阮臣良,李富平,李風(fēng)雷,馬錦明

(中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

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尾管懸掛器超高壓封隔及回接技術(shù)應(yīng)用研究

阮臣良,李富平,李風(fēng)雷,馬錦明

(中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

為滿足后期的壓裂要求，頁巖氣井完井管串要求具有很好的密封完整性，目前國內(nèi)頁巖氣井生產(chǎn)套管基本采用全井一次性固井的方式。為使湖南省的一口頁巖氣探井保頁1井達(dá)到回接管柱壓裂后回收、便于后期可能進(jìn)行的開窗側(cè)鉆等要求，首次嘗試采用尾管固井再回接管柱不固井的完井方式。為此研發(fā)了實(shí)現(xiàn)70MPa超高壓封隔及回接的尾管懸掛器系統(tǒng)，核心技術(shù)主要包括超高壓尾管頂部封隔技術(shù)、超高壓回接密封技術(shù)和尾管懸掛器大過流技術(shù)。該技術(shù)在保頁1井順利實(shí)施，成功完成尾管固井、回接和回收上部生產(chǎn)套管串，工具整體密封性滿足后期的泵送橋塞壓裂要求。

回接；封隔；頁巖氣井；固井；尾管懸掛器

頁巖氣儲集層通常呈低孔、低滲透率，開采壽命長，生產(chǎn)周期長[1～4]，不同于常規(guī)天然氣的開采特點(diǎn)決定了頁巖氣開發(fā)具有其獨(dú)特的方式：水平井和分段壓裂技術(shù)是成功開發(fā)頁巖氣的關(guān)鍵技術(shù)[5，6]。我國頁巖氣開采相對美國難度更大[7]，頁巖埋藏相對更深，平均垂深在3000～3500m，水平段長約1000～1500m，部分井的完鉆井深超過5000m，給鉆井和完井作業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)。目前，為保證整個管串具有很好的密封完整性，大部分頁巖氣生產(chǎn)套管采用全井下入?139.7mm套管，一次性完成固井作業(yè)，極少采用尾管固井再回接的方案。分析其原因主要有以下2點(diǎn)：一是尾管固井再回接的方案在我國頁巖氣開發(fā)早期采用國外尾管固井工具并不順利，如中石化的泌頁1井出現(xiàn)膠塞未碰壓的問題，作業(yè)者擔(dān)心尾管固井的復(fù)雜性未再進(jìn)一步嘗試；二是國產(chǎn)尾管固井工具承壓能力不能滿足整體密封要求，一般只能達(dá)到25MPa，國外工具采購周期長、價(jià)格昂貴等成本要求制約了該技術(shù)的推廣。全井套管固井雖為頁巖氣井保證管串的整體密封性，但施工過程中普遍存在套管下入困難、固井施工壓力高等難點(diǎn)。

另外，國內(nèi)部分頁巖氣探井有其特殊工藝的要求，如湖南的頁巖探井保頁1井，針對頁巖勘探的不缺定性，要求采用直井勘探，完井時先尾管固井，再回接套管但不固井的方案。采用該方案的目的是盡可能的降低開發(fā)成本：當(dāng)勘探無重大發(fā)現(xiàn)時，上部回接套管串可提出，套管重復(fù)利用；二是當(dāng)測試后有重大發(fā)現(xiàn)時，回接管串同樣提出，直井段為?244.5mm套管，便于水平井開窗側(cè)鉆。為此，中石化石油工程技術(shù)研究院開展了具有超高壓密封能力的尾管懸掛器及回接裝置的技術(shù)研究，整體密封能力達(dá)到70MPa，并在湖南省頁巖探井保頁1井成功應(yīng)用，順利完成尾管固井、回接、壓力測試及壓裂作業(yè)，施工結(jié)束后上部管串成功取出。

1　保頁1井概況及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

保頁1井是一口頁巖氣預(yù)探井、直井，勘探目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組?？碧侥康臑樵摰貐^(qū)頁巖巖性及厚度識別，并對頁巖儲層壓裂，評價(jià)其商業(yè)開采價(jià)值。因是該區(qū)塊首次勘探，鉆井中不可預(yù)見的因素較多，地質(zhì)情況可能與預(yù)計(jì)有一定差別，存在易漏、易塌、可能含有較高壓力水層等復(fù)雜情況，并有鉆遇H2S的可能性。因此，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地層壓力可能的變化和壓裂工藝的要求：除生產(chǎn)套管整體氣密封性滿足基本的頁巖儲層勘探壓裂測試外，又要能夠回收上部套管，最大程度的降低生產(chǎn)成本。

最終該井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四開井身結(jié)構(gòu)，見圖1。其中三開為?244.5mm套管下深至2250m；四開頁巖儲層為?139.7mm尾管固井，下深2635m，采用?244.5mm×?139.7mm超高壓密封型封隔尾管懸掛器，重疊段長度150～200m，固井后坐封封隔器，利用水泥環(huán)和封隔器共同封隔2層套管間環(huán)空；四開固井后上部回接?139.7mm套管，采用超高壓密封的回接裝置與尾管懸掛器間實(shí)現(xiàn)密封，為了實(shí)現(xiàn)上部管串的可回收，回接管串不進(jìn)行固井作業(yè)；回接裝置上方設(shè)計(jì)?139.7mm水力錨，防止管內(nèi)高壓時，回接管串上移。為保證管串密封效果，四開全井采用氣密封螺紋套管，并考慮到可能的儲層含H2S情況，套管材質(zhì)為95SS鋼級。尾管固井管串及回接管串見圖2、圖3。

圖1　保頁1井井身結(jié)構(gòu)圖　　　　　　　　　　　圖2　尾管固井管串　　　　　　圖3　回接工具管串

2　關(guān)鍵技術(shù)

頁巖氣井尾管固井對配套工具提出嚴(yán)格要求，因頁巖儲層距重疊段較近，為提高壓裂時的安全，要求尾管頂部封隔器具有70MPa超高壓密封能力。另外，為保證回接管串取出，外部環(huán)空不進(jìn)行固井作業(yè)，回接管柱與尾管串的密封全部取決于回接裝置的密封效果，而達(dá)到70MPa的回接裝置在國內(nèi)尚屬空白。另外，頁巖氣井需要高壓、大排量壓裂施工作業(yè)，防止各層頁巖氣氣竄，對固井質(zhì)量要求比較高，尾管固井時必須允許更大的頂替排量來提高頂替效率。

針對頁巖氣井中尾管固井技術(shù)的難點(diǎn)，研制了一套由內(nèi)嵌卡瓦尾管懸掛器[8，9]、單膠筒尾管頂部封隔器等核心機(jī)構(gòu)組成的尾管懸掛器，能夠提供更大密封能力及過流面積，并配套了超高壓回接裝置，實(shí)現(xiàn)尾管固井再回接管串的整體密封性。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾點(diǎn)：

1)尾管頂部超高壓封隔技術(shù)。尾管頂部封隔器是設(shè)計(jì)在尾管懸掛器上方，在尾管固井結(jié)束后，利用機(jī)械方式坐封，在尾管與上層套管間形成密封，輔助水泥環(huán)提高密封效果。新研制的尾管頂部封隔器的密封能力達(dá)到70MPa，采用單膠筒及兩端膨脹支撐環(huán)結(jié)構(gòu)。工作時，膠筒受軸向力壓縮，因膠筒內(nèi)隔環(huán)的作用，膠筒中間最先向外膨脹與外層套管接觸，兩端分別被壓環(huán)作用壓緊芯軸。當(dāng)下壓載荷達(dá)到80～100kN時，膠筒兩端四個膨脹支撐環(huán)預(yù)制缺口斷開，膨脹至內(nèi)壁尺寸，為膨脹后的膠筒提供支撐，阻止高壓時膠筒向兩端流動，從而大幅提高密封能力。單膠筒封隔器地面測試?139.7mm規(guī)格超高壓封隔器最高升壓至75MPa，穩(wěn)壓60min，壓降小于0.5MPa。該型超高壓封隔器除具有很高的密封能力外，還具有較好的耐沖蝕性能，膠筒、兩端膨脹支撐環(huán)在膨脹前均為同一直徑，循環(huán)時受到流體沖擊小，有效防止頁巖氣井中施工時大排量循環(huán)造成提前漲封。

2)大過流通道技術(shù)。尾管懸掛器坐掛后的過流面積是其關(guān)鍵參數(shù)之一，較大的過流通道能夠提高頂替排量，有助于提高尾管固井質(zhì)量。頁巖氣井尾管懸掛器所采用的大過流通道技術(shù)是在內(nèi)嵌卡瓦坐掛機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。頁巖氣井尾管固井存在尾管載荷小的特點(diǎn)，在滿足水平井懸掛尾管載荷足夠的情況下，縮小尾管懸掛器外部直徑，特別是坐掛機(jī)構(gòu)外徑，并充分利用尾管懸掛器本體與卡瓦間形成內(nèi)過流通道，見圖4和圖5，相對常規(guī)技術(shù)增大過流面積40%以上。為測試改進(jìn)后尾管懸掛器大過流通道技術(shù)的效果，將該技術(shù)在塔河油田現(xiàn)場應(yīng)用20余井次，通過與臨近區(qū)塊常規(guī)技術(shù)對比，相同排量時坐掛后循環(huán)壓力平均降低約0.75MPa；相同循環(huán)壓力條件下，排量提高約0.15m3/min。

圖4　座掛前后卡瓦處截面圖　　　　　　　　　　圖5　懸掛器坐掛后內(nèi)(黑色箭頭)、外(藍(lán)色箭頭)過流通道示意圖

3)超高壓回接密封技術(shù)。常規(guī)尾管回接一般采用固井作業(yè)，回接裝置與尾管懸掛器回接筒間額定密封能力為25MPa。保頁1井回接時采用不固井工藝，后期壓裂作業(yè)壓力高，常規(guī)回接技術(shù)無法滿足70MPa密封等級要求。常規(guī)回接密封技術(shù)采用O形密封圈與回接筒內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)密封，對配合間隙要求較嚴(yán)格，金屬件間的配合間隙為直徑0.2～0.4mm為宜，而固井作業(yè)后需要下入專用工具磨銑回接筒，造成回接筒內(nèi)徑增大，影響常規(guī)密封技術(shù)的密封能力。另外，常規(guī)回接工具在插入回接筒時，O形密封圈容易被可能存在的異物刮壞，影響密封效果。為此研發(fā)了帶金屬基環(huán)的新型橡膠組件，該密封組件由金屬基環(huán)、O形密封圈、硫化矩形圈組成，矩形橡膠圈硫化在金屬環(huán)上，粘接好，耐刮擦，可進(jìn)行多次插拔作業(yè)[10]。因有金屬基環(huán)的支撐，且與對應(yīng)密封面接觸面積大，硫化矩形圈能夠密封更高的壓力，經(jīng)地面性能試驗(yàn)驗(yàn)證，在重復(fù)插拔10次后密封能力仍能達(dá)到70MPa以上。通過控制矩形橡膠環(huán)在金屬基環(huán)上的突出量，可在直徑間隙0.2～0.75mm情況下密封。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

3.1管串組合

1)尾管固井管串組合：?139.7mm加長浮鞋+1根?139.7mm套管+?139.7mm浮箍+1根?139.7mm套管+?139.7mm浮箍+1根?139.7mm套管+?139.7mm球座+?139.7mm套管串+?244.5mm×?139.7mm尾管懸掛器+?127mm送入鉆具。

2)尾管回接管串組合：?139.7mm高壓回接插頭+2根?139.7mm套管+?139.7mm水力錨+?139.7mm套管串+?139.7mm芯軸式套管懸掛器+?139.7mm聯(lián)頂節(jié)。

3.2施工過程

1)尾管固井施工。按照管串設(shè)計(jì)依次下入尾管串、尾管懸掛器和送入鉆具至井深2329m。以1.5m3/min的排量進(jìn)行循環(huán)約2h，循環(huán)泵壓7MPa，后投球，懸掛器坐掛壓力12MPa，球座剪切壓力18MPa，丟手正轉(zhuǎn)30圈，工具各項(xiàng)操作一次成功。固井作業(yè)共泵入水泥漿10m3，替漿到量成功碰壓。泄壓后坐封封隔器，上提鉆具3m，下壓400kN，封隔器剪釘剪切現(xiàn)象明顯，關(guān)防噴器，環(huán)空試壓15MPa，壓力5min無壓降，封隔器坐封成功。

2)掃上塞。候凝48h后，下?215.9mm三牙輪鉆頭進(jìn)行掃塞，轉(zhuǎn)速40～60rpm，鉆壓2～4t，至回接筒頂0.2m停止。

3)磨銑回接筒。下入專用銑鞋，至回接筒頂，轉(zhuǎn)速50r/min，扭矩3kN·m，到底后磨銑鉆壓3t，排量1.8m3/min，泵壓5MPa。

4)回接管柱。按照回接管串依次下入超高壓回接插頭、水力錨及高鋼級防腐套管至2010m。首先進(jìn)行試插，緩慢下放套管，直至觀察到產(chǎn)生2t鉆壓，停止下放，開泵憋壓5MPa，穩(wěn)壓3min無壓降。上提超高壓回接插頭，更換上部數(shù)根套管，調(diào)整管串長度，接入芯軸式套管懸掛器。調(diào)整好后進(jìn)行下插操作，緩慢下放套管，將回接插頭插入回接筒，回接筒受壓15t。壓裂前管串憋壓至66MPa，穩(wěn)壓30min，無壓降。配合環(huán)空憋壓30MPa，可滿足管內(nèi)密封95MPa壓裂要求。

5)壓裂施工及起出回接管串。壓裂為泵送橋塞壓裂，最高施工壓力81.9MPa，壓裂施工順利。起出回接管串時，上提懸重超過正常套管懸重500kN左右，起出超高壓回接插頭及水力錨等工具觀察無異常，考慮可能原因是回接管柱外部環(huán)空鉆井液長時間靜止沉淀，阻力及抽吸作用造成載荷過大。

3.3效果評價(jià)

尾管固井施工時，尾管懸掛器坐掛、球座剪切、丟手全部順利實(shí)現(xiàn)，封隔器坐封效果良好，固井結(jié)束懸掛器送入工具提出順利。掃上塞過程中采取有效措施，避免了鉆頭對回接筒的損傷，回接管串下入順利，管串密封能力現(xiàn)場測試達(dá)到66.04MPa。壓裂施工最高井口壓力達(dá)到81.9MPa，壓裂施工過程順利，回接管串能夠?qū)崿F(xiàn)回收。因壓裂后頁巖氣儲層未達(dá)到商業(yè)開發(fā)條件，后續(xù)未進(jìn)行側(cè)鉆水平井作業(yè)。

4　結(jié)論

1)頁巖氣井尾管固井及回接工藝在保頁1井成功應(yīng)用，該工藝能夠滿足頁巖氣壓裂要求，壓裂結(jié)束后可回收上部套管，節(jié)約鉆井成本、便于水平井側(cè)鉆。

2)尾管頂部封隔技術(shù)、大過流通道技術(shù)和超高壓回接技術(shù)是頁巖氣井尾管固井工具的關(guān)鍵技術(shù)，使管串整體滿足70MPa密封要求。

3)在現(xiàn)場使用過程中，針對因鉆井液沉淀造成回接管柱起出困難的問題，建議用完井液替換回接管柱外環(huán)空的鉆井液。

4)建議將超高壓尾管懸掛及回接技術(shù)在頁巖氣水平井中進(jìn)一步現(xiàn)場試驗(yàn)，可在尾管固井后，采用回接并固井的工藝，具有利于套管下入到位、降低固井作業(yè)壓力、降低壓裂后因水泥環(huán)破裂造成井口帶壓幾率等優(yōu)勢。

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[編輯]洪云飛

2016-04-27

國家科技重大專項(xiàng)(2016ZX0521005);中國石油化工集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)目(P14113)。

阮臣良(1982-)，男，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事石油井下工具方面的設(shè)計(jì)與研究工作；E-mail:rcl@shelfoil.com。

TE925.2

A

1673-1409(2016)19-0042-04

[引著格式]阮臣良,李富平,李風(fēng)雷,等.尾管懸掛器超高壓封隔及回接技術(shù)應(yīng)用研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(19)：42～45.