一種能有效防止水泥漿回流的新型套管膠塞

劉運樓 唐 欣 周 正 李 斌 張毅超

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業公司

尾管懸掛器是尾管固井最重要的工具，其技術性能直接影響到固井的成敗或質量優劣[1-3]。由于固井管柱的特殊性，尾管固井防止水泥漿回流到套管內始終是固井工程師最為關注的問題之一。因為常規固井時即使遇到浮箍失效，也可以通過關閉水泥頭來防止水泥漿回流，而尾管固井則無法采用此措施，一旦浮箍失效，水泥漿就會無控制地倒流回套管內，造成損失巨大的固井事故。鑒于此，幾乎所有的尾管懸掛器都設計有利用膠塞來防止水泥漿回流的裝置[4]，一旦浮箍失效，鉆桿膠塞和套管膠塞一起發揮作用，與碰壓座鎖定在一起防止水泥漿回流。即便是如此，仍有一部分尾管固井后出現水泥漿回流的情況。分析失敗的案例發現，鉆桿膠塞與套管膠塞之間的鎖定機構失效是主要原因[5-6]。進一步分析和現場獲得的實際情況都支持鉆桿膠塞與套管膠塞之間的鎖定機構失效的原因，是因為鉆桿膠塞上的鎖定機構在鉆桿膠塞通過鉆桿內通道到達套管膠塞的過程中，由于鉆桿內孔并不完全光滑平整[7]，而且經過數百個內徑急劇變小的鉆桿接頭時，還會與鉆桿接頭碰撞，這樣就會損壞鎖定機構。中國石油集團川慶鉆探工程有限公司于2015年立項研究，經過兩年攻關，解決了尾管固井水泥漿回流的問題。

圖1 鉆桿膠塞和套管膠塞的結構圖

圖2 鎖定在一起的鉆桿膠塞和套管膠塞剖面圖

1 主流尾管懸掛器膠塞的缺點

目前的主流尾管懸掛器膠塞，雖然在細節上有一些差異，但其主要結構大體相似[8-10]（圖1），都在鉆桿膠塞和套管膠塞上設置有鎖齒圈，即鎖齒圈A和鎖齒圈B，注水泥施工結束后，都依靠鉆桿膠塞和套管膠塞上的鎖齒圈相互鎖定（圖2），以阻止水泥漿從套管膠塞內孔回流。由于普遍認為套管膠塞與碰壓座之間的鎖定影響因素少，是可靠的，這里不討論。

由圖2可以看出，鉆桿膠塞與套管膠塞是否能有效可靠地相互鎖定，在確保鎖齒圈A和鎖齒圈B結構性能滿足要求的前提下，其結構的完好性就成為決定因素。事實上，鉆桿膠塞上的鎖齒圈A在與鉆桿一起通過內徑不斷大幅變化的數千米鉆桿內通道的過程中，在鉆桿接頭處極易被碰壞或變形，到達套管膠塞位置后無法與鎖齒圈B相互鎖定或鎖定效果較差，不能提供防止水泥漿回流所需要的力。

有關驗證性試驗已經證明，鉆桿膠塞通過數千米鉆桿后，鉆桿膠塞上的鎖齒圈（或鎖齒）被碰壞或變形的現象雖然并非都是必然的，但發生概率也確實較大。

2 新型尾管懸掛器膠塞設計

2.1 新型尾管懸掛器膠塞的結構和工作原理

為了提高尾管懸掛器膠塞防止水泥漿回流的可靠性，需要解決鉆桿膠塞上鎖定機構被損壞的問題，為此，設計了全新結構的套管膠塞，該套管膠塞在防止水泥漿回流時，兼具鉆桿膠塞和套管膠塞的作用，從而不再需要鉆桿膠塞與套管膠塞之間相互鎖定，鉆桿膠塞上沒有鎖定機構，被損壞的問題也就不存在了。

設計的全新結構的套管膠塞如圖3所示，這里稱其為半空心套管膠塞[發明專利公開（公告）號CN105064949A]。半空心套管膠塞內孔為彎折孔，下部為實心圓柱體，內孔中間有一處直徑較小，用來阻擋鉆桿膠塞，鉆桿膠塞到達此處后即與套管膠塞重合在一起，阻止鉆井液與水泥漿混合。

圖3 半空心套管膠塞結構圖

固井施工時，按設計適時釋放鉆桿膠塞，鉆桿膠塞在鉆井液推動下通過鉆桿進入半空心套管膠塞，堵住套管膠塞內孔，鉆桿膠塞與套管膠塞成為一個整體，在鉆井液推動下剪斷剪釘，繼續下行，通過套管串，達到碰壓座位置，繼續替鉆井液憋壓，半空心套管膠塞下部實心圓柱體擠入碰壓座內孔，密封件密封與碰壓座之間的間隙，鎖止件同時與碰壓座上的鎖止機構配合，鎖住套管膠塞，防止其回退，這就實現了防止水泥漿回流（圖4）。

圖4 半空心套管膠塞防止水泥漿回流原理圖

由圖4可以看出，鉆桿膠塞上沒有密封件，也沒有鎖止件，只依靠半空心套管膠塞和碰壓座配合就實現了防止水泥漿回流。實際上，碰壓后即使沒有鉆桿膠塞，也不影響防止水泥漿回流。

考慮到套管膠塞實心圓柱部分與碰壓座之間要實現有效密封，前提是套管膠塞實心圓柱部分首先要能順利進入碰壓座的內孔，由于固井時井內流體含有固相顆粒，其粒度分布范圍廣，這就要求二者之間的間隙不能太小。為此，設計了徑向可收縮的單向密封元件和保護結構（圖5），這種結構的密封元件可以密封較大間隙。試驗表明，采用特定橡膠加工的這種密封元件，在170 ℃條件下密封0.5 mm的間隙，能夠確保50 MPa的壓差下不泄漏。

2.2 新型尾管懸掛器膠塞的制造

2.2.1 鉆桿膠塞和套管膠塞

根據鉆桿膠塞和套管膠塞的工況需要和鋁合金材料的機械性能特點[11]，選用鋁合金擠壓棒材作為鉆桿膠塞和套管膠塞主體部分的芯部材料，按圖紙加工成形后，采用整體硫化工藝[12-13]把橡膠部分附著到芯部的設計位置。

2.2.2 套管膠塞碰壓頭

套管膠塞碰壓頭包含有斜孔、碰壓密封的實心圓柱部分以及與碰壓座之間鎖定密封部分，是一個多功能部件。根據其功能要求，其主體部分與膠塞芯部一樣，也采用鋁合金擠壓棒材經機加工而成?？紤]到鎖定機構既要有一定的強度和彈性，也要在需要時容易被鉆掉，因此采用鈹青銅棒材，經熱處理加工制成[14]。

圖5 可收縮的單向密封元件和保護結構圖

3 與懸掛器的配合使用及現場試驗

3.1 與懸掛器配合使用的方法

以半空心套管膠塞為核心的尾管固井防止水泥漿回流技術，可以與任何供應商提供的液壓式或機械式尾管懸掛器配合使用。使用時只需要把原懸掛器的套管膠塞短節去掉，換上尺寸匹配和螺紋匹配的帶半空心套管膠塞的短節，再配套相應尺寸的鉆桿膠塞、憋壓球和碰壓座，如圖6所示。

圖6 與尾管懸掛器配合使用圖

3.2 固井過程中與常規套管膠塞不同工況的分析

在固井施工過程中，由于半空心套管膠塞的流道彎折，與筆直流道的常規套管膠塞相比，固井工作液流過時會產生更大的流動阻力，液體的流動阻力反過來會作用到膠塞上，所以固定膠塞的剪釘需要根據特定的膠塞結構、固井時的鉆井液或水泥漿密度以及流量計算后，選擇剪釘的強度，以確保安全施工；彎折流道還會產生徑向力，但這個徑向力經膠盤作用到套管壁上，而且在剪釘剪斷后消失，所以這里不考慮其影響。

3.3 現場應用

經過室內試驗驗證可靠性后，該尾管懸掛器膠塞與?177.8 mm尾管懸掛器配合使用，在四川盆地不同區塊的X211、M8等7井次現場應用獲得成功。經收集后期實鉆水泥塞面位置數據，與同區塊井深、井身結構及套管尺寸、鉆井液性能、溫度、水泥漿性能相似的鄰近井對比，試驗井的實鉆水泥塞面平均只比設計高出24 m，而對比井的實鉆水泥塞面則高出設計位置59 m。

4 結論

1）新型半空心套管膠塞的成功使用打破了現有各類尾管懸掛器膠塞的傳統模式，新穎的結構設計使其不再需要鉆桿膠塞與套管膠塞之間的鎖定即可防止水泥漿回流，具有更高的可靠性。

2）只要尺寸匹配，半空心套管膠塞可與現有所有尾管懸掛器配套使用，需要改變的很少且容易。