0 引言

地层岩屑支撑及封隔系统是固井和选择性完井的一项重要工具，主要用于支撑因上部井眼坍塌而掉落的岩屑，防止岩屑堵塞下部井眼造成井眼堵塞，同时进行井筒层间封隔，从而提高井筒质量和油气采收率^[1-3]。

目前，有些固井施工作业将水力扩张式封隔器置于易垮井段下部进行支撑和封隔，但由于封隔器胶筒膨胀外径有限，所以无法对垮塌段的“大肚子”井径进行有效防塌承接。为解决这一难题，渤海钻探工程有限公司工程技术研究院研发了BH/DC-ZCS型地层岩屑支撑及封隔系统。该系统可对特殊井段进行保护，防止松软易垮塌地层岩屑掉入开采井段，同时，其下部封隔系统对井眼进行封隔承压，可提高井身质量。该系统在华北油田泽43-12井进行了现场应用，取得了良好的效果。

1 技术分析 1.1 结构

地层岩屑支撑及封隔系统(见图 1)由2套独立液压推力系统、支撑系统和地层封隔系统等组成，再配以提升短节和下接头，与其他完井管串连接，形成一整套固井与完井管串。

1.2 工作原理

支撑系统和封隔系统均依靠2套独立的液缸推动，实现胀封，设计的止退机构使其形成永久胀封，达到支撑岩屑和保护下部井眼的目的。

当工具下放至设计位置后，液压驱动打开，支撑系统的液缸活塞下行，压缩支撑伞使其撑开紧贴井壁，止退机构保证支撑伞处于永久撑开并紧贴井壁的状态，可有效阻挡上部井眼段掉落岩屑，保护下部井眼。封隔系统的液缸活塞下行压缩胶筒使其受压膨胀并紧贴井壁，同理止退机构可使其永久紧贴井壁，将其上、下井眼段环空完全封隔开，保护下部产层顺利开采。

1.3 主要技术参数

整机密封耐压30 MPa，支撑系统最大支撑外径450 mm，封隔系统胶筒承受反压35 MPa，胶筒耐温150~200 ℃(可调)，剪销压力10~20 MPa(可调)。

2 关键结构设计 2.1 地层岩屑支撑系统

由一定数量的弹性钢片相互叠加均布于本体2圆周上^[4]，两端采用钢箍固定。在液力系统的推动下，支撑伞张开后呈灯笼状，各弹性钢片仍相互叠加无缝隙。张开后其外径可达到初始状态的4~8倍，作用于垮塌地层的底部，承接垮塌的岩屑，使其不落入下部裸眼井段。地层岩屑支撑系统由本体、液缸1、剪销1、活塞1、止退环和支撑伞等组成，整体结构见图 1，展开后的工作状态见图 2。

活塞1内径与本体间隙配合，可在本体上自由滑动，由剪销1固定，并在载荷的作用下挤压支撑伞变形，使其向井壁径向展开成圆弧伞(见图 3)，支撑住井壁与本体的环形空间，具有展开力小和支撑力大的特点。止退环由一种特殊结构设计的弹性卡圈与锯齿卡槽配合，实现支撑伞的永久性支撑。

2.2 封隔系统^[5-8]

封隔系统包括本体、液缸2、剪销2、活塞2、保护环和压缩胶筒，整体结构见图 1，展开后的工作状态见图 4。

在载荷作用下，胶筒受挤压变形，并将挤压力传递给保护环，使其向井壁径向展开，展开后形成圆弧保护套，支撑住井壁与本体的环形空间，其齿长远大于环形间隙，展开后不会翻转。展开后所形成的弧形保护圈可防止胶筒继续发生轴向蠕动，其结构具有展开力小和支撑力大的特点。内保护套为厚度较薄的蝶形花瓣式弹性钢片，展开后碟片相互重叠，没有间隙，并且能够填补保护环展开后形成的空隙，是对外保护套支撑力的补充。

3 技术优势 3.1 地层岩屑支撑系统扩张率大

地层岩屑支撑系统扩张率大，适用于各种条件的深井、超深井、定向井、水平井及开窗侧钻井，比水力扩张式封隔器和压缩式封隔器充当岩屑支撑系统优势明显。这是因为：虽然水力扩张式封隔器扩张率也比较大，但是在固井过程中，管串处于高频振动，水力扩张部分坐封后胶筒容易在高频振动的复杂井况下被破坏，导致胶筒内液体泄漏，失去封隔效果，并且随着时间的推移，封隔器胶筒会老化、破裂，填充的钻井液流出后造成环空封堵失效，导致岩屑从环空直接掉落井底，使产层堵塞，影响油气开采；而压缩式封隔器虽然有封隔稳定有效的优点，但是其胶筒扩张率小的特点使得其在井径不规则及易垮地层形成大肚子等复杂地况下力不从心。

3.2 压缩式封隔系统

压缩式封隔系统坐封完成后，不会因胶筒损坏等原因形成井筒通道，造成封隔失败；而且其机械压缩部分膨胀后可以减小管串震动幅度，起到保护水力扩张部分的作用，将其上、下井段有效封隔，并长时间有效。

3.3 采用2种永久锁死机构

地层岩屑支撑及封隔系统设计的主要目的是阻挡垮塌岩屑，避免岩屑将下部井眼或产层堵塞，从而影响采收率。在井下特殊工况下，一般很难同时导致2套锁死系统失效，极大地提高了岩屑阻挡成功率和地层封隔成功率。

4 现场应用情况

以华北油田泽43-12井施工为实例，介绍BH/DC-ZCS型地层岩屑支撑及封隔系统在油田现场的应用情况。

4.1 基本情况

泽43-12井三开完井时井身结构如图 5所示。该井潜山顶斜深3 836.00 m，二开采用ø241.3 mm钻头钻至3 835.61 m，但ø177.8 mm套管仅下至3 810.77 m，造成3 810.77~3 835.61 m井段的24.84 m泥岩段未能封固，存在后期作业井壁垮塌的风险。三开采用ø152.4 mm钻头钻至3 919.00 m，决定完钻。

4.2 完井方案

(1) 利用尾管悬挂器在ø177.8 mm套管内下入ø127.0 mm尾管将二开未封固井段(3 810.77~3 835.61 m)进行封固。

(2) 在悬挂器下方ø177.8 mm井筒内下入地层封隔系统，封固ø177.8与ø127.0 mm套管环空间隙。

(3) 使用压缩式封隔器下入三开小井眼顶部位置封隔。

(4) 在二开3 835.60 m大肚子喇叭口底部下入岩屑支撑装置，支撑掉落岩屑。

(5) 采用憋脱式引鞋盲板，憋脱后直接落入井底，无需钻除附件。

(6) 尾管每根套管下入刚性扶正器，以降低后期作业对悬空尾管稳定性破坏的风险。

完井方案如图 6所示。

4.3 完井管串设计

憋脱式盲板引鞋+压缩式地层封隔系统1+BH/DC-ZCS型地层岩屑支撑及封隔系统+套管+压缩及水力扩张复合式地层封隔器系统2+1根套管+可提出密封套的液压式双作用尾管悬挂器组合系统+送入钻具。

4.4 现场施工情况

(1) 坐挂悬挂器。小排量开泵，压力升高至10 MPa，稳压2 min。憋压下放管串，判断坐挂是否成功，如能甩脱尾管重力，即判断坐挂成功。继续下压，使悬挂器处受压150 kN，上提管串至悬挂器处受压50 kN。

(2) 坐封封隔器和地层岩屑支撑及封隔系统。继续憋压至14 MPa，稳压5 min，同时观察压力是否有变化；继续升压至16 MPa，稳压5 min。

(3) 憋通球座。继续憋压至18~20 MPa，憋脱球座，压力突降，停泵，井口泄压。

(4) 倒扣。调整好吨位，使悬挂器受压20~30 kN，先试行正转钻具3~5圈，观察有无回转；如无回转，可一次性转动不超过15圈，并观察回转情况，累计转动30圈。上提钻柱1.5 m，观察指重表悬重，此时悬重应是送入钻柱浮重，说明尾管已甩掉，坐挂和倒扣成功。

(5) 起钻。

(6) 配小钻具通井，确保球座芯子落入井底。如在球座处遇阻，可加压200 kN将球座芯子压脱，并将球座芯子送入井底。

固井施工完成后，经通井检验地层岩屑支撑及封隔系统以下无岩屑沉降，说明地层岩屑支撑及封隔系统取得了良好的岩屑支撑效果。

5 结论

(1) 现场应用结果表明：地层岩屑支撑及封隔系统缩短了潜山产层下入套管的长度，达到了岩屑阻挡和地层封隔的目的，提高了油气开采效率。

(2) 地层岩屑支撑及封隔系统结构简单，性能可靠，其采取的多种设计可有效提高岩屑阻挡成功率和封隔效率，并具有良好的耐温、耐压性能，可最大限度地满足固井作业需求，在各种井型中均具有广阔的应用前景。