超深水平井管外封隔器失效机理探讨及解决对策

冉小丰，王越之 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉434023）

彭晓刚 （中石油塔里木油田分公司塔北项目部，新疆 库尔勒841000）

碳酸盐岩是塔里木油田快速上产中最重要的区域，而水平井是提高碳酸盐岩单井产量的重要手段，目前的筛管完井和裸眼封隔器分段改造技术已不能满足多段改造和油田后期开发的要求。利用管外封隔器进行选择性固井是水平井完井的一种重要方式，利用该技术能够实现复杂储层的有效封隔，并为后期多段改造、动态监测、找堵水作业留下工作通道［1-2］。由于塔里木油田超深水平井中管外封隔器施工存在着诸多特殊情况，使得管外封隔器的使用效果不理想，为此，笔者对封隔器失效原因进行分析并提出提高固井成功率的相应方法。

1 管外封隔器结构及工作原理

1．1 结构

管外封隔器 （ECP）的结构基本相同，主要由控制阀部件、密封部件和联接部件3部分构成。控制阀部件包含锁紧阀、单流阀和限压阀，完成对膨胀介质的流动控制。密封部件包含内胶筒、外胶筒、金属加强片、支撑环和胶筒接头等，是实现密封的主要部件。联接部件包含中心管、提升短节、接箍和套管短节等，主要起配合连接的作用。

1．2 工作原理

管外封隔器的工作原理如下：在施工过程中，当顶替胶塞通过封隔器阀系接头时，将密封在进液孔上的断开杆碰断。当顶替胶塞运行到阻流板时使套管内形成密封，蹩压时液体经阀系的进液孔进入锁紧阀，当压力达到设定值时锁紧阀销钉被剪断，锁紧阀打开，同时单流阀也打开，液体经限压阀进入中心管与胶筒间的膨胀腔内，使封隔器膨胀与井壁紧密接触形成密封。当膨胀腔内的压力达到限压阀销钉的设定值时，限压阀销钉剪断，关闭进液孔，实现安全座封。井口放压为零、锁紧阀自动锁紧，从而实现永久关闭。

2 管外封隔器失效机理研究

截止2011年底，塔里木油田在碳酸盐岩进行选择性固井中，有9口井使用了管外封隔器，其中5口井封隔器使用失效，成功率仅为44%。通过对管外封隔器使用失效原因的理论分析和现场资料调研，发现主要影响因素有井底温度高、裸眼段长、井眼曲率大、胶筒-井壁间隙小和井眼不规则严重。

2．1 井底温度高

塔里木油田管外封隔器的最高下入深度已超过7000m，工作温度超过160℃，压力达到77MPa。然而，目前国内外管外封隔器产品的胶筒最高耐温150℃ （氢化丁腈橡胶），并且高温下胶筒材料的扯断强度、撕裂强度大幅下降，已不能进行100%的长度拉伸 （177℃时的撕裂强度只有25℃时的14%，扯断强度只有22．5%［3］）。胶筒在井下酸、盐、油等介质环境下，膨胀密封井眼，若坐封间隙过大，则容易产生破坏。

2．2 裸眼段长

塔里木油田碳酸盐岩选择性固井中，封隔器通过的裸眼段长度大。在已使用的9口井中，最长达851m，最短为211m，平均539m。在长距离的裸眼段 （包括弯曲段和水平段）中运行，使得各种不利因素对封隔器胶筒的损坏机率增大。

2．3 胶筒-井壁间隙小

标准的管外封隔器胶筒外径较大，当管串下行时，扶正器贴井壁，胶筒外表面与井壁的间隙非常小（见表1），其中114-Ⅰ型和178-Ⅱ型管外封隔器的胶筒-井壁间隙分别仅为1mm和2mm，使得胶筒与井壁极容易发生接触、摩擦和挤压胶筒。

表1 几种尺寸封隔器胶筒与井壁间间隙值

2．4 井眼曲率大

根据管柱与井眼的几何关系，可以得出弯曲段管外封隔器能通过的最大长度计算公式如下［4］：

式中，R为井身曲率半径，m；D为曲率半径为R处的井径，m；d为封隔器最大外径，m；L为封隔器最大允许通过长度，m。

由于封隔器胶筒最大外径已接近井径 （见表1），因而弯曲段能通过的胶筒长度较小。利用式 （1）对塔里木H901H井进行计算，发现部分井弯曲段封隔器下放过程中会遇阻，实际胶筒长度与允许通过胶筒长度相交点为可能遇阻井深 （见图1），该判断在实际施工中得到验证，遇阻后下压超过50kN才得以通过，分析认为井壁的挤压和摩擦对封隔器胶筒已造成损伤。

图1 H901H井封隔器通过能力计算图

2．5 井眼不规则严重

存在井眼缩径、扩径，井底存在脱落岩石碎屑等复杂情况时，都有可能造成岩石与封隔器胶筒的接触，严重时甚至扶正器失效，管柱重量坐落在封隔器之上，加之高温下胶筒强度大幅降低，极易造成胶筒的损伤和破坏。此外，若岩石尖角接触胶筒，也很可能将外胶筒刮破。从塔里木油田各井的6侧臂井径测井曲线发现，部分井封隔器通过的长裸眼段不规则程度严重。以YM321-5H井为例，在5102～5235m井段出现井眼缩径，同样在5490～5560mm井段出现较为严重的扩径，分析认为封隔器外胶筒在下入过程中已经被磨损和刮伤。

3 解决措施

3．1 合理选型

1）尺寸型号选择 针对塔里木油田碳酸盐岩区域常用的几种裸眼井径，计算后期所需管外封隔器承受的上下或环空压差，根据各管外封隔器生产厂家提供的井径与压差关系曲线，确定封隔器尺寸型号 （见表2）。

表2 塔里木碳酸盐岩管外封隔器建议选型系列

2）长度选择 当管外封隔器胶筒长度超过3m、仅胶筒两端板条加固或采用全橡胶式时，可按API的井下工具允许通过的最大井眼曲率公式进行计算。经过计算，得到封隔器胶筒长度选择结果：①当狗腿度＜15°／30m时，选用胶筒长3m以下封隔器，全不锈钢或铝板条加固；②当15°／30m≤狗腿度≤30°／30m时，选用胶筒长3～6m封隔器，仅胶筒两端加固或全橡胶式；③当狗腿度＞30°／30m时，选用胶筒长6m以上封隔器，仅胶筒两端加固或全橡胶式。

3）胶筒材料选择 要求胶筒材料具有良好的耐温性、耐磨性、耐化学介质性以及在井下复杂环境下仍有较高的扯断强度和撕裂强度，从而提高胶筒在通过裸眼段和加压胀封时的安全性。根据塔里木油田的实际情况，建议选用氢化丁腈橡胶 （HNBR）材料制作胶筒。

3．2 优化通井方案

优化通井方案时，要求钻井起下钻井眼畅通无阻，无明显阻卡现象。如果井眼不顺畅，在采用常规钻具通完井后要求使用西瓜铣反复通井 （下入1个封隔器采用2个西瓜铣通井，下入2个以上封隔器采用3个西瓜铣通井）。

3．3 确定钻井液性能

下套管前的最后一次通井，钻井液性能必须达到以下要求：具有良好的携砂悬浮性能；保证井筒内钻井液粘度、切力，高温高压失水应控制在10ml以内；不含堵漏材料。

3．4 严格封隔器下放程序

封隔器下放过程要求平稳慢速，套管内不低于2min／柱，进入裸眼内不低于3min／柱，每下5～10柱灌浆1次，若中途下钻遇阻，可适当下压，在除开摩阻的情况下不得超过5t。

3．5 精确控制打压坐封

封隔器坐封施工打压过程中，应严格遵守封隔器膨胀过程压力要求。若发现实际进液量超过预算进液量，应迅速打压至限压阀销钉剪断压力之上，关闭限压阀，停止进液以保护胶筒。对泵车要求如下：①适当选用电动泵以便精确控制阶梯打压和缓慢泄压过程。②泵车上仪器仪表应灵敏可靠，且能记录进液量。

4 现场应用

2012年，塔里木油田碳酸盐岩区域选择性固井在5口井中使用了套管外封隔器，施工过程中出现井底温度高、裸眼段长和井眼不规则严重等问题，为此根据上述解决措施制定施工方案。现场作用表明，5口井全部固井成功，成功率达100%，说明上述施工方案是可行的，能够在碳酸盐岩选择性固井中推广应用。

［1］许国林，李博，王洪潮，等．∅140型裸眼分段压裂套管外封隔器的研制 ［J］．石油机械，2011，39（7）：54-58．

［2］Chow J H，Blount C G，Hilleary N，et al．Annular isolation of horizontal slotted liners with chemical external casing packers ［J］．SPE21643，2009．

［3］唐海雄，张俊斌，冯定，等 ．螺杆泵定子用氢化丁腈橡胶性能分析 ［J］．石油机械，2010，38（6）：81-83．

［4］甘庆明，杨承宗，黄伟，等 ．大斜度井井下工具通过能力分析 ［J］．石油矿场机械，2008，37（7）：59-61．