李云峰, 王在明, 肖國華, 沈園園, 黃曉蒙

(中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院)

小井眼側(cè)鉆水平井技術(shù)是基于小井眼鉆井技術(shù)、側(cè)鉆井技術(shù)及水平井技術(shù)發(fā)展起來的一項綜合的鉆井新技術(shù)，該技術(shù)能進(jìn)一步挖潛老井的剩余油，恢復(fù)并提高單井產(chǎn)量和最終采收率，目前已成為國內(nèi)油田老區(qū)塊套損井治理、長停井復(fù)產(chǎn)、挖潛剩余油的重要技術(shù)手段之一[1-6]。為此，冀東油田也開展了?139.7 mm套管開窗小井眼側(cè)鉆水平井應(yīng)用，并取得了一定效果。但由于?139.7 mm套管開窗小井眼側(cè)鉆水平井環(huán)空間隙小，套管居中困難，固井后形成的水泥環(huán)薄厚不均，導(dǎo)致小井眼側(cè)鉆井固井質(zhì)量差，后期易出水，造成小井眼側(cè)鉆水平井壽命短，致使小井眼側(cè)鉆水平井未能形成規(guī)?；瘧?yīng)用。

目前，為提高小井眼側(cè)鉆水平井的套管居中度，保證后期的固井質(zhì)量，主要采用的是隨套管串下入一定數(shù)量的彈性扶正器和剛性扶正器。其中剛性扶正器主要是通過尺寸上的差別來保護(hù)被扶正的套管相對居中，雖然其可以提供很大的扶正力，但該扶正器的外徑受下入套管內(nèi)徑的限制，且套管的居中度相對較差；而彈性扶正器是通過彈性鋼片提供一定的彈力來使套管居中，雖然其可以使套管能保持較好居中，但在彈片提供的彈力小于套管的徑向力時，被扶正套管的居中度無法保證。同時小井眼側(cè)鉆水平井由于井眼較小，在井眼條件不夠理想的情況下，以上兩種扶正器很容易造成套管串下入困難，導(dǎo)致固井質(zhì)量差[7-9]。針對以上問題，筆者在借鑒國內(nèi)外套管扶正器原理及應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上[10-13]，研制出了一種液壓剛性套管扶正器，其隨套管串一起下入井筒中，能夠有效提高套管的居中度，保證固井質(zhì)量，延長小井眼側(cè)鉆水平井的生產(chǎn)壽命。

一、液壓剛性套管扶正器結(jié)構(gòu)及工作原理

1. 液壓剛性套管扶正器結(jié)構(gòu)

液壓剛性套管扶正器主要由上接頭、上活塞、“O”型密封圈、下活塞、鎖環(huán)、椎體、扶正抓、下接頭等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓剛性套管扶正器結(jié)構(gòu)圖

1上接頭 2“O”型密封圈 3上活塞 4下活塞 5鎖環(huán) 6椎體 7扶正抓 8下接頭

2. 工作原理

液壓剛性套管扶正器隨套管串下入預(yù)定深度后，通過井口打壓(壓力10～12 MPa)的作用，套管內(nèi)壓切斷扶正器的銷釘，椎體在多級活塞推動下促使扶正向外擴張，在扶正抓向外擴張緊貼或嵌入井壁的情況下，實現(xiàn)套管的居中，且椎體對扶正抓也起到硬扶正支撐作用；同時活塞上鎖環(huán)對椎體實現(xiàn)鎖緊的功能，防止椎體發(fā)生松動倒退，進(jìn)而保證扶正抓的撐開效果，防止扶正抓受外力發(fā)生收縮變形。

二、主要技術(shù)參數(shù)與性能特點

1. 主要技術(shù)參數(shù)

液壓剛性套管扶正器技術(shù)參數(shù)主要為：總長度為1 070 mm，外徑110 mm，撐開最大外徑88 mm，內(nèi)通徑82mm，啟動壓力10～12 MPa，撐開壓力8～9 MPa，扶正力≥5 t/級。

2. 性能特點

(1)外徑小，與?95.25 mm完井套管接箍外徑一致，便于下入。

(2)多級活塞液壓扶正，操作簡便、安全可靠。

(3)剛性扶正，周向均勻，降低了套管柱自身重力效應(yīng)的影響，保證套管柱的始終處于居中位置。

(4)扶正外徑大，其扶正抓撐開后外徑達(dá)到138 mm，具有較強的扶正效果。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1. 扶正抓結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮液壓剛性套管扶正器扶正效果和扶正抓撐開后對過流面積的影響，設(shè)計扶正器徑向圓周均勻分布了12個扶正抓，且扶正抓采用高強度鋼制成，具有較強的扶正力，既保證套管柱始終處于居中位置，降低了套管柱自身重力效應(yīng)的影響，同時扶正抓撐開后對后期固井施工作業(yè)沒有影響(見圖2)。

圖2 多級式活塞液壓剛性扶正器扶正抓實物圖

2. 椎體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證液壓剛性套管扶正器扶正抓能夠有效撐開，在扶正器椎體與扶正抓接觸的位置采用了斜坡結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既保證了椎體在活塞的作用下推動扶正抓向外撐開，又對扶正抓起到硬扶正支撐作用，防止扶正抓受外力壓縮變形，提高扶正的效果。

3. 鎖緊機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計螺紋與斜面配合的鎖緊機構(gòu)實現(xiàn)鎖緊功能，當(dāng)活塞推動椎體促使扶正抓向外擴張時，鎖環(huán)也隨著椎體一起向下移動，并對椎體有效實現(xiàn)鎖緊功能，防止椎體因泄壓后發(fā)生松動或倒退，保證扶正抓不會由于椎體的松動或倒退而回位。

四、室內(nèi)試驗

1. 密封性試驗

為了保證液壓剛性套管扶正器具有良好地密封性能，以水作為介質(zhì)對其開展密封性能測試，測試結(jié)果表明：其承壓在30 MPa以上，完全能夠滿足現(xiàn)場施工的要求。

2. 抗拉、抗扭試驗

依據(jù)冀東油田?139.7 mm套管開窗側(cè)鉆水平井下入的套管外徑為95.25 mm，鋼級為N80Q，壁厚為6.5 mm，其抗拉強度為700 kN，抗扭強度17.63 kN·m,因此，確定液壓剛性套管扶正器抗拉承載能力大于700 kN，扭矩承載能力大于18 kN·m。

為了驗證液壓剛性套管扶正器的強度能否滿足下套管安全作業(yè)的要求，對液壓剛性套管扶正器進(jìn)行了抗拉強度、抗扭強度性能測試。測試其抗拉強度時，將液壓剛性套管扶正器放在抗拉強度試驗機上，然后施加軸向拉伸載荷至700 kN，穩(wěn)載5 min，液壓剛性套管扶正器未發(fā)生變形及斷裂。測試抗扭強度時，將液壓剛性套管扶正器放在抗扭強度試驗機上，對其施加扭矩20 kN·m，穩(wěn)載5 min，卸載后檢查，液壓剛性套管扶正器無損壞、無變形。通過室內(nèi)試驗結(jié)果表明：液壓剛性套管扶正器抗拉強度大于700 kN，抗扭強度達(dá)20 kN·m，表明液壓剛性套管扶正器的強度能夠滿足下套管安全作業(yè)的要求。

3. 撐開試驗

為了驗證液壓剛性套管扶正器扶正抓是否能夠順利撐開、撐開壓力的大小是否達(dá)到設(shè)計要求以及撐開后的尺寸能否保證套管居中，對液壓剛性套管扶正器進(jìn)行了撐開試驗。在測試時，當(dāng)壓力達(dá)到10.8 MPa時，液壓剛性套管扶正器銷釘剪斷，多級活塞開始運動，壓力下降；繼續(xù)打壓，活塞開始推動椎體對扶正抓進(jìn)行向外撐開運動，活塞當(dāng)壓力達(dá)到8.86 MPa時，扶正抓完全撐開，其撐開外徑達(dá)到138 mm。根據(jù)?139.7 mm套管開窗后井眼的直徑為118 mm，按照井徑擴大率12%～15%計算，其裸眼段井徑132～136 mm，而液壓剛性套管扶正器扶正抓撐開外徑達(dá)到138 mm，完全滿足扶正套管的需求，有效提高套管的居中度，保證后期固井質(zhì)量。

4. 套管串支撐試驗

為了進(jìn)一步驗證液壓剛性套管扶正器能否有效提高側(cè)鉆水平井水平段套管的居中度，在地面開展了套管串支撐試驗。地面試驗發(fā)現(xiàn)，1個液壓剛性套管扶正器能夠支撐2根外徑為95.25 mm套管離開地面至少20 mm，而1個液壓剛性套管扶正器對3個外徑為95.25 mm套管進(jìn)行支撐時，由于套管的擾性作用，套管串中間部分有貼地的現(xiàn)象，其貼地在1～3 m。因此為了提高側(cè)鉆水平井水平段套管的居中度，依據(jù)套管居中設(shè)計與校核、力學(xué)分析方法及套管自身的擾性作用[14-17]，建議側(cè)鉆水平井水平段每2根套管安裝一個液壓剛性套管扶正器，造斜段每3根套管安裝一個液壓剛性套管扶正器，以達(dá)到提高套管的居中度，提高后期固井質(zhì)量的目的。

五、現(xiàn)場試驗應(yīng)用

截至目前，液壓剛性套管扶正器在冀東油田?139.7 mm套管開窗側(cè)鉆水平井試驗應(yīng)用了5口井，其完井管柱為：浮鞋+套管+浮箍+套管+球座式碰壓座+套管組合+液壓剛性套管扶正器+套管組合+尾管懸掛器+送入鉆具，5口井共計應(yīng)用液壓剛性套管扶正器125個，固井成功率100%，且水平段一界面固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率100%，二界面優(yōu)質(zhì)率98%，側(cè)鉆水平井水平段的固井質(zhì)量得到了明顯的提高，后期生產(chǎn)油井含水率較低，如表1所示。

表1 小井眼側(cè)鉆水平井應(yīng)用液壓剛性套管扶正器情況

1. 試驗井基本情況

CPA1井深2 300 m，垂深1 850 m，側(cè)鉆裸眼段長650 m,水平段長150 m，最大井斜角91°，完鉆鉆井液密度1.10 g/cm3，黏度45 s，井身結(jié)構(gòu)如圖3。

2. 液壓剛性套管扶正器施工情況

為了提高該側(cè)鉆水平井水平段套管的居中度，保證水平段的固井質(zhì)量，該井在水平段采用的是每兩根套管應(yīng)用一個液壓剛性套管扶正器，造斜段是每三根套管應(yīng)用一個液壓剛性套管扶正器，共計應(yīng)用了24個液壓剛性套管扶正器。

圖3 CPA1井身結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場施工過程中，首先按照設(shè)計方案連接好套管串組合后，進(jìn)行下套管作業(yè)，同時要控制好下套管的速度；其次，在套管串下到預(yù)定位置時，進(jìn)行循環(huán)洗井，循環(huán)1～2周確保能夠?qū)⒕讕r屑循環(huán)出來，為后期固井的施工順利和提高固井質(zhì)量創(chuàng)造條件；再次進(jìn)行投球、打壓施工，打開套管串中的液壓剛性套管扶正器；最后繼續(xù)打壓，憋通球座，使井筒建立循環(huán)通道，進(jìn)行注水泥固井施工作業(yè)。

3. 應(yīng)用效果

CPA1固井施工完成后，電測結(jié)果顯示，該側(cè)鉆水平井水平段固井質(zhì)量一界面優(yōu)質(zhì)率為100%，二界面為優(yōu)良，有效驗證了應(yīng)用液壓剛性套管扶正器側(cè)鉆水平井的固井質(zhì)量優(yōu)于應(yīng)用常規(guī)彈性或剛性扶正器側(cè)鉆水平井的固井質(zhì)量。

六、結(jié)論

(1)液壓剛性套管扶正器設(shè)計的多級式活塞、硬扶正支撐的椎體及具有防止發(fā)生松動或倒退的鎖環(huán)，既降低了對地面打壓設(shè)備的要求，又保證了在較小的壓力下實現(xiàn)扶正抓向外擴張并產(chǎn)生較大的扶正力，提高套管的居中度。

(2)室內(nèi)測試表明,液壓剛性套管扶正器的結(jié)構(gòu)合理、性能安全可靠，能夠有效提高?139.7mm套管開窗小井眼側(cè)鉆水平井套管的居中度，解決了因環(huán)空間隙小、套管居中度低導(dǎo)致的固井質(zhì)量差的問題，成為進(jìn)一步提高側(cè)鉆水平井生產(chǎn)壽命一種新的技術(shù)手段。

(3)現(xiàn)場5口小井眼側(cè)鉆水平井試驗表明,液壓剛性套管扶正器有效提高了套管居中度，保證了小井眼側(cè)鉆水平井一界面和二界面的固井質(zhì)量，為利用小井眼側(cè)鉆水平井開展老區(qū)塊油藏剩余油高效挖潛提供了有力技術(shù)保證，建議進(jìn)一步推廣應(yīng)用。