田曉勇 蔣本強(qiáng) 張京華 蔣海濤 宋劍鳴 茍旭東 古青

摘要：針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)等氣井環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}的先期預(yù)防環(huán)空封堵工具，采用液壓方式完成第一、二膠結(jié)面的先期有效密封，后期利用自膨脹材料對(duì)微裂縫進(jìn)行補(bǔ)償密封，阻止油氣上竄，同時(shí)利用減震錨定機(jī)構(gòu)，降低管串振動(dòng)對(duì)膠筒封堵效果的影響。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)工具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，封隔能力能達(dá)到50 MPa以上，錨定減震機(jī)構(gòu)針對(duì)P110套管的最大錨定力小于600 kN，減震效果明顯，工具功能及分析結(jié)果均得到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有效驗(yàn)證，應(yīng)用井環(huán)空帶壓預(yù)防效果明顯，環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}得到改善。

關(guān)鍵詞：環(huán)空帶壓； 封堵工具；密封；錨定；自膨脹

中圖分類號(hào)：TE925.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.011

隨著天然氣需求量不斷增加，氣井開(kāi)發(fā)量及儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)不斷增長(zhǎng)，伴隨的油套破損、固井質(zhì)量差、井下環(huán)境變化等引起的環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}也越來(lái)越突出［1-4］。國(guó)內(nèi)外在預(yù)防環(huán)空帶壓方面開(kāi)展了大量研究，包括改善水泥漿性能、提高頂替效率、在管串中加入封隔器等［5-9］。這些技術(shù)在生產(chǎn)初期能起到一定的預(yù)防效果，但隨著生產(chǎn)周期、生產(chǎn)強(qiáng)度的不斷提高以及后期作業(yè)處理，伴隨的機(jī)械破壞不僅會(huì)導(dǎo)致套管與水泥環(huán)膠結(jié)面產(chǎn)生微裂縫。同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致封隔器膠筒發(fā)生蠕動(dòng)變形，失去封隔作用。在井下高溫、腐蝕介質(zhì)及地層環(huán)境變化等綜合因素下，這種情況還會(huì)加劇［10-15］。如果在固井施工管串中提前下入一種特殊工具，在注水泥作業(yè)完成后，通過(guò)液壓方式完成管外環(huán)空先期封堵，實(shí)現(xiàn)對(duì)第一、二膠結(jié)面的有效密封。后期作業(yè)時(shí)，如果一、二膠結(jié)面形成了微裂縫，油氣上竄，該工具還可與油水發(fā)生反應(yīng)，自動(dòng)膨脹，填補(bǔ)一、二膠結(jié)面的微裂縫，阻止油氣上竄，那么環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}將在很大程度得到改善。同時(shí)，為降低后期生產(chǎn)管串伸縮及震動(dòng)對(duì)密封膠筒產(chǎn)生的損害，還可以在工具上設(shè)計(jì)減震或錨定機(jī)構(gòu)，減少振動(dòng)對(duì)膠筒產(chǎn)生的蠕變影響。由此，研究設(shè)計(jì)了一種液壓自膨脹防震動(dòng)環(huán)空封堵工具，通過(guò)數(shù)值模擬分析得出了工具封隔壓力和錨定效果參數(shù)，并在試驗(yàn)中得到有效驗(yàn)證。該工具可配合尾管懸掛器進(jìn)行頂部封隔固井，也可以配合分級(jí)箍完成篩管外頂部封隔半程固井，并在中原、華北油田儲(chǔ)氣庫(kù)井應(yīng)用10多口井，有效解決了應(yīng)用區(qū)塊環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。

第53卷第2期田曉勇，等：環(huán)空帶壓先期預(yù)防封堵工具研究與應(yīng)用石油礦場(chǎng)機(jī)械2024年3月1工具結(jié)構(gòu)、原理及技術(shù)參數(shù)

1.1工具結(jié)構(gòu)

液壓自膨脹防震動(dòng)環(huán)空封堵工具主要由上接頭、中心管、上膠筒組、支撐環(huán)、剪銷、上液缸、限位卡簧、上活塞、堵塞器、下活塞、限位卡簧、下液缸、剪銷、下膠筒組、卡瓦錐套、卡瓦、卡瓦連接套、限位套和下接頭等組成，其中上、下膠筒組分別由上、中、下三膠筒、支撐環(huán)以及護(hù)肩組成，膠筒組采用自膨脹膠筒+高壓膠筒+自膨脹膠筒組合，進(jìn)液孔采用斷開(kāi)式堵塞器堵塞，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2工作原理

施工時(shí)，工具隨套管串下入設(shè)計(jì)位置，堵塞器可保障工具入井過(guò)程及固井碰壓前液體無(wú)法進(jìn)入液缸，活塞不動(dòng)作，當(dāng)固井膠塞通過(guò)堵塞器時(shí)，打斷斷開(kāi)桿，連通壓力傳遞通道，利用膠塞碰壓壓力使液體進(jìn)入液缸，啟動(dòng)銷釘被剪斷，液壓力同時(shí)向兩個(gè)方向推動(dòng)活塞，壓縮上膠筒組、下膠筒組、卡瓦錐體軸向移動(dòng)，完成第一、二截面的高壓封堵和錨定，并在自鎖機(jī)構(gòu)作用下鎖死。后期作業(yè)施工，管柱發(fā)生震動(dòng)時(shí)，錨定機(jī)構(gòu)將工具與外層套管固定在一起，降低軸向振動(dòng)對(duì)封堵工具膠筒的蠕變影響，延長(zhǎng)膠筒壽命。當(dāng)水泥環(huán)發(fā)生微裂縫，油氣上竄時(shí)，自膨脹膠筒可吸收油、氣、水完成二次膨脹，對(duì)微裂縫進(jìn)行封堵，實(shí)現(xiàn)

密封補(bǔ)償。特殊工況施工時(shí)，堵塞器需提前打掉。

1.3技術(shù)參數(shù)

2關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模擬分析

2.1膠筒密封性分析

建立如圖2所示的內(nèi)管、膠筒組、外層套管模型，設(shè)置外層套管外徑244.5 mm，內(nèi)徑222 mm，并根據(jù)橡膠150 ℃環(huán)境拉伸應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇橡膠本構(gòu)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，如圖3所示。根據(jù)擬合結(jié)果對(duì)比，Ogden三參數(shù)橡膠本構(gòu)模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)誤差較小，因此本文選擇Ogden模型作為橡膠本構(gòu)模型進(jìn)行分析， Ogden模型理論公式為：

W=∑Ni=1μiαi（αi1+αi2+αi3-3）+∑Ni=11di（J-1）2i（1）

式中：αi，μi為材料參數(shù)，N為多項(xiàng)式的階數(shù)（本文選擇N=3），di為材料參數(shù)，J為彈性體積比，λ為拉伸比。

圖3橡膠擬合數(shù)據(jù)曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線對(duì)比確定橡膠材料參數(shù)后，對(duì)膠筒分析模型一端施加200 kN的軸向坐封載荷，并固定在當(dāng)前位置，另一端受壓區(qū)域施加50 MPa的圍壓載荷。 分析結(jié)果如圖4 所示，膠筒和外管的大面積穩(wěn)定接觸應(yīng)力為52.7 MPa，和內(nèi)管的大面積穩(wěn)定接觸應(yīng)力為55 MPa，兩端自膨脹橡膠膨脹后與內(nèi)外管的接觸應(yīng)力在58 MPa左右，能夠滿足50 MPa的要求。

2.2錨定減震機(jī)構(gòu)模擬分析

建立錨定機(jī)構(gòu)三維模型如圖5所示，并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，設(shè)置內(nèi)管、錐體、卡瓦、推環(huán)、外管之間接觸關(guān)系。各部件材料參數(shù)如表2所示，設(shè)置外層套管外徑244.5 mm，內(nèi)徑222 mm。

設(shè)置卡完為坐卡狀態(tài)，推環(huán)軸向施加200 kN反向推力載荷，觀察卡瓦對(duì)外層套管影響，然后逐步增加推力載荷，直至外層套管發(fā)生大面積塑性變形，應(yīng)力如圖6～7所示。當(dāng)施加200 kN載荷后，外層套管上出現(xiàn)了明顯的咬痕，咬合區(qū)域主要集中在和卡瓦中部牙接觸的位置，咬合處出現(xiàn)塑性應(yīng)變，深度為僅為0.255 mm，認(rèn)為不會(huì)造成外層套管的破壞。 當(dāng)載荷增加至600 kN時(shí)，外層套管咬合處塑性應(yīng)變區(qū)域明顯增大，套管出現(xiàn)明顯的損壞。因此，外層套管采用P110鋼級(jí)時(shí)，最大坐卡或錨定載荷不能超過(guò)600 kN。

2）錨定機(jī)構(gòu)減震效果分析。

主要分析錨定機(jī)構(gòu)對(duì)坐封后的膠筒防震動(dòng)的作用，通過(guò)對(duì)比帶錨定和不帶錨定機(jī)構(gòu)的分析結(jié)果，得出錨定機(jī)構(gòu)的防震動(dòng)效果。首先對(duì)密封膠筒左側(cè)施加載荷，使膠筒完成坐封、卡瓦完成坐卡，然后對(duì)推環(huán)施加一定頻率的軸向沖擊載荷。如圖8所示，采用錨定機(jī)構(gòu)時(shí)，膠筒坐封后，在沖擊載荷作用下，最大位移波動(dòng)僅為0.056 mm，而不采用錨定機(jī)構(gòu)，最大位移波動(dòng)為11.47 mm，由此可見(jiàn)錨定機(jī)構(gòu)對(duì)膠筒減震保護(hù)起到了很好效果。

3室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)模擬試驗(yàn)示意如圖9所示，將封堵器置于內(nèi)徑224 mm試驗(yàn)筒內(nèi)進(jìn)行了封隔能力和錨定效果實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)前將封堵器堵塞器拆除，內(nèi)部憋壓20 MPa脹封封堵器，坐卡錨定系統(tǒng)，然后環(huán)空打壓50 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力保持不變，軸向等效載荷約280 kN，封隔器未發(fā)生整體位移，錨定效果良好。泄壓后，封隔器反向施加軸向載荷，載荷300～500 kN，反復(fù)施加載荷50次卸載。環(huán)空再次打壓至50 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力保持不變，驗(yàn)證了減震錨定系統(tǒng)對(duì)密封系統(tǒng)具有很好的保護(hù)作用。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截止目前，環(huán)空封堵工具已開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用10口井以上，應(yīng)用效果良好。以白廟儲(chǔ)2-2井為例，該井為中原儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)重點(diǎn)井，設(shè)計(jì)井深3 505 m，采用尾管固井工藝完井，環(huán)空封堵工具配合尾管懸掛器實(shí)現(xiàn)頂部封隔，對(duì)高壓層進(jìn)行先期預(yù)防封堵。管串組合：浮鞋+套管+浮箍+套管+浮箍+套管串+封堵工具+尾管懸掛器+送入鉆具。

施工過(guò)程工具入井過(guò)程順利，接頭氣密封良好，管串到位后循環(huán)正常，驗(yàn)證封堵工具膠筒未提前脹封，錨定機(jī)構(gòu)未提前打開(kāi)。尾管懸掛器順利座掛、丟手試提順利。懸掛器座掛后循環(huán)正常，再次證明封堵工具在懸掛器座掛操作過(guò)程未啟動(dòng)，堵塞器完好。尾管膠塞復(fù)合通過(guò)堵塞器時(shí)壓力出現(xiàn)瞬時(shí)波動(dòng)，判斷堵塞器打開(kāi)。碰壓后蹩壓至設(shè)計(jì)壓力完成一、二界面封堵和坐卡。鉆塞前進(jìn)行套管試壓，試壓壓力35 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降0.2 MPa，試壓合格，驗(yàn)證封堵工具封堵效果良好。該井投入運(yùn)行5個(gè)月左右，井筒未出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。與應(yīng)用封堵工具前井筒投產(chǎn)即發(fā)生生環(huán)空帶壓的其同區(qū)塊井相比，預(yù)防效果明顯。

5結(jié)論

1）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明液壓自膨脹環(huán)空封堵工具利用先期高壓密封，后期自膨脹補(bǔ)償密封的封堵技術(shù)可有效預(yù)防儲(chǔ)氣庫(kù)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。

2）模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了液壓自膨脹環(huán)空封堵工具采用高壓膠筒與自膨脹膠筒組合方式，可實(shí)現(xiàn)50 MPa以上壓力封隔，且減震錨定機(jī)構(gòu)可有效保護(hù)注采施工振動(dòng)對(duì)膠筒封隔效果影響。

3）環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}是一個(gè)長(zhǎng)期性、復(fù)雜性問(wèn)題，液壓自膨脹環(huán)空封堵工具封堵效果只是得到初步驗(yàn)證，隨著生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，膠筒封隔效果是否可持續(xù)，還需要進(jìn)一步跟蹤論證。研究全生命周期的環(huán)空封堵工具將會(huì)成為新的研究方向。

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