摘要：现场浮箍失效在近期常有发生，使水泥浆倒流、封固段缩短、水泥塞增高，严重影响了固井质量，增加了钻井成本。为改变当前浮箍失效的状况，对浮箍失效的原因进行了深入分析，在保证密封体与密封座吻合的前提下，设计上尽可能扩展浆体的过流间隙，适当提高密封体的自由度，增强浮箍对阻卡物的释放能力。所研制出的“碰压自锁水泥塞控制器”解决了固井水泥塞控制技术的一大难题，能克服浮箍失效的后期隐患，可防止“水泥浆替空”和“水泥浆倒流”，达到了提高固井质量的目的。
关键词：深井；固井；浮箍；失效；碰压；自锁；水泥塞；控制器
1 浮箍的结构、作用原理及失效原因
近年来，在四川油气田内固井施工现场浮箍失效事故常有发生，浮箍失效导致水泥浆倒流、封固段缩短、水泥塞增高，严重地影响了固井质量，增加了钻井成本。根据现有浮箍的结构原理和使用特点，对其失效原因进行了分析研究。
1.1 浮箍的结构
根据常用浮箍不同的结构特点，可分为浮球式浮箍和支撑式浮箍两大类；根据浮箍内部所用材质的易钻性能差异可分为铝浮箍、玻钢浮箍、水泥浮箍等品种。
浮球式浮箍主要由外壳、加强环、密封座、浮球和球蓝等构成(图1)。其特点在于所用的空心浮球必须具备相当的漂浮能力和满足较高的抗压强度要求，在静止状态和受反向回压时能自动与密封座相吻合，保持关闭状态；在正循环时能够与密封座分离自如，保持循环畅通。由于空心球在深井中所承受的井内液柱压力大，往往因材质强度难以达到使用要求而受到限制。
支撑式浮箍主要由外壳、加强环、密封座、球形密封体或锥形密封体、弹簧和球蓝等构成(图2、图3)。其特点在于所用球形密封体或锥形密封体在弹簧的支撑作用下，能够与密封座相吻合形成密封缶构，在静止状态和受反向回压时保持关闭密封状态；在正循环时，可通过压缩弹簧使密封体与密封座分离打开循环通道，保持循环畅通。当弹簧在井下工作的时间较长，反复压缩次数多时有可能产生疲劳，所以对弹簧质量要求较高。球形密封体表层胶皮具有良好的补偿性，但胶皮容易损坏甚至脱落，锥形密封体耐磨性较好不容易损坏。球形密封体或锥形密封体在受弹簧支撑的同时，自由度也受到一定的限制，较容易发生异物阻卡而影响关闭效果。
1.2 浮箍作用原理
浮箍是固井中常用的回流控制阀(简称回压阀)，用于固井下套管时，可借助于井内钻井液浮力以减轻管柱重力降低下套管负荷。固井施工时，安装在套管串位于水泥塞位置，可控制水泥浆回流和限制水泥塞高度。当正循环时，正向压力使密封体与密封座处于分离状态，回压阀开通；当静止或承受反向回压时，密封体与密封座处于吻合状态，回压阀关闭。
1.3 浮箍失效原因
1) 目前所用易钻性能较好的浮箍，密封座材料采用酚醛树脂(简称玻钢)，其特点在于可钻性良好，强度较差，高压下会发生崩裂使流体从裂缝中泄漏，导致浮箍失去控制能力，此现象可称为玻钢崩裂失效。
2) 常用浮箍的结构为弹簧支撑式，弹簧在井下随工作时间增加其支撑能力有可能衰减，所以在浮缩入井工作时间过长时，也担心弹簧发生疲劳而导致密封体和密封座分离，使其反向泄流失去控制，此可称为弹簧疲劳失效。
3) 浮箍在井下的工作情况条件差，过流浆体内难免有携带杂物，如钻井液处理剂包装袋碎片等，这种现场流量计发生故障时，检查中经常可见滤网被杂物缠绕阻塞。当杂物流入浮箍时，由于支撑式浮箍密封体自由间隙较小，阻卡可能发生在密封体与密封座之间或密封体与球篮之间，一旦使密封体受阻再不能回到与密封座吻合的关闭位置，承受反向回压时就会发生泄流而失去控制能力，此可称为异物阻卡失效。
2 浮箍失效及解决方案
2.1 浮箍失效
1) 从目前浮箍失效的情况看，多发生在Ø177.8mm和Ø177.8mm以下的套管固井中。所用浮箍采用球形支撑式或锥形支撑式结构，密封座采用玻钢或铝制品，一般都采取两种类型的组合应用，即一个球形支撑式玻钢浮箍加一个锥形支撑式铝浮箍。按此方法用一个优质铝材研制了铝浮箍，其设计和试验的技术指标都符合技术要求，抗回压强度已足够安全，可排除单纯的玻钢崩裂失效的可能性。
2) 从采用的球形支撑式或锥形支撑式结构看，均涉及弹簧支撑，对于浮箍密封体所需要的支撑力度要求，只需满足密封体与球座达到相吻合的程度就可以了，增强密封主要依靠反向回压的帮助，或许弹力偏强会产生负面影响，使密封体自由度变差。从浮箍的现场使用成功率可明显感觉到，如果失效的原因是弹簧弹力衰减所致应该具有普遍性，也有超时施工的井没出现浮箍失效。
3) 从浮箍在井下所处的工作情况条件看，过流浆体内所包含携带物的可能性随机存在，有的井泥浆池随时敞开，有的井泥浆泵进口过滤网缺损，特别是钻井液处理剂包装袋碎片进入浆体在所难免，如编织袋丝状物最有可能缠绕在阀体附近影响阀门的关闭效果。这也和浮箍采用支撑式结构所具有自由度受限相关，阀体的自由度小对杂物的释放能力就差，阻卡的可能性增大。因此，目前所用浮箍具有异物阻卡失效的可能性。
4) 在实际应用中，有的井在发现浮箍失效后经过继续循环后又恢复了正常，据此现象可以判定玻钢崩裂失效和弹簧疲劳失效几乎不存在，因为这两种失效都不具有恢复性，唯有异物阻卡失效才具有循环解卡恢复的可能。这就充分证实了浮箍受过流浆体所携带异物阻卡的可能性最大，当异物阻卡时显示浮箍失效，一旦异物被释放冲走后浮箍即可恢复正常。但现场发现浮箍失效多在注水泥施工结束时，此时循环已经得不到延续，阻卡也再不能解除，使水泥浆的回流失去控制。也怀疑两个浮箍怎么会同时失效的可能性，经分析其实不是两个浮箍同时失效，只是第一个浮箍失效时第二个浮箍还在起作用，从表面观察也不会有任何显示，只有当第二个浮箍失效后回流失控才会显现出来。
综上所述可得出结论：现用浮箍失效的主要原因是异物阻卡失效。
2.2 解决方案
1) 目前固井施工现场所涉及的浆体现状一时难以得到改善，浮箍自身技术改进方面也受到材料和设计空间的限制，从解除阻卡失效方面入手难度很大。考虑在保证密封体与密封座吻合的前提下，设计上尽可能扩展浆体的过流间隙，适当提高密封体的自由度，增强浮箍对阻卡物的释放能力，尽量降低或解除阻卡失效的可能性。
2) 针对浮箍失效的技术难点，结合固井胶塞碰压自锁技术的优势，综合研究一种“碰压自锁水泥塞控制器”新技术，可代替浮箍在固井中的作用，同时具有“回压控制”和“碰压控制”双向功能，能克服浮箍失效所造成的水泥浆倒流、封固段缩短和水泥塞增高。不管回压控制在固井施工中失效与否，当连续施工作业结束时，固井胶塞的碰压自锁将使“水泥浆替空”和“水泥浆倒流”得到最终控制，以确保注水泥固井施工的安全可靠。
3 碰压自锁水泥塞控制器的研制
3.1 结构设计
碰压自锁水泥塞控制器(图4)上部采用碰压胶塞与控压座构成碰压自锁机构，下部采用回压阀与控压座构成回压控制机构。它主要由外壳、控压座、碰压自锁胶塞、回压阀等部分组成。
3.2 作用原理
“碰压自锁水泥塞控制器”适用于石油、天然气固井作业中自动控制回压和碰压，控制水泥塞高度。控制器下部采用回压阀与控压座形成回压控制系统，在入井和静止时控制器关闭，循环和注水泥时控制器打开。控制器上部采用碰压胶塞与控压座形成碰压控制系统，注完水泥时在井口释放碰压胶塞，替钻井液使碰压胶塞下行至控压座产生碰压并自动锁定，使控制器处于完全关闭状态，以实现对水泥塞的有效控制。
3.3 使用程序
将“碰压自锁水泥塞控制器”连接于套管串，位于设计水泥塞高度位置，在入井过程中控制回压，防止井内钻井液倒流和井口喷钻井液，同时可减轻下套管负荷。当固井施工注完水泥时，在井口释放碰压胶塞，替钻井液使碰压胶塞到达控压器，形成碰压、自锁、密封，完成碰压和回压的双重控制，防止“水泥浆替空”和“水泥浆倒流”，可有效地控制水泥
塞高度(图5)。
4 结论
1) 碰压自锁水泥塞控制器应用技术是一种新技术，解决了固井水泥塞控制技术的一大难题，能克服浮箍失效的后期隐患，可防止“水泥浆替空”和“水泥浆倒流”，达到了提高固井质量的目的。
2) 该研究成果在川渝油气田内固井现场推广应用了15井次，成功率为100%，验证了该技术的实用性和可靠性，为后期开采创造了良好条件，免除了事故损失，节约了钻井成本，取得了良好的经济效益和社会效益。
3) 该新技术具有良好的推广应用价值，所具备的优势和产生的效果在实践中将逐步得到认可，面对当前的深井、超深井、水平井的广泛应用需求，该新技术的发展前景可拭目以待。
参考文献
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(本文作者：陈玉书 川庆钻探工程公司井下作业公司)
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