全通徑漂浮接箍工具的研究與應用

何立成

(中石化勝利石油工程有限公司，山東 東營 257000)

中國多數(shù)主力油田在經(jīng)過多年的開采后，已進入開發(fā)的中后期階段，易采出區(qū)塊的油氣資源逐年下降，多數(shù)油田產(chǎn)量已開始逐年遞減。為了實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)，難動用儲量逐漸成為國內開發(fā)熱點，海上、山區(qū)等區(qū)域的布井數(shù)量逐年上升，為有效開發(fā)這些復雜地形下的油氣資源，大位移井成為開發(fā)的主要手段[1]。大位移井套管因自身重力作用會緊貼井眼下井壁，摩擦阻力較大，套管下入困難，因此需要漂浮下套管技術來提高套管安全下入的成功率。漂浮下套管的技術原理是通過漂浮接箍和浮箍封閉一段空氣或其他輕質介質在套管串尾部，增加漂浮接箍以下部分套管柱的浮力，減少套管柱對井壁的壓力，從而降低下套管時的摩阻，提高套管安全下入的成功率[2]。漂浮接箍內芯在完成漂浮下套管作業(yè)之后需要清理至管柱底部，因此工具內芯外徑尺寸需要小于套管內徑3～5 mm，以保證內芯安全下行，而常規(guī)漂浮接箍工具采用的密封、鎖定結構需要公差配合，因此工具留井部分會產(chǎn)生縮徑，這樣會限制下一開次的鉆頭尺寸，同時也會對后期生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生不良影響[3-5]。針對常規(guī)漂浮接箍工具存在縮徑的問題，研制出新型全通徑漂浮接箍工具，設計獨特的鎖塊鎖定結構實現(xiàn)全通徑功能，目前已在勝利油田應用14井次，應用效果良好。

1 全通徑漂浮接箍結構設計

1.1 整體結構

全通徑漂浮接箍工具由套筒和內芯兩部分組成。套筒分上套筒、下套筒，中間使用密封圈進行密封，套筒部分負責與上下套管連接，是工具的留井部分。內芯部分由尾部膠塞總成、鎖塊、鎖塊座、鎖塊套、連接套、導引膠塞總成組成，內芯部分負責承載漂浮接箍上部液柱重量，密封液體，隔絕漂浮接箍工具上下空間，防止空氣置換，這一部分后期需要被清理至管柱底部。工具內部結構如圖1所示。

圖1 漂浮接箍工具內部結構

1.2 工具原理

漂浮接箍工具上部承載液體，下部為空氣或輕質介質，因此需要對管內空間進行密封，同時也需要鎖定結構防止工具內芯在工具開啟前發(fā)生位移。全通徑漂浮接箍內芯可分為3個模塊，密封結構總成模塊由尾部膠傘、尾部膠傘骨架組成，其主要功能是隔離管內空間；鎖定總成模塊由鎖塊、鎖塊套、鎖塊座組成，主要功能是固定漂浮接箍內芯；導引塞總成模塊由連接套、導引膠傘、導引膠傘骨架組成，起到扶正內芯，保證內芯安全下行的功能。

漂浮接箍工具入井狀態(tài)如圖1所示，此時漂浮接箍內芯固定在工具中部，密封總成將鉆井液隔離在工具上部，防止鉆井液進入漂浮套管段；當工具下入到位后，井口打壓，鎖塊座受力剪切剪釘，剪釘剪斷后鎖塊座下行，密封總成的循環(huán)通道打開，同時鎖塊座讓出鎖塊的回收空間，鎖塊回收，內芯實現(xiàn)解鎖，漂浮接箍內芯同時實現(xiàn)開啟及解鎖，解鎖后工具結構如圖2所示。

圖2 全通徑漂浮接箍工具開啟后內部結構

1.3 密封及鎖定結構

全通徑漂浮接箍工具采用膠傘密封，尾部膠傘硫化在尾部膠傘骨架上，組成尾部承壓膠塞，如圖3所示，尾部膠傘骨架外側設計有大臺階，可以改善承壓時膠傘的受力情況，同時增強膠傘硫化的膠結強度，提高耐壓能力。尾部膠傘骨架內部設計有通孔，作為后期漂浮接箍開啟后的過液通道，開啟前由鎖塊座封堵，采用密封圈密封。通過以上配合方式，內芯與套筒之間的空隙采用尾部膠塞總成密封，內芯之內由尾部膠傘骨架和鎖塊座配合密封，封隔工具上下空間。

圖3 尾部承壓膠塞結構

鎖定總成中，鎖塊安裝在鎖塊套的預留孔洞上，該結構限制鎖塊軸向及周向的自由度，使鎖塊只能沿徑向進行伸縮運動，而鎖塊座安裝到位后將在內部頂住鎖塊，使其突出于內芯，此時漂浮接箍內芯的最大外徑位于鎖塊位置，大于套筒的內徑，突出的鎖塊被上、下套筒之間的固定槽限定，從而實現(xiàn)漂浮接箍內芯的固定。

鎖塊座同時控制漂浮接箍循環(huán)通道的開啟和內芯解鎖兩個動作，鎖塊座通過剪釘固定在鎖塊套上的關閉位置，當井口打壓時剪釘剪斷，鎖塊座下行，一方面打開尾部膠塞內部的循環(huán)通道，同時鎖塊座側面設計有循環(huán)槽，可以提供液體過流通道；另一方面，鎖塊座中部的縮徑到達鎖塊后部，讓出鎖塊的回收空間，漂浮接箍內芯受到上部液柱壓力具有向下移動的趨勢，鎖塊在獲得回收空間后其斜面與套筒相互作用從而回縮至內芯內，此時內芯的最大外徑小于套管內徑，漂浮接箍內芯實現(xiàn)解鎖。工具內芯解鎖后結構如圖4所示。

圖4 全通徑漂浮接箍內芯解鎖后結構

1.4 性能特點

全通徑漂浮接箍有別于常規(guī)漂浮接箍工具內部結構，具備3項特點：

(1)采用尾部膠塞密封工具套筒與內芯之間的縫隙，鎖塊固定解決密封圈、剪釘結構對工具內徑的限制，留井套筒內徑與套管內徑一致；

(2)內芯解鎖后剛性部分外徑小，與套管之間空隙大，可用于復合套管串中；

(3)膠傘扶正，與套管的同軸度高，導引膠塞下行時清理管內雜質，防止異物進入內芯與套管間縫隙卡住內芯，具有較高的施工安全性。

2 全通徑漂浮接箍地面試驗

2.1 開啟、解鎖試驗

試驗主要目的為測試工具密封及開啟動作的可靠性。共開展4組工具開啟試驗，試驗管串結構為：擋頭(非密封)、短節(jié)、漂浮接箍工具、試壓接頭、試壓管線、試壓泵。試驗時，在漂浮接箍工具上部灌滿清水，連接打壓接頭，打壓至5 MPa，穩(wěn)壓5 min，驗證試驗管線的密封性能；升壓至10 MPa，穩(wěn)壓30 min，觀察壓力變化情況，驗證結構的密封性能；最后打壓至漂浮接箍開啟，記錄開啟壓力(表1)。

從表1中可以看出，工具開啟壓力與設計壓力基本一致，漂浮接箍開啟后壓降現(xiàn)象明顯，循環(huán)通道開啟完全。

表1 工具開啟、解鎖試驗結果

2.2 承壓試驗

測試高壓下工具密封性、零件變形。設定工具開啟壓力為36 MPa，打壓至30 MPa，穩(wěn)壓8 h，無壓降，工具周圍未發(fā)現(xiàn)滲漏痕跡，升壓到34 MPa，工具開啟。試驗后拆解工具可知，零件無破壞，尾部膠塞外形完好，鎖塊出現(xiàn)輕微壓痕，工具強度符合技術要求(圖5)。

圖5 試驗后鎖塊外觀

3 現(xiàn)場應用

2017～2021年，全通徑漂浮接箍工具在勝利油田灘海大位移井中應用14口井，位垂比最大為2.06，水平位移最大為3 061 m，最大井斜角為89.1°，工藝成功率為100%。下面以CB6GB-13井為例進行說明。

3.1 CB6GB-13井管柱結構設計

CB6GB-13井完鉆井深為2 972 m，位垂比為1.49，水平位移為1 952 m。完井管柱如圖6所示，管串結構(由下向上)為：引鞋、隔離閥、浮箍、漂浮套管段(不灌漿)、漂浮接箍、套管(正常灌漿)、套管頭。

圖6 漂浮下套管完井管柱結構

利用Landmark軟件預測通井摩擦阻力，選取裸眼摩擦阻力系數(shù)為0.4、0.5、0.6，計算結果如表2所示。該井實際通井懸重為56 t，反推裸眼摩擦阻力系數(shù)為0.4。

表2 通井最終懸重預測表

選定0.4的裸眼摩擦阻力系數(shù)，模擬計算不同漂浮長度下的井口懸重，結果如表3所示。可知，套管不漂浮時，井口懸重只有7 t，存在下入不到位的風險。隨著漂浮長度的增加，套管自重對井壁的作用力越小，井口懸重相應增加，當漂浮長度600 m時，下入過程懸重最低21 t，到位后井口懸重22 t，滿足套管安全下入到位的要求，綜合考慮井口懸重、排氣時間等因素，確定該井漂浮長度為600 m。

表3 下套管懸重預測表

3.2 CB6GB-13井現(xiàn)場應用效果

CB6GB-13井套管完井管柱下入順利，到位后井口懸重21 t。井口打壓，8 MPa開啟漂浮接箍工具，投入清理膠塞，推動內芯下行至浮箍位置，憋壓8 MPa，打開循環(huán)通道，正常實施后續(xù)固井作業(yè)。

4 結 論

(1)全通徑漂浮接箍工具采用獨特的鎖塊懸掛和膠傘密封結構，突破密封圈、剪釘結構對工具內徑的限制，工具內徑與套管內徑一致，便于內管工具下入和后期作業(yè)。

(2)該工具開啟、解鎖壓力穩(wěn)定，鎖塊解鎖可靠，工具承壓高于35 MPa，可調，滿足大位移井套管漂浮下入技術需求。

(3)全通徑漂浮接箍工具在勝利油田灘海大位移井中應用14口井，位垂比最大為2.06，水平位移最大為3 061 m，最大井斜角為89.1°，工藝成功率為100%。