新型滤饼刮削器的研制与应用

胡晨彬，张 锐，谢虹桥, 徐军浩

(1中石化胜利油田分公司河口采油厂 2胜利油田森诺胜利工程有限公司 3中国石化石油工程技术研究院 4中石化胜利工程公司固井中心)

胜利油田经过50多年的长期开采，地下异常复杂，形成了共存的多套压力层系，同时层间压差大，产层水淹严重；剩余油开发和分层开采，特别是低渗透难动用油藏的开发必须高压压裂，要求固井二界面质量必须封隔良好。二界面固井质量问题也越来越突出。因此，提高固井二界面质量已成为油田开发亟待解决的难题。

一、影响固井二界面质量因素与应用技术

1.影响因素

影响二界面固井质量的因素是：①地质(地层岩性、断层、多套压力体系)。②井身质量(轨迹、井眼扩大率、井径变化率)。③钻井液性能与滤饼质量。④套管偏心与居中度。⑤钻井复杂情况(井漏与井涌)。⑥水泥浆体系与性能。⑦井壁清洁与处理。⑧固井施工与顶替效率等等。

2．应用技术

目前，为提高二界面质量研究应用的技术：①防止水泥石收缩微膨胀技术。包括：颗粒级配水泥浆体系；低失水微膨胀水泥浆体系(晶格)；自修复自膨胀自密封水泥浆体系等。②提高顶替效率(置换与充填)技术。包括：套管居中技术(根据井眼轨迹和地层岩性选择扶正器)；活动套管技术；流变学顶替技术；振荡固井技术；旋流发生器技术等。③界面清洁技术。包括：界面冲洗(物理、化学)；界面刮削。④二界面胶结(整体固化)技术等。

二、界面胶结分析与清理办法

二界面胶结是水泥浆与钻井液滤饼之间的胶结，室内实验表明，当滤饼厚度在0.5～1.0 mm之间时，不影响水泥浆与其胶结；当滤饼厚度大于1.0 mm时，胶结强度降低；当滤饼厚度达5.0 mm时，水泥浆与滤饼无胶结强度。滤饼厚度对二界面的胶结质量至关重要。清除井壁滤饼的方法有物理法与化学法。化学上常采用水力冲蚀与化学驱油(冲洗液)清除滤饼；物理上常采用刚性通井方式(钻具装扶正器)修整井壁，因受排量或钻具尺寸的限制这些方式具有一定作用但效果有限。目前，国外的滤饼刷或刮泥器现场应用少[1-2]，效果不佳；国内也有研究[3-6]：都是应用于修井套管刮削。目前还没有一种用在完井固井方面为提高二界面的刮泥器。作者研究一种套管刮泥器，类似于钢丝刷，通过工艺处理，改善性能，刮削滤饼，提高界面胶结质量。

三、新工具的研制

国外的刮泥器[1]一般采用钢片或钢丝绳制成，由于在国内应用效果不好没有得到推广。

1．新工具的设计思路

1.1 设计原则

根据目前井身质量井径扩大率目的层段不超过10%，大多都是斜井或定向井或水平井的现状，要求：工具外径不小于钻头外径的110%；具有扶正、刮削效果；耐高温、抗腐蚀；弹性高、抗挠强；具有岩屑返出通道；满足360°井眼刮削；抗疲劳破坏，满足复杂井身结构和深井的需要。

1.2 初步方案与试验产品。

两种结构型式：①在刚性扶正器的基础上，按照刚性扶正条与滤饼刷间隔排列，此种结构扶正效果好。②刚性扶正器保留两端25 mm刚性扶正条，其余全是钢丝刷，此种结构刮削效果好。初始产品：钢丝刷是单丝，钢丝焊接。

1.3 初始产品试验

对主要附件试验：①钢丝单丝直径0.50 mm。②钢丝形变：在100 kN∕30 min(75次∕min)垂直作用下形变情况。在100 kN垂直作用压缩到扶正块外径，然后横向30 min(75次∕min频率)摩擦30 min后形变情况。③钢丝：在工业用稀硫酸和烧碱水中浸泡24 h,表面破损，耐腐蚀性能。试验证明，钢丝与本体结合处发生疲断约30%；第一种结构不如第二种结构刮削效果好。因此，改进工艺，设计制造成独特产品。

2．独特产品

2.1 独特设计

整体按照刚性扶正器规范。把扶正条改为两端扶正块，中间钢丝束。两端扶正块作为支撑体，可以满足扶正、抗冲击和保护钢丝束的需要；钢丝束采用调质中强波纹钢丝编织成细绳束，钢体与绳束采用非焊接方式联结，进一步增强抗疲劳破坏能力。按照不同井型可以选择不同强度和长短的钢丝类型。总体呈弧形设计，长度(外径)按照井径扩大率10%～15%，增强挂刷、清洁井壁能力。如图1。

图1 新型刮泥器

2.2 独特选材

钢体：采用45#钢无缝钢管，扶正块采用45#钢淬火调质处理，钢体、扶正块具有较高的屈服强度、耐冲击力强；钢丝：采用高强弹性75锰钢丝，磷化涂层，磷化膜可以提高制绳钢丝表面的耐磨损、耐腐蚀能力。钢丝波纹成型，编织成细钢丝绳，具有较高的韧性和弹塑性，抗疲劳破坏能力强。达到在不破坏井壁稳定的前提下实现清除环空井壁泥饼的目的。

2.3 独特工艺

采用刚性扶正器规范，钢体一次成型，保证有足够的强度，抗冲击防破坏；五条钢丝束均匀旋流分布，之间留有旋流通道，挂刷掉的虚滤饼或岩屑可以通过。钢丝束承受力足够大时，能够有伸展空间，同时对大的障碍物有一个缓冲和缓存功效，不至于卡住钻杆；钢丝束植于钢丝束固定孔内，钢丝束固定孔开孔方向垂直于圆心，波纹钢丝镶嵌非焊接，避免了焊点在外力下的疲劳破坏，坚固而耐用。

3.产品实验

实验数据①整体刚性：整体350 kN/30 min静压载下内径不变，承载安全可靠。②钢丝：钢丝单丝直径0.50 mm，强度526 MPa。③钢丝形变：在100 kN/30 min(75次/min)垂直作用下形变1.2%。在100 kN垂直作用压缩到扶正块外径，然后横向(75次/min频率)摩擦30 min后形变1.5%。④钢丝：在工业用稀硫酸和烧碱水中浸泡24 h,未发现表面破损，耐腐蚀性好。

4．安放位置

滤饼刮泥器安放在套管柱旋流孔的下面，有利于下完套管开泵，在套管柱的入井过程中因钢丝外径尺寸大于钻头直径，对井壁上的虚滤饼特别是大井眼(适度扩大)上的滤饼进行物理清除，从而提高二界面水泥与地层的胶结质量。

四、现场应用

1．车302井

基本情况：探井，完钻井深3 400 m,为保证二界面固井质量设计下入2个套管刮泥器。管串结构：引鞋+短套管(刮泥器)+短套管(刮泥器)旋流管+浮箍+1根套管+浮箍+套管串。套管下入位置：N80×9.17 mm套管下深3 383.60 m，浮箍1#：3 350.41 m，浮箍2#：3 339.37 m，滤饼刮泥器1#：3 383.27 m，滤饼刮泥器2#:3 361.15 m。套管下入：套管顺利下至预定井深3 383.60 m，未见遇阻显示。

固井施工与质量评价：按照设计注入G级高抗硫水泥144 t，低密度水泥浆平均密度1.55 g/cm3，高密度水泥浆平均密度1.93 g/cm3，碰压18～24 MPa，施工正常，敞压候凝。电测结果显示，固井一、二界面优良，固井质量评价为优质井，使用效果十分明显。

2．盐222-斜4井

该井为难动用开发井，完钻井深4 400 m,为保证二界面固井质量设计下入2个套管刮泥器。管串结构：引鞋+短套管(刮泥器)+短套管(刮泥器)旋流管+浮箍+1根套管+浮箍+套管串。按照设计要求位置加放2个刮泥器。套管顺利下至预定井深4 397.01 m，未见遇阻显示。

固井施工与质量评价：按照设计注入低密度水泥浆(1.55～1.60 g/cm3)、高密度水泥浆(1.93～1.99 g/cm3)共126 m3，碰压19～23 MPa，施工正常，敞压候凝。电测结果显示，固井一、二界面优质，固井质量评价为优质井，与邻井盐222-斜7井对比，使用效果更加明显。

2017年在盐235、盐236、坨203、滨178、坨172等井应用了该工具，二界面质量大大提高，有的达到优质。该工具的应用，2017年二界面固井质量合格率由48.6%提高到89.7%，提高了41.1%。

五、结论与建议

(1)下入的2只刮泥器能够清除井径规则且小于238 mm(井径扩大率10%)井壁上的虚滤饼，较好地起到清除滤饼的目的，能有效提高二界面固井质量。

(2)在大肚子、糖葫芦井眼，未见大量滤饼返出，刮泥器似乎未起太大作用，井径不规则，糖葫芦井眼较多，造成大量滤饼堆积在糖葫芦井眼处。

(3)对于井径不规则且井径偏大，刮泥器位于下井壁(定向井斜井段)，钢丝外径受尺寸限制未能有效清除井壁虚滤饼，对于提高二界面固井质量效果不是十分理想，建议定向井(斜井)、井眼偏大井段增大钢丝外径。

(4)目前在胜利油田已经推广使用100多口井，从使用情况来看，此种刮泥器适用除漏失井之外的所有井,且效果明显,二界面固井质量大大提高。