徐明会，陈宇豪，王晓强，郑杜建，常连玉

（1.中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司，山东 德州 253000；2.中国石化石油工程技术研究院固井研究所，北京 100000）

机械式分级箍是双级固井工艺中相对稳定可靠的固井工具，使用分级箍可以将固井段分为两段进行依次固井[1]，从而可以减少水泥浆对地层的压力，也可以更好地针对性地封固易漏地层[2]。目前随着西部油田的勘探开发力度进一步增强，更多的深井超深井需要进行双级固井施工，机械式分级箍的下深逐步增大，高温高压条件对分级箍的性能产生一定累积的影响[3]，工具的使用范围是有一定界限的，一旦超过工具的耐受范围，就会出现相应的工具失效现象，其中，二级固井期间，分级箍提前关孔就是一个严重影响固井施工的工具失效现象[4]，因此，在现场应用中，应该充分考虑到分级箍的相关性能来综合设计施工参数，从而避免分级箍提前关孔事故的发生。

1 双级固井施工工艺

双级固井施工分为一级固井和二级固井，其中一级固井施工流程一般分为：注冲洗液—注隔离液—注水泥浆—倒闸门—注压塞液压塞—泵替泥浆—一级碰压—投重力塞—重力塞到位后憋压实现分级箍开孔—建立循环—候凝（一级封固段）—二级固井。二级固井施工流程一般分为：注冲洗液—注加重隔离液—注水泥浆—倒闸门—注压塞液压塞—泵替泥浆—碰压关孔。其中分级箍提前关孔就是指发生在二级固井泵替泥浆过程中分级箍提前出现关孔动作，导致替浆压力骤增，套管内部分水泥浆没有进入环空的现象[5]。这种事故危害巨大，第一点是套管内会留有部分多余水泥塞，钻除过程较久，影响施工进度[6]；第二点是环空水泥返高没有达到设计要求，影响固井质量[7]。因此，需要对整个二级固井的注替流程分析，给出二级固井替浆过程中可能出现的风险点。

在整个注替过程中由于流体密度、流变性能参数的不同，在相同的井身结构条件下，流体流型、液柱压力及摩阻压耗也各不相同[7]，而且不同流体的注入排量也不相同，所以整个注替过程中井内流体的流动特性每时每刻都在发生改变[8]。

二级注替过程分为三个阶段：第一是从注替过程开始到“U”型管效应出现，此过程中管内外静液柱压差不足以克服整个循环压耗，井口注入排量等于井内实际流量，井内流体连续；第二是“U 型管效应”阶段，随着井内注入较高密度的水泥浆，管内外静液柱压差逐渐增大至足以克服整个循环压耗，此时井内实际流量逐渐增大且大于井口注入排量，井内开始出现真空段，井内流体不连续，但是随着注替过程的继续进行，水泥浆开始返出套管鞋而进入环空，管内外静液柱压差逐渐减小，井内实际流量逐渐减小，直至管内外静液柱压差不足以克服整个循环压耗时，井内实际流量小于井口注入排量，井内真空段开始减小并最终消失，“U 型管效应”结束，井内实际流量等于井口注入排量，井内流体恢复连续；第三是“U型管效应”结束后，此时管外静液柱压力大于管内静液柱压力，随着水泥浆不断返出，管外与管内静液柱压差逐渐增大，替浆泵压逐渐增大，直至替浆结束，井内实际流量等于井口注入排量，井内流体连续。

2 分级箍提前关孔理论分析

2.1 挡块受力分析

机械式分级箍中设计了防提前关孔装置——挡块，挡块具有一定的承压能力，理论上避免了一级开孔后由于重力塞面上下压差过大导致分级箍提前关孔。

二级固井过程中，实际作用于分级箍位置的压强将直接作用在重力塞面上产生一个对滑套向下的作用力，该作用力传递到挡块机构上，沿径向分解成挡块机构与关闭塞座之间的挤压力，由于关闭塞座为铝合金材质，强度相对较低，挡块机构接触面积较小，应力较为集中，两者互相挤压后易发生结构变形，一旦结构变形就会发生分级箍提前关孔事故。

结合YFZ-A 型分级箍内部结构(如图1 所示)，单独对挡块机构进行受力分析求得分级箍关闭塞座与单个挡块作用力，计算公式如下：

式中:FT——分级箍关闭塞座与单个挡块的作用力，10kN；

di——不同规格分级箍本体内径，mm；

P——分级箍位置压力，MPa。

通过式（1）可以计算出分级箍挡块的理论承压能力。

2.2 重力塞上端面受力分析

将重力塞视为一点，那么重力塞面上下始终存在一定压差，先分析上层压力，二级注替过程中，分级箍重力塞位置相当于“U”型管的底部(如图2 所示)，在“U”型管底部任一时刻两侧压力均保持平衡：

式中:Ps——井口压力，MPa；

Phc——套管内静压力，MPa；

Pfc——套管内摩阻压耗，MPa；

Pha——环空静压力，MPa；

二级注替过程第一阶段，井内实际流量与井口注入排量相等，井内不存在真空段，流体连续，由此可以直接计算各个动态参数。

二级注替过程第二阶段，“U型管效应”阶段，假设真空段连续且位于井口位置，井内实际流量与井口真空段长度是最关键的两个计算参数，在该阶段井口始终存在真空段，所以井口压力始终为零，所以此阶段任一时刻下面公式均成立：

任一时刻T井口新注入的流体经过自由下落连续落在井筒内液柱上表面，有研究表明：注入流体对液柱产生的冲击力较小，故而可以忽略不计。所以建立“U”型管效应模型(如图3所示)。

公式（3）中各个量的具体计算公式如下：

式中：ρi——环空、套管内部第i段流体的密度，g/cm3；

Lai——环空第i段流体对应的长度，m；

Lci——套管内第i段流体对应的长度，m；

通过“孝廉文化书法邀请展”、“孝廉文化影视作品”、“孝廉文化图片和公益海报”、“孝廉文化警示长廊”、“孝廉文化教育基地”等孝廉文化教育实践活动，形成形象生动、情理并重、直观感人、通俗易懂的孝廉文化培养和教育机制，使孝廉文化教育逼真感人、入脑入心，落地生根，切实达到把孝廉文化建设做实做好的目标要求。

Mi——环空、套管内第i段流体处于不同井身条件下的换算系数；

fai——环空第i段流体摩阻系数；

fci——套管内第i段流体摩阻系数；

Qr——井内实际流量，m3/min。

将（4）～（7）式带入（3）式整理得到井内实际流量的迭代公式：

由（7）式可以得到井口真空段长度迭代公式：

式中：ΔT——迭代时间步长，s；

Hn——T时刻井口真空段长度，m；

Hn-1——T-ΔT时刻井口真空段长度，m；

dc——套管内径，mm；

Qrn——T时刻井内实际流量，m3/min；

Qrn-1——T-ΔT时刻井内实际流量，m3/min。

假设“U型管效应”发生在T0时刻，井内实际流量Qr0与井口注入排量Q相等，井口真空高度H0为零，迭代一个时间步长ΔT，那么根据井身结构参数就可以确定T=T0+ΔT时刻井内各种流体的种类和分布位置即Lci和Lai，根据Qr0可以求得井内各段流体的摩阻系数fci和fai，然后将Lci、Lai、fci、fai带入迭代方程(8)，即可求得T=T0+ΔT时刻井内实际流量Qr1，根据迭代方程(9)就可以得到T=T0+ΔT时刻井口真空段长度H1，如此继续以时间步长ΔT进行迭代计算，最终得到整个施工过程相应动态参数值；时间步长ΔT取值越小越精确，一般取值在1～10s均能满足计算要求。

判断“U型管效应”开始的标志为井口压力Ps=0；判断“U型管效应”结束的标志为井口真空段长度Hn=0。

由于“U 型管效应”阶段套管内始终存在真空段，计算分级箍重力塞上端面压力较为复杂，而环空自始至终压力连续，所以由环空进行分级箍重力塞上端面压力计算：

2.3 重力塞下端面受力分析

二级固井期间双级注水泥器开孔时，重力塞下端面所受到的压力需要结合整个固井流程进行分析，将重力塞位置考虑为一个受力面，在重力塞落到打开塞座上的这一时间节点时，受力面上下受到的压力是相同的，之后重力塞憋压开孔，打开塞座与重力塞结合处处于密封状态，此时重力塞下部至一级碰压座这一段在一级固井替浆碰压的前提下是一个密闭腔体，这一密闭腔体里面的液体受到压缩会对重力塞产生一个向上的压力，若重力塞下部的压力高于重力塞受力面上部的压力时，重力塞就会被顶起，从而实现重力塞上下压力的平衡，当重力塞上部压力高于重力塞下部压力时，重力塞再次与打开塞座密封，下部压力则更新为此时重力塞受力面上部的压力。因此重力塞受力面下端面的压力应为重力塞开孔建立循环后至二级固井施工结束前管内最小静液柱压力。如下公式（11）计算套管内静液柱压力Pc：

式中：Pc——第i段流体的密度，g/cm3；

Hi——第i段流体所占套管内液柱长度，m；

g——重力加速度，m/s2。

将分级箍重力塞面上部压差减去下部压差，得到的差值即为二级固井期间分级箍挡块受到的压强。当该值大于挡块承压能力标准时，挡块就会出现受挤压变形的可能，从而导致分级箍提前关孔。

3 现场应用中避免提前关孔预防措施及施工实例

实际现场施工中，可以根据分级箍挡块理论承压值作为依据，提前进行一定的理论计算，从而预估挡块在二级固井过程中的承压情况，一般可以将水泥浆返深到井口这一时间节点进行计算，若此时挡块所受压力值超过挡块标准承压值，即应通过调整相应的施工参数来降低分级箍重力塞面上下压差，从而在施工源头上降低二级固井分级箍提前关孔的发生率。

结合第二节的分析，可以得出现场施工中影响分级箍挡块处压力的参数主要为水泥浆与泥浆密度差和替浆后期的排量，降低水泥浆与泥浆的密度差可以降低重力塞上下端面的静液柱压力差，降低替浆排量可以降低重力塞上端面的环空压耗。因此，在现场施工中，若通过理论计算分析认为存在分级箍提前关孔的风险，可以通过以下措施进行规避。

（1）降低二级固井水泥浆密度；

（2）增大一级固井后分级箍开孔循环后所用的井浆密度；

（3）当环空水泥浆返高接近设计值，即分级箍碰压关孔前，提前一定体积降低顶替排量，从而降低环空压耗。

下面以实际施工井为例进行分析，SHB11 井是西部某油田的重点探井，二开固井设计为365.13mm大尺寸套管双级井，井深5578m，分级箍下深达到3994m，创造国内同类型尺寸分级箍下深最高纪录，为规避分级箍下深过高导致的二级固井提前关孔风险，施工前提前进行相关分级箍挡块受力计算模拟。

该井二级施工流程如表1所示。

表1 SHB11井二级固井施工流程

通过利用前文提及的方法设计的固井软件模拟，得出分级箍挡块位置的全过程施工压力模拟曲线图，如图4所示，替浆至最后阶段，分级箍挡块位置承受压力最高至64.8MPa，此时挡块下部承受的上顶力通过计算为58.7MPa，即挡块位置承受压力差为6.1MPa，低于挡块的剪切压力值，预测固井施工不会出现提前关孔现象。实际施工中替浆至后期，替浆压力最高涨至7.5MPa，与理论模拟基本吻合，最终替浆到量碰压，压力由7.5MPa碰压至18MPa，分级箍成功实现关孔动作，密封良好，后期下钻探得水泥塞面位置3980m，与分级箍下深位置接近，判断分级箍成功到量碰压，未提前关孔。

4 结论

（1）分级箍在二级固井施工中，重力塞上下端面会产生一定的压力差，上端面压力为环空静液柱压力与环空压耗之和，下端面压力为分级箍开孔循环后至二级固井结束前，重力塞上端面受到的最小压力，两者压力差若大于分级箍挡块标准承压能力，挡块就会出现挤压变形，分级箍会存在提前关孔隐患。

（2）现场施工中，通过前期理论计算可以预估分级箍重力塞上下端面压力差，通过调整二级固井水泥浆密度、一级固井后分级箍开孔循环后所用的井浆密度及替浆后期的顶替排量可以一定程度规避分级箍提前关孔的风险。