張明昌， 張新亮， 高劍瑋

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

隨著深海油氣田和非常規(guī)油氣田的不斷勘探開發(fā)以及鉆井新技術(shù)的不斷發(fā)展，大位移井、長水平段水平井越來越多。而這兩類井由于水平位移大或水平段長，在水平段及造斜段，套管與井壁或上層套管壁間摩阻較大，嚴重影響套管的正常下入[1]，甚至可能造成壓差卡套管，帶來重大經(jīng)濟損失。針對水平段長、垂深淺、水垂比大、套管加壓有限及易卡套管等問題，近年來開始采用套管漂浮技術(shù)，其關(guān)鍵工具為下套管漂浮接箍或漂浮減阻器[2-3]。漂浮接箍的作用是對下部套管內(nèi)封閉一定量的氣體或低密度鉆井液并進行暫時屏障，減小套管在大斜度井段或水平段的正壓力，以致減小套管下入摩阻，套管下到位后解除暫堵作用，最后完成固井作業(yè)。目前在國內(nèi)鉆井(尤其是海洋鉆井)中，采用的多為從國外進口的工具，不但價格昂貴，而且存在以下不足：在使用中關(guān)鍵部件密封易失效、固井施工中留塞等問題時有發(fā)生，尤其是下套管后接箍內(nèi)通徑比套管內(nèi)徑小，影響后期作業(yè)。由于內(nèi)心附件與套管間隙小，在內(nèi)心下行時易產(chǎn)生卡內(nèi)心故障，影響固井施工，尤其是對當(dāng)前頁巖氣井使用泵送橋塞分段壓裂時，小通徑影響橋塞的順利下入。因此，為解決以上問題，研制開發(fā)了與套管通徑一致且承壓能力強的下套管漂浮減阻器，適合當(dāng)前大位移井固井的需要[5-7]，而筆者研制開發(fā)的新型XPJQ系列下套管漂浮減阻器即屬此類。

1 主要結(jié)構(gòu)部件設(shè)計及工作原理

1.1 漂浮減阻器的減阻原理

在下套管過程中，套管主要受套管重力、套管浮力、套管與井壁的摩擦阻力、鉆井液的黏滯力等。通常情況下，摩擦阻力是影響套管順利下入的主要因素。由于摩擦阻力與摩擦系數(shù)和正壓力成正比，而摩擦系數(shù)與鉆井液性能、地層巖石性能有關(guān)，因此工程應(yīng)用中減小套管與井壁的正壓力是減小套管下入摩擦阻力的最有效辦法，該辦法在大位移井中的效果更為顯著。

漂浮減阻器就是通過對套管的漂浮來減小套管對井壁的正壓力，其減小套管下入摩擦阻力的原理是：根據(jù)計算選擇確定套管串的漂浮段長度，漂浮段下端由高承壓漂浮旋流鞋密封，漂浮段上端由漂浮減阻器密封， 漂浮段中間充填空氣或其他低密度液體(一般充填空氣)以減小套管串對井壁的正壓力，從而降低套管串與井壁的摩擦阻力，使套管順利下入井底,再通過各部件的程序操作達到固井施工條件，完成固井施工(漂浮減阻器的減阻原理如圖1所示)。

圖1 漂浮減阻器減阻原理示意Fig.1 Basic principle of floating friction reducer

1.2 XPJQ系列下套管漂浮減阻器的組成

根據(jù)漂浮下套管技術(shù)的基本原理，設(shè)計中既要考慮漂浮減阻系統(tǒng)的密封能力(低密度介質(zhì)填充的上下兩部分)，同時還要不影響以后的固井、完井作業(yè)。因此，為了保證實現(xiàn)漂浮下套管，同時保證后期的固井施工作業(yè)，采用漂浮減阻器和可鉆式防落物浮箍、高承壓漂浮旋流鞋實現(xiàn)對低密度介質(zhì)的密封；套管下至目的層位后，憋通漂浮減阻器和高承壓漂浮旋流鞋，采用清理塞對附件進行清掃，采用防轉(zhuǎn)碰壓塞進行固井施工。

XPJQ系列下套管漂浮減阻器主要由1個主部件和4個輔助部件組成(見圖2)：主部件為漂浮減阻器；輔助部件為可鉆式防落物浮箍、高承壓漂浮旋流鞋、剪銷式套管清理器(簡稱套管清理塞)、防轉(zhuǎn)碰壓塞。

圖2 XPJQ系列下套管漂浮減阻器主要部件Fig.2 Main components of XPJQ series floating friction reducer

1.3 漂浮減阻器結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

漂浮減阻器的主要組成部件有鋼制外筒、密封膠塞、金屬塞心、膠塞密封圈、膠塞卡簧、打開心銷釘、打開心、承載滑塊、扶正膠塞卡簧、打開心密封圈、扶正膠塞和承載短節(jié)等，如圖3所示。上接頭上部設(shè)計有內(nèi)螺紋套管扣，用于與套管連接，內(nèi)部密封槽內(nèi)裝有密封圈，外筒外徑比套管外徑要稍大一些，本體內(nèi)通徑與套管內(nèi)徑保持嚴格一致，符合通徑要求，以滿足后期固井和完井作業(yè)的要求。

圖3 漂浮減阻器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of floating friction reducer

根據(jù)減小套管摩阻的要求，確定漂浮減阻器在套管串中的位置。在下套管過程中，當(dāng)套管下至設(shè)計漂浮段頂部時，連接漂浮減阻器，見圖4(a)。漂浮減阻器入井后，按規(guī)定向套管內(nèi)注入鉆井液。當(dāng)套管下至目的層后，連續(xù)向套管內(nèi)泵注鉆井液，并憋壓至設(shè)計壓力，漂浮減阻器打開心銷釘剪斷，打開心打開，上部鉆井液進入下部掏空段套管內(nèi)(見圖4(b))，置換出掏空段套管內(nèi)的空氣，當(dāng)空氣被置換完時，套管內(nèi)灌滿鉆井液，然后憋通高承壓旋流鞋銷釘，循環(huán)鉆井液。循環(huán)鉆井液至正常后，釋放清理塞，并泵送鉆井液以清理套管內(nèi)的殘余附件使之到達套管底部(見圖5)，繼續(xù)循環(huán)處理鉆井液至達到固井施工要求。

圖4 漂浮減阻器工作原理示意Fig.4 Working principle of floating friction reducer for running casing

圖5 清理塞清理漂浮減阻器殘余附件示意Fig.5 Remove the residual attachments of floating friction reducer with cleaning plug

1.4 漂浮減阻器關(guān)鍵參數(shù)計算與材料選擇

1.4.1 整體強度的計算

由于在漂浮下套管過程中采用掏空方式，因此下入過程中漂浮減阻器受拉伸應(yīng)力及外擠應(yīng)力而容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損。漂浮減阻器外殼材質(zhì)35CrMo，圓扣退刀槽處最薄，壁厚9.2 mm(外徑139.7 mm，內(nèi)徑121.4 mm)。漂浮減阻器受到的拉伸屈服力的計算式為：

F=Aσs

(1)

抗外擠強度校核公式為：

τ=Q/A<τs

(2)

式中：F為拉伸屈服力，N；A為本體截面積，m2；σs為抗拉屈服強度，取7.58×108Pa；τ為抗外擠強度，Pa；Q為外擠載荷(流體在漂浮接箍處的靜液壓在接觸面上產(chǎn)生的載荷)，N；τs為剪切屈服強度，取4.70×108Pa。

由式(1)計算可得，拉伸屈服力為2.85×106N；由式(2)計算可得抗外擠強度為6.50×107Pa，遠小于剪切屈服極限4.70×108Pa。

1.4.2 銷釘材質(zhì)選擇及數(shù)量確定

為了保證漂浮減阻器在井下的穩(wěn)定性，防止套管下入過程中由于壓力激動導(dǎo)致銷釘提前剪斷，打開心的銷釘采用穩(wěn)定性好的φ14.0 mm銅釘，打開壓力設(shè)計為25 MPa(打開壓力根據(jù)減阻器下入深度和鉆井液密度確定)，銅釘?shù)目辜魪姸葹?50 MPa。銅釘數(shù)量通過式(3)確定：

nTξTAT=Acpp

(3)

式中：nT為銅釘數(shù)量；ξT為銅釘抗剪強度，MPa；AT為銅釘截面積，m2;Ac為打開心的截面積，m2；pp為設(shè)計打開壓力，MPa。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，一般nT=8，具體數(shù)值通過試驗校核再確定。

套管清理指示器剪釘采用穩(wěn)定性好的φ4.0 mm銅釘，打開壓力設(shè)計為3 MPa，銅釘?shù)目辜魪姸葹?50 MPa。銅釘?shù)臄?shù)量也可通過式(3)確定。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，一般nT=2，設(shè)計打開壓力為3 MPa。

1.4.3 密封圈材料選擇

漂浮組件中采用O形圈密封方式，而常用O形圈材料的性能見表1。

表1 常用O形圈材料性能對比Table 1 Material comparison of conventional O-ring

現(xiàn)場多用油基鉆井液，且要求密封圈的密封能力達到30 MPa以上，因此結(jié)合表1數(shù)據(jù)選用氟橡膠O形圈。

2 關(guān)鍵部件及整機地面試驗

為了保證各組件在井下更加可靠，確保達到設(shè)計要求,在實驗室對主要受力部件、密封部件、剪切部件進行了獨立的單項試驗，并進行了整機地面功能試驗。

2.1 漂浮減阻器內(nèi)滑塊的承壓、剪切試驗

采用直接剪切的方法測定滑塊在不同當(dāng)量壓力下的承壓能力及可承受的剪切強度，并觀察滑塊和承壓體的擠壓、磨損及變形情況。室內(nèi)試驗表明，滑塊在25 MPa壓力(漂浮減阻器的設(shè)計打開壓力)下，承壓及滑脫均達到設(shè)計要求，滑塊承壓能力為39 MPa以上(39 MPa壓力下未損壞)，滿足現(xiàn)場要求。不居中時偏差率小于10%，受力最薄弱的面為滑塊下部與外殼內(nèi)槽的接觸面，也是最容易變形(擠壓出小臺階)的面，由于在滑塊下部，故對滑塊的滑脫影響較小。心軸受擠壓處的厚度取承壓體受擠壓部分厚度的80%，試驗表明承壓體抗外擠能力足夠。

2.2 漂浮減阻器剪釘?shù)募魯鄩毫ζ钤囼?/h3>

滑塊在抱緊內(nèi)心組件狀態(tài)下，測定剪釘承受的實際剪切強度，同時觀察剪釘剪斷后滑塊的性能狀況，分析滑塊在抱緊內(nèi)心組件時對剪釘剪斷壓力的影響。測得3次試驗的剪斷壓力分別為24.25、23.50和22.75 MPa，剪釘?shù)膶嶋H剪斷壓力與理論剪斷壓力有3%～9%的偏差，在設(shè)計參數(shù)范圍之內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場要求。

2.3 套管清理指示器剪釘剪切試驗

模擬并檢驗套管清理指示器的打開、密封性能，驗證其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，通過試驗調(diào)整剪釘、結(jié)構(gòu)，獲得合適的壓力及設(shè)計結(jié)構(gòu)，并評價內(nèi)套的密封性。試驗表明：剪釘實際剪斷壓力為3.4 MPa，理論剪斷壓力為3.0 MPa；在相同的試驗條件下，更換剪釘再裝配，重復(fù)試驗，試驗結(jié)果偏差在設(shè)計要求范圍之內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場使用要求；在油基鉆井液介質(zhì)下驗證密封性，可承受壓力35 MPa，穩(wěn)壓24 h未泄漏。

2.4 地面整機試驗

φ139.7 mm漂浮減阻器總成組裝完成后，進行地面功能試驗，試驗連接如圖6所示。該試驗主要測試漂浮減阻器總成及輔助部件總成的功能運行情況并獲取技術(shù)指標，結(jié)果見表2。從表2可以看出，各項功能都可靠好用，各項技術(shù)指標達到設(shè)計要求，該減阻器可以進行入井試驗。

圖6 地面功能試驗部件連接示意Fig.6 Connection of surface functional test parts

技術(shù)指標設(shè)計值試驗值第一次第二次說明密封能力/MPa>404546打開壓力/MPa24.0^25.024.024.6漂浮旋流鞋打開壓力/MPa7.0^8.07.58.0套管清理指示器打開壓力/MPa2.0^3.03.02.51.兩次試驗均未發(fā)生泄漏和部件損壞情況;2.各部件運行動作靈活可靠;3.銷釘剪切壓力準確

3 現(xiàn)場試驗

整機室內(nèi)試驗驗證其各項技術(shù)指標達到設(shè)計要求后，為驗證漂浮減阻器在井下的各項技術(shù)指標是否符合設(shè)計要求，在勝利油田勝 2-平17井對XPJQ系列下套管漂浮減阻器的XPJQ5-P 型產(chǎn)品進行了首次入井試驗?；驹囼灹鞒淌牵哼x擇具有一定長度水平段的水平井，設(shè)計合理的漂浮減阻器位置及其他附件在管串中的位置，然后進行漂浮下套管試驗；固井前剪斷銷釘，清理漂浮減阻器附件，然后進行固井施工，驗證設(shè)計參數(shù)與實際值之間的差異及功能部件的合理性。

試驗井鉆井液密度1.25 kg/L，井眼直徑215.9 mm，套管外徑139.7 mm。勝2-平17井的部分井眼軌跡數(shù)據(jù)為：井深2 748.00 m，垂深2 180.76 m；造斜點井深1 792.00 m，垂深1 790.00 m；入靶點井深2 432.34 m，垂深2 185.29 m；出靶點井深2 737.53 m，垂深2 180.86 m；漂浮減阻器下至垂深2 429.14 m，下至井深2 185.00 m；斜井段長640.34 m，水平段長315.66 m。

該漂浮減阻器下深2 429.14 m，漂浮段掏空段長度為300 m，設(shè)計漂浮減阻器打開壓力為23～25 MPa。套管下至目的層后，向套管內(nèi)泵注鉆井液3 m3，漂浮減阻器所在位置靜液壓為23.0 MPa，見氣體上返，確定減阻器打開銷釘剪斷，向套管內(nèi)繼續(xù)泵注鉆井液，立管壓力由1 MPa升至5 MPa，然后迅速降至2 MPa，判斷為下部密封的旋流鞋銷釘剪斷，建立循環(huán)通道。根據(jù)設(shè)計要求，將排量逐漸提高至2 m3/min，立壓7 MPa，循環(huán)約一周半后投套管清理塞，開泵排量1.3 m3/min，立壓4 MPa，40 min后觀察到立壓迅速升至4.5 MPa，判斷指示塞打開(與計算時間相符)，繼續(xù)循環(huán)30 min，后接水泥頭,開始固井施工；固井施工順利，碰壓18 MPa，放回水正常，無回流,各功能部件工作正?！，F(xiàn)場實測與設(shè)計技術(shù)指標對比見表3。

表3 技術(shù)指標現(xiàn)場實測值與設(shè)計值對比Table 3 Comparison of designed and field parameters

通過試驗表明：下套管順利，下套管漂浮減阻器的各部件都靈活好用，各項技術(shù)指標達到設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

1) 固井施工結(jié)束后XPJQ系列下套管漂浮減阻器的內(nèi)徑與套管一致，能滿足后期壓裂和其他完井作業(yè)的要求，且內(nèi)心附件與套管間隙大，在內(nèi)心下移時能避免卡內(nèi)心事故發(fā)生，增加工具的可靠性。同時內(nèi)心采用滑塊承壓，承壓能力強，滿足了當(dāng)前實施分段壓裂水平井固井的要求。

2) XPJQ系列下套管漂浮減阻器能有效解決大位移井、長水平段井下套管摩阻大的問題，可在大位移井、長水平段水平井中推廣應(yīng)用。

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