国外固井胶塞研究新进展

秦金立,苏 同

(德州大陆架油气高科技有限公司,山东德州253034)

国外固井胶塞研究新进展

秦金立,苏 同

(德州大陆架油气高科技有限公司,山东德州253034)

为降低水泥浆受污染程度,提高钻井效率及固井质量,近几年不断有新型胶塞被研制应用。介绍了国外4种新型固井胶塞,即,套管固井防转固井胶塞、尾管固井多胶塞系统、尾管悬挂-分级注-封隔器联合固井4塞系统、深海套管固井海底释放塞系统的结构特点和工作原理,可为国内胶塞的研制、改进和创新提供参考。

胶塞;固井;固井质量

在固井作业中,水泥浆会受到井内泥浆、滤饼的影响而严重污染,造成固井二界面封固系统密封失效,即使延长候凝时间效果也不明显[1]。另外,钻井公司为提高钻井效率,不仅要改善隔离、刮削的效果,还要提高胶塞的可钻性。鉴于上述情况,国外各公司加大了胶塞的研发力度,并取得了显著的成效。笔者对目前4种常用固井工艺的特点和国外相应的新型固井胶塞的工作原理和结构特点进行了论述。

1 套管固井防转固井胶塞

套管固井是从井口到井底按规定下入一定尺寸的套管注水泥进行封固的固井方法。套管固井作业中用的胶塞有常规固井胶塞和防转固井胶塞系统。与常规固井胶塞系统相比,防转固井胶塞缩短了钻除时间,降低了钻井成本。Weatherford、Davis和TOP-CO公司推出了不同防转机构及可钻性强的防转胶塞系统,其中,Weatherford公司研制的防转胶塞系统的防转机构导入性更强,防转效果更佳,如图1。

1.1 工作原理

在水泥浆注入前,投入防转下胶塞,其作用是将套管内壁的死泥浆或泥饼刮削干净,从而有效保证之后注入的水泥浆在整个管串运行过程中不会受到污染。注入全部水泥浆后投入防转上胶塞,水泥浆被2个胶塞全部隔离,防转下胶塞到达套管底部的防转浮箍时实现碰压,防转下胶塞被击穿,水泥浆通过击穿孔进入环空,当防转上胶塞和防转下胶塞复合后,再次实现碰压,替浆结束。

图1 Weatherford公司防转固井胶塞系统

1.2 特点

设置防转机构。由于上、下防转胶塞和防转浮箍的锁紧,在钻除过程中胶塞等不会随钻头一起转动,有效地提高了钻除效率,降低了钻井成本。

2 尾管固井胶塞

2.1 单胶塞固井

尾管固井是在上部已下入套管的井内只对下部新钻出的裸眼井段下套管、注水泥进行封固的固井方法,可通过尾管悬挂器来实现。该固井方法节约套管,降低了钻井成本。但是当尾管段越长时,水泥浆受井内流体污染就越严重,同时还会造成环空胶结质量差。

常规尾管固井用胶塞系统由尾管胶塞和钻杆胶塞组成,尾管胶塞通过胶塞短节连接在送入工具的底部。其工作原理是当尾管悬挂器成功坐挂于上层套管后,开始进行注水泥固井作业,向钻杆内注入水泥浆,注入全部水泥浆后投入钻杆胶塞,钻杆胶塞与尾管胶塞复合后实现碰压,剪断尾管胶塞与胶塞短节连接的剪钉后继续替浆,当组合钻杆胶塞和尾管胶塞与下面的尾管胶塞锁紧座复合后,实现碰压,固井结束。

尾管固井作业相当于单胶塞固井,即只在水泥浆注入后压入胶塞。这种固井方式简单,存在的问题是钻井泥浆等流体会污染水泥浆,钻杆和套管内壁上被胶塞刮削下来的残留泥浆也会污染水泥浆,影响水泥浆的胶结质量。

2.2 多胶塞系统

针对上述问题,TIW、Weatherford、Smith和Baker公司推出了多胶塞系统,其中 TIW公司的多胶塞系统由上、下2个泵送塞和上、下2个尾管塞组成,胶塞短节连接在送入工具底部,如图2。

2.2.1 工作原理

注水泥前投入下泵送塞,然后注入水泥浆。当下泵送塞到达下尾管塞时,泵压增加,下尾管塞与上尾管塞脱离,注入全部水泥浆后投入上泵送塞,水泥浆被多胶塞全部隔离,当下泵送塞-下尾管塞组合到达碰压座时,水泥浆可以旁通,正常进入环空,当上泵送塞-尾管塞组合进入碰压座时,实现碰压。由于只有当下尾管塞释放后,上尾管塞才能激发释放,故不会出现井下复杂情况[1]。

2.2.2 特点

多胶塞系统的应用可以减少水泥浆受污染程度,无论尾管多长,水泥浆污染程度都可从55%降到10%[1]。

图2 TIW公司多胶塞系统

3 尾管悬挂-分级注-封隔器联合固井胶塞

在水平井中,尾管加筛管的完井方式可以保护油层,较好地发挥地层的产能,但在多数情况下需要在筛管顶部固井。为防止水泥下沉,保证环空封固质量,需要在筛管顶部加管外封隔器。较常见的管串结构为:送入钻具+尾管悬挂器+尾管串+双级注水泥器循环孔+管外封隔器+盲板+筛管串+引鞋。该管串结构的缺点是由于操作不当,易导致双级注水泥器提前打开或封隔器提前膨胀坐封,致使下一步工作无法进行;在下入过程中即使遇阻也无法开泵循环,从而使整个管串不能到达预定位置[2]。

针对上述情况,Weatherford、Halliburton等公司研制出了一种新型胶塞系统,即4塞系统。在进行完井作业时,其管串结构改为:送入钻具+尾管悬挂器+4塞系统+尾管串+双级注水泥器+管外封隔器+碰压座+筛管串+引鞋。与常见管串结构的区别在于盲板改为碰压座,尾管胶塞改为4塞系统。Halliburton公司4塞系统如图3。

3.1 4塞系统工作原理

先投入钻杆胶塞,当下钻杆胶塞运行至一级胶塞时,泵压增加,一级胶塞与二级胶塞脱离,并携带下钻杆胶塞运行至碰压座处碰压,悬挂器坐挂,封隔器膨胀坐封,双级注水泥器打开后进行注水泥固井作业。注入全部水泥浆后投入上钻杆胶塞,当上钻杆胶塞运行至二级胶塞时,泵压增加,剪断销钉,上钻杆胶塞与二级胶塞一起下行至双级注水泥器位置后,推动关闭套下行,实现循环孔关闭。

图3 Halliburton公司4塞系统

3.2 特点

将双级注水泥器的一级胶塞(挠性塞)和二级胶塞(关闭塞)进行了改进和组合设计,并连同上、下钻杆胶塞一起配套应用于复杂井完井作业中。能够避免尾管悬挂器-分级注水泥器-封隔器-盲板完井方案的弊端;下入过程中管内外是连通的,能够实现自动灌浆,大大缩短作业时间。

4 深海套管固井胶塞

在深海钻井作业中,如果采用半潜式钻井船,井口设计在海底,套管头不能连接到钻台面上,因此不能像陆地套管固井一样,直接把固井胶塞安装到套管水泥头内,而需要使用钻具将胶塞送入海底井口内进行固井作业。

针对深海钻井作业,Weatherford、Halliburton、CaseTech、TOP-CO等公司推出了海底释放塞系统。Weatherford公司海底释放塞系统如图4,主要由上、下2个泵送塞和上、下2个防转胶塞及1个补偿器组成,其连接方式为下防转胶塞通过下泵送塞捕捉器连接到上防转胶塞,上防转胶塞通过上泵送塞捕捉器连接到补偿器上,补偿器的转换接头连接在海底井口处的钻杆接头底部。

4.1 工作原理

注水泥前投入下泵送塞,然后注入水泥浆,当下泵送塞运行至下防转胶塞时,泵压增加,剪断下防转胶塞捕捉器与上防转胶塞连接销钉。在注入全部水泥浆后投入上泵送塞,水泥浆被上、下泵送塞隔离;当下泵送塞-下防转胶塞组合到达防转浮箍时,泵压增加,憋通下防转胶塞挡板,水泥浆可以通过旁通孔进入环空。当上泵送塞运行至上防转胶塞时,再增加泵压,剪断上防转胶塞捕捉器与补偿器连接销钉。当上泵送塞-上防转胶塞组合运行至下防转胶塞组合时,碰压,固井结束。补偿器可与钻杆等一起提出井口重复利用。

4.2 特点

应用该海底释放塞系统能够解决深海固井难题;设置的防转机构可缩短钻除时间,降低钻井成本。

5 结论

1) 应用防转胶塞不仅能够提高固井质量,而且可以缩短钻除时间,降低钻井成本。

图4 Weatherford公司海底释放胶塞系统

2) 应用多胶塞系统可以大大提高长尾管的固井质量。

3) 应用4塞胶塞系统可以很好地解决尾管悬挂-分级注-封隔器-盲板完井工艺存在的问题。

4) 应用海底释放塞系统可以解决深海固井的难题。

5) 胶塞系统应向高隔离效果、高刮削性能及短钻除时间的方向发展。

[1] 司万春,郭朝辉,马兰荣.可膨胀尾管悬挂器技术及其应用[J].石油矿场机械,2006,35(4):100-102.

[2] 陈会年,秦金立,刁国玉,等.中国特殊双级注水泥器的研制现状与发展趋势[J].油气地质与采收率,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,工程师,2003年毕业于江汉石油学院,从事固井工具研发工作,E-mail:qjl@sinopd.com。