碰壓自鎖固井水泥塞控制器的研制

摘 要

摘要：現(xiàn)場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，嚴重影響了固井質量，增加了鉆井成本。為改變當前浮箍失效的狀況，對浮箍失效的原因進行了深入分析，在保證
摘要：現(xiàn)場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，嚴重影響了固井質量，增加了鉆井成本。為改變當前浮箍失效的狀況，對浮箍失效的原因進行了深入分析，在保證密封體與密封座吻合的前提下，設計上盡可能擴展?jié){體的過流間隙，適當提高密封體的自由度，增強浮箍對阻卡物的釋放能力。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”，達到了提高固井質量的目的。
關鍵詞：深井；固井；浮箍；失效；碰壓；自鎖；水泥塞；控制器
1 浮箍的結構、作用原理及失效原因
    近年來，在四川油氣田內固井施工現(xiàn)場浮箍失效事故常有發(fā)生，浮箍失效導致水泥漿倒流、封固段縮短、水泥塞增高，嚴重地影響了固井質量，增加了鉆井成本。根據(jù)現(xiàn)有浮箍的結構原理和使用特點，對其失效原因進行了分析研究。
1.1 浮箍的結構
    根據(jù)常用浮箍不同的結構特點，可分為浮球式浮箍和支撐式浮箍兩大類；根據(jù)浮箍內部所用材質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、加強環(huán)、密封座、浮球和球藍等構成(圖1)。其特點在于所用的空心浮球必須具備相當?shù)钠∧芰蜐M足較高的抗壓強度要求，在靜止狀態(tài)和受反向回壓時能自動與密封座相吻合，保持關閉狀態(tài)；在正循環(huán)時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液柱壓力大，往往因材質強度難以達到使用要求而受到限制。
支撐式浮箍主要由外殼、加強環(huán)、密封座、球形密封體或錐形密封體、彈簧和球藍等構成(圖2、圖3)。其特點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，在靜止狀態(tài)和受反向回壓時保持關閉密封狀態(tài)；在正循環(huán)時，可通過壓縮彈簧使密封體與密封座分離打開循環(huán)通道，保持循環(huán)暢通。當彈簧在井下工作的時間較長，反復壓縮次數(shù)多時有可能產生疲勞，所以對彈簧質量要求較高。球形密封體表層膠皮具有良好的補償性，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，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(簡稱回壓閥)，用于固井下套管時，可借助于井內鉆井液浮力以減輕管柱重力降低下套管負荷。固井施工時，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。當正循環(huán)時，正向壓力使密封體與密封座處于分離狀態(tài)，回壓閥開通；當靜止或承受反向回壓時，密封體與密封座處于吻合狀態(tài)，回壓閥關閉。
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脂(簡稱玻鋼)，其特點在于可鉆性良好，強度較差，高壓下會發(fā)生崩裂使流體從裂縫中泄漏，導致浮箍失去控制能力，此現(xiàn)象可稱為玻鋼崩裂失效。
    2) 常用浮箍的結構為彈簧支撐式，彈簧在井下隨工作時間增加其支撐能力有可能衰減，所以在浮縮入井工作時間過長時，也擔心彈簧發(fā)生疲勞而導致密封體和密封座分離，使其反向泄流失去控制，此可稱為彈簧疲勞失效。
3) 浮箍在井下的工作情況條件差，過流漿體內難免有攜帶雜物，如鉆井液處理劑包裝袋碎片等，這種現(xiàn)場流量計發(fā)生故障時，檢查中經(jīng)?？梢姙V網(wǎng)被雜物纏繞阻塞。當雜物流入浮箍時，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閉位置，承受反向回壓時就會發(fā)生泄流而失去控制能力，此可稱為異物阻卡失效。
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構，密封座采用玻鋼或鋁制品，一般都采取兩種類型的組合應用，即一個球形支撐式玻鋼浮箍加一個錐形支撐式鋁浮箍。按此方法用一個優(yōu)質鋁材研制了鋁浮箍，其設計和試驗的技術指標都符合技術要求，抗回壓強度已足夠安全，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構看，均涉及彈簧支撐，對于浮箍密封體所需要的支撐力度要求，只需滿足密封體與球座達到相吻合的程度就可以了，增強密封主要依靠反向回壓的幫助，或許彈力偏強會產生負面影響，使密封體自由度變差。從浮箍的現(xiàn)場使用成功率可明顯感覺到，如果失效的原因是彈簧彈力衰減所致應該具有普遍性，也有超時施工的井沒出現(xiàn)浮箍失效。
    3) 從浮箍在井下所處的工作情況條件看，過流漿體內所包含攜帶物的可能性隨機存在，有的井泥漿池隨時敞開，有的井泥漿泵進口過濾網(wǎng)缺損，特別是鉆井液處理劑包裝袋碎片進入漿體在所難免，如編織袋絲狀物最有可能纏繞在閥體附近影響閥門的關閉效果。這也和浮箍采用支撐式結構所具有自由度受限相關，閥體的自由度小對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) 在實際應用中，有的井在發(fā)現(xiàn)浮箍失效后經(jīng)過繼續(xù)循環(huán)后又恢復了正常，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，因為這兩種失效都不具有恢復性，唯有異物阻卡失效才具有循環(huán)解卡恢復的可能。這就充分證實了浮箍受過流漿體所攜帶異物阻卡的可能性最大，當異物阻卡時顯示浮箍失效，一旦異物被釋放沖走后浮箍即可恢復正常。但現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)浮箍失效多在注水泥施工結束時，此時循環(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。也懷疑兩個浮箍怎么會同時失效的可能性，經(jīng)分析其實不是兩個浮箍同時失效，只是第一個浮箍失效時第二個浮箍還在起作用，從表面觀察也不會有任何顯示，只有當?shù)诙€浮箍失效后回流失控才會顯現(xiàn)出來。
    綜上所述可得出結論：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)場所涉及的漿體現(xiàn)狀一時難以得到改善，浮箍自身技術改進方面也受到材料和設計空間的限制，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，設計上盡可能擴展?jié){體的過流間隙，適當提高密封體的自由度，增強浮箍對阻卡物的釋放能力，盡量降低或解除阻卡失效的可能性。
    2) 針對浮箍失效的技術難點，結合固井膠塞碰壓自鎖技術的優(yōu)勢，綜合研究一種“碰壓自鎖水泥塞控制器”新技術，可代替浮箍在固井中的作用，同時具有“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，當連續(xù)施工作業(yè)結束時，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 結構設計
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成碰壓自鎖機構，下部采用回壓閥與控壓座構成回壓控制機構。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)，在入井和靜止時控制器關閉，循環(huán)和注水泥時控制器打開。控制器上部采用碰壓膠塞與控壓座形成碰壓控制系統(tǒng)，注完水泥時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生碰壓并自動鎖定，使控制器處于完全關閉狀態(tài)，以實現(xiàn)對水泥塞的有效控制。
3.3 使用程序
    將“碰壓自鎖水泥塞控制器”連接于套管串，位于設計水泥塞高度位置，在入井過程中控制回壓，防止井內鉆井液倒流和井口噴鉆井液，同時可減輕下套管負荷。當固井施工注完水泥時，在井口釋放碰壓膠塞，替鉆井液使碰壓膠塞到達控壓器，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 結論
    1) 碰壓自鎖水泥塞控制器應用技術是一種新技術，解決了固井水泥塞控制技術的一大難題，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”，達到了提高固井質量的目的。
    2) 該研究成果在川渝油氣田內固井現(xiàn)場推廣應用了15井次，成功率為100%，驗證了該技術的實用性和可靠性，為后期開采創(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)濟效益和社會效益。
    3) 該新技術具有良好的推廣應用價值，所具備的優(yōu)勢和產生的效果在實踐中將逐步得到認可，面對當前的深井、超深井、水平井的廣泛應用需求，該新技術的發(fā)展前景可拭目以待。
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(本文作者：陳玉書 川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)