旋轉尾管固井工具在超深水平井中的應用

張紅衛，阮臣良，李鵬飛，楚廣川

（1.中國石油化 工股份有限公司 西北油田分公司，烏魯木齊 830011；2.德州大陸架石油 工程技術有限公司，山東 德州 253034）①

旋轉尾管固井技術是在下尾管和注水泥期間從地面通過動力源旋轉鉆柱，由鉆桿經旋轉尾管懸掛器將扭矩傳遞給尾管。隨著鉆井技術的進步，大位移井、水平井和大斜度井越來越多，尾管順利下到設計位置難度越來越大，國外率先使用旋轉尾管固井工具在尾管下入過程中旋轉，解決尾管下入遇阻問題。英國、挪威等國的油田利用旋轉尾管固井工具解決了超大位移井的尾管下入問題。英國BP公司在Wytch Farm M區塊的16SP大位移井中，利用旋轉尾管固井工具將?177.8mm（7英寸）尾管順利送到了10 210m的井深［1］。美國 Weatherford公司的旋轉尾管固井工具在中國的南海、渤海等海上油田應用較多，例如南海東部西江油田施工的11口9 000m以上的大位移井中，裸眼長度近3 000m，井斜85°，利用邊循環邊旋轉的方式保證尾管串順利下到設計位置。截至目前，該技術已經在全球使用了千余井次，取得了很好的效果。

近年來，國內超深水平井技術得到了快速發展，為開發四川、新疆地區的深層高壓低滲儲層提供了經濟、高效的解決方案，最大限度地提高單井產量和最終采收率。但是，在超深水平井的尾管固井中，存在尾管串下入阻力大、水平段固井質量難以保證2大技術難題。借助國外成功的經驗，利用旋轉尾管固井技術的旋轉下入功能，可解決超深水平井的尾管下入難題。

1 超深水平井尾管下入的影響因素

由于超深水平井的井身結構、地層特點等諸多因素的影響，旋轉尾管固井技術在現場施工工藝方面與常規尾管懸掛器存在許多不同之處，現場設備、套管、泥漿性能、配套工具性能和施工工藝等均會影響到旋轉尾管懸掛器在水平井內應用的可靠性［1－4］。

1.1 現場設備

旋轉尾管懸掛器在水平井內應用主要解決尾管下入遇阻的難題，在尾管下入遇阻時，利用頂驅驅動鉆具或轉盤驅動方鉆桿帶動鉆具旋轉，從而驅動尾管“鉆進”，利于尾管順利下到設計位置。在進行旋轉鉆進時，為保證鉆具及尾管螺紋的連接可靠性，防止因扭矩過大而導致螺紋損壞的情況，必須嚴格控制轉速和扭矩。頂部驅動和電動轉盤可以無級調節轉速，并配備有扭矩表，可以安全地實現轉速控制和扭矩監測。對于超深水平井，尾管串在旋轉下入時旋轉扭矩很大，需要配備輸出扭矩更大的頂驅或轉盤（如ZP375型轉盤），以滿足現場的需求。

1.2 套管性能

套管鋼級和連接螺紋抗扭能力也是需要考慮的一個重要因素。超大位移水平井由于造斜段和水平段的影響，尾管下入易遇阻且旋轉扭矩較大，較長的尾管段旋轉扭矩一般會超過常規API螺紋的抗扭能力，旋轉下入時可能會造成對螺紋的傷害。為保證超大位移水平井的尾管下入安全，一般會選用鋼級在P110以上、帶有TP－CQ、VAM、fox等氣密封螺紋的高抗扭套管。

1.3 泥漿性能［5］

超深水平井地層通常較復雜，砂泥巖易吸水膨脹而垮塌，掉塊大不易破碎，在尾管下入過程中易發生遇阻；鉆井液攜砂能力弱時，易形成巖屑床，影響水平段尾管固井循環及最終固井質量；鉆井液固相含量過高也會影響到工具的動作。針對以上難點，應選擇具有強抑制性能及封堵防塌、懸浮攜帶、潤滑防卡能力的鉆井液，有助于加大尾管順利下到設計位置的可能性，提高旋轉尾管固井施工的可靠性。

1.4 配套工具性能

配套工具的性能直接影響超深水平井尾管下入的安全性和固井質量。旋轉尾管固井工具在超深水平井中的適應性主要體現在遇阻后丟手連接可靠性、固相較多時丟手可靠性及懸掛器的最大抗扭能力等；另外，與旋轉尾管懸掛器配套使用的鉆式引鞋和螺旋扶正器可幫助尾管順利下入。鉆式引鞋的下部設計有偏心的導向頭，在遇到臺階井眼時，通過旋轉利于尾管切削下入；引鞋的側面設計有鑲嵌硬質合金的切削刃，能夠在縮徑井段旋轉擴眼，利于上方尾管下入。螺旋樹脂扶正器采用摩擦因數較小的樹脂材料，減小套管與井壁間的摩擦，減小了尾管下入的阻力和旋轉扭矩；螺旋結構的扶正翼能夠在泥漿頂替過程中產生旋流效果，一定程度上提高尾管固井質量。

1.5 施工工藝

旋轉尾管固井施工工藝是保證超大位移水平井尾管安全下入的另一個關鍵因素，在進行尾管固井施工前，要根據井眼軌跡、泥漿性能、地層特點等現場因素，結合工具的結構特點，有針對性地制定尾管下入及固井施工工藝，包括尾管旋轉扭矩的預測、最大安全扭矩的設計、扶正器優選及安放位置設計、泥漿性能的調整及特殊情況下的應急預案等。

2 旋轉尾管固井工具的組成及原理

旋轉尾管固井工具主要由液壓丟手單元、旋轉懸掛器單元及配套的球座、引鞋和扶正器等附件組成，如圖1所示。旋轉尾管固井工具與常規尾管固井工具相比有很大的差別，其能夠在尾管入井過程中和懸掛器坐掛后傳遞扭矩，帶動尾管旋轉，從而實現尾管下入遇阻時的旋轉鉆進；在固井期間旋轉尾管提高頂替效率，從而提高尾管固井質量。

2.1 液壓丟手單元

液壓丟手單元由承載機構、丟手機構和扭矩傳遞機構組成。承載機構的原理是利用1圈可收縮的擋塊嵌入懸掛器內與之配合的槽內，擋塊下方連接有下接頭，阻止擋塊收縮，三者形成自鎖機構。扭矩傳遞機構是利用兩端帶有扭矩傳遞齒的套筒分別與鉆具和懸掛器相連，在丟手前后均能傳遞鉆具的扭矩。177.8mm（7英寸）液壓丟手工具的額定扭矩為57kN·m，額定抗拉載荷達到3 500kN，完全滿足現場的需求。為提高液壓丟手工具的可靠性，除設計了液壓丟手方式以外還設計了機械丟手方式，以增加丟手的可靠性，使得丟手機構具有了雙保險的丟手方式。液壓丟手的原理是：投球后完成坐掛作業，下放尾管，同時下壓一定的鉆具重力，憋壓至14～16MPa時，可實現鉆具與尾管的丟手。當無法憋壓或其他原因導致液壓丟手方式失效時，可以反轉鉆具1／6圈，進行機械丟手。液壓丟手壓力和機械丟手扭矩可以根據現場情況進行調節［6］。

圖1 旋轉尾管固井工具

2.2 旋轉懸掛器單元

旋轉懸掛器單元由坐掛機構、激發機構和軸承等組成。旋轉懸掛器的坐掛機構一般采用內嵌式卡瓦機構，卡瓦嵌在懸掛器錐套的內部，在入井過程中可防止因管壁的磕碰導致卡瓦脫落或提前坐掛，入井可靠性得到較大程度的提高。同時，內嵌卡瓦坐掛機構優化了承載方式，較大程度提高了承載能力和坐掛后的過流面積。激發機構是利用液壓力激發液缸動作，推動卡瓦上行，實現懸掛器的坐掛。旋轉懸掛器軸承的作用是在懸掛器坐掛后承受整個尾管串的載荷，承載能力、旋轉扭矩和使用壽命是體現懸掛器軸承性能的關鍵指標。最新研究表明：244.5 mm×177.8mm英寸×7英寸）的懸掛器軸承承載能力可達910kN，坐掛機構的承載能力達到2 700 kN，坐掛后的過流面積為50cm2。

3 現場應用

永1－平1井是中石化的一口超深水平井先導試驗井，位于新疆準噶爾盆地中部3區塊車莫隆起構造南翼［2］，三開完鉆井深5 730.73m，上層套管下深4 500m，尾管規格為?177.8mm，長度1 429m。該井鉆進過程中發生過卡鉆，通井過程中多次遇阻，尾管固井施工前，作業者便預計尾管下入難度大。為保證四開（設計7 395m）順利鉆進，三開尾管必須下到設計位置，決定利用旋轉尾管固井技術，在尾管下入遇阻時，進行旋轉下入。永1－平1井井身結構如圖2所示。

圖2 永1－平1井井身結構

3.1 旋轉尾管固井工具主要參數

表1 懸掛器尾管固井工具技術參數

3.2 施工難點及對策

3.2.1 施工難點

1）永1－平1井的吐谷魯群組井段砂泥巖吸水易膨脹導致垮塌，并且易掉塊，套管下入過程中易遇阻，甚至卡死。

2）由于造斜段狗腿度大和水平段臺階井眼等因素的影響，尾管下入過程中易遇阻，利用常規的下入方法尾管很難到達設計位置。

3）水平段固井由于井斜大，易形成不規則糖葫蘆井眼或橢圓井眼，套管居中困難，水泥漿頂替時易竄槽，固井質量無法保證。

4）西山窯組地層壓力高，泥漿密度高達1.83 g／cm3，過高的固相含量對工具的可靠性造成較大的挑戰。

3.2.2 對策

為保證尾管施工的順利進行，采用旋轉尾管固井技術，下入遇阻時采用旋轉鉆進的方式解阻。尾管扶正器采用螺旋樹脂式扶正器，能夠在尾管下入時減小摩擦阻力，旋流翼能夠在水泥漿頂替過程中產生旋流效果，提高頂替效率?？紤]到尾管下入過程中需要旋轉下入，尾管螺紋的抗扭性能至關重要，通過通井期間數據對尾管旋轉進行扭矩預測，扭矩約為15kN·m。為保證尾管旋轉下入的施工安全，施工方決定采用P110鋼級、壁厚為12.65mm的API長圓螺紋套管，最大上扣扭矩達到16kN·m［7］。為保證懸掛器正常坐掛，在懸掛器坐掛位置上下50m的外層套管進行刮壁。

3.3 施工要求

1）入井管串不能反轉，因反轉會剪斷應急釋放銷釘，導致送入工具和尾管分離。

2）如果必須轉動鉆具，只能正轉，必須在有控制的情況下緩慢釋放反轉扭矩。

3）下鉆過程中循環泥漿時循環壓力不得超過5.5MPa，防止懸掛器提前坐掛。

4）當液壓丟手失效時，首先確認送入工具在高壓下是否仍處于受壓縮狀態，重新調整懸掛器處受壓的載荷大小，并逐次升壓0.5MPa，檢查工具是否脫手。如果液壓方式無法丟手，可采用反轉的方式，剪斷機械丟手銷釘，確認剪釘剪斷后，上提管柱完成丟手動作。

3.4 施工程序

按照管串設計依次下入浮鞋、浮箍和球座等附件，每2～3根套管安裝1個螺旋樹脂扶正器。下完套管后連接旋轉尾管懸掛器，測量上提懸重700 kN，下放懸重650kN。連接鉆具繼續送入尾管，在尾管下至井深5 125m時遇阻，總懸重由1 600kN變為600kN，上提至3 000kN后提開。采用上下活動和開泵循環的方式均無法解阻，決定連接頂驅，利用頂驅驅動管串旋轉下入；啟動扭矩34kN·m，轉速20r／min，旋轉平穩后扭矩范圍為27～41 kN·m，懸重基本保持1 800kN不變；旋轉送入1個單根后停轉，接鉆具繼續送入尾管，此時懸重基本保持在1 600kN左右。在后期施工中尾管下入順利，懸掛器坐掛、丟手均一次性成功，坐掛壓力12 MPa，丟手壓力16MPa，整個尾管固井施工順利。

3.5 結果分析

永1－平1井的尾管固井難點在于尾管能否送入到位，在此類超深水平井尾管下入遇阻時，很可能造成“下不去，上不來”的情況，采用上提下放和循環的方式很難解決這一問題，利用旋轉尾管固井工具采用旋轉下入的方式，很好地解決了尾管的下入遇阻難題。該井在施工前的準備過程中，預測到尾管旋轉扭矩較大，選用高鋼級、大壁厚的API套管，滿足了現場旋轉需要。尾管下至設計位置后，坐掛、丟手和固井參數正常，證明在中途大扭矩旋轉后，工具及套管螺紋的密封性良好。

為了降低施工風險，如果需要旋轉下入套管，最好選用抗扭能力強的氣密封螺紋套管。

4 結論

1）超深水平井尾管固井施工難度大，特別是尾管下入困難，采用旋轉尾管下入技術能夠將尾管下到設計位置。

2）多種因素會影響旋轉尾管懸掛器在超深水平井內應用的可靠性，在旋轉尾管施工前要進行扭矩預測，根據預測結果對設備、鉆具、套管和泥漿性能等提出相關要求，以降低作業的風險。

3）旋轉懸掛器及配套工具的性能至關重要，在施工前應根據施工井況對工具的參數進行調整，并確保工具與設備、套管匹配，以保證施工的順利進行。

［1］馬蘭榮，郭朝輝，楊德凱，等.旋轉尾管懸掛器軸承的研制及性能試驗［J］.石油礦場機械，2009，38（9）：67－70.

［2］李 維，李 黔.旋轉尾管固井套管扭曲失穩分析［J］.石油礦場機械，2008，37（6）：49－52.

［3］郭朝輝，楊德凱，馬蘭榮.國外尾管頂部封隔器技術研究現狀［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：13－17.

［4］秦金立，蘇 同.國外固井膠塞研究新進展［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：39－42.

［5］曹來順.聚合鋁鉆井液技術在永1－平1井中的應用［J］.鉆采工藝，2009（3）：17－19.

［6］胡興富，李永和，王國新.旋轉尾管固井工藝技術的研究和應用［J］.石油鉆采工藝，1997，19（3）：25－28.

［7］周全興.鉆采工具手冊［K］.北京：科學出版社，2002.