用管外封隔器提高高温高压气井的固井质量
王越之
江汉石油学院石油工程系湖北荆州434102
摘要本文从高温高压井的概念出发，阐述了高温高压气井固井中存在的主要问题，从机理上分析了影响固井质量的因素，由此提出了提高固井质量的途径与方法，重点介绍了采用套管外封隔器提高固井质量的作用机理。最后针对高温高压气井提出用常规套管封隔器存在的问题及解决该问题的初步设想。
关键词高温高压井；固井；管外封隔器，密封机理
1高温高压井的定义
目前国内外对高温高压井的定义还没有一个统一的认识。虽然定义有多种，但有一点是相同的，他们都是以井底孔隙压力大小和井底静止温度的高低作用划分标准，所不同的是其大小值各不相同。针对我国南海的实际情况，普遍认为井底地层孔隙压力当量钻井液密度大于1.8g/cm3，井底静止温度超过150℃的井称为高温高压井。
目前发现的世界海洋领域的高温高压地区主要有美国的墨西哥湾、英国北海的谢尔瓦特地区和中国南海的莺琼地区。
2高温高压气井固井存在的主要问题
我国在莺琼盆地多年的钻井实践中，已积累了许多钻高温高压井时固井的经验，但仍存在许多急待解决的问题，主要表现在：
1．高温对套管强度影响。高温会产生套管膨胀，应力发生变化，进一步影响套管受力，但目前的套管强度设计方法没有考虑高温的影响。
2．油气水窜槽。由于高温高压影响水泥浆的稠化时间，水泥强度衰退，水泥浆中使用的各种高温处理剂的热稳定性差，使得水泥浆与井壁和套管的胶结质量差形成窜通。
3．套管入井困难。由于高温高压井需要下入的套管层数多，常规套管层次已不能满足需要，套管与套管、套管与裸眼之间的间隙小，使套管入井易遇阻；注水泥循环时，有可能超过地层破裂压力。
4．水泥浆气侵严重，水泥石强度低。对于高温高压井，由于环空间隙小，水泥浆失水和失重使得地层中气体大量侵入水泥浆，造成水泥石强度降低，水泥石与两个胶结面的胶结质量差，严重时会使大段水泥浆被顶替走，出现大段未封固的空套管。
3高温高压井固井质量不高的原因分析
3.1注水泥时环空混窜的成因
1．固井水泥环顶替效率低，形成钻井液夹带的窜槽，若高压层的压力大于静液柱压力，高压气体沿窜槽带溢出；
2．由于水泥质量问题，使在环空中水泥与套管或地层胶结面的胶结质量差，这些环缝隙存在使气窜槽；
3．施工过程中水泥浆柱和钻井液总压力小于气层地层孔隙压力。
3.2注水泥时环空窜槽的成因
1．水泥浆水化发展和凝聚过程中的失重，降低环空的压力而引起气侵；
2．水泥浆体在环空对具有渗透性井段的失水，形成“桥堵”，产生失重，引起气侵；
3．水泥浆水化过程中，出现水化收缩，使水泥浆体积不断缩小，引起气窜；
3.3气体与环空水泥混窜
1．当顶替效率低和存在微裂缝时出现界面窜槽；
2．水泥浆在凝结过程中失重，使原来能平衡地层压力，现在因失重而产生压差，且由于水化收缩，来固结水泥浆中出现孔隙，使得地层中的气体进入水泥浆中。
4提高固井质量的途径与方法
提高固井质量的途径有:
1．压稳。即注水泥侯凝期环空静液柱压力能平衡地层流体压力，高压油气水不窜入环空侵蚀水泥环，不发生管外喷冒，又不发生漏失。
2．居中。使套管处于井眼的中心，这样可以提高水泥浆顶替效率，是确保水泥环均匀分布在套管与井眼的环形空间的重要条件。
3．提高顶替效率。把注水泥段的钻井液全部顶替干净，才能确保水泥环的胶结质量。
4．密封。套管外环空水泥封固井段的质量，要求提高水泥环与套管界面胶结质量，水泥环与地层界面胶结质量，水泥环自身的胶结质量。
提高固井质量的方法有很多，其中之一就是采用管外封隔器，它是一种与套管连接用来封隔套管与井壁间的环形空间的井下工具。它主要有水力膨胀式和水力压账式两大类。
5管外封隔器的作用机理
水力膨胀式管外封隔器包括控制机构，密封机构及联结机构。它的工作原理是根据要求将其下入所需层位，固井结束后提高套管内压力，套管内工作液体打开控制机构，进入密封机构使其膨胀并贴紧井壁形成环空永久密封；最后，控制机构关闭进液通道。
水力压胀式封隔器的工作原理是在封隔器下入过程中由于剪切丝堵的密封作用，使封隔器不受套管内压力波动的影响，可以边下管柱边冲洗，管柱下到设计位置后，投入水泥刮塞，在泵压作用下，刮塞下行到膨胀封隔器处，将丝堵剪断，打开进液口。但是，此时由于压力控制阀上剪切销的作用，到膨胀元件内腔的进液通道还没有打开。此时，刮塞剪断丝堵后，在泵压作用下继续下行，直到坐于刮塞座上，使不再继续下行。在不断升高的泵压作用，当作用在压力控制阀剪切销上的套管内外压差达到其额定工作压力时，剪切销被剪断，压力控制阀被打开，此时，进液通道被完全打开，工作介质流往颗粒式滤清器，单流阀以及压力控制阀，最后进入膨胀元件的工作腔，将密封元件膨胀。
6管外封隔器的用途与现场实践
套管外封隔器用途：
1．封隔气顶，防止上部气层对产层的干扰；
2．封堵水层；
3．用于非均质油层分段封隔、分段实施增产及作业措施；
4．封堵漏失层；
5．对于高压油气层，配合常规注水泥提高固井质量；
6．替代常规注水泥并进行射孔完井，防止油层污染。
管外封隔器的实例分析
原苏联的若亚布力油气联合公司的波科拉里油田，该油田开发初期的地质技术条件是：（1）含水层与油层之间的夹层是泥岩，厚度为8~15米；（2）产出液中不含注入油层的水，多数水来自上部水层；（3）该层段不含有多种压力地层。使用管外封隔器后，不但阻止了水层对油层的侵害，同时由于阻隔了环空液柱压力，阻止了水泥浆的大量失水，提高了两个胶结面的强度。从1986年开始使用管外封隔器，通过对采油井含水率分析和试油分析说明管外封隔器起了积极作用，水层的水窜流到油层的井数已从12.1%降到2.4%。
胜利油田坨71井在技术套管3148米以上使用2支管外封隔器，在3200、3280、3415米和3505米各使用一支管外封隔器，采用管外卡封工艺用钻井液膨胀完井，不注水泥浆。试油射开3578~3613米两层30米，用10mm油嘴自喷获日产原油410t/d，气12980m3/d，不含水，成为胜利油田近十几年来，陆上单井日产量最高的一口井。根据该井的经验，在其他几口井也采用管外封隔器都取得了较好的效果。
大庆油田应用管外封隔器封隔因高压注水而引起的高压薄层，提高调整井的固井质量，防止水窜发挥了积极的作用。
7高温高压气井用管外封隔器存在的问题
目前生产套管外封隔器的厂家国外主要有哈里巴顿公司、贝克体斯公司，国内也有一些油田和橡胶厂可以根据需要加工封隔器。各厂家提供的封隔器的密封件橡胶都是套在套管本体外。对用于高温高压气井固井存在一定的不便，主要表现在：
高温高压井，压力层系多，需要下人的套管层次多，考虑到井口装置和完井测试、试油等的需要，其套管的最大与最小尺寸基本确定，在有限的间隙内下入多层套管，其井眼与套管，套管与套管的间隙小，如果封隔器的橡胶件套在套管外，势必在下钻过程中要遇阻，且会产生较大的下钻激动压力。
若要使封隔器的外径与套管外径相近，必须要使封隔器的内径缩小，若封隔器处比套管内径小，则封隔器必须放在套管柱的下部。
通常封隔器采用水力加压方式使封隔器膨胀坐封。由于高温高压井在许多情况下，为了使套管下入顺利，又能增加套管层次，常采用薄接箍和近平接箍套管。其螺纹的联结强度一般比常规接箍小。因此采用水力加压膨胀的压力应在套管允许的压力范围内。这种既要使封隔器有效密封，又要不使套管破坏的合理值，也是需要精心设计和考虑的。
针对上述情况，我们认为高温高压气井用套管外封隔器应在充分吸收现有管外封隔器的经验的基础上，针对高温高压井的特殊要求，设计出既要满足密封封隔高压层的要求，又要固井施工工艺的要求。
参考文献
1．刘玉民、赵立新等套管外封隔器用于薄层封窜技术分析，钻采工艺，2000，23（2：44~49
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