(shí)敞開(kāi)，有的井泥漿泵進(jìn)口過(guò)濾網(wǎng)缺損，特別是鉆井液處理劑包裝袋碎片進(jìn)入漿體在所難免，如編織袋絲狀物最有可能纏繞在閥體附近影響閥門(mén)的關(guān)閉效果。這也和浮箍采用支撐式結(jié)構(gòu)所具有自由度受限相關(guān)，閥體的自由度小對(duì)雜物的釋放能力就差，阻卡的可能性增大。因此，目前所用浮箍具有異物阻卡失效的可能性。
    4) 在實(shí)際應(yīng)用中，有的井在發(fā)現(xiàn)浮箍失效后經(jīng)過(guò)繼續(xù)循環(huán)后又恢復(fù)了正常，據(jù)此現(xiàn)象可以判定玻鋼崩裂失效和彈簧疲勞失效幾乎不存在，因?yàn)檫@兩種失效都不具有恢復(fù)性，唯有異物阻卡失效才具有循環(huán)解卡恢復(fù)的可能。這就充分證實(shí)了浮箍受過(guò)流漿體所攜帶異物阻卡的可能性最大，當(dāng)異物阻卡時(shí)顯示浮箍失效，一旦異物被釋放沖走后浮箍即可恢復(fù)正常。但現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)浮箍失效多在注水泥施工結(jié)束時(shí)，此時(shí)循環(huán)已經(jīng)得不到延續(xù)，阻卡也再不能解除，使水泥漿的回流失去控制。也懷疑兩個(gè)浮箍怎么會(huì)同時(shí)失效的可能性，經(jīng)分析其實(shí)不是兩個(gè)浮箍同時(shí)失效，只是第一個(gè)浮箍失效時(shí)第二個(gè)浮箍還在起作用，從表面觀察也不會(huì)有任何顯示，只有當(dāng)?shù)诙€(gè)浮箍失效后回流失控才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。
    綜上所述可得出結(jié)論：現(xiàn)用浮箍失效的主要原因是異物阻卡失效。
2.2 解決方案
    1) 目前固井施工現(xiàn)場(chǎng)所涉及的漿體現(xiàn)狀一時(shí)難以得到改善，浮箍自身技術(shù)改進(jìn)方面也受到材料和設(shè)計(jì)空間的限制，從解除阻卡失效方面入手難度很大?？紤]在保證密封體與密封座吻合的前提下，設(shè)計(jì)上盡可能擴(kuò)展?jié){體的過(guò)流間隙，適當(dāng)提高密封體的自由度，增強(qiáng)浮箍對(duì)阻卡物的釋放能力，盡量降低或解除阻卡失效的可能性。
    2) 針對(duì)浮箍失效的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合固井膠塞碰壓自鎖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，綜合研究一種“碰壓自鎖水泥塞控制器”新技術(shù)，可代替浮箍在固井中的作用，同時(shí)具有“回壓控制”和“碰壓控制”雙向功能，能克服浮箍失效所造成的水泥漿倒流、封固段縮短和水泥塞增高。不管回壓控制在固井施工中失效與否，當(dāng)連續(xù)施工作業(yè)結(jié)束時(shí)，固井膠塞的碰壓自鎖將使“水泥漿替空”和“水泥漿倒流”得到最終控制，以確保注水泥固井施工的安全可靠。
3 碰壓自鎖水泥塞控制器的研制
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
碰壓自鎖水泥塞控制器(圖4)上部采用碰壓膠塞與控壓座構(gòu)成碰壓自鎖機(jī)構(gòu)，下部采用回壓閥與控壓座構(gòu)成回壓控制機(jī)構(gòu)。它主要由外殼、控壓座、碰壓自鎖膠塞、回壓閥等部分組成。
 
3.2 作用原理
    “碰壓自鎖水泥塞控制器”適用于石油、天然氣固井作業(yè)中自動(dòng)控制回壓和碰壓，控制水泥塞高度?？刂破飨虏坎捎没貕洪y與控壓座形成回壓控制系統(tǒng)，在入井和靜止時(shí)控制器關(guān)閉，循環(huán)和注水泥時(shí)控制器打開(kāi)?？刂破魃喜坎捎门鰤耗z塞與控壓座形成碰壓控制系統(tǒng)，注完水泥時(shí)在井口釋放碰壓膠塞，替鉆井液使碰壓膠塞下行至控壓座產(chǎn)生碰壓并自動(dòng)鎖定，使控制器處于完全關(guān)閉狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥塞的有效控制。
3.3 使用程序
    將“碰壓自鎖水泥塞控制器”連接于套管串，位于設(shè)計(jì)水泥塞高度位置，在入井過(guò)程中控制回壓，防止井內(nèi)鉆井液倒流和井口噴鉆井液，同時(shí)可減輕下套管負(fù)荷。當(dāng)固井施工注完水泥時(shí)，在井口釋放碰壓膠塞，替鉆井液使碰壓膠塞到達(dá)控壓器，形成碰壓、自鎖、密封，完成碰壓和回壓的雙重控制，防止“水泥漿替空”和“水泥漿倒流”，可有效地控制水泥
塞高度(圖5)。
 
4 結(jié)論
    1) 碰壓自鎖水泥塞控制器應(yīng)用技術(shù)是一種新技術(shù)，解決了固井水泥塞控制技術(shù)的一大難題，能克服浮箍失效的后期隱患，可防止“水泥漿替空”和“水泥漿倒流”，達(dá)到了提高固井質(zhì)量的目的。
    2) 該研究成果在川渝油氣田內(nèi)固井現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用了15井次，成功率為100%，驗(yàn)證了該技術(shù)的實(shí)用性和可靠性，為后期開(kāi)采創(chuàng)造了良好條件，免除了事故損失，節(jié)約了鉆井成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
    3) 該新技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值，所具備的優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)生的效果在實(shí)踐中將逐步得到認(rèn)可，面對(duì)當(dāng)前的深井、超深井、水平井的廣泛應(yīng)用需求，該新技術(shù)的發(fā)展前景可拭目以待。
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(本文作者：陳玉書(shū) 川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)