深井、超深井短尾管安全丟手關(guān)鍵技術(shù)研究*

馮麗瑩 敖竹青 段風(fēng)海 曹海濤 宋兵

(中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司)

0 引 言

近年來，隨著鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，鉆井深度在不斷增加，深井、超深井短尾管固井作業(yè)也不斷增加，常規(guī)尾管懸掛器坐掛及丟手的可靠性偏低[1]，已不能完全滿足日趨復(fù)雜的現(xiàn)場井況需求。目前國內(nèi)通常通過改進下套管技術(shù)，采用尾管懸掛器不坐掛脫扣分離技術(shù)等一系列復(fù)雜固井技術(shù)來提高非常規(guī)短尾管固井作業(yè)可靠性[2]。這類技術(shù)通常采用尾管坐底，存在以下主要技術(shù)難題：①尾管坐底后難以開泵循環(huán)或泵壓很高，容易憋漏地層，固井質(zhì)量差；②由于尾管懸掛器未坐掛，致使工具偏向一側(cè)無法居中，導(dǎo)致后期測井或完井工具下入困難[3]；③尾管較短，難以提供足夠的反扭矩，導(dǎo)致丟手困難[4-5]。

為解決深井、超深井短尾管丟手困難問題，筆者開展了安全丟手關(guān)鍵技術(shù)研究，通過分析深井、超深井短尾管固井中丟手困難的影響因素，提出了集成尾管牽制技術(shù)及尾管懸掛器卡瓦內(nèi)嵌技術(shù)于一體的深井、超深井短尾管固井技術(shù)。該技術(shù)實現(xiàn)了短尾管安全丟手，并在塔河油田、青海油田及冀東油田等地區(qū)成功應(yīng)用72井次，解決了短尾管固井技術(shù)難題。

1 尾管丟手面對的技術(shù)難題

(1)尾管懸掛器需要在中和點以下進行倒扣丟手，對于深井、超深井來說，送入鉆具與套管之間存在很大的摩擦阻力，該摩擦阻力可能會接近尾管重力甚至超過尾管重力。在尾管懸掛器丟手作業(yè)時，由于摩阻大和短尾管重力小，很難找準中和點位置，這給尾管懸掛器倒扣丟手作業(yè)施工造成很大的困阻。

(2)對于深井、超深井，特別是大斜度井和水平井，尾管固井作業(yè)結(jié)束后，環(huán)空充滿水泥漿，尾管浮重大，摩阻與浮重相當時，如順北某井，摩阻與浮重只差9 kN，增大了尾管懸掛器丟手作業(yè)成功與否的判斷難度。

(3)尾管懸掛器送入工具與套管在井內(nèi)摩擦力比較大，上提下放測試摩阻大，如WZ12-1-B3S1井，采用?177.8 mm×?127.0 mm尾管固井作業(yè)，摩阻高達295 kN，丟手十分困難，且難以判斷是否成功丟手，存在尾管及尾管懸掛器隨送入工具提出井內(nèi)的風(fēng)險[6]。

(4)在深井、小間隙井中，環(huán)空間隙小，循環(huán)排量低，循環(huán)泵壓高，水泥漿頂替效率低，尾管固井質(zhì)量難以保證，且容易導(dǎo)致井漏事故的發(fā)生。

(5)在大斜度井、水平井及大位移井中，尾管及尾管懸掛器難以順利下到設(shè)計位置，需反復(fù)上提下放，這一過程中容易碰掉卡瓦等外置件，造成井下故障[7-9]。

2 安全丟手關(guān)鍵技術(shù)及工藝措施

2.1 技術(shù)方案

針對深井、超深井及大斜度井小間隙短尾管固井對工具的技術(shù)要求，以“下得去、掛得住、鎖得牢、丟得開”為宗旨，在常規(guī)固井技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合固井技術(shù)特點，提出了采用特殊的固井管柱來充分發(fā)揮出尾管懸掛器牽制技術(shù)的優(yōu)勢。該工藝管柱結(jié)構(gòu)自上而下為：送入工具+密封單元+內(nèi)嵌尾管懸掛器單元+牽制單元+尾管膠塞+尾管串+球座+尾管+浮箍+尾管+浮鞋，如圖1所示。

1—送入工具；2—尾管膠塞；3—密封單元；4—內(nèi)嵌尾管懸掛器單元；5—牽制單元；6—球座；7—浮箍；8—浮鞋。

2.1.1 反向牽制技術(shù)

該技術(shù)中的牽制單元位于內(nèi)嵌尾管懸掛器單元的下方，與內(nèi)嵌尾管懸掛器單元共同作用，實現(xiàn)尾管正反雙向的錨定。當尾管下入到設(shè)計位置后，通過投球憋壓坐掛內(nèi)嵌尾管懸掛器單元卡瓦及牽制單元反向卡瓦，從而軸向鎖定尾管懸掛器和尾管串，為尾管懸掛器丟手提供足夠大的反扭矩，同時為尾管懸掛器提供一個向下的牽制力，相當于增大尾管重力，使其大于丟手阻力，有助于判斷丟手操作是否成功，降低尾管隨送入鉆具提出井口的風(fēng)險。另外，牽制單元還具有解鎖功能，若井下出現(xiàn)異常情況或卡瓦提前鎖定，可通過上提一定噸位實現(xiàn)機械解鎖(解鎖噸位可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)節(jié))，從而提出尾管串。

2.1.2 內(nèi)嵌懸掛技術(shù)

通過采用尾管懸掛器卡瓦內(nèi)嵌技術(shù)，卡瓦嵌入錐套中，卡瓦最大外徑小于錐套最大外徑，在尾管下入過程中，錐套可以有效保護卡瓦，在深井、超深井尾管懸掛器下入過程中卡瓦不會提前坐掛；同時內(nèi)嵌卡瓦懸掛器可以增大懸掛器坐掛后的過流面積，降低循環(huán)及固井過程的循環(huán)壓力，避免井漏事故的發(fā)生，同時大排量固井操作可以有效提升固井質(zhì)量。將尾管牽制技術(shù)及尾管懸掛器卡瓦內(nèi)嵌技術(shù)有機地結(jié)合于一體，形成一套深井、超深井短尾管安全丟手關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 牽制單元

深井、超深井和大斜度井起下管柱摩阻大，短尾管固井時因懸掛尾管短、重力小容易導(dǎo)致丟手不易判斷及丟手困難等問題，嚴重時還會導(dǎo)致尾管隨送入工具提出井眼，甚至在提出中途掉入井內(nèi)的事故。為解決上述固井難題，研發(fā)了具有反向鎖定功能的牽制單元。

牽制單元連接在尾管懸掛器下方，具有反向卡瓦。當尾管下入到設(shè)計深度后，通過投球憋壓，坐掛尾管懸掛器卡瓦及牽制短節(jié)反向卡瓦，從而軸向鎖定尾管懸掛器和尾管串，給其提供一個向下的牽制力，相當于增大尾管重力，使其大于丟手阻力，利于丟手，并且通過指重表明確丟手是否成功。同時，它還具有鎖定和解鎖功能，鎖定剪釘剪斷壓力為13～14 MPa。若井下出現(xiàn)異常情況或卡瓦提前鎖定，可通過上提一定噸位實現(xiàn)機械解鎖，從而提出尾管串。牽制單元的工作原理如圖2所示。

牽制單元中最關(guān)鍵的技術(shù)是整體式卡瓦及錐套的設(shè)計?？ㄍ卟捎谜w式設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，去除了復(fù)雜的連接機構(gòu)，利于后期解鎖，提高了下入的安全可靠性。同時卡瓦與錐套為平面接觸，提高了鎖定可靠性；采用補償角設(shè)計，這樣不僅可以提高鎖定的可靠性，還可以保證解鎖時卡瓦和錐套恢復(fù)之前的狀態(tài)；解鎖時，平面接觸受力面積大，可避免應(yīng)力集中，而制約整體式卡瓦性能的就是卡瓦是否能夠在鎖定和解鎖過程中不出現(xiàn)損壞，且解鎖后能夠恢復(fù)初始狀態(tài)。筆者采用有限元分析方法，優(yōu)化了卡瓦的角度及結(jié)構(gòu)尺寸，同時采用局部滲碳工藝，既保證了卡瓦齒部的硬度，又保證了卡瓦肋部的韌性。

此外，還開發(fā)了一種帶有旋轉(zhuǎn)功能的牽制單元，與旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器單元配套使用，在旋轉(zhuǎn)時相對運動的關(guān)鍵零件之間設(shè)計有摩擦因數(shù)較低的特殊耐磨材質(zhì)墊圈，將與其緊密接觸的調(diào)整環(huán)材質(zhì)改為黃銅材質(zhì)，可有效減小旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦扭矩。該種帶有旋轉(zhuǎn)功能的牽制單元與旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌尾管懸掛器單元組合已在巴基斯坦UEP油田成功應(yīng)用[10]。

1—懸掛單元；2—牽制單元；3—尾管串。

2.3 內(nèi)嵌尾管懸掛器單元

針對小間隙設(shè)計空間小的難題及高承載需求，采用內(nèi)嵌卡瓦承載技術(shù)，使更薄的卡瓦能夠承載足夠的載荷，且大幅度增大坐掛后的過流面積。該機構(gòu)將傳統(tǒng)的尾管懸掛器卡瓦與錐體之間楔形受力方式改為軸向和周向復(fù)合受力方式，改變了卡瓦和上套管受力狀態(tài)，增大了卡瓦與上層套管的接觸面積，從而減小坐掛處應(yīng)力，消除應(yīng)力集中問題，懸掛載荷較常規(guī)尾管懸掛器提高50%以上，允許更多的空間用于增加過流面積。同時該機構(gòu)坐掛后具有特殊的內(nèi)過流通道，使坐掛后的過流面積比常規(guī)懸掛器增大30%以上，從而使固井時循環(huán)通道更為暢通，頂替效率更高，更加有效地提高固井質(zhì)量[11-16]。

2.4 井下工具啟動剪釘控制技術(shù)

2.4.1 壓力系統(tǒng)級差的設(shè)定

工藝管柱包括多組剪釘，需要結(jié)合工具實際工作情況、井況及現(xiàn)場設(shè)備情況，合理地布局尾管牽制技術(shù)所涉及各組剪釘?shù)膯蛹羟袎毫?。該工具管串中，通過液壓實現(xiàn)的動作包括尾管懸掛器單元坐掛、牽制單元鎖定及球座剪脫。

因為剪釘剪切值誤差范圍一般在15%以內(nèi)，3組壓力的級差設(shè)定在4～6 MPa較為安全。為防止尾管懸掛器在下入過程中開泵循環(huán)時提前坐掛，設(shè)定尾管懸掛器坐掛壓力為9～10 MPa。為確保牽制單元在尾管懸掛器坐掛后實現(xiàn)鎖定，且保障鎖定的可靠性，設(shè)定牽制單元鎖定壓力為13～14 MPa。為防止球座在牽制單元鎖定前剪脫，設(shè)定球座剪脫壓力為17～18 MPa。

2.4.2 機械剪釘剪切值的設(shè)定

牽制單元的解鎖機構(gòu)中設(shè)計有機械剪釘，根據(jù)現(xiàn)場實際情況可通過剪釘數(shù)量來調(diào)節(jié)解鎖噸位，依據(jù)原則為解鎖噸位不得高于現(xiàn)場能夠提供的最大上提噸位，若高于最大上提噸位，則牽制單元在特殊情況需要解鎖時達不到足夠的上提噸位就會導(dǎo)致無法解鎖。解鎖功能的設(shè)計是該系統(tǒng)的一種安全保障手段。

3 工具性能評價及施工工藝

3.1 工具性能評價

根據(jù)整套工具“下得去、掛得住、鎖得牢、丟得開”的設(shè)計思路，進行了分單元與整機地面性能測試，制定了全面的工具地面性能評價體系，完成了內(nèi)嵌卡瓦尾管懸掛器單元、牽制單元和送入工具單元的性能試驗及聯(lián)機試驗。其中，?193.7 mm×?139.7 mm尾管懸掛器單元承載能力達到900 kN；?177.8 mm×?127.0 mm尾管懸掛器單元承載能力超過500 kN；牽制單元鎖定壓力在13～14 MPa坐掛，機械解鎖力在200～300 kN之間，并可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整。工具整體性能指標均達到設(shè)計要求，能夠滿足現(xiàn)場需求。工具性能評價結(jié)果如表1所示。懸掛器單元承載能力測試曲線如圖3所示。

3.2 現(xiàn)場施工工藝

(1)尾管下入：按照預(yù)定管串(送入工具+密封單元+內(nèi)嵌尾管懸掛器單元+牽制單元+尾管膠塞+尾管串+球座+尾管+浮箍+尾管+浮鞋)送入至設(shè)計位置。

(2)循環(huán)洗井：開泵頂通，控制循環(huán)壓力使其不超過尾管懸掛器坐掛壓力，逐步提高排量至固井設(shè)計排量，循環(huán)時間至少1個循環(huán)周。

(3)投球坐掛：井口投球，待球到達球座位置時，憋壓至懸掛器坐掛壓力。

表1 工具性能評價試驗一覽表Table 1 List of tool performance evaluation tests

圖3 懸掛器單元承載能力測試曲線Fig.3 Test curve of load capacity of liner hanger unit

(4)牽制單元鎖定：待尾管懸掛器成功坐掛后繼續(xù)憋壓至牽制單元鎖定壓力，牽制單元實現(xiàn)鎖定，將尾管懸掛器及尾管串牢牢鎖定在上層套管內(nèi)壁上。

(5)倒扣丟手驗證：牽制單元完成鎖定后進行倒扣，將送入鉆具與尾管串分離，丟手成功后，繼續(xù)憋壓至球座剪脫，球下落到套管底部的承托座上，循環(huán)通道暢通。

(6)注水泥作業(yè)：當注水泥量達到設(shè)計值時，從井口壓入鉆桿膠塞，待鉆桿膠塞與尾管膠塞復(fù)合并運行至球座位置時，即實現(xiàn)碰壓。

(7)提出送入工具：待注水泥和替漿作業(yè)完成后上提送入鉆具，密封單元內(nèi)密封組件與密封外殼脫離，解除密封，循環(huán)出多余的水泥漿，起鉆，候凝。

4 現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計及效果分析

深井、超深井短尾管安全丟手關(guān)鍵技術(shù)先后在塔河油田、青海油田及冀東油田等地區(qū)累計應(yīng)用了72井次，成功率100%，最深井深7 271 m，最小規(guī)格為?177.8 mm×?101.6 mm，尾管質(zhì)量最輕僅為4.4 t。表2中僅列舉了11口井的應(yīng)用情況。其中，順北1-3井，尾管浮重89 kN，摩阻80 kN，尾管浮重與摩阻幾乎相同，牽制單元鎖定前套管串上提稱重1 760 kN，鎖定后上提至1 860 kN，未提活，更進一步地驗證了工具的牽制作用。

順北1井是風(fēng)險探井，上層套管外徑193.7 mm，內(nèi)徑168.3 mm，尾管懸掛器懸掛位置6 795 m。完鉆井深7 271 m，首先進行?193.7 mm尾管懸掛，然后再進行?139.7 mm尾管懸掛進行固井，其中?139.7 mm尾管十分輕，套管入井后稱重僅有85 kN，鉆具在上提下放過程中稱重時摩阻180 kN。該井存在以下固井難點：①該井為超深井小井眼固井，井眼環(huán)空間隙小，套管到位后開泵困難且泵壓較高，容易在懸掛處發(fā)生憋堵，精確碰壓困難；②鉆井液密度高，其值為1.86 g/cm3；封固段短，封固段長度只有377 m；對固井尾管懸掛器的坐掛、丟手及過流面積等要求高；③摩擦阻力大，丟手十分困難。因此確定采用安全丟手關(guān)鍵技術(shù)來進行尾管固井作業(yè)。

現(xiàn)場施工中尾管懸掛器坐掛壓力10 MPa，牽制單元鎖定壓力14 MPa，坐掛、鎖定和丟手操作一次性成功。丟手過程中，可明顯指示丟手判斷，驗證了整套工具的綜合性能。采用安全丟手關(guān)鍵技術(shù)成功地解決了深井、超深井坐掛及丟手等固井難題，形成了較為完善的安全丟手現(xiàn)場施工工藝技術(shù)，并初步實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。

表2 部分工具應(yīng)用情況統(tǒng)計Table 2 Statistics of application of some tools

5 結(jié)論與建議

(1)深井、超深井短尾管固井的安全丟手關(guān)鍵技術(shù)成功實現(xiàn)了坐掛、鎖定及丟手功能，有效解決了深井、超深井和大斜度井等出現(xiàn)的丟手困難及丟手不易判斷難題，有效避免了尾管懸掛器及尾管串隨送入工具提出事故的發(fā)生，提高了短尾管固井施工的可靠性。

(2)帶有旋轉(zhuǎn)功能的牽制單元與旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌尾管懸掛器單元組合形成的旋轉(zhuǎn)安全丟手關(guān)鍵技術(shù)，能夠解決復(fù)雜井況下短尾管固井安全施工的可靠性難題。

(3)建議開展工具系列化工作，并增加多規(guī)格旋轉(zhuǎn)工具，加大在深井、超深井以及大斜度井的應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮其旋轉(zhuǎn)、高承載和過流面積大的優(yōu)勢。