膏盐层局部高抗挤固井工具结构及施工工艺

2021-01-26季小娜张京华刘义彬王志刚田晓勇蒋立坤

石油矿场机械 2021年1期

季小娜，张京华，刘义彬，王志刚，田晓勇，蒋立坤

(渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北任丘 062550)

在钻井和采油过程中，许多套损井的套损点均发生在膏盐层段及其附近地层。在膏盐层，由于上覆岩层压力的作用和盐层遇水膨胀, 造成盐层蠕变, 产生塑性流动, 并向井眼中心挤压, 形成一种异常外挤力, 使标准套管无法承受，从而产生变形或挤毁, 严重影响油气井的寿命和原油产量, 造成极大的经济损失[1-4]。解决套管变形通常采用的工艺有使用厚壁高抗挤套管，或增大井径，提高水泥环厚度,提高套管抗挤力，或下双层套管。但这几种工艺都存在一定的问题，因此，在膏盐层采用局部双层组合套管结构是降低钻井成本，提高抵抗外部不均外载能力的有效措施，确保固井施工安全，提高固井质量[5-9]。

1 膏盐层套损现状

在膏盐层或泥岩层及其它蠕变率高的地层，由于地层蠕变，井壁四周的地层向井眼中心挤压，地层上覆压力会部分或全部作用到套管上。随着井深的增加，地层上覆压力也增大。一般情况下地层上覆压力梯度取22.653 kPa/m，而在塑性流动地层, 套管的实际外挤力可以达到上覆地层压力的1.5～3.5倍。因而，一般高强度套管本身的强度很难抵御这样大的外挤力。同时，膏盐层对金属有很强的腐蚀性，当管材受到腐蚀后，其强度就会大幅下降，加速套管损坏[10]。

目前，国内外防止地层蠕变而挤毁套管的方法主要有4种[11]：

1) 使用厚壁高抗挤套管。

2) 增大井径，提高水泥环厚度,提高套管抗挤力。

3) 全井下双层套管。

4) 使用水泥充填的双层套管固井工具。

这几种方式有各自的不足，如表1。

表1 防止地层蠕变而挤毁套管的方法及优缺点对比

解决套管挤毁问题的通常作法是采用精制厚壁套管或下技术套管及油层套管双层套管。前者不能显著地提高抵抗不均匀外载或不均匀外载的组合载荷的能力[12]。后者成本大。因而，采用局部双层组合套管结构是解决膏盐层挤毁套管间题的最好方法。

2 局部高抗挤固井工具结构

局部高抗挤固井工具主要包括外套管、内套管、上阀和下阀，如图1所示。上阀和下阀分别与双层套管的上部和下部连接。上阀由套管短节、橡胶密封件和密封套组成。下阀由中心管、外套、阀芯、弹簧和三扣接头等组成，外套上有压力平衡孔。上阀和下阀都是采用螺纹方式与外层套管连接。内层套管上端与套管短节连接，下端与三扣接头连接。为了防止内层套管与下阀井下对接时密封失效漏油，还设计了密封系统。

1—接箍；2—芯管；3—密封套；4—外层套管短节；5—接箍；6—芯管；7—连接接头；8—保护套；9—剪销；10—三扣接头。

3 双层套管固井工具抗挤能力模拟计算

外层套管材质为P110，外径193.7 mm，壁厚12.7 mm。内层套管材质为P110，外径139.7 mm，壁厚10.54 mm。外层作用均质载荷210 MPa(力学模型如图2所示)。

图2 双层固井套管的力学模型

1) 方案一。环空填充水泥。假设水泥固化后弹性模量为20 GPa，泊松比为0.18，密度为2 g/cm3。计算在外载荷作用下内层套管的应力，分析结果如图3所示。

a 应力云图

b 内层套管内表面应力曲线图3 内填充水泥双层套管段力学分析结果

2) 方案二。环空填充液压油。假设水泥固化后弹性模量为1 GPa，泊松比为0.18，密度为0.9 g/cm3。计算在外载荷作用下内层套管的应力，分析结果如图4所示。

从图3～4可以看出，在210 MPa均质外载荷作用下，内填充水泥双层套管段内层套管最大应力为810 MPa，内填充液压油双层套管段内层套管最大应力为745 MPa，而P110材质屈服强度为758～965 MPa，故在210 MPa均质外载荷下，2种固井方案的内层套管都是安全的，且后者较前者更安全。水泥浆配方和液压油的型号的差异，对分析结果存在一定的影响。另外，采用液压油作为充填介质,不但可以更好地保证外层套管通过液体介质传递给内层套管的是均匀载荷，还可以简化施工工艺。

a 应力云图

b 内层套管内表面应力曲线图4 内填充液压油双层套管段力学分析结果

4 注油式高抗挤固井工具性能室内评价试验

双层组合套管的外管外径193.67 mm、钢级P110、壁厚12.7 mm。内管外径139.7 mm、钢级P110、壁厚10.54 mm。

1) 阀芯配合间隙检验。

阀芯与外套间隙：0.15～0.25 mm；阀芯与中心管：0.10～0.15 mm。

2) 耐压试验。

各零部件装配好后，阀芯关闭，采用电动试压泵，从压力平衡孔处接试压接头并泵入清水试验，加压至30 MPa，保压20 min无泄漏，说明阀芯内外密封正常，三扣接头与中心管螺纹连接密封良好。

5 注油式双层套管的下套管工艺

双层组合套管柱主要应用在膏盐层固井。该管柱主要由油层套管、上阀、外层套管、内层套管和下阀膏盐层以下的油层套管组成，如图5所示。

1—油层套管；2—上阀；3—外层套管；4—液压油；5—下阀；6—水泥石；7—油层套管；8—内层套管；9—膏盐层。

双层组合套管的下套管作业步骤为：

1) 首先下入油层管，下入到设计长度。

2) 连接下阀。

3) 将外层套管与上阀连接后下入，直到设计长度。

4) 在外层套管内部下入内层套管，直到下入设计长度。在每1根或2根下入一刚性扶正器；内层套管与外层套管应按等长设计。

5) 在双层之间灌入液压油。

6) 连接上阀及套管短节。

7) 下入油层套管。

8) 常规固井施工作业。

6 现场应用

2019年，渤海钻探工程有限公司工程技术研究院研制的局部高抗挤固井工具在现场试验14口井，施工地区为荆丘油田。荆丘油田为深县—束鹿凹陷南端的局部鼻状构造,岩层倾角为5～8°，主要开采下第三系沙河街组油层,油层分布在2 900～3 300 m井段。套管变形段大都在2 750～3 000 m，该段岩性主要为灰褐色泥岩、膏泥岩互层,即称膏盐岩层。因为膏盐层或膏质泥岩层段地应力所产生的岩石塑性流动挤压套管，使荆丘油田套管损坏,严重影响了油田正常生产[13]。在该地区膏盐层的上—岩层压力大约为67 MPa，根据资料，作用在套管上的最大水平主应为力为189.23 MPa，套管在井内会受到强大流动及蠕动的外挤力，容易导致套管变形[13]。为防止套管的损坏，其在晋45断块采用了局部双层组合套管固井工具及局部双层套管固井工艺，施工数据如表2所示。应用效果良好。