全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)在南海某油田的應(yīng)用

金勇(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

0 引言

大位移井由于穩(wěn)斜段段長(zhǎng)、水平位移大、摩阻大，套管容易產(chǎn)生屈曲變形，甚至導(dǎo)致套管不能順利下到設(shè)計(jì)深度。目前，大位移井下套管比較成熟的技術(shù)是漂浮下套管技術(shù)，即使用漂浮接箍使套管某一段為中空，一般為空氣，也有使用低密度液體的，這樣套管就能產(chǎn)生浮力，使套管與井壁之間的摩擦力減小，從而可以減少套管下入時(shí)的摩擦阻力，當(dāng)套管下到位時(shí)再通過壓力打開通道建立循環(huán)進(jìn)行固井作業(yè)[1]。但常規(guī)的漂浮下套管技術(shù)存在以下四個(gè)方面的問題：

(1)漂浮接箍存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，漂浮接箍破裂盤的擊破壓力過大，容易壓漏地層；

(2)下套管時(shí)遇阻處理手段有限，一旦遇阻，特別是臺(tái)階，處理手段幾乎沒有。并且下套管至深部時(shí)遇阻，起出管柱的可能性較低；

(3)下入過程對(duì)地層的沖擊、激動(dòng)壓力大，容易在下套管過程中壓漏地層；

(4)下套管到位后套管灌漿、空氣排空靠置換，時(shí)間非常長(zhǎng)。

為了解決大位移井下套管技術(shù)中存在的上述難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，南海某油田應(yīng)用了全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)。

1 全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)是指在套管內(nèi)不灌漿的情況下，通過旋轉(zhuǎn)套管的方式將套管下入預(yù)定井深的工藝技術(shù)。由于管內(nèi)無液體管柱重量減輕，套管將在管外鉆井液的浮力作用下處于懸浮狀態(tài)，從而減少與井壁的接觸，降低下入摩阻；同時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)管柱，將軸向摩擦力轉(zhuǎn)化為徑向摩擦力，進(jìn)一步降低管柱下入摩阻，從而增加懸重、修正井眼及降低激動(dòng)壓力，使管柱順利到位。

1.2 力學(xué)分析

1.2.1 全漂浮力學(xué)分析

套管漂浮受力如圖1 所示。

圖1 套管漂浮受力圖

式(1)～(5) 中：Fμ為管柱所受摩擦力；N 為管柱對(duì)井壁的壓力；μ 為摩擦系數(shù)；V 為套管體積，F(xiàn)N為井壁對(duì)管柱的支持力；F浮為管柱所受浮力；G1為套管重力；G1為套管內(nèi)流體的重力；ρ套為套管密度；ρ內(nèi)管柱內(nèi)流體密度；ρ外管柱外流體密度；g 為重力加速度。

根據(jù)(1)、(2)、(3)、(4)、(5)得：

全漂浮時(shí)，管柱內(nèi)不灌漿，取G2為零，則：

從(7)式可分析出：

(1)隨著井斜角度增大時(shí)，井筒內(nèi)壁的摩擦力越大；

(2)套管柱外流體密度越大，管柱所受摩擦力越?。?/p>

(3)減小摩擦系數(shù)，將顯著降低套管柱所受摩擦阻力。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)力學(xué)分析

套管旋轉(zhuǎn)受力如圖2 所示。

圖2 套管旋轉(zhuǎn)受力分析圖

式(8)～(11) 中：Va為垂向上的速率；Vc為徑向上的速率；Vr為合速率；RPM 為轉(zhuǎn)速；FFa 為軸向上的摩擦系數(shù)；FFt 為旋轉(zhuǎn)方向上的摩擦系數(shù)；FFa′ 為軸向上有效摩擦系數(shù)；FFa′為徑向上有效摩擦系數(shù)。

從式(8)、(9)、(10)、(11)分析可以得出：

(1)當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，有效的軸向和橫向摩擦力是實(shí)際摩擦力的函數(shù)，即軸向和徑向摩擦力速率的矢量；

(2)如果下放速度快而慢速旋轉(zhuǎn)時(shí)，大部分摩擦力是在軸向方向的；

(3)如果下放速度慢而快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，則大部分摩擦力是在徑向方向的；

(4)整個(gè)旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵就是，將軸向摩擦力轉(zhuǎn)化為徑向摩擦力，使得磨阻減小，可以使套管正常下放。

2 全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)工藝

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)工藝在南海某油田應(yīng)用了5 口井，其工藝技術(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)下套管頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其配套工藝技術(shù)，包括高強(qiáng)度扣套管、偏心套管鞋、加長(zhǎng)型頂塞及高分子樹脂扶正器。

2.1 旋轉(zhuǎn)下套管頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖3 旋轉(zhuǎn)下套管頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

如圖3、圖4 所示，頂部驅(qū)動(dòng)工具是直接連接到頂驅(qū)，通過頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)，可直接給套管上扣的新技術(shù)設(shè)備，工具集成了動(dòng)力大鉗、吊卡、循環(huán)灌漿器、機(jī)械扶正手、上扣補(bǔ)償器、遠(yuǎn)程遙控單根吊卡(可選)等工具的功能于一身，上扣更加安全高效。

頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成除了主體設(shè)備外，還有其他的子系統(tǒng)來支撐整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，包括：頂部抓卡裝置(主體)、扭矩監(jiān)控顯示JAMPpro 系統(tǒng)、Torksub電源系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制及司鉆狀態(tài)顯示系統(tǒng)、RMS2000液壓卡盤、2EW 動(dòng)力源等。

圖4 漂浮下套管工藝技術(shù)配套工具

2.2 高強(qiáng)度扣套管

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)在下套管時(shí)需對(duì)套管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，套管會(huì)承受較大的扭矩，需使用高強(qiáng)度扣套管；同時(shí)，在上扣到位后，接箍連接之間確保無間隙，減少固井期間對(duì)膠塞的磨損；最后，還需要考慮經(jīng)濟(jì)性的影響。套管選定后，開展摩阻系數(shù)、轉(zhuǎn)速與套管下入過程中的最大扭矩敏感性分析，推薦合適的轉(zhuǎn)速，確保套管的安全下入。

南海某油田在應(yīng)用全漂浮下套管技術(shù)時(shí)，根據(jù)上述分析方法，選用的9-5/8″(224.5 mm) 套管為JFEBear 扣型，上扣扭矩：23 220～28 380 lb·ft(3 211.3～ 3 925.0 kg·m)，最優(yōu)25 800 lb·ft(3 568.1 kg·m)。

2.3 偏心套管鞋

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)在下套管過程不能開泵，在常規(guī)漂浮下套管時(shí)主要使用劃眼套管鞋，但該劃眼套管鞋整體尺寸偏大，旋轉(zhuǎn)時(shí)將導(dǎo)致巖屑堆積在套管鞋處，增加下入的風(fēng)險(xiǎn)。

旋轉(zhuǎn)下套管建議使用偏心套管鞋。該管鞋其導(dǎo)向頭設(shè)計(jì)為非對(duì)稱的偏心結(jié)構(gòu)，在受力時(shí)，能夠自動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，在管柱下入時(shí)如套管串端部出現(xiàn)遇阻，可上下活動(dòng)套管串，旋轉(zhuǎn)引鞋導(dǎo)向頭受力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，引導(dǎo)管串順利通過遇阻點(diǎn)[2]。同時(shí)，偏心套管鞋還帶側(cè)上水眼，若下水眼堵后，側(cè)上水眼仍起循環(huán)固井作用。

2.4 加長(zhǎng)型頂塞

膠塞在套管中長(zhǎng)距離頂替，存在磨損導(dǎo)致失效的風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)大位移固井經(jīng)驗(yàn)，頂塞使用加長(zhǎng)型，或雙頂塞，頂替效果和碰壓均有保障。

2.5 高分子樹脂扶正器

樹脂材料具有以下物理性能：(1)低摩擦力的特性，在井下運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力小，因此具有耐磨損、扭矩小、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，且機(jī)械性能在-40～220 ℃保持穩(wěn)定；(2)極強(qiáng)的耐腐蝕性和絕緣性。在大位移井中，高分子樹脂扶正器比鋁合金扶正器、鋅合金扶正器、鑄鋼扶正器有很大的優(yōu)勢(shì)。

3 全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)主要在南海某油田的大位移井下9-5/8″(224.5 mm)套管中應(yīng)用，在套管下入前期摩阻較小時(shí)使用全漂浮技術(shù)，不旋轉(zhuǎn)，到套管下入后期隨著摩阻的增大，套管下入較為困難，開始旋轉(zhuǎn)下入，套管順利下到位(圖5)。

以最深的C1H 井為例，本井12-1/4″(406.4 mm)井段鉆至6 121.86 m，9-5/8″(224.5 mm) 套管下深6 114 m，其中全漂浮+旋轉(zhuǎn)下入套管長(zhǎng)度為3 184 m，且在下入過程中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，套管順利下到位[3]。

從該井的下入情況分析表明：采用全漂浮+旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)相較于全漂浮技術(shù)可以顯著增加套管下入懸重，且懸重隨轉(zhuǎn)速的增加而增加[4]。

同時(shí)，對(duì)全漂浮+不旋轉(zhuǎn)下套管與全漂浮+旋轉(zhuǎn)下套管的速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。

圖5 C1H 井9-5/8″(224.5 mm)套管下入懸重

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，采用全漂浮旋轉(zhuǎn)下入套管相較于全漂浮不旋轉(zhuǎn)下入速度略慢。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管工藝主要包括：旋轉(zhuǎn)下套管頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高強(qiáng)度扣套管、偏心套管鞋、加長(zhǎng)型頂塞及高分子樹脂扶正器。

(2)全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管工藝技術(shù)能夠極大的降低大位移井下套管時(shí)的摩阻，處理復(fù)雜情況的手段更多，幾乎可以保證大位移井套管下到位，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)采用全漂浮+旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)相較于全漂浮技術(shù)可以顯著增加套管下入懸重，且懸重隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。

(4)采用全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管相較于全漂浮不旋轉(zhuǎn)下套管速度略慢。

表1 南海某油田全漂浮旋轉(zhuǎn)下9-5/8″(224.5 mm)套管速度統(tǒng)計(jì)