易漏地层完井装置设计研究

刘平全（长城钻探工程有限公司 工程技术研究院，辽宁 盘锦124010）

0 引言

在石油天然气勘探开发领域中，易漏失地层的完井作业一直是一个难题，此类地层存在破裂压力梯度低、裂缝发育等问题，固井时容易造成水泥浆破坏并涌入地层的现象[1]，不能按要求从环空返出，进而导致作业失败。另一方面，经过多年的开发，我国大多数油气藏都已经进入了中后期[2]，其典型的特点就是地层压力系数低。由于存在较低的地层压力，常规完井作业时，容易使大量水泥浆进入产层，不仅会严重影响油气井的产量，甚至会造成水泥浆返高不足乃至完井失败的后果[3]。为解决上述问题，目前常采用的解决办法是裸眼完井、筛管完井、近平衡注水泥固井、低密度水泥浆固井、两凝水泥浆固井、分级注水泥固井等[4]。裸眼完井和筛管完井对产层有着严格的要求，应用范围受到限制，仅适用于物性一致、无气顶、无水层的同压力体系油气井。近平衡注水泥固井、低密度水泥浆[5]固井则需要改变水泥浆体系的性能，通过降低密度来降低其静液柱压力，进而减小其对易漏地层的破坏。两凝水泥浆固井、分级注水泥固井需要改变注水泥工艺，以期达到减小破坏地层的目的。综上述方法，不但工艺复杂，价格较高，而且其效果仅使水泥浆损害或破坏易漏地层的现象在一定程度上得到了改善，但未从根本上解决这一问题。本文所提出的易漏地层完井装置克服了上述方法的缺点和不足，特别适用于含易漏及低压地层油气井的常规固完井作业，无需改变水泥浆性能及工艺过程，能够以简单合理的结构有效地解决所述难题。

1 结构及工作原理

1.1 结构

易漏地层固井时的完井管串由上至下是套管、易漏地层完井装置、套管、配套阀组。完井装置结构如图1所示，主要由顶部中心管、上环流封隔器、顶部外筒、复合结箍、底部中心管、下环流封隔器、底部外筒组成。该装置是一个对称结构，上下完全对称，由复合结箍将上、下两部分连接。

环流封隔器结构如图2所示，主要由导流盘、压缩式胶筒[6]、衬管、挤压套、控制阀[7]、环形腔、密封圈、卡簧、支撑环组成。导流盘包括内盘和外盘，内、外盘之间通过筋板固接，留有空间供泥浆或水泥浆流通，内盘套装在顶部中心管上，由螺钉将两者固定，外盘和衬管螺纹连接，胶筒套装在衬管上，上下两端分别由导流盘和挤压套限位。挤压套和衬管是轴孔连接，可沿衬管往复旋转运动，挤压套下端的锯齿形槽和卡簧啮合，只能单向移动，反向则自锁。支撑环和衬管螺纹密封连接，上面安装有密封圈以实现和挤压套之间的密封性，其沟槽内放置卡簧，下端和外筒螺纹连接，控制阀将中心管内侧和衬管外侧连通，当中心管内侧液体压力高于衬管外侧压力时，控制阀开启，反向则截止。

复合结箍结构如图3所示，主要由上伸缩节、复合结箍和下伸缩节组成。复合结箍包括内圈和外圈，均设有套管螺纹，内外圈之间用筋板固接，筋板间留有间隙供泥浆或水泥浆流通。两伸缩节结构一样，对称布置，上伸缩节上端套装在外筒上，可沿外筒做轴向位移和周向转动，由密封圈实现封闭，下端有套管螺纹，和复合结箍连接，伸缩节只起密封作用，而不承受外管柱刚性连接，安装时也不与中心管因同轴问题发生自由度干涉。

配套阀组包括分级循环箍[8]和浮鞋，分级箍结构如图4所示，主要由阀体、上滑套、上销钉、下滑套、下销钉、后置胶塞和前置胶塞等组成。阀体上端和套管螺纹连接，下端和浮鞋螺纹连接，底部留有台肩，阀体上有循环孔，连通内外；内腔套装上滑套和下滑套，分别用销钉连接，两滑套各有两组密封圈，以实现密封。浮鞋采用常规浮鞋[9]，结构原理不再赘述。

1.2 工作原理

完井管柱参照易漏层段的位置串入易漏地层完井装置，底部连接分级循环箍及浮鞋，下入井内，下入过程中可按作业规程[10]正常循环钻井液以避免遇阻或卡钻，环流封隔器的控制阀具有一定的开启压力值，环流封隔器不会在循环过程中受压胀开[11]，管柱底部的浮鞋可实现管内防喷。下入到位后，上、下环流封隔器应分别位于易漏层段上、下两端，分级循环箍初始状态如图5（a）所示，正常流通。首先从井口投入前置胶塞[12]，胶塞在钻井液推动下移直至碰到下滑套，井筒压力升高后控制阀开启，钻井液经过控制阀进入环形腔，推动挤压套沿衬管向上移动并压缩胶筒，同时其另一端的锯齿形防脱扣压缩卡簧，完成上移，胶筒受压变形并贴紧井壁，实现对井壁的密封，井筒继续憋压升高到预定值，滑套剪断销钉，前置胶塞和下滑套下移至凸台处停止，循环孔打开如图5（b）所示，管内钻井液经循环孔向两侧流出，管内压力迅速降低。此时，一方面由于控制阀的反向截止作用，环形腔内的液压不会降低；另一方面由于挤压套上的锯齿槽和卡簧形成反向自锁，即使环形腔压力消失，仍会保持对胶筒的挤压，使其与井壁保持额定接触应力。

图1 易漏地层完井装置组装图

图2 环流封隔器结构图

图3 复合结箍连接结构图

101.阀体 102.上滑套 103.销钉 104.下滑套 105.循环孔 106.销钉 107.后置胶塞 108.前置胶塞

随后向完井管柱内注入水泥浆以及压入后置胶塞和替浆液，水泥浆经循环孔进入套管与井壁的环形空间，当抵达环流封隔器后，因胶筒将井壁密封，所以不会侵入易漏层位，继而依次经过导流盘进入环流封隔器和底部中心管的环空、底部外筒与底部中心管的环空、复合结箍内外圈的环空、顶部外筒和顶部中心管的环空、顶部环流封隔器和顶部中心管的环空，最后从导流盘流出，沿井筒继续上返。当替浆液推动后置胶塞下行至上滑套后“碰压”，管柱内压力升高直至上滑套剪断销钉下移，将循环孔关闭如图5（c）所示，防止水泥浆倒流，至此完成固井作业。整个过程中，水泥浆始终不与所述易漏层位发生接触，根本上杜绝了水泥浆侵入易漏地层的问题。

图5 分级循环箍动作示意图

在含有多个易漏层段油气井的完井方式与上述一致，不同之处仅在于完井管柱串入了多个完井工具，不再赘述。

1.3 主要结构参数

装置最大外径是环流封隔器φ202 mm，外管采用7″套管[13]φ177.8 mm，壁厚9.17 mm，中心管外径φ130 mm，内径φ121 mm（和51/2″套管保持通径），工具长度根据易漏地层的厚度相应配置，具体应用时可增加复合结箍以及外管和中心管数量，必须保证环流封隔器位于易漏层位的上、下两端。

2 参数计算

水泥浆从完井装置返出时，需经过装置的环形空间流出，流通面积如图6所示。此环形区域要小于套管和井壁之间的间隙，水泥浆流过时会产生压降，现对此环形区域进行流通阻力计算[14]。

图6 环流封隔器间隙

取一组常用水泥浆参数：ρ=1.9 g/cm3，θ300=186，θ200=127，θ100=68，θ6=14，θ3=12。排量为25 L/s。

3 地面模拟试验

采用内径220 mm、壁厚10 mm钢筒模拟井筒（考虑215井眼的扩大率[15]），将完井装置放入钢管内，模拟固井流程逐步实施，循环清水排量1.8 m3，投入前置胶塞并碰压，憋压至7 MPa后控制阀开启，封隔器胀开，直至压力升至10 MPa后，下滑套剪断销钉打开循环孔。水泥车注入水泥浆，密度1.9 g/cm3，流量1.5 m3，产生压降1.32 MPa。观察水泥浆正常返出后，投入后置胶塞，改用高压水泵用清水替浆，碰压后憋压15 MPa，上滑套剪断销钉，关闭循环孔，试验初步取得成功。

4 结论

易漏地层完井装置可从根本上避免水泥浆接触到易漏地层，优势明显。而且不需要改变水泥浆性能，无需特殊压力控制设备，无需改变注水泥工艺，成本低，易于实施。可用于含有多个不同压力体系产层油气井的完井。同时用于多个易漏层位时要充分考虑该装置固井产生的压降累积现象。