李伟，王涛，李社坤，周战云，王秀玲

（1.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西 西安710075；2.中国石化中原石油工程有限公司固井公司，河南 濮阳457001）

0 引言

近年来，国内的页岩气勘探开发已逐步展开。页岩气储层具有物性差、渗透率低、孔隙度低等特点，普遍采用水平井及多级压裂方式进行增产［1-5］。目前，用于页岩气水平井固井作业的弹簧式浮箍浮鞋可靠性较低，部分井注水泥作业后井底不能可靠关闭，造成水平段水泥塞过长及水平段封固质量差，对水平井固井质量造成较大的不良影响［6-9］。特别是对于水平段较长的页岩气水平井来说［10-13］，水平段、套管鞋处固井质量隐患以及水泥浆倒流或水平段磨塞引起的水平段窜槽和微环隙，将会对后期储层改造及生产带来巨大的损失，甚至可能造成分段压裂的失败，由此产生的补救措施投入更是无法估计［14-15］。因此，研制一种能够在注水泥作业后可靠关闭井底的碰压关井阀，对于提高页岩气水平井固井质量有着积极的意义。

1 技术分析

碰压关井阀的设计：将关闭阀装在浮箍上端，利用固井胶塞作为驱动部件，固井碰压时的压力作为驱动力，通过固井胶塞将碰压阀上固定关闭滑套的销钉剪断，然后使滑套移动，坐入阀座，由此永久关闭井底液流通道。

1.1 结构

设计的固井碰压阀主要组成部件与结构见图1。壳体为管状结构，上部设内螺纹、下部设外螺纹；阀套为管状结构，通过螺纹固定于壳体内上部；滑套为管状结构，通过剪销固定于阀套内部，其下部外壁开有凹槽，槽内容纳锥形密封垫，其上端侧壁开有通孔；阀座为碗装结构，在壳体内位于阀套下部，其侧壁四周均布循环孔；阀套与滑套及壳体之间通过密封圈密封。

图1 碰压关井阀结构示意

1.2 工作原理

使用固井碰压阀时，将壳体上部的内螺纹旋接于套管柱下部，壳体下部外螺纹连接在套管浮箍上部。完成下套管作业后进行钻井液循环及注水泥作业时，液流可经过滑套内腔及阀座上的循环孔向下顺利流动。由于阀座为碗装结构，其内空间较大，且其侧壁的循环孔朝侧下方开启，沉砂及岩屑较易顺利通过，不易造成堵塞。当注水泥工序完成后，压入胶塞并替浆至碰压时，胶塞推动滑套，剪断剪销向下移动。由于滑套下端外壁的锥形密封垫具有单向密封的作用，所以胶塞与阀座之间的液体能够顺利通过滑套及阀座之间的间隙并经过锥形密封垫，然后通过阀座侧壁的循环孔排出，直到滑套下端碰触阀座内端面。此时，液流通道被永久关闭，阀座内壁与滑套之间的锥形密封垫起到单向密封作用，水泥浆无法经阀座上的循环孔回流入套管内形成水泥塞，由此确保满足固井施工作业的技术要求。

2 室内模拟试验

为了验证碰压关井阀性能指标能否满足现场使用需要，对固井关井碰压阀的关闭压力、正向承压能力、反向承压能力进行了室内试验。

2.1 关闭压力试验

在加工好的固井碰压关井阀 （规格：GJF/139.7 mm/10.54/LC/P110） 样品上端安装1 只φ139.7 mm 的套管水泥头；水泥头内置入固井胶塞，通过试压泵在水泥头上端打压，压力推动固井胶塞下移，与固井碰压阀滑套上端接触后，继续升压至14 MPa 时，压力骤降至0 MPa，此时表明剪销剪断；继续泵注清水，直至压力再次升高，此时碰压阀完全关闭。试验表明，固井碰压阀关闭压力为14 MPa（关闭压力可根据现场需要通过改变剪销直径来进行调整）。

2.2 正向承压试验

进行完关闭压力试验后，由试压泵继续加压，压力缓慢升至25 MPa 后，稳压5 min，未发生压降，卸压后拆下固井碰压阀并观察内部构件，未发现变形及损坏情况。试验表明，固井碰压阀能够正常承受固井碰压时的正向压力。

2.3 反向承压试验

在进行完关闭压力及正向承压试验的固井碰压阀下端外螺纹处，安装1 只带有内螺纹的堵头。通过堵头上的接头由试压泵泵注清水，分阶段升压至45 MPa，稳压15 min 后未发生压降（见图2）。卸压后拆下固井碰压阀并观察内部构件，未发现变形及损坏情况。试验表明，固井碰压阀关闭后能够正常承受套管外水泥浆液柱施加的反向压力。

图2 反向承压测试

3 现场应用

固井碰压阀在延页平1 井进行应用并取得成功，随后陆续在不同区块19 口井的固井施工中予以应用。固井施工作业全部正常顺利完成，注水泥作业完成后，固井碰压阀关井可靠率达到100%。

延页平1 井是鄂尔多斯盆地的一口页岩气开发水平井。该井设计井深2 344 m，完钻井深2 344 m，套管下深2 340.6 m，设计阻位2 332.2 m。油层套管固井套管串结构（自下而上）：φ139.7 mm 浮鞋+φ139.7 mm 浮箍+φ139.7 mm 短套1 根+φ139.7 mm 浮箍+φ139.7 mm碰压关井阀+φ139.7 mm 套管串+联顶节。

该井下套管完成后循环排量1.8 m3/min，泵压为5 MPa。施工后按正常程序注入水泥浆90 m3，清水顶替过程中压力由0 MPa 上升至12 MPa。碰压后继续打压，压力由15 MPa 上升至20 MPa，确保达到关井阀关闭压力，稳压后压力未降，放压回水断流。注水泥过程中，施工正常、连续、完整，碰压合理，井口开井候凝。固井后测井结果显示人工井底为2 332 m，说明碰压后井底关井可靠，同时，防止了水平段注水泥后水泥浆倒流引起的窜槽和微环隙。延页平1 井固井质量评价结果表明，水平段封固质量为优质（见表1）。

表1 延页平1 井固井质量评价结果

4 结论

1）固井碰压关井阀能消除浮箍浮鞋失效时对固井质量的影响，在剪断销钉后能有效承受正反向压力，且可通过销钉长度来调节关井压力，操作简便，易于安装。

2）固井碰压关井阀可与套管浮箍、浮鞋配合使用，能够在不影响原有固井注水泥作业流程的情况下，有力确保关井可靠性，有效防止水泥浆倒流入套管造成留水泥塞事故的发生，可充分满足页岩气水平井固井施工作业的技术需求，降低水平段磨塞困难情况下的磨塞风险和水泥浆倒流引起的水平段窜槽和微环隙。

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