自膨胀辅助固井工具研制及试验

邹晓敏，李 伟，余金陵，徐 鑫，魏新芳

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017） ①

自膨胀辅助固井工具研制及试验

邹晓敏，李 伟，余金陵，徐 鑫，魏新芳

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017） ①

在不同温度和介质条件下试验研究了遇油／遇水膨胀橡胶材料的膨胀性能，并优选出性能优良的主体橡胶材料。采用该材料研制了自膨胀辅助固井工具。室内试验证明，该工具的最大膨胀率达到512%，承压性能满足要求。在3口井上成功应用，施工工艺简便，能有效防止层间窜槽。为封隔大直径及不规则井眼、提高固井质量、在水平井实施固井完井工艺提供技术支持。

固井；工具；遇油遇水膨胀橡胶；试验

目前，固井完井是优先采用的完井方式之一，其作用是将套管与地层隔离，防止套损；封隔异质层，防止层间互扰。容易出现的固井质量问题主要有：①固井质量难以保证，封固效果不好。其中，老区调整井大量采用注水、注汽开发导致地层压力紊乱，层间压力差异大，固井作业中易发生漏失、油气水窜；油水夹层问题则导致水泥环的第1、2界面胶结质量较差，达不到预期开发效果；②紊乱的地层压力造成水泥环封隔逐渐失效。主要由于长期的注水、注汽等技术措施使得地层压力紊乱，一些增产作业也带来异常压力，即使水泥环封隔的质量合格、层位合适，这些压力的往复作用也会让水泥环失效，逐渐失去封隔效果，容易发生层间窜流，造成油气资源不可挽回的流失，并且对地下环境也构成巨大威胁［1］。尤其是在水平井固井施工中由于水泥浆本身的性能原因，水泥环在凝固过程中会发生收缩，造成水泥环与套管胶结不好，出现通道，一旦生产中出水，极易造成窜槽［2－5］。因此，如何提高固井质量，特别是水平井的固井质量已成为目前完井技术亟待解决的工艺难题之一。

1 工具用途

自膨胀辅助固井工具的重要组成部分是遇油／水自膨胀橡胶材料，在含油／含水环境下能自动膨胀，且膨胀比高。该工具在固井完井工艺中使用，能有效封隔大直径及不规则井眼，无需专门的涨封结构和液压力。在施工过程中，将自膨胀辅助固井工具套接在套管串上，下至设计位置，油井正常生产一段时间后，橡胶自动膨胀从而达到封隔效果。该工具可用于分段完井、封隔水层、辅助固井（如图1）和防砂等。还可用于提高固井射孔段上、下的封隔效果。在需要射孔的井段上、下安放自膨胀辅助固井工具，防止由于射孔导致的水泥封固不好而窜层（如图2）。施工工艺简单，施工风险低，成本低。

图1 自膨胀辅助固井工具在固井现场

图2 自膨胀辅助固井工具在固井射孔段的安装位置

2 自膨胀橡胶材料性能试验

2.1 遇油膨胀橡胶

遇油膨胀橡胶（如图3）属于功能性吸油高分子材料，是在传统橡胶的基体上引入亲油性官能团或亲油性组分［6－7］。该材料的特点是膨胀速率快、膨胀倍率高、原料来源方便、成本低、工艺简单。

遇油膨胀橡胶与油介质接触时，介质通过毛细扩散作用及表面吸附等物理作用进入材料内部，进而与聚合物中的某些分子间形成极强的结合力。由于材料中的分子结构不断吸收介质，致使聚合物材料发生弹性体积形变。溶剂分子试图渗入聚合物网络内部，而聚合物大分子网络的弹性收缩力又试图将溶剂分子挤出去，这是一对相反作用的倾向，最终达到溶胀平衡。当抗形变力与介质的渗透压力达到相对平衡时，聚合物材料的形变达到稳定状态。

图3 遇油膨胀橡胶

2.1.1 材料选型

根据遇油膨胀材料在井下的使用要求，结合井下其他腐蚀因素（油、酸、碱、硫化氢等）及改性加工工艺对聚合物基体材料的要求，对氯丁二烯单体经乳液聚合反应合成的高分子聚合物、氯磺化聚乙烯聚合物、丁二烯、苯乙烯共聚物、丁二烯和丙烯腈单体经乳液聚合合成的无规共聚物，以及丙烯酸酯橡胶等做了性能筛选。丁二烯和丙烯腈单体经乳液聚合合成的无规共聚物经改性后具有耐油、耐酸碱、强度高、耐高温及加工工艺性好等特点，因此选定该橡胶材料作为主体材料。

2.1.2 膨胀性能试验

对遇油膨胀橡胶进行了不同温度、不同介质下的膨胀试验，数据如图4～5。可以看出：遇油膨胀橡胶的膨胀速度随温度升高而加快，其在柴油中的膨胀速度大于在原油中的膨胀速度，少量柴油就可以使其膨胀，在纯柴油中膨胀效果最好。

图4 遇油膨胀橡胶120℃高温膨胀试验曲线

图5 遇油膨胀橡胶140℃高温膨胀试验曲线

2.2 遇水膨胀橡胶

遇水膨胀橡胶（如图6）是一种新型高分子功能材料，具有橡胶的良好弹性和力学强度，吸水后体积膨胀，且强度和弹性良好。

图6 遇水膨胀橡胶

2.2.1 材料选型

根据遇水膨胀辅助固井工具的使用要求，对异戊二烯的聚合物、丁二烯和苯乙烯共聚物、氯丁二烯单体经乳液聚合反应合成的高分子聚合物、乙烯和丙烯及少量非共轭双烯类烯烃的三元共聚物、丁二烯和丙烯腈单体经乳液聚合合成的无规共聚物以及丙烯酸酯橡胶等做了遇水膨胀性能筛选。对比材料价格、力学性能及工艺性能后，选定丁二烯和丙烯腈单体经乳液聚合合成的无规共聚物作为主体材料。

2.2.2 膨胀性能试验

不同温度、不同矿化度介质下的膨胀试验数据如图7～8。可以得出：遇水膨胀橡胶随着矿化度的提高，其膨胀倍数明显降低；随着介质温度的提高，其膨胀率略有提高。造成这些现象的原因是介质条件的改变，改变了试验体系的渗透压平衡。

70℃的清水和油水混合介质膨胀试验数据如图9。可以得出：在含水率为15%的油水混合介质中，遇水膨胀橡胶仍可以膨胀，但其膨胀速度较在清水介质中有所下降。

图7 遇水膨胀橡胶高温试验（48h，NaCl，100℃±5℃）

图8 遇水膨胀橡胶高温试验（48h，NaCl，120℃±5℃）

图9 遇水膨胀橡胶70℃下不同介质中膨胀倍率曲线

另外，还通过试验选出了最佳硫化体系、补强剂、防老填充剂以及其他助剂。在此不再详述。

3 工具结构及室内试验

利用选出的遇油／遇水自膨胀橡胶材料加工出自膨胀辅助固井工具（如图10）。

图10 自膨胀辅助固井工具外形

试制的自膨胀辅助固井工具具有6个特点：

1） 膨胀比高，能封隔大直径井眼。遇油、遇水膨胀，膨胀率为512%。

2） 适合不规则井眼，可实现无间隙挤压式填充封隔，密封效果良好。

3） 能自动膨胀，施工工艺简化，施工风险和成本降低。在使用过程中，将自膨胀辅助固井工具套接在套管串上，下至设计位置后，无需井口加压或下内管进行胀封，油井正常生产后，自膨胀辅助固井工具遇油／水后自动膨胀，因而可明显减少井队作业时间，降低施工风险，有效节约油井开发成本。

4） 自膨胀辅助固井工具设计的弧形结构有利于下井施工，且实现了膨胀材料向2个界面膨胀，提高了固井质量且不破坏水泥环的结构，防止窜槽，提高了固井封固质量。

5） 自膨胀辅助固井工具可广泛应用于层段隔离、辅助固井或替代固井的完井施工，应用前景广阔。

6） 胶筒两端的吸收区域面积较大，膨胀时两端先膨胀，中间后膨胀。

试制的自膨胀辅助固井工具在内径为230 mm钢管内测试，如图11。胶筒两端的吸收区域面积较大，膨胀时两端先膨胀，中间后膨胀。20d后显示膨胀和承压性能良好，其整体承压可达11 MPa，满足现场使用要求。

图11 自膨胀辅助固井工具地面承压试验

4 现场应用

目前，自膨胀辅助固井工具已在胜利油田3口井上成功应用。其中Y66－P7井设计井深1 707m，完钻后电测显示该井2段油层上中下有3段水层，由于油层水淹不适合筛管完井而采用套管射孔完井。为保证完井顺利，提高固井质量，在3段水层处分别下3个遇油遇水自膨胀封隔器进行隔离；同时在1 659m处使用自膨胀辅助固井工具，防止发生固井窜槽现象。后期电测曲线图显示：该井第1界面胶结良好，水平段第2界面除油层段对应的地方胶结不是很好外，其他地方胶结良好，对油层段进行了有效封固。

5 结论

1） 自膨胀辅助固井工具采用遇油／水自膨胀橡胶材料，在含油／水环境下能自动膨胀并实现地层的有效封隔，无需专门的涨封结构和液压力。

2） 在胜利油田3口井的应用表明，其施工简单，风险小，成本低，封隔效果明显。

3） 该工具在现场应用仍不广泛，应加强推广力度。

［1］ 徐 鑫，魏新芳，余金陵.遇油遇水自膨胀封隔器的研究与应用［J］.石油钻探技术，2009，37（6）：67－69.

［2］ 张国文，沈泽俊，童 征，等.遇油／遇水自膨胀封隔器在水平井完井中的应用［J］.石油矿场机械，2012，41（2）：41－44.

［3］ 刘 猛，董本京，张友义.水平井分段完井技术及完井管柱方案［J］.石油矿场机械，2011，40（1）：28－32.

［4］ 赵 巍，陈树杰，陈光星.新型遇油膨胀封隔器技术的研究和应用［J］.石油科技动态，2011（2）：64－67.

［5］ 沈泽俊，童 征，张国文，等.遇水自膨胀封隔器研制及在水平井中的应用［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：38－41.

［6］ 张明昌.固井工艺技术［M］.北京：中国石化出版社，2007.

［7］ 王 强，曹爱丽，王 苹.遇油膨胀橡胶的制备及性能研究［J］.高分子材料科学与工程，2003，19（2）：206－208.

Development and Experiment of Auto－expansion Auxiliary Cementing Tool

ZOU Xiao－min，LI Wei，YU Jin－ling，XU Xin，WEI Xin－fang
（Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257017，China）

Expansion capacity of expandable rubber material while run into water and oil were tested under the condition of different temperature and medium，and optimizing the performance of the main rubber materials.The materials developed the auto－expansion auxiliary cementing tool.Indoor experiment proved that，the biggest expansion rate of the tool reached to 512%，the bearing performance meets the requirements.Successful application were made on 3wells in simple construction process，which can effectively prevent the interlayer channeling and provide technical support for the implementation of the isolation of large diameter and irregular borehole，improving the cementing quality in horizontal well cementing and completion technology.

well cementing；tool；oil ＆water swellable elastomer；test

1001－3482（2012）08－0043－04

TE925.207

A

国家重大专项课题“低渗油气田完井关键技术研究”（2011ZX05022－006）部分研究成果

邹晓敏（1985－），女，山东荣成人，2008年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，现从事石油完井工程技术研究，E－mail：zouxiaomin.slyt＠sinopec.com。

文章编号：1001－3482（2012）08－0020－06