環空帶壓先期預防封堵工具研究與應用

田曉勇 蔣本強 張京華 蔣海濤 宋劍鳴 茍旭東 古青

摘要：針對儲氣庫等氣井環空帶壓問題的先期預防環空封堵工具，采用液壓方式完成第一、二膠結面的先期有效密封，后期利用自膨脹材料對微裂縫進行補償密封，阻止油氣上竄，同時利用減震錨定機構，降低管串振動對膠筒封堵效果的影響。通過數值模擬方法對工具關鍵結構進行模擬分析，封隔能力能達到50 MPa以上，錨定減震機構針對P110套管的最大錨定力小于600 kN，減震效果明顯，工具功能及分析結果均得到現場試驗有效驗證，應用井環空帶壓預防效果明顯，環空帶壓問題得到改善。

關鍵詞：環空帶壓； 封堵工具；密封；錨定；自膨脹

中圖分類號：TE925.2文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.011

隨著天然氣需求量不斷增加，氣井開發量及儲氣庫建設不斷增長，伴隨的油套破損、固井質量差、井下環境變化等引起的環空帶壓問題也越來越突出［1-4］。國內外在預防環空帶壓方面開展了大量研究，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］。這些技術在生產初期能起到一定的預防效果，但隨著生產周期、生產強度的不斷提高以及后期作業處理，伴隨的機械破壞不僅會導致套管與水泥環膠結面產生微裂縫。同時，還會導致封隔器膠筒發生蠕動變形，失去封隔作用。在井下高溫、腐蝕介質及地層環境變化等綜合因素下，這種情況還會加?。?0-15］。如果在固井施工管串中提前下入一種特殊工具，在注水泥作業完成后，通過液壓方式完成管外環空先期封堵，實現對第一、二膠結面的有效密封。后期作業時，如果一、二膠結面形成了微裂縫，油氣上竄，該工具還可與油水發生反應，自動膨脹，填補一、二膠結面的微裂縫，阻止油氣上竄，那么環空帶壓問題將在很大程度得到改善。同時，為降低后期生產管串伸縮及震動對密封膠筒產生的損害，還可以在工具上設計減震或錨定機構，減少振動對膠筒產生的蠕變影響。由此，研究設計了一種液壓自膨脹防震動環空封堵工具，通過數值模擬分析得出了工具封隔壓力和錨定效果參數，并在試驗中得到有效驗證。該工具可配合尾管懸掛器進行頂部封隔固井，也可以配合分級箍完成篩管外頂部封隔半程固井，并在中原、華北油田儲氣庫井應用10多口井，有效解決了應用區塊環空帶壓問題。

第53卷第2期田曉勇，等：環空帶壓先期預防封堵工具研究與應用石油礦場機械2024年3月1工具結構、原理及技術參數

1.1工具結構

液壓自膨脹防震動環空封堵工具主要由上接頭、中心管、上膠筒組、支撐環、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、支撐環以及護肩組成，膠筒組采用自膨脹膠筒+高壓膠筒+自膨脹膠筒組合，進液孔采用斷開式堵塞器堵塞，具體結構如圖1所示。

1.2工作原理

施工時，工具隨套管串下入設計位置，堵塞器可保障工具入井過程及固井碰壓前液體無法進入液缸，活塞不動作，當固井膠塞通過堵塞器時，打斷斷開桿，連通壓力傳遞通道，利用膠塞碰壓壓力使液體進入液缸，啟動銷釘被剪斷，液壓力同時向兩個方向推動活塞，壓縮上膠筒組、下膠筒組、卡瓦錐體軸向移動，完成第一、二截面的高壓封堵和錨定，并在自鎖機構作用下鎖死。后期作業施工，管柱發生震動時，錨定機構將工具與外層套管固定在一起，降低軸向振動對封堵工具膠筒的蠕變影響，延長膠筒壽命。當水泥環發生微裂縫，油氣上竄時，自膨脹膠筒可吸收油、氣、水完成二次膨脹，對微裂縫進行封堵，實現

密封補償。特殊工況施工時，堵塞器需提前打掉。

1.3技術參數

2關鍵結構模擬分析

2.1膠筒密封性分析

建立如圖2所示的內管、膠筒組、外層套管模型，設置外層套管外徑244.5 mm，內徑222 mm，并根據橡膠150 ℃環境拉伸應變實驗數據，選擇橡膠本構模型進行實驗數據的擬合，如圖3所示。根據擬合結果對比，Ogden三參數橡膠本構模型與實際實驗參數誤差較小，因此本文選擇Ogden模型作為橡膠本構模型進行分析， 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，N為多項式的階數（本文選擇N=3），di為材料參數，J為彈性體積比，λ為拉伸比。

圖3橡膠擬合數據曲線與實驗數據曲線對比確定橡膠材料參數后，對膠筒分析模型一端施加200 kN的軸向坐封載荷，并固定在當前位置，另一端受壓區域施加50 MPa的圍壓載荷。 分析結果如圖4 所示，膠筒和外管的大面積穩定接觸應力為52.7 MPa，和內管的大面積穩定接觸應力為55 MPa，兩端自膨脹橡膠膨脹后與內外管的接觸應力在58 MPa左右，能夠滿足50 MPa的要求。

2.2錨定減震機構模擬分析

建立錨定機構三維模型如圖5所示，并對模型進行簡化處理，設置內管、錐體、卡瓦、推環、外管之間接觸關系。各部件材料參數如表2所示，設置外層套管外徑244.5 mm，內徑222 mm。

設置卡完為坐卡狀態，推環軸向施加200 kN反向推力載荷，觀察卡瓦對外層套管影響，然后逐步增加推力載荷，直至外層套管發生大面積塑性變形，應力如圖6～7所示。當施加200 kN載荷后，外層套管上出現了明顯的咬痕，咬合區域主要集中在和卡瓦中部牙接觸的位置，咬合處出現塑性應變，深度為僅為0.255 mm，認為不會造成外層套管的破壞。 當載荷增加至600 kN時，外層套管咬合處塑性應變區域明顯增大，套管出現明顯的損壞。因此，外層套管采用P110鋼級時，最大坐卡或錨定載荷不能超過600 kN。

2）錨定機構減震效果分析。

主要分析錨定機構對坐封后的膠筒防震動的作用，通過對比帶錨定和不帶錨定機構的分析結果，得出錨定機構的防震動效果。首先對密封膠筒左側施加載荷，使膠筒完成坐封、卡瓦完成坐卡，然后對推環施加一定頻率的軸向沖擊載荷。如圖8所示，采用錨定機構時，膠筒坐封后，在沖擊載荷作用下，最大位移波動僅為0.056 mm，而不采用錨定機構，最大位移波動為11.47 mm，由此可見錨定機構對膠筒減震保護起到了很好效果。

3室內實驗

室內模擬試驗示意如圖9所示，將封堵器置于內徑224 mm試驗筒內進行了封隔能力和錨定效果實驗。試驗前將封堵器堵塞器拆除，內部憋壓20 MPa脹封封堵器，坐卡錨定系統，然后環空打壓50 MPa，穩壓15 min，壓力保持不變，軸向等效載荷約280 kN，封隔器未發生整體位移，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，反復施加載荷50次卸載。環空再次打壓至50 MPa，穩壓15 min，壓力保持不變，驗證了減震錨定系統對密封系統具有很好的保護作用。

4現場應用

截止目前，環空封堵工具已開展現場應用10口井以上，應用效果良好。以白廟儲2-2井為例，該井為中原儲氣庫建設重點井，設計井深3 505 m，采用尾管固井工藝完井，環空封堵工具配合尾管懸掛器實現頂部封隔，對高壓層進行先期預防封堵。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。

施工過程工具入井過程順利，接頭氣密封良好，管串到位后循環正常，驗證封堵工具膠筒未提前脹封，錨定機構未提前打開。尾管懸掛器順利座掛、丟手試提順利。懸掛器座掛后循環正常，再次證明封堵工具在懸掛器座掛操作過程未啟動，堵塞器完好。尾管膠塞復合通過堵塞器時壓力出現瞬時波動，判斷堵塞器打開。碰壓后蹩壓至設計壓力完成一、二界面封堵和坐卡。鉆塞前進行套管試壓，試壓壓力35 MPa，穩壓30 min，壓降0.2 MPa，試壓合格，驗證封堵工具封堵效果良好。該井投入運行5個月左右，井筒未出現環空帶壓現象。與應用封堵工具前井筒投產即發生生環空帶壓的其同區塊井相比，預防效果明顯。

5結論

1）現場應用證明液壓自膨脹環空封堵工具利用先期高壓密封，后期自膨脹補償密封的封堵技術可有效預防儲氣庫環空帶壓問題。

2）模擬分析和現場應用驗證了液壓自膨脹環空封堵工具采用高壓膠筒與自膨脹膠筒組合方式，可實現50 MPa以上壓力封隔，且減震錨定機構可有效保護注采施工振動對膠筒封隔效果影響。

3）環空帶壓問題是一個長期性、復雜性問題，液壓自膨脹環空封堵工具封堵效果只是得到初步驗證，隨著生產周期延長，膠筒封隔效果是否可持續，還需要進一步跟蹤論證。研究全生命周期的環空封堵工具將會成為新的研究方向。

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