基于新型封隔式回接装置的尾管回接关键技术

孙泽秋 代红涛 魏 钊 丁玲玲 覃 毅

1.中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司, 山东 德州 253005；2.中国石化华北石油工程有限公司井下作业分公司, 河南 郑州 450042；3.渤海钻探工程有限公司第一固井分公司, 河北 任丘 062552

0 前言

“三高”油气井因特殊的地层条件,环空极易发生气窜[1-3]。常规尾管悬挂与回接固井工艺方式不能有效地解决固井后环空气窜的难题,甚至会造成井口带压,带来严重的井控问题,而常规尾管回接工具不具备封隔环空的功能[4-6]。国内外防气窜技术大都采用防气窜水泥浆体系,虽取得了一些成果,但未能彻底解决尾管固井存在的气窜问题[7]。鉴于此,本文提出在回接装置中设计封隔器,通过封隔器实现环空封隔,保证回接固井的固井质量。国内对带有封隔器的回接装置已有研究,但大都局限于工具本身的结构设计研究,与回接工艺的结合较少,尾管回接工艺技术研究不够透彻[8-10]。本文在研究带有封隔器及防退机构回接装置的同时,着重研究尾管回接工艺,并对影响回接效果的三个关键点：回接筒磨铣修复、多级压力控制、精确调整回缩距进行集中研究分析,为提高固井质量、防止环空气窜提供一种新的技术手段。

1 新型封隔式回接装置的结构设计

为了解决“三高”油气井气窜问题,新型封隔式回接装置的主要设计原则就是在常规回接插头的基础上,增加一套封隔器机构,并结合现场实际进行优化，适应现场的机构设计。新型封隔式回接装置主要由封隔器胶筒、防退机构、密封组件、防提前坐封机构及导向头组成,见图1。防退机构由反向卡瓦组成,卡瓦会沿着锥体坐挂到上层套管内壁上[11-12]。防提前坐封机构主要由弹簧套组成,下放管柱的过程中即便发生遇阻,作用力不会直接作用到封隔器上,大大降低了封隔器提前坐封的风险。密封组件由多组密封圈组成,相互之间独立密封。导向头利用可钻材料,在插头插入回接筒时起到导向作用。

图1 新型封隔式回接装置结构图

回接固井碰压结束后,首先将封隔式回接插头插入到尾管悬挂器的回接筒中,在密封组件的作用下,回接筒内外实现阻隔。继续下放管柱直至遇阻,此时封隔式回接插头上的防提前坐封机构接触回接筒顶部,通过下压吨位剪断剪钉,此时下压吨位直接作用到封隔器的锥套上。继续下压剪断封隔器坐封剪钉,胶筒开始在外力的作用下发生挤压变形,作用在上层套管内壁上,将外环空封隔。继续下压吨位,剪断防退机构的剪钉,防退卡瓦坐挂到上层套管内。在封隔器坐封及防退卡瓦动作的全过程,封隔器内置防退卡簧,用于实现永久坐封[13-14]。

2 防气窜尾管回接工艺

结合“三高”油气井防气窜固井的实际情况,利用新型封隔式回接插头、铣鞋、节流浮箍、固井胶塞等固井工具[15],制定了一套可行性强的防气窜尾管回接工艺。

2.1 磨铣回接筒作业

通过下入与回接筒尺寸相匹配的专用铣鞋,在回接筒内部开泵旋转清扫,清理回接筒内部水泥残渣及毛刺,防止回接插头插入时划伤密封组件[16]。在清理结束后,铣鞋下至回接筒底部,下压30～100 kN(根据不同规格的回接插头,确定下压吨位),磨铣5 min,旨在让铣鞋斜肋在回接筒底部(也即悬挂器密封外壳顶端)磨出一道痕迹,用于判断是否磨铣到回接筒底部。

2.2 回接管柱下入

图2 封隔式回接装置入井图

2.3 试插探底、检验密封

2.4 调长、循环固井

根据试插探底深度,调整芯轴悬挂器以下回接管柱的长度。泄压,上提管柱至回接插头位于回接筒以上 1 m 左右位置,大排量循环,达到固井设计施工要求,按照固井设计进行固井施工作业。

2.5 坐封封隔器

缓慢下放管柱,将回接插头插入回接筒内,刚进回接筒时会有一定的阻力,继续下放使回接插头完全插入回接筒,下压100～120 kN,剪断防提前坐封机构剪钉；下压至150～180 kN,剪断封隔器剪钉,封隔器胶筒开始涨封；继续下压至300～500 kN,剪断防退机构剪钉,防退卡瓦张开,封隔器完全涨封[18]。

2.6 坐挂芯轴式悬挂器

将芯轴式悬挂器坐在套管头上,承受上部套管足够的悬重,形成有效的密封。

2.7 候凝

泄压放回水,若断流,候凝时间不小于28 h；若有回流,则关闭旋塞,憋压候凝。

3 关键技术研究

3.1 回接筒磨铣到位技术研究

井内回接筒的完好度直接决定回接插头的密封效果,因此铣鞋磨铣回接筒是整个尾管回接中至关重要的环节[19]。

为了确保专用铣鞋插入回接筒进行彻底修复,首先保证铣鞋顺利插入回接筒并到达筒底。在同一趟钻具组合的前提下,通过校核磨铣时回接筒顶部位置与尾管悬挂器丢手下放至遇阻时的位置,来判定铣鞋是否插入回接筒底部。

铣鞋插入回接筒内部进行旋转修复,转速控制在40～50 r/min,排量根据钻具规格来定,一般为0.8～1.5 m3/min。铣鞋进入回接筒清刮筒内的水泥残留和毛刺,持续下放至筒底,达到悬挂器密封外壳顶端台阶遇阻。通过观察磨铣后铣鞋斜肋处是否有一道明显磨痕,并且磨痕外径等于悬挂器密封外壳顶端内径,直肋上是否有明显的周向磨痕,来判定回接筒的井内状态是否正常,见图3。

图3 专用铣鞋磨铣后的实物图

3.2 封隔式回接装置的多级压力控制

在设计方面,多级压力体系通过设置不同的压力值,实现多种机械功能。封隔式回接装置的多级压力体系就是利用防提前坐封机构(压力值为p1)、封隔器坐封(压力值为p2)、防退机构(压力值为p3)的三级剪钉来实现的,因此剪钉是否可靠直接关系到多级压力系统的功能能否实现。

剪钉一般采用铜棒坯料,经过车铣打磨,制作成单个剪钉。为了掌握铜销钉的实际剪切值,利用液压万能试验机测试剪钉剪切,见图4。

图4 液压万能试验机测试剪钉剪切值

对出自同一铜棒的同尺寸剪钉进行抽检,得到同组剪钉的不同屈服强度值σi。去掉屈服强度值中的最大值和最小值,对其它值进行求解平均值处理,确定该批剪钉的屈服强度值σ。

剪钉剪切值的计算公式：

(1)

式中：F为剪钉剪切值,kN；D为剪钉的直径,mm；σ为剪钉的屈服强度,MPa。

3.3 调长回缩距的精确计算

回缩距能否准确计算直接关系到施工的成败。心轴悬挂器以下套管过长,则芯轴悬挂器无法坐挂；芯轴悬挂器以下套管过短,则下压吨位不够,封隔器无法完全涨封,甚至造成插头无法插入回接筒[20]。

调长回缩距由下压力产生的回缩距(L1)、固井前后浮力差作用下的管串收缩长度(L2)、封隔器坐封行程(L3)组成。

下压力产生的回缩距计算公式：

(2)

式中:L1为下压力产生的回缩距,m；K为接头影响系数,一般取0.85～0.95,无量纲；E为钢材弹性系数,2.059×105 MPa；F为回接套管管体截面积,cm2；W为插头下压力,kN；L为回接套管长度,m。

固井前后浮力变化的计算：

(3)

式中:ΔW为固井后浮力差,kN；ρ1为水泥浆密度,g/cm3；ρ2为泥浆密度,g/cm3；ρ3为重泥浆密度,g/cm3；D为回接套管外径,cm；H为封固段长度,m；V为重泥浆体积,m3。

固井前后浮力差作用下的管串收缩长度L2：

(4)

式中:L2为固井前后浮力差作用下的管串收缩长度,m；g为重力加速度,9.8 m/s2。

4 现场应用

元坝X井是中石化西南分公司部署的一口陆相开发井,该井三开完钻井深5 082 m,泥浆比重2.18 g/cm3,先期采用Ф 273 mm×Ф 193.7 mm尾管固井工艺,固井后发生气窜,气窜对后续完井带来严重影响,采用 Ф 193.7 mm 新型封隔式回接装置将套管回接至井口。

按照回接工艺要求,完成扫塞和刮管操作,下入 Ф 202 mm 专用铣鞋对回接筒内表面的毛刺和水泥残渣进行清扫,转速控制40 r/min,循环排量1.2 m3/min,立管压力10 MPa,探至回接筒底部钻压50 kN,磨铣3 min。起出铣鞋,检查铣鞋斜肋有一圈明显的磨痕,其直径 175 mm 等于悬挂器密封外壳左旋梯形内螺纹直径,表明确实磨铣到回接筒底部。

下入“封隔式回接插头+5根套管+节流浮箍+套管串”至设计位置,回接固井施工后,插头插入,下压150 kN坐封封隔器,继续下压380 kN启动防退卡瓦,下放管柱坐挂芯轴悬挂器,进行环空试压8 MPa无压降。候凝完扫除套管内插头位置的水泥塞,全井筒试压50 MPa正常,后期该井未发生气窜。

5 结论

1)基于新型封隔式回接装置的尾管回接技术通过封隔管外环空,使回接固井后水泥浆凝固时免受下部气窜干扰,保证回接固井质量,阻止气窜至井口。该技术为解决“三高”油气井尾管固井后气窜难题提供了一种新手段。

2)新型封隔式尾管回接装置采取多级剪钉控制,对剪钉的材质和剪切值准确性要求比较高。

3)为了满足回接更高压力等级的要求,需要进一步优化密封组件,提高回接插头的密封能力。

参考文献:

[1] 谭 奇,张明华,高剑玮,等.川西水平井尾管悬挂及回接固井技术[J].天然气与石油,2015,33(5):59-61.

Tan Qi, Zhang Minghua, Gao Jianwei, et al. Horizontal Well Liner Hanging and Tie-Back Cementing Technology in Western Sichuan [J]. Natural Gas and Oil, 2015, 33 (5): 59-61.

[2] 孙晓杰,余 纲,瞿志浩,等.自愈合水泥在塔里木油田碎屑岩固井中的应用[J].天然气与石油,2017,35(4):63-67.

Sun Xiaojie, Yu Gang, Qu Zhihao, et al. The Application of Self-Healing Cement in Tarim Clastic Rock Well [J]. Natural Gas and Oil, 2017, 35 (4): 63-67.

[3] 王建全,李建业.南堡油田封隔式尾管回接工艺的应用与认识[J].石油钻采工艺,2015,37(2):107-110.

Wang Jianquan, Li Jianye. Application and Understanding of Packer-Type Liner Tieback Technology in Nanpu Oilfield [J]. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37 (2): 107-110.

[4] 路飞飞,王永洪,刘 云,等.顺南井区高温高压防气窜尾管固井技术[J].钻井液与完井液,2016,33(2):88-91.

Lu Feifei, Wang Yonghong, Liu Yun, et al. Anti-Channeling HTHP Liner Cementing Technologies Used in Block Shunnan [J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2016, 33 (2): 88-91.

[5] 管 申,孙泽秋,陈志峰,等.基于故障树的尾管悬挂器失效模糊数学分析[J].科技通报,2017,33(5):68-71.

Guan Shen, Sun Zeqiu, Chen Zhifeng, et al. Model for Liner Hanger Failure Fuzzy Mathematical Analysis Based on Fault Tree [J]. Bulletin of Science and Technology, 2017, 33 (5): 68-71.

[6] 阮臣良,李富平,李风雷,等.尾管悬挂器超高压封隔及回接技术应用研究[J].长江大学学报:自科版,2016,13(19):42-45.

Ruan Chenliang, Li Fuping, Li Fenglei, et al. Application of Ultra-High Pressure ZXP Packer and Tie-Back Technology [J]. Journal of Yangtze University: Natural Science Edition, 2016, 13 (19): 42-45.

[7] 王建全.新型内插管回接装置的研制与应用[J].石油机械,2015,43(7):42-46.

Wang Jianquan. Research and Application of New Type Tieback Device with Inner Stab-in Pipe [J]. China Petroleum Machinery, 2015, 43 (7): 42-46.

[8] 王建全,刘国祥,王 红,等.超高压防气窜尾管固井回接装置关键技术[J].石油钻探技术,2015,43(3):125-129.

Wang Jianquan, Liu Guoxiang, Wang Hong, et al. Critical Tieback Equipment Techniques for Preventing Gas Channeling During Liner Cementing in Ultrahigh Pressure Wells [J]. Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43 (3): 125-129.

[9] 刘国祥.尾管回接工具现场应用探讨[J].石油矿场机械,2015,44(2):63-67.

Liu Guoxiang. Research on Field Application of Line Tie Back Equipment [J]. Oil Field Equipment, 2015, 44 (2): 63-67.

[10] 代红涛,郑杜建,邹传元,等.单胶筒封隔式回接插头应用与分析[J].石油矿场机械,2016,45(1):77-81.

Dai Hongtao, Zheng Dujian, Zou Chuanyuan, et al. Application and Analysis of Single Rubber Tube and Packer Tieback Tools [J]. Oil Field Equipment, 2016, 45 (1): 77-81.

[11] 孙泽秋,金 磊,马锦明,等.基于Bow-Tie模型的轻尾管固井中悬挂器失效分析[J].石油矿场机械,2015,44(3):63-68.

Sun Zeqiu, Jin Lei, Ma Jinming, et al. Based on Bow-Tie Model of the Hanger Failure Analysis of Light-Liner Cementing [J]. Oil Field Equipment, 2015, 44 (3): 63-68.

[12] 张元星,杜鹏德,乔雪梅,等.新式封隔式回接固井在冀东油田的研究及应用[J].西部探矿工程,2014,26(12):27-28.

Zhang Yuanxing, Du Pengde, Qiao Xuemei, et al. Research and Application of New Packer Type Tie-Back Cementing in Jidong Oilfield [J]. West-China Exploration Engineering, 2014, 26 (12): 27-28.

[13] 马兰荣,马开华,王建全,等.新型耐高压封隔回接插头的研制与应用[J].石油钻探技术,2004,32(6):35-37.

Ma Lanrong, Ma Kaihua, Wang Jianquan, et al. The Development and Application of New-Style High-Pressure-

Resistant and Packer-Attached Tie-Back Assembly [J]. Petroleum Drilling Techniques, 2004, 32 (6): 35-37.

[14] 牛新明,张克坚,丁士东,等.川东北地区高压防气窜固井技术[J].石油钻探技术,2008,36(3):10-15.

Niu Xinming, Zhang Kejian, Ding Shidong, et al. Gas Migration Prevention Cementing Technologies in Northeast Sichuan Area [J]. Petroleum Drilling Techniques, 2008, 36 (3): 10-15.

[15] 孙泽秋,李 征,陈志峰,等.胶塞复合压力的计算与监测技术研究[J].科技通报,2017,33(9):163-167.

Sun Zeqiu, Li Zheng, Chen Zhifeng, et al. Research on Alculation Model and Monitoring System for Composite Plug Pressure [J]. Bulletin of Science and Technology, 2017, 33 (9): 163-167.

[16] 马兰荣,白晓静,朱和明,等.尾管回接装置及其在现场的应用[J].石油矿场机械,2008,37(9):88-90.

Ma Lanrong, Bai Xiaojing, Zhu Heming, et al. Liner Tieback Assembly and Its Application in Oilfield [J]. Oil Field Equipment, 2008, 37 (9): 88-90.

[17] 孙泽秋,马锦明,李 强.盐膏层封固的平衡尾管固井技术探讨[J].石油和化工设备,2014,17(12):51-53.

Sun Zeqiu, Ma Jinming, Li Qiang. Research of Salt-Paste Layer Liner Cementing Based on Balance Method [J]. Petro & Chemical Equipment, 2014, 17 (12): 51-53.

[18] Reddy B R, Liang F, Fitzgerald R. Self-Healing Cements that Heal Without Dependence on Fluid Contact [J]. SPE Drilling & Completion, 2010, 25 (3): 309-313.

[19] 屈 静,刘 斌.水平井全通径分段压裂工艺的研究和应用[J].天然气与石油,2014,32(5):61-63.

Qu Jing, Liu Bin. Research and Application of Horizontal Well Full Bore Segregated Fracturing Technology [J]. Natural Gas and Oil, 2014, 32 (5): 61-63.

[20] 孙文俊,徐明会,徐 星,等.尾管固井中胶塞复合压力预测模型研究[J].长江大学学报:自科版,2015,12(13):54-56.

Sun Wenjun, Xu Minghui, Xu Xing, et al. Model for Predicting the Composite Plug Pressure in Liner Cementing [J]. Journal of Yangtze University: Natural Science Edition, 2015, 12 (13): 54-56.