一种能有效防止水泥浆回流的新型套管胶塞

刘运楼 唐 欣 周 正 李 斌 张毅超

中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司

尾管悬挂器是尾管固井最重要的工具，其技术性能直接影响到固井的成败或质量优劣[1-3]。由于固井管柱的特殊性，尾管固井防止水泥浆回流到套管内始终是固井工程师最为关注的问题之一。因为常规固井时即使遇到浮箍失效，也可以通过关闭水泥头来防止水泥浆回流，而尾管固井则无法采用此措施，一旦浮箍失效，水泥浆就会无控制地倒流回套管内，造成损失巨大的固井事故。鉴于此，几乎所有的尾管悬挂器都设计有利用胶塞来防止水泥浆回流的装置[4]，一旦浮箍失效，钻杆胶塞和套管胶塞一起发挥作用，与碰压座锁定在一起防止水泥浆回流。即便是如此，仍有一部分尾管固井后出现水泥浆回流的情况。分析失败的案例发现，钻杆胶塞与套管胶塞之间的锁定机构失效是主要原因[5-6]。进一步分析和现场获得的实际情况都支持钻杆胶塞与套管胶塞之间的锁定机构失效的原因，是因为钻杆胶塞上的锁定机构在钻杆胶塞通过钻杆内通道到达套管胶塞的过程中，由于钻杆内孔并不完全光滑平整[7]，而且经过数百个内径急剧变小的钻杆接头时，还会与钻杆接头碰撞，这样就会损坏锁定机构。中国石油集团川庆钻探工程有限公司于2015年立项研究，经过两年攻关，解决了尾管固井水泥浆回流的问题。

图1 钻杆胶塞和套管胶塞的结构图

图2 锁定在一起的钻杆胶塞和套管胶塞剖面图

1 主流尾管悬挂器胶塞的缺点

目前的主流尾管悬挂器胶塞，虽然在细节上有一些差异，但其主要结构大体相似[8-10]（图1），都在钻杆胶塞和套管胶塞上设置有锁齿圈，即锁齿圈A和锁齿圈B，注水泥施工结束后，都依靠钻杆胶塞和套管胶塞上的锁齿圈相互锁定（图2），以阻止水泥浆从套管胶塞内孔回流。由于普遍认为套管胶塞与碰压座之间的锁定影响因素少，是可靠的，这里不讨论。

由图2可以看出，钻杆胶塞与套管胶塞是否能有效可靠地相互锁定，在确保锁齿圈A和锁齿圈B结构性能满足要求的前提下，其结构的完好性就成为决定因素。事实上，钻杆胶塞上的锁齿圈A在与钻杆一起通过内径不断大幅变化的数千米钻杆内通道的过程中，在钻杆接头处极易被碰坏或变形，到达套管胶塞位置后无法与锁齿圈B相互锁定或锁定效果较差，不能提供防止水泥浆回流所需要的力。

有关验证性试验已经证明，钻杆胶塞通过数千米钻杆后，钻杆胶塞上的锁齿圈（或锁齿）被碰坏或变形的现象虽然并非都是必然的，但发生概率也确实较大。

2 新型尾管悬挂器胶塞设计

2.1 新型尾管悬挂器胶塞的结构和工作原理

为了提高尾管悬挂器胶塞防止水泥浆回流的可靠性，需要解决钻杆胶塞上锁定机构被损坏的问题，为此，设计了全新结构的套管胶塞，该套管胶塞在防止水泥浆回流时，兼具钻杆胶塞和套管胶塞的作用，从而不再需要钻杆胶塞与套管胶塞之间相互锁定，钻杆胶塞上没有锁定机构，被损坏的问题也就不存在了。

设计的全新结构的套管胶塞如图3所示，这里称其为半空心套管胶塞[发明专利公开（公告）号CN105064949A]。半空心套管胶塞内孔为弯折孔，下部为实心圆柱体，内孔中间有一处直径较小，用来阻挡钻杆胶塞，钻杆胶塞到达此处后即与套管胶塞重合在一起，阻止钻井液与水泥浆混合。

图3 半空心套管胶塞结构图

固井施工时，按设计适时释放钻杆胶塞，钻杆胶塞在钻井液推动下通过钻杆进入半空心套管胶塞，堵住套管胶塞内孔，钻杆胶塞与套管胶塞成为一个整体，在钻井液推动下剪断剪钉，继续下行，通过套管串，达到碰压座位置，继续替钻井液憋压，半空心套管胶塞下部实心圆柱体挤入碰压座内孔，密封件密封与碰压座之间的间隙，锁止件同时与碰压座上的锁止机构配合，锁住套管胶塞，防止其回退，这就实现了防止水泥浆回流（图4）。

图4 半空心套管胶塞防止水泥浆回流原理图

由图4可以看出，钻杆胶塞上没有密封件，也没有锁止件，只依靠半空心套管胶塞和碰压座配合就实现了防止水泥浆回流。实际上，碰压后即使没有钻杆胶塞，也不影响防止水泥浆回流。

考虑到套管胶塞实心圆柱部分与碰压座之间要实现有效密封，前提是套管胶塞实心圆柱部分首先要能顺利进入碰压座的内孔，由于固井时井内流体含有固相颗粒，其粒度分布范围广，这就要求二者之间的间隙不能太小。为此，设计了径向可收缩的单向密封元件和保护结构（图5），这种结构的密封元件可以密封较大间隙。试验表明，采用特定橡胶加工的这种密封元件，在170 ℃条件下密封0.5 mm的间隙，能够确保50 MPa的压差下不泄漏。

2.2 新型尾管悬挂器胶塞的制造

2.2.1 钻杆胶塞和套管胶塞

根据钻杆胶塞和套管胶塞的工况需要和铝合金材料的机械性能特点[11]，选用铝合金挤压棒材作为钻杆胶塞和套管胶塞主体部分的芯部材料，按图纸加工成形后，采用整体硫化工艺[12-13]把橡胶部分附着到芯部的设计位置。

2.2.2 套管胶塞碰压头

套管胶塞碰压头包含有斜孔、碰压密封的实心圆柱部分以及与碰压座之间锁定密封部分，是一个多功能部件。根据其功能要求，其主体部分与胶塞芯部一样，也采用铝合金挤压棒材经机加工而成。考虑到锁定机构既要有一定的强度和弹性，也要在需要时容易被钻掉，因此采用铍青铜棒材，经热处理加工制成[14]。

图5 可收缩的单向密封元件和保护结构图

3 与悬挂器的配合使用及现场试验

3.1 与悬挂器配合使用的方法

以半空心套管胶塞为核心的尾管固井防止水泥浆回流技术，可以与任何供应商提供的液压式或机械式尾管悬挂器配合使用。使用时只需要把原悬挂器的套管胶塞短节去掉，换上尺寸匹配和螺纹匹配的带半空心套管胶塞的短节，再配套相应尺寸的钻杆胶塞、憋压球和碰压座，如图6所示。

图6 与尾管悬挂器配合使用图

3.2 固井过程中与常规套管胶塞不同工况的分析

在固井施工过程中，由于半空心套管胶塞的流道弯折，与笔直流道的常规套管胶塞相比，固井工作液流过时会产生更大的流动阻力，液体的流动阻力反过来会作用到胶塞上，所以固定胶塞的剪钉需要根据特定的胶塞结构、固井时的钻井液或水泥浆密度以及流量计算后，选择剪钉的强度，以确保安全施工；弯折流道还会产生径向力，但这个径向力经胶盘作用到套管壁上，而且在剪钉剪断后消失，所以这里不考虑其影响。

3.3 现场应用

经过室内试验验证可靠性后，该尾管悬挂器胶塞与Ø177.8 mm尾管悬挂器配合使用，在四川盆地不同区块的X211、M8等7井次现场应用获得成功。经收集后期实钻水泥塞面位置数据，与同区块井深、井身结构及套管尺寸、钻井液性能、温度、水泥浆性能相似的邻近井对比，试验井的实钻水泥塞面平均只比设计高出24 m，而对比井的实钻水泥塞面则高出设计位置59 m。

4 结论

1）新型半空心套管胶塞的成功使用打破了现有各类尾管悬挂器胶塞的传统模式，新颖的结构设计使其不再需要钻杆胶塞与套管胶塞之间的锁定即可防止水泥浆回流，具有更高的可靠性。

2）只要尺寸匹配，半空心套管胶塞可与现有所有尾管悬挂器配套使用，需要改变的很少且容易。