国内分级注水泥工艺需求与开发对策

2021-12-24刘晓平秦金立

西部探矿工程 2021年1期

刘晓平，秦金立

（1.中国石化集团公司国际勘探开发有限公司，北京100029；2.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京100101）

分级注水泥器作为石油钻井的重要工具，被广泛应用于技术套管固井或产层完井工艺。近些年，随着石油钻井技术的快速发展及提质提速提效的升级，新疆等地区的深井、超深井钻井常常遇到特殊的井身结构以及复杂的井下条件，如H2S、CO2单种腐蚀介质或两种共存腐蚀介质，井底高压高温、地层差异大存在恶性漏失等[1]。陕西等地区的井相对不深，因地层差异大、承压能力低，易发生渗漏和恶性漏失[2]，完井常采用5-1/2″分级固井工艺，但小尺寸分级固井后内部附件因钻头加压困难，钻除时间长且钻后存在密封失效的风险。山东等地区的水平井完井为保护产层，增加泄油面积，提高防砂效果常采用筛管顶部注水泥的完井方式，作业后钻塞会造成偏磨，留有毛刺，易损坏酸洗皮碗等后期作业工具[3]。为适应复杂的作业环境及提质提速提效的双向需求，分级注水泥器的性能指标不断提升，规格类型不断推陈出新。

1 特殊尺寸的分级注水泥器

随着钻井技术的不断发展，深井、超深井不断增多，井身结构不断优化，从最常规的13-3/8″→9→5/8″-7″的井身结构，演化为10-3/4″→7-5/8″-5→1/2″、11-3/4″→8-5/8″→6-5/8″等多种井身结构。随着井身结构的不断优化升级，为适应特殊的井身结构要求，国内开发了14-3/8″、11-3/4″、8-5/8″等特殊规格的分级注水泥器，见表1，最大尺寸达14-3/8″。

表1 国内分级注水泥器规格尺寸与性能

2 高温高压气密封分级注水泥器

钻井深度不断加深，温度越来越高，且常伴随有高压气层，为解决高温条件下，分级注水泥器的密封可靠性，需解决橡胶密封件的持久密封性及螺纹扣气密封问题。

分级注水泥器是通过相对件的运动打开和关闭循环孔注液通道实现分级固井，而循环孔注液通道通过橡胶密封件来实现密封。橡胶密封件可根据使用环境的温度进行选择，小于120℃可以选用丁腈橡胶作为密封件材料；120℃～150℃可以选用氢化丁睛橡胶作为密封件的材料；超过150℃可以选用氟橡胶作为密封件的材料。密封件可以由O 形密封圈单独实现密封，也可与格莱圈组合实现高压力的长效密封。

套管及分级注水泥器等固井工具通过套管连接螺纹连接形成完整管柱。连接螺纹一般选用API套管长圆扣或偏梯扣，但对于高压气井，由于气体的穿透性强，很容易穿透公母螺纹间隙中的密封脂引起密封失效。为解决高压气密封问题，国内外涌现了多种气密封螺纹扣，见表2。其基本原理是增加了金属对金属密封结构，公、母头金属表面通过弹性过盈配合实现其接头连接部位密封。

3 防腐蚀分级注水泥器

表2 国内外主要特殊连接螺纹的生产厂家及名称

随着工程师对油气田腐蚀的深入研究，发现H2S、CO2、O2、Cl-和水分是油气田腐蚀的主要介质，而其中CO2和H2S 腐蚀的危害最大。CO2腐蚀主要是一种流体力学化学腐蚀，流体力学主要加速腐蚀产物FeCO3膜的破坏而导致腐蚀加剧。H2S引起电化学腐蚀，硫化物腐蚀产物膜影响着腐蚀速率和腐蚀形态。由于HS-和S2-对氢原子复合的毒化作用，析氢反应生成的氢原子更易进入金属内部，从而诱发硫化物应力腐蚀开裂、和氢致开裂（SSCC、HIC），往往造成管材的突然断裂，危害极大[4]。当气体中同时存在H2S 与CO2时，用PCO2/PH2S可以大致判定是H2S腐蚀还是CO2腐蚀。现有资料表明：当PCO2/PH2S＜200 时，H2S 控制整个腐蚀过程，腐蚀产物主要是FeS；当200＜PCO2/PH2S＜500时，CO2/H2S 混合交替控制，腐蚀产物主要是FeS 和FeCO3；当PCO2/PH2S＞500时，CO2控制整个腐蚀过程，腐蚀产物主要是FeCO3[5]。

应对油田中存在的腐蚀介质，国内外开发了不同的抗腐蚀材料。对于H2S单腐蚀介质金属材料可选用天津钢管公司研制的TP80SS、TP90SS、TP95SS/TP110SS，上海宝钢研制的BG80S、BG95S、BG110S等材料作为抗H2S应力腐蚀的双级注水泥器的加工材料。对于CO2单独腐蚀介质，金属材料可选用低碳（3%～5%）Cr 钢、13Cr 和超级 13Cr 等[5]作为双级注水泥器的加工材料。对于H2S与CO2共存介质，且含量较高的腐蚀介质环境下，可以选用Ni-Cr-Mo-Cu 系镍基及铁镍基合金，如725、825、925、718等材料作为分级注水泥器的加工材料，但费用相对较贵。

4 封隔式分级注水泥器

井漏是石油钻井工程中常见的复杂事故，对于漏失不严重的井通过采用分级注水泥器将环空水泥分隔成两段或多段进行注水泥作业，降低液柱压力，减少发生井漏的可能性[6]。但某些地层埋藏深，承压能力低，压力窗口窄，漏失变化大。即使采用分级固井工艺仍然会出现失返性漏失。为减少一级漏失，阻止二级漏失，研发了封隔式分级注水泥器。

封隔式分级注水泥器（图1）是将具有分级开闭循环孔功能的分级注水泥器单元与具有环空封隔功能的套管外封隔器单元通过联动控制机构有机连为一体[7]。该结构的封隔式分级注水泥器在入井过程中封隔器的注液通道处于关闭状态，不会受管柱内的压力变化出现封隔器提前胀封，影响固井作业，当一级注水泥结束后，投入打开塞，激活注液通道，注入液体胀封封隔器，封隔环空将上下两段进行隔离，封隔器上部的液体压力作用在封隔器胶筒上，瞬间可降低下部液柱压力，当液柱压力低于地层压力时，漏失将会降低，甚至停止。当封隔器封隔环空，胶筒内压力达到一定压力时，便会关闭封隔器注液通道，同时打开分级注水泥器的循环孔注液通道，可实现循环及二级固井。在二级固井时，因为封隔器封堵下部地层，故可以阻止二级固井过程中水泥浆漏失。

5 滑脱式免钻塞（自通径）分级注水泥器

图1 封隔式分级注水泥器

5-1/2″套管完井工艺在长庆油田、延长油田、大庆油田等地区广泛应用，因低压易漏地层的存在，需要分级注水泥器进行分级固井。但结构尺寸小，内部附件钻除时需要更换小钻具进行钻除作业，不仅增加了钻井时间和成本，钻除中还存在着钻偏钻漏的问题。本着提速提效，控制成本，缩短建井周期，国内开发了滑脱式免钻塞分级注水泥器，并在延长、长庆等油田广泛应用。

滑脱式免钻塞分级注水泥器结构如图2 所示。打开套、关闭套与本体及上下滑套通过剪切销钉控制循环孔的开启、关闭及滑脱等动作。上下滑套与打开套、关闭套为大间隙设计，密封能力大于25MPa，保证打开、关闭动作的可靠性，其上下滑套的内径小于套管通径，提高滑套及附件滑脱至井底的成功率。

滑脱式免钻塞分级注水泥器的工作原理：在一级水泥注入完成后，投入一级胶塞，用顶替液推动一级胶塞下行，经过分级注水泥器本体后，继续替浆与碰压座复合，碰压，完成一级固井。井口泄压，投入重力型打开塞，并自由下落与下滑套复合，憋压，剪断剪钉，打开套与下滑套下行，打开循环孔二级注液通道，进行循环后，注入二级水泥，顶替液推动二级胶塞下行，待到与上滑套复合后，剪断销钉，在上滑套的带动下关闭套下行，关闭二级注液通道。再继续加压上下滑套与打开套、关闭套脱开，靠自由重力滑至井底[2]。

6 打捞式免钻塞分级注水泥器

筛管顶部注水泥完井技术是胜利油田等水平井完井作业的常用技术，其典型的管柱组合是筛管+盲板+套管外封隔器+压差式分级注水泥器。顶部注水泥结束钻塞时，可能会损坏分级注水泥器及套管严重的会造成套管开窗，井眼报废。钻掉的铝块不能全部循环上来，会造成井下螺纹，影响后期作业[8]。为此，国内开发了打捞式免钻塞分级注水泥器。

图2 滑脱式免钻塞分级注水泥器

打捞式免钻塞分级注水泥器结构如图3所示，各零部件组成了注入总成、打捞总成、锁紧机构、支撑总成等组件。注入总成通过对接筒与打捞总成连接，锁紧机构将注入总成锁定在打捞总成上，支撑总成通过锁块机构固定在支撑套上[8]。

打捞式免钻塞分级注水泥器的工作原理是管柱到位后，通过套管加压，液体通过进液孔胀封套管外封隔器。再继续加压，通过压差剪断剪钉，打开套下行，让出循环孔，与环空建立循环通道，可进行顶部注水泥作业，水泥注入完成后，顶替液推动胶塞至胶塞座，胶塞座下顶弹性块，剪断剪钉后下行。弹性块顶关闭套，关闭套下行将外筒的循环孔关闭。关闭套关闭后，胶塞上的卡簧机构卡在对接筒上，然后可下入打捞工具，通过打捞总成将锁紧机构和注入总成捞出，实现全通井，避免再次钻塞作业[8]。