固井界面增强工具研制

宋艳涛

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413 )①



固井界面增强工具研制

宋艳涛

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413 )①

摘要：为了提高固井界面处的层间封隔能力，选用遇水膨胀橡胶，研制了固井界面增强工具。设计了性能评价装置，对该工具进行了性能评价试验。室内试验和现场应用表明，比表面积、膨胀液矿化度和温度均会对橡胶材料的膨胀性能产生影响。该工具能够显著提高固井双界面的密封能力，有效地提高环空的封隔性能。

关键词：固井；工具；遇水膨胀橡胶

参考文献：

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近年来，膨胀橡胶材料逐渐应用于钻井工程领域，最具代表性的就是遇水/遇油膨胀封隔器[1-3]，可以实现对裸眼井段的封隔，由于其独特的自密封特点被广泛关注。但是，应用于固井中的自膨胀工具未见报道。固井质量是影响油气井安全稳定生产的重要因素，由于水泥和套管之间弱界面的存在[4]，在一定程度上对固井质量产生影响。虽然可以采取一些措施来提高界面处的胶结质量，但是在油气井作业过程中套管内压变化可能造成套管与水泥环之间产生微环隙，影响油气井产能建设。这些问题无法通过单方面改善水泥性能来解决。

为了提高界面处的层间封隔能力，消除微环隙与弱界面对油气井的影响，研制了以遇水膨胀橡胶为主要材料的固井界面增强工具。本文研究了比表面积、膨胀液矿化度和温度等对膨胀橡胶材料膨胀性能的影响，评价了固井界面增强工具对固井的密封性能。介绍了该工具的结构、工作原理以及现场应用情况。

1橡胶膨胀性能影响因素室内试验

遇水膨胀橡胶是固井界面增强工具的核心部件，其性能直接影响工具的使用效果。通过对不同体积膨胀倍率的材料进行对比试验，选择体积膨胀倍率为200%、耐温性能较好的氢化丁腈遇水膨胀橡胶作为固井界面增强工具的膨胀材料。影响材料膨胀性能的主要因素有比表面积、膨胀液矿化度和温度。

1.1橡胶比表面积对膨胀性能的影响

分别取比表面积为3.1 cm2/g和3.7 cm2/g的两块橡胶样品进行试验。将它们置于45 ℃的去离子水中浸泡，每隔一段时间测其体积，试样的体积变化情况如图1所示。

图1　橡胶比表面积对膨胀性能的影响

从图1可以看出，比表面积为3.7 cm2/g的样品在水中浸泡2 d，体积达到最大值，橡胶处于溶胀平衡状态。比表面积为3.1 cm2/g的样品达到最大体积则需要在水中浸泡4 d。因此，橡胶的比表面积越大，其膨胀速率越快。此外，从图1中可以看出，比表面积为3.7 cm2/g样品和3.1 cm2/g样品的最大体积膨胀率基本相同，因此可以得知比表面积对橡胶体的最大体积膨胀率并无影响。

橡胶的膨胀速率之所以同比表面积有关，是因为膨胀速率是通过扩散过程进行控制的。样品的比表面积越大，水分子进入橡胶的通道越多，越容易扩散，橡胶的膨胀速率越快。因此，如果想要得到较快的初始膨胀速率，则必须使橡胶元件的有效面积最大化。

1.2采出水的矿化度对橡胶膨胀性能的影响

橡胶膨胀的主要驱动力是橡胶内外的渗透压差，渗透压差越大，橡胶的膨胀能力越强。渗透压主要与溶液中的离子数量有关，而与离子种类无关。遇水膨胀橡胶要在井下复杂环境下使用，地下流体由于采出水回注等原因造成水中离子含量较高，因此需要进行矿化度对膨胀性能的影响研究。

将体积相同的橡胶样品分别置于去离子水和3%氯化钠溶液中，45 ℃下浸泡，每隔一段时间测量其体积。样品的体积随时间变化如图2所示。

由图2中可以看出，3%氯化钠溶液中的样品体积膨胀率明显小于去离子水中的样品。试验结果表明，水中的离子会严重影响橡胶的膨胀。这是由于3%氯化钠溶液中的离子使橡胶与溶液中的离子浓度差减小，橡胶内外渗透压差减小，导致膨胀量减小。橡胶在使用中由于地下环境的不同，会使其膨胀量和膨胀速率发生变化，从而影响密封效果，在使用时必须对井下条件进行考虑，设计好橡胶的体积膨胀率。

图2　采出水矿化度对橡胶膨胀性能的影响

1.3采出水温度对橡胶膨胀性能的影响

取质量约3 g，表面积基本相同的遇水膨胀橡胶样品，将其分别置于不同温度下的去离子水，其体积变化如图3所示。

由图3中可以看出，橡胶的膨胀速率随着温度的升高而加快，25 ℃下在5 d时体积达到最大值，而45 ℃下需要2 d，90 ℃下只需1 d。不同温度下橡胶的膨胀速率相差很大，温度影响水分子的分子运动，温度越高水分子的分子运动越剧烈，进入橡胶中的速率越快，使膨胀橡胶的膨胀速率增加。

图3　温度对膨胀性能的影响

2固井界面增强工具的性能评价试验

2.1Ⅰ界面密封性能

目前，对固井界面增强工具的性能评价研究较少，且多是定性评价，国内外尚未见定量评价报道。根据工具的特点，设计了全尺寸评价装置，该装置主要由中心管、工具、底盘、岩心和验窜部分组成，如图4所示。在外径为139.7 mm的套管表面从上到下开4排直径为4 mm的小孔，将一段胶筒粘贴在139.7 mm套管下部间距为0.5 m两排孔之间，上部两排孔间距为0.5 m。橡胶连同套管在泥浆中浸泡12 h后取出，在套管和岩心之间注入大连G级水泥原浆，在40 ℃水浴中养护，定期对上部和下部进行验窜。

在1 d时验窜，胶筒部位封隔压力3.5 MPa，无胶筒0.5 m部位封隔压力1.5 MPa ；在3 d时胶筒部位封隔压力8 MPa，而无胶筒部位封隔压力基本为零；在7 d时胶筒部位封隔压力大于15 MPa，说明在Ⅰ界面顶替不净或存在微环隙时，胶筒可以显著提高封隔能力。

图4　固井界面增强工具评价试验装置

2.2Ⅱ界面密封性能

通过全尺寸模拟试验虽然明确了工具对Ⅰ界面的作用，但是工具对Ⅱ界面的作用尚不明确，因此，采用小尺寸界面胶结强度试验装置模拟检测了工具对Ⅱ界面胶结强度的影响。

将橡胶材料粘贴在钢壁表面，在45 ℃钻井液中浸泡12 h，取出后将表面清理干净，在界面环空注入水泥原浆，于45 ℃下养护48 h，测量Ⅱ界面胶结强度，测量结果同未粘贴橡胶的试样进行对比。试验结果如图5和表1。

a　带有膨胀橡胶的中心管

b　环空注入水泥后的模拟试验装置

试样样品1(Ⅰ界面带有橡胶)样品2(无橡胶)Ⅱ界面胶结强度/MPa1.321.05

从表1可以看出，Ⅰ界面粘有橡胶的样品时，Ⅱ界面胶结强度比无橡胶样品提高了26%。这是由于橡胶在水泥凝固前的膨胀增加了Ⅱ界面处钢壁与水泥之间的接触应力，使界面剪切胶结强度增加。

3固井界面增强工具

3.1结构

固井界面增强工具结构简单，主要由遇水膨胀橡胶、保护环和中心管组成，如图6所示。将遇水膨胀橡胶直接硫化或套装粘接固定在各种尺寸的中心管上，两端直接同套管接箍相连，套管接箍就是保护环，防止工具在下入过程中刮破橡胶。橡胶部分厚度和长度可根据油气井的密封压差要求、井径、地质情况、操作条件以及其它情况进行调整。橡胶厚度越大、尺寸越长，则密封的压差越大。

图6　固井界面增强工具结构示意

3.2工作原理

在使用时，将固井界面增强工具接入套管串，随同套管串下入，然后进行注水泥固井作业，使固井界面增强工具封固在水泥中。固井界面增强工具会通过与水反应，封闭套管和水泥环之间存在的微环隙或固井弱界面，增强固井界面的层间封隔能力。此外，固井界面增强工具可以防止水泥环由于应力而引起的破坏，进而保证水泥环的完整性。该工具不需要额外操作，不占用钻井时间，可靠性高、风险低，不影响正常固井施工作业。

4现场应用

目前，固井界面增强工具共进行了3口井的现场应用。所应用的区块地层压力系数高，处于管外冒高发区，且易出现固井质量问题。该工具在应用过程中，下套管作业顺利，固井施工正常。现场应用的3口井中有2口井固井质量为优质，另外1口为合格。工具附近上下10 m以上固井质量均为优质。而且3口井均未发生管外冒。说明该工具的设计可以满足现场施工的要求，在预防固井后管外冒，提高层间封隔能力方面起到了较好的效果，具有广阔的应用前景。

5结论

1)使用环境会对固井界面增强工具的性能产生影响。比表面积越大、温度越高，胶筒膨胀速率越快，膨胀液矿化度越大，橡胶达到溶胀平衡时的体积越小。

2)固井界面增强工具可辅助水泥环提高界面封隔能力，增强密封性能。橡胶可通过吸收水分膨胀，对Ⅰ界面的水泥环产生接触应力，进而提高水泥环的封隔能力，同时在水泥凝固过程中橡胶也会增加Ⅱ界面处井壁与水泥之间的接触应力，使界面强度增加，从而提高密封性能。

3)固井界面增强工具结构简单，使用方便。固井界面增强工具在使用时直接将其连入套管串，不需额外操作，不占用钻井时间，可靠性高、风险低，不影响正常固井施工作业。现场应用效果好，有效提高了固井界面的层间封隔能力。

[1]王兆会，曲从锋.遇油气膨胀封隔器在智能完井系统中的应用[J].钻井液与完井液，2009，37 (8)：96-98.

[2]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.

[3]刘阳，马兰荣，郭朝辉，等.自膨胀封隔器技术在完井作业中的应用[J].石油矿场机械，2012，41(3)：76-81.

[4]杨秀天，王克诚，张立.调整井固井弱界面问题探讨[J].钻井液与完井液，2010，27 (5)：55-57.

文章编号：1001-3482(2016)07-0068-04

收稿日期：①2015-12-16

作者简介：宋艳涛(1982-)，男，内蒙古呼伦贝尔人，工程师，2007年毕业吉林大学，现从事固井新材料、新工具的研究工作，E-mail：songyantao@cnpc.com.cn。

中图分类号：TE925.203

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.015

Development of Cementing Interface Enhancement Tool

SONG Yantao

(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingDrillingEngineeringCorporation，Daqing163413，China)

Abstract：In order to improve the zonal isolation performance，a cementing interface enhancement tool is developed using water swellable rubber.The tool is tested by designed evaluating equipment and applied in the field.The results of experiments show that specific area，fluid salinity and temperature have influence on the material，and the tool can significantly improve interface sealing ability of the cementing and zonal isolation performance.

Keywords：well cementing；tool；water-swellable rubber