水平井预置速凝堵剂管外封窜技术

肖国华，付小坡，王金生，王玲玲，强晓光

(1.中国石油冀东油田分公司，河北 唐山 063004；2.中国石油玉门油田分公司，甘肃 酒泉 735019)

0 引 言

冀东油田共有317口水平井，目前平均含水达到96%以上，严重影响开发效果。为控制水平井的高含水，近年来，采用双级K344封隔器中间连接定压阀向水平井管外环空注入化学堵剂，在管外环空形成环形段塞(化学环空封隔器ACP)[1-7]，封隔管外地层水轴向窜流，达到了控水稳油的目的。但采用该工艺施工存在2个问题：一是化学堵剂由于凝固时间长，进入管外环空后，堵剂段塞会沿着优势通道运移，无法形成有效的环形封堵段塞，且堵剂设计用量较大，施工周期长、费用高[8-9]；二是在顶替化学堵剂时，会出现顶替不到位或过顶替，导致管外封隔效果差，甚至造成“插旗杆”或“灌肠”等井下安全事故。为此，研制了一种水平井预置速凝堵剂管外封窜技术，通过液压快速挤注预置在密闭管柱内的定量高强度速凝堵剂，挤注完成后通道自动关闭，避免过顶替或顶替不到位等问题，实现了堵剂的精准、定量挤注，为控水增油提供了技术支撑。该技术可用于水平井及大斜度井的管外封窜，具有广泛的应用前景。

1 水平井预置速凝堵剂管外封窜管柱

1.1 管柱结构

水平井预置速凝堵剂管外封窜管柱主要由上胶塞、速凝堵剂、下胶塞、K344L长胶筒封隔器、可控节流阀、扶正器、连通接头、筛管、导向丝堵等工具组成(图1)。

1.2 工艺原理

将导向丝堵、筛管、连通接头、可控节流阀、K344L长胶筒封隔器等工具自下而上用油管连接，下至井口以下，油管内灌满水后连接下胶塞，接着下入与设计堵剂用量相同容积的油管，油管内灌满速凝堵剂后连接上胶塞，将速凝堵剂封隔在上、下胶塞之间。将组配好的管柱送至设计深度，磁定位校深后，向油管内泵入高压液体，当压力达到一定值时，液压推动上胶塞、速凝堵剂、下胶塞一起下行，同时推动下胶塞下部油管内的液体进入K344L长胶筒封隔器内，坐封封隔器。地面泵车连续泵入液体，推动胶塞和速凝堵剂继续下行，当下胶塞以下油管内压力达到3 MPa时，打开可控节流阀，下胶塞以下液体被推出管外，下胶塞到达可控节流阀下接头的内台阶处固定不动。上胶塞继续下行，将速凝堵剂由可控节流阀处全部挤注到管外，然后坐靠在可控节流阀内芯上端，并推动内芯下行，关闭可控节流阀的出液孔，速凝堵剂无法回流，速凝堵剂遇水快速凝固并分隔封堵管外环空。封堵作业结束后，油管内继续加压，依次打开上胶塞、下胶塞、连通接头内的堵头，压力突降，地面停泵结束施工，反循环洗井后起出施工管柱。

图1 水平井预置速凝堵剂管外封窜管柱

1.3 技术特点与优势

(1) 速凝堵剂遇水快速凝固，强度高、封隔性能好，且用量少、费用低。

(2) 速凝堵剂通过双胶塞封闭预置于施工管柱中，剂量准确，整体挤注安全、精准。

(3) 施工操作简单，只需用清水对油管加压至压力突降即可完成施工。

(4) 挤注完成后，压力突降，给地面提供信号，无顶替不到位或过量顶替风险，可全井段反洗井后起出施工管柱，安全可靠。

1.4 技术参数

适用套管外径为101.6～177.8 mm，挤注启动压力为15 MPa，耐温为120 ℃，密封压差为35 MPa，封隔器解封负荷小于20 kN，油套连通打开压力为20 MPa。

2 关键技术

2.1 预置速凝堵剂胶塞总成

2.1.1 结构及工作原理

预置速凝堵剂胶塞总成包括上胶塞、速凝堵剂及下胶塞(图2)。其中，上胶塞和下胶塞结构相同，由上接头、短节、固定销钉、O型密封圈、胶塞支撑体、胶塞组、锁紧套、活动堵头等组成。

工作原理：预置速凝堵剂胶塞总成位于预置速凝堵剂管外封窜管柱的上部，上胶塞与下胶塞之间预先注满速凝堵剂。施工时，向油管内泵入高压流体，推动预置速凝堵剂胶塞总成下行，当压力达到一定值时，上、下胶塞短节上的固定销钉被剪断，上胶塞、速凝堵剂及下胶塞整体下行，直至到达可控节流阀。挤注施工完成后，泵压继续升高，上胶塞与下胶塞的堵头销钉被剪断，油管与套管连通，此时压力突降，立即停泵结束施工，然后反循环洗井后起出施工管柱。

图2 预置速凝堵剂胶塞总成示意图

2.1.2 技术优势

(1) 双胶塞封闭预置速凝堵剂，剂量准确。速凝堵剂预置于双胶塞之间，根据油井地质及油层改造要求，通过改变油管长度调整速凝堵剂用量。预置速凝堵剂挤注施工时，只需向油管泵入清水即可将预置堵剂持续挤注，工艺操作简单；施工完成后，泵压突降，油套连通，消除油套压差影响，K344L长胶筒封隔器快速释放，挤注后可全井段反洗井，确保管柱施工和安全起出，避免大修风险。该工艺为一体化组装和整体挤注，结构紧凑、安装简单、剂量准确、操作方便。

(2) 速凝堵剂遇水快速吸水凝固，封隔强度高、费用低。速凝堵剂进入地层后，遇水快速成胶，吸水膨胀固结，从而封堵水窜通道，与油不发生作用，不伤害油层。封堵后的胶联体系，含有羟基、羧基、胺基等多种高分子吸水基团，这些基团对水分子有很强的亲和力，可形成氢键直接吸收水分子，增强阻水作用。速凝堵剂遇水快速凝固，用量少，不污染油层，承压强度比常规凝胶堵剂提高2倍多，用量不到常规凝胶堵剂的10%，费用低，封隔效果好。

2.1.3 技术参数

预置速凝堵剂胶塞总成钢体外径为90.0 mm，内通径为60.0 mm，启动压力为15 MPa，耐温为120 ℃，活动堵头开启压力为20 MPa，解封负荷为20 kN。速凝堵剂耐温为100 ℃，封堵压差为20 MPa，遇水成胶凝固时间为1～10 min可调。

2.2 可控节流阀

2.2.1 结构与工作原理

可控节流阀主要由上接头、内芯、O型密封圈、封闭销钉、开启销钉、活塞、弹簧、下接头、调节环等组成(图3)。

图3 可控节流阀示意图

工作原理：在水平井预置速凝堵剂挤注过程中，下胶塞到达下接头下部内台阶处被阻挡，由于上部液体继续推动上胶塞下行，上下胶塞之间压差升至3 MPa时，活塞下行剪断开启销钉，打开可控节流阀的出液孔，在上部液体的持续高压下，上胶塞继续下行，直至将预置速凝堵剂全部挤出可控节流阀，上胶塞到达可控节流开关阀的上接头后，推动内芯下行，并剪断封闭销钉，同时，活塞在弹簧的回弹作用下上行，可控节流阀出液孔双向关闭，阻止堵剂回流。

2.2.2 技术优势

(1) 可控节流阀依靠启动压力和持续的节流压差确保K344L长胶筒封隔器坐封可靠，密封有效，避免窜槽的风险。

(2) 设计了油套连通出液孔，施工时为注入堵剂提供通道；挤注完成后，活塞在弹簧回弹作用下自动关闭出液孔，同时内芯下行，关闭内通道，隔离内、外压力系统，油管内可继续憋压，开启胶塞底部的活动堵头，并进行全井段反洗井。

(3) 设计了限位台阶，限制上、下胶塞的行程，保障速凝堵剂定量注入，避免顶替不到位或过量顶替风险。

2.2.3 技术参数

钢体外径为90.0～114.0 mm，内通径为50.0～76.0 mm，启动压力为3 MPa，节流压差为1 MPa，封闭销钉剪断压力为10 MPa。

3 现场应用

2015年以来，水平井预置速凝堵剂管外封窜技术在冀东油田疏松砂岩油藏进行了3口井的应用。其中，G104-5P59、M7-P2井为筛管完井水平井，N80-1CP1井为侧钻水平井。施工中速凝堵剂用量为100 L，挤注施工压力为10 MPa左右，施工均取得了成功。3口高含水水平井实施预置速凝堵剂管外封窜技术后，产液量下降至原来的20%～30%，动液面下降300～800 m，含水由99%下降至90%以下，初期平均单井日增油为3 t/d，累计增油2 846 t，降水增油效果明显。

典型井例。N80-1CP1井为唐南开发区南36断块NgⅣ1小层高部位一口侧钻油井，采用Φ177.8 mm套管悬挂Φ101.6 mm防砂筛管完井，筛管井段为1 969.58～2 230.49 m，于2007年10月投产，初期日产液为119.0 m3/d，日产油为1.2 t/d，含水为99%，生产2个月后含水达到100%，2008年3月化学堵水无效后一直关井。分析认为存在水窜，决定实施预置速凝堵剂管外封窜技术堵水，封堵上段。堵剂挤注位置为1 997.00 m，封堵半径为1.35 m，堵剂段塞设计长度为10 m，共100 L(5根Φ60.3 mm油管容积)。2017年10月23日进行施工，施工中胶塞启动压力为12 MPa，挤注压力为8 MPa，挤注完成后压力快速上升至21 MPa后突降，说明胶塞堵头打开后管柱连通，挤注施工时间为50 s，然后管柱顺利起出，施工取得了成功。施工后日产液由119.0 m3/d降至19.6 m3/d，动液面由井口降至355 m，含水由100%降至94%，日增油为1.2 t/d，阶段累计增油362 t，且目前仍有效，降水增油效果明显。

4 结 论

(1) 速凝堵剂通过上、下胶塞预置在施工管柱中间，剂量准确，一体化组装和整体挤注，结构紧凑，安装简单，液压启动操作方便，安全可靠。

(2) 速凝堵剂遇水快速凝固，用量少，不污染油层，承压强度比常规凝胶堵剂提高2倍多，用量不到常规凝胶堵剂的10%，费用低，封隔效果好。

(3) 水平井预置速凝堵剂管外封窜技术施工操作简单、安全可靠，施工中只需在油管内泵入清水将预置速凝堵剂持续挤注，压力突降时即完成施工，挤注后全井段反洗井，确保管柱施工安全。

(4) 该技术还可以用于大斜度井管外封窜，替代挤注水泥和其他堵剂施工，提高封窜效果，节约措施费用，降低施工风险，具有广泛的应用前景。