分级注水泥器作为石油钻井的重要工具，被广泛应用于技术套管固井或产层完井工艺。近些年，随着石油钻井技术的快速发展及提质提速提效的升级，新疆等地区的深井、超深井钻井常常遇到特殊的井身结构以及复杂的井下条件，如H2S、CO2单种腐蚀介质或两种共存腐蚀介质，井底高压高温、地层差异大存在恶性漏失等[1]。陕西等地区的井相对不深，因地层差异大、承压能力低，易发生渗漏和恶性漏失[2]，完井常采用5-1/2″分级固井工艺，但小尺寸分级固井后内部附件因钻头加压困难，钻除时间长且钻后存在密封失效的风险。山东等地区的水平井完井为保护产层，增加泄油面积，提高防砂效果常采用筛管顶部注水泥的完井方式，作业后钻塞会造成偏磨，留有毛刺，易损坏酸洗皮碗等后期作业工具[3]。为适应复杂的作业环境及提质提速提效的双向需求，分级注水泥器的性能指标不断提升，规格类型不断推陈出新。

1 特殊尺寸的分级注水泥器

随着钻井技术的不断发展，深井、超深井不断增多，井身结构不断优化，从最常规的13-3/8″→9→5/8″-7″的井身结构，演化为10-3/4″→7-5/8″-5→1/2″、11-3/4″→8-5/8″→6-5/8″等多种井身结构。随着井身结构的不断优化升级，为适应特殊的井身结构要求，国内开发了14-3/8″、11-3/4″、8-5/8″等特殊规格的分级注水泥器，见表1，最大尺寸达14-3/8″。

表1 国内分级注水泥器规格尺寸与性能规格14-3/8″11-3/4″10-3/4″8-5/8″7-5/8″外径（mm）402 334 302 250 226最小内径（mm）337 274 248 194 168.5额定负荷（t）520 350 340 300 240最小抗内压（MPa）50 54 60 77 86

2 高温高压气密封分级注水泥器

钻井深度不断加深，温度越来越高，且常伴随有高压气层，为解决高温条件下，分级注水泥器的密封可靠性，需解决橡胶密封件的持久密封性及螺纹扣气密封问题。

分级注水泥器是通过相对件的运动打开和关闭循环孔注液通道实现分级固井，而循环孔注液通道通过橡胶密封件来实现密封。橡胶密封件可根据使用环境的温度进行选择，小于120℃可以选用丁腈橡胶作为密封件材料；120℃～150℃可以选用氢化丁睛橡胶作为密封件的材料；超过150℃可以选用氟橡胶作为密封件的材料。密封件可以由O 形密封圈单独实现密封，也可与格莱圈组合实现高压力的长效密封。

套管及分级注水泥器等固井工具通过套管连接螺纹连接形成完整管柱。连接螺纹一般选用API套管长圆扣或偏梯扣，但对于高压气井，由于气体的穿透性强，很容易穿透公母螺纹间隙中的密封脂引起密封失效。为解决高压气密封问题，国内外涌现了多种气密封螺纹扣，见表2。其基本原理是增加了金属对金属密封结构，公、母头金属表面通过弹性过盈配合实现其接头连接部位密封。

3 防腐蚀分级注水泥器

表2 国内外主要特殊连接螺纹的生产厂家及名称序号1 2 3 4国别德国美国特殊连接螺纹类型VAM-TOP、VAM-FJL、NEW-VAM、VAM-HP、VAM-MUST、VAMHW、VAN-TM、VAM-G2 SEAL-LOCK、TKC系列、TWO-STEP系列Hydril-SLX、Hydril-MAC、HydrilCS、PH-6、PH-4日本中国厂家VAM Hunt″g Hydril住友金属新日铁NKK川崎天津钢管上海宝钢西姆莱斯VAM系列（NEM-VAM、TM、ACE、TOP）NSCC、NSCT、BDS、TDS NK3SB、NK2SC、NKEL、NKSL FOX、BEAR TP-CQ、TP-NF、TP-FJ、TP-HP、TP-G2 BGC WSP1T、WSP2T、WSP3T、WSP4T

随着工程师对油气田腐蚀的深入研究，发现H2S、CO2、O2、Cl-和水分是油气田腐蚀的主要介质，而其中CO2和H2S 腐蚀的危害最大。CO2腐蚀主要是一种流体力学化学腐蚀，流体力学主要加速腐蚀产物FeCO3膜的破坏而导致腐蚀加剧。H2S引起电化学腐蚀，硫化物腐蚀产物膜影响着腐蚀速率和腐蚀形态。由于HS-和S2-对氢原子复合的毒化作用，析氢反应生成的氢原子更易进入金属内部，从而诱发硫化物应力腐蚀开裂、和氢致开裂（SSCC、HIC），往往造成管材的突然断裂，危害极大[4]。当气体中同时存在H2S 与CO2时，用PCO2/PH2S可以大致判定是H2S腐蚀还是CO2腐蚀。现有资料表明：当PCO2/PH2S＜200 时，H2S 控制整个腐蚀过程，腐蚀产物主要是FeS；当200＜PCO2/PH2S＜500时，CO2/H2S 混合交替控制，腐蚀产物主要是FeS 和FeCO3；当PCO2/PH2S＞500时，CO2控制整个腐蚀过程，腐蚀产物主要是FeCO3[5]。

应对油田中存在的腐蚀介质，国内外开发了不同的抗腐蚀材料。对于H2S单腐蚀介质金属材料可选用天津钢管公司研制的TP80SS、TP90SS、TP95SS/TP110SS，上海宝钢研制的BG80S、BG95S、BG110S等材料作为抗H2S应力腐蚀的双级注水泥器的加工材料。对于CO2单独腐蚀介质，金属材料可选用低碳（3%～5%）Cr 钢、13Cr 和超级 13Cr 等[5]作为双级注水泥器的加工材料。对于H2S与CO2共存介质，且含量较高的腐蚀介质环境下，可以选用Ni-Cr-Mo-Cu 系镍基及铁镍基合金，如725、825、925、718等材料作为分级注水泥器的加工材料，但费用相对较贵。