水平井專用多功能套管鞋的研制與應(yīng)用

郭 宇

(中石油長城鉆探工程技術(shù)研究院)

水平井的突出特點(diǎn)是井眼穿過油層的長度長，可有效增大油氣層的裸露面積，從而使油井的單井產(chǎn)量高，實(shí)現(xiàn)少井高產(chǎn)，增加可采儲量，提高油藏最終采收率和油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，是油田開發(fā)的熱點(diǎn)技術(shù)之一[1]。隨著水平井、大位移井在國內(nèi)外的廣泛應(yīng)用，水平井、大位移井的位移量在不斷增大，簡單的裸眼完井已不能滿足工程需要[2]。與直井相比，水平井固井主要面臨套管柱下入困難、水泥漿頂替效率差、管柱居中度低等不利因素，導(dǎo)致其固井成功率低且費(fèi)用高[3]。目前國內(nèi)通常采用的解決方法是在水平段加入一定數(shù)量的不同類型的剛性扶正器[4]和液壓式扶正器[5]或者采用漂浮下套管技術(shù)[6]等。但是這些技術(shù)措施功能單一，效果有限，有時甚至?xí)ハ嗝?，如剛性扶正器和液壓式扶正器在水平段使用的主要目的是改善套管居中效果，提高頂替效率，但是如果使用?shù)量過多則會增加套管串下入難度[7]，而漂浮下套管也僅僅是對套管串的下入起作用，對提高環(huán)空頂替效率沒有意義。

另外，水平井固井中使用的常規(guī)套管鞋也存在一定的弊端：①由于水平段套管串嚴(yán)重貼向井壁下端導(dǎo)致半球圓弧狀引導(dǎo)頭與井壁之間接觸摩擦力成倍增加，因此常規(guī)套管鞋的引導(dǎo)功能失效；②由于常規(guī)套管鞋浮箍短節(jié)的密封接觸面都是完全暴露在流體沖蝕之中的，從而導(dǎo)致單流閥失效率極高。

因此，為了更全面化地解決水平井固井中出現(xiàn)的問題，長城鉆探工程院技術(shù)人員從水平井下套管、注替效率、碰壓關(guān)井三個方面入手展開研究，研制出了一套能夠顯著改善水平井固井質(zhì)量的多功能套管鞋。該工具有益于注水泥前套管串的下入、注水泥中注替效率的提高和注水泥后碰壓關(guān)井的可靠。

圖1 水平井專用多功能套管鞋結(jié)構(gòu)圖

1滑套 2固定座 3凡爾座 4凡爾桿 5分流底座 6分流板 7旋轉(zhuǎn)葉片 8集成電機(jī) 9承托底座 10固定套 11偏心旋轉(zhuǎn)頭

一、多功能套管鞋的結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示，水平井專用多功能套管鞋主要由三大模塊構(gòu)成：自旋轉(zhuǎn)下套管模塊、旋流振動固井模塊和碰壓關(guān)井模塊。其中自旋轉(zhuǎn)下套管模塊主要利用偏心旋轉(zhuǎn)頭在受力不均下可以自由旋轉(zhuǎn)的工作原理引導(dǎo)套管柱順利下入；旋流振動固井模塊利用壓力波的周期變化產(chǎn)生振動波的工作原理來提高水平段的頂替效率；而碰壓關(guān)井模塊則是利用滑套原理來實(shí)現(xiàn)碰壓后套管的硬關(guān)井。該工具的主要技術(shù)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。下面分別就該工具的各個模塊的結(jié)構(gòu)原理做具體說明。

表1 水平井專用多功能套管鞋的主要參數(shù)

表2 水平井專用多功能套管鞋的主要技術(shù)指標(biāo)

1. 自旋轉(zhuǎn)下套管模塊

自旋轉(zhuǎn)下套管模塊主要由偏心旋轉(zhuǎn)頭和固定套等組成。其中偏心旋轉(zhuǎn)頭可以自由旋轉(zhuǎn)，由于其特殊偏心角的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)其遇阻時受力的不均衡性，進(jìn)而在阻力的反作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)作用，以最適宜的角度越過障礙物。該偏心旋轉(zhuǎn)頭由特殊復(fù)合材料制成，能夠有效地保證其強(qiáng)度和韌度，同時降低其與固定套之間的旋轉(zhuǎn)阻力，確保其順利穿越障礙物。

2. 旋流振動固井模塊

旋流振動固井模塊主要由分流板、旋轉(zhuǎn)葉片、集成電機(jī)和承托底座等組成。其中旋轉(zhuǎn)葉片在集成電機(jī)的帶動下做一定周期的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一方面給管內(nèi)液體增加一定的動能，并形成旋流效應(yīng)，通過殼體上的循環(huán)孔進(jìn)入管外。另一方面，隨著旋轉(zhuǎn)葉片的運(yùn)動，分流板會產(chǎn)生周期性壓力波，引起管柱徑向振動，從而提高頂替效率，避免微間隙的產(chǎn)生。

3. 碰壓關(guān)井模塊

碰壓關(guān)井模塊主要由滑套、固定座、凡爾座、凡爾桿和分流底座等組成。其中凡爾座、凡爾桿和分流底座主要用來實(shí)現(xiàn)反向截流和正向引流的功能，防止流體倒返。而滑套和固定座主要用于碰壓關(guān)井，當(dāng)固井膠塞下行至滑套上端面時產(chǎn)生碰壓，推動滑套下行關(guān)閉固定座上的循環(huán)孔實(shí)現(xiàn)井底永久性關(guān)井。

二、多功能套管鞋的技術(shù)特點(diǎn)

1. 引導(dǎo)頭自旋轉(zhuǎn)技術(shù)有助于水平井套管順利下入

套管柱的下入主要靠管柱自重的下放和套管鞋的引導(dǎo)。然而，水平井由于其特殊的井眼軌跡，在下套管過程中，套管對井壁的側(cè)壓力很大，從而大大增加了下套管摩擦阻力。一旦管柱在下入過程中遇阻，常規(guī)套管鞋的引導(dǎo)作用就失效了，無法繼續(xù)下入管柱[8]。若水平井套管鞋使用多功能套管鞋的話，在管柱下入至造斜段和水平段時，偏心旋轉(zhuǎn)頭會隨著其所受阻力的合力方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)并引導(dǎo)管柱穿越高阻力區(qū)繼續(xù)深入井底。

2.振動固井技術(shù)有助于提高水平井注水泥頂替效率

提高注水泥頂替效率的最好方法是活動套管和紊流頂替。然而，在實(shí)際施工中活動套管因種種困難難以實(shí)施。對于水平井更是如此，特別是水平段的管柱在自重作業(yè)下形成寬邊和窄邊，循環(huán)泥漿、注水泥和替漿時窄邊處的鉆井液不能參與進(jìn)來，這樣水平段的固井質(zhì)量就很難提高[9]。若水平井套管鞋使用多功能套管鞋的話，所有管內(nèi)流體在循環(huán)出管外之前都會在套管鞋處形成振動產(chǎn)生波。波可以把能量作用于介質(zhì)中，破壞介質(zhì)的顆粒間以及分子間的結(jié)構(gòu)，改變其原有的物理及化學(xué)性能，干預(yù)一些反應(yīng)過程。這樣一來，窄邊處的鉆井液就會被較完全的頂替出去。特別是結(jié)合旋流發(fā)生器或者旋流剛性扶正器的使用，多功能套管鞋可以顯著提高水平段注水泥頂替效率，提高固井質(zhì)量。

3.滑套技術(shù)有助于確保水平井固井關(guān)井成功率

水平井注水泥結(jié)束后，管柱底部的浮箍浮鞋必須密封可靠，確保井底關(guān)閉徹底。然而，據(jù)現(xiàn)場反饋，每年有一定數(shù)量的井因使用普通的彈簧式浮箍浮鞋常常因其密封不嚴(yán)造成水平段水泥塞過長及水平段封固質(zhì)量差，對水平井固井質(zhì)量造成較大的不良影響，特別是后期還需要組織小油管、磨鞋、小螺桿等工具鉆塞，耗費(fèi)大量人力物力，造成資源浪費(fèi)[10]。若水平井套管鞋使用多功能套管鞋的話，碰壓之后套管鞋內(nèi)部的滑套隨之下行就可以徹底關(guān)閉井底，防止水泥倒返。因?yàn)槎喙δ芴坠苄鰤宏P(guān)井采用的是滑套原理，起密封作用的部件不參與到流體循環(huán)之中，可以很大程度上避免循環(huán)流體對密封部件的沖蝕損壞(浮箍浮鞋密封失效的主要原因)，因此，滑套下行后多功能套管鞋就可以實(shí)現(xiàn)水平井固井過程中硬關(guān)井，徹底避免留水泥塞影響后期作業(yè)。

三、多功能套管鞋的使用方法

在現(xiàn)場應(yīng)用時，多功能套管鞋的安裝和操作按照以下步驟進(jìn)行：

(1)將該工具聯(lián)接至套管串底部。

(2)在套管串進(jìn)入斜井段或水平段時，減緩下放速度。

(3)若發(fā)生管串遇阻，可以試上提起管串1～2 m，然后繼續(xù)下入。

(4)在下入過程中若再次遇到障礙物，可以重復(fù)按照(3)來操作。

(5)將管串下入至預(yù)定位置后，開泵小排量頂通。

(6)循環(huán)兩周，管內(nèi)泥漿經(jīng)工具處獲得振動波旋流至環(huán)空。

(7)注水泥，水泥漿經(jīng)工具處獲得振動波旋流至環(huán)空。

(8)替漿，工具流道在開合之間產(chǎn)生壓力波使得管串徑向振動，提高頂替效率。

(9)投膠塞。

(10)膠塞下行至工具上端面碰壓，剪斷關(guān)閉套銷釘，滑套下行實(shí)現(xiàn)硬關(guān)井，防止水泥漿倒返。

四、多功能套管鞋的現(xiàn)場應(yīng)用

2015年以來，水平井專用多功能套管鞋累計(jì)在遼河油田、長慶油田和大慶油田應(yīng)用了百余口水平井，工具可靠性達(dá)到了100%，特別是對于水平段套管的旋轉(zhuǎn)下入、振動旋流提高水平段頂替效率以及碰壓后徹底關(guān)井防止水泥漿倒返等方面有顯著效果，有效地解決了水平井套管難以下入、水平段固井質(zhì)量差和水平井固井留塞影響后期作業(yè)等問題，保證了水平井作業(yè)的高效實(shí)施。

沈268井是遼河油田分公司的一口開發(fā)水平井。該井設(shè)計(jì)井深3 941 m，完鉆井深3 913 m，套管下深3 910.69 m，設(shè)計(jì)阻位3 902.62 m。該井采用多功能套管鞋實(shí)現(xiàn)可旋轉(zhuǎn)下套管，下套管完成后循環(huán)排量1.8 m3/min，泵壓為7.5 MPa。施工按正常程序注入水泥漿120 m3，清水頂替過程中壓力由0 MPa上升至10 MPa。碰壓后繼續(xù)打壓使壓力由10 MPa上升至13 MPa，確保多功能套管鞋內(nèi)部的滑套下行關(guān)閉井底，穩(wěn)壓后壓力未降，放回水?dāng)嗔?。固井后測井結(jié)果顯示人工井底為3 902 m，說明碰壓后井底關(guān)井可靠，同時防止了水平段注水泥后水泥漿倒流引起竄槽和微間隙。如表3所示為沈268井固井質(zhì)量評價結(jié)果，該結(jié)果表明該井水平段封固質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)，這也充分證明了多功能套管鞋的振動固井模塊在提高水平段頂替效率提高固井質(zhì)量方面效果顯著。

表3 沈268井固井質(zhì)量評價結(jié)果

五、結(jié)論

(1)水平井專用多功能套管鞋由自旋轉(zhuǎn)下套管模塊、旋流振動固井模塊和碰壓關(guān)井模塊構(gòu)成，其中自旋轉(zhuǎn)下套管模塊用于解決水平井完井注水泥前的套管柱難以下入的問題，旋流振動固井模塊用于解決水平井注水泥中的水平段頂替效率低，固井質(zhì)量差的問題，而碰壓關(guān)井模塊用于解決水平井注水泥后的碰壓關(guān)井問題。

(2)水平井專用多功能套管鞋應(yīng)用于百余口水平井中，試驗(yàn)成功率100%，有效地解決了水平井套管難以下入、水平段固井質(zhì)量差和水平井固井留塞影響后期作業(yè)等問題，保證了水平井作業(yè)的高效實(shí)施。充分說明該工具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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