水平井固井液壓式套管扶正器的改進(jìn)與應(yīng)用

李國(guó)鋒　徐　鑫　趙　勇　陳　勇（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)　257017）

水平井固井液壓式套管扶正器的改進(jìn)與應(yīng)用

李國(guó)鋒徐鑫趙勇陳勇
（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）

針對(duì)水平井液壓式套管扶正器在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的扶正片撐開(kāi)后影響環(huán)空過(guò)流面積、活塞二次運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致密封失效等問(wèn)題，對(duì)液壓扶正器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了相關(guān)的地面實(shí)驗(yàn)。為了完善套管居中井下配置工具，研制了與液壓扶正器配套使用的球座，液壓扶正器下到位后，先投球打開(kāi)液壓扶正器，再進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，可充分清洗井眼，提高固井質(zhì)量。改進(jìn)后的液壓扶正器在非常規(guī)水平井中應(yīng)用了4井次，平均每口井應(yīng)用32只，固井及壓裂過(guò)程均未出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，固井質(zhì)量良好，表明改進(jìn)后的液壓扶正器更適應(yīng)于非常規(guī)水平井固井作業(yè)。

水平井；固井；液壓扶正器；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在水平井固井施工中，常規(guī)的扶正器存在諸多問(wèn)題，不能起到有效居中套管的作用，從而影響了水平段的固井質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，勝利鉆井院研制了液壓式套管扶正器提高水平段的套管居中度，來(lái)達(dá)到提高水平井固井質(zhì)量的目的［1］。目前，該扶正器已在勝利油田和江蘇油田進(jìn)行了60余口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其中非常規(guī)井8口，取得了良好的應(yīng)用效果，驗(yàn)證了液壓式套管扶正器對(duì)提高水平井固井質(zhì)量的顯著作用。但在應(yīng)用過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了早先研制的液壓扶正器結(jié)構(gòu)上存在的一些問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)液壓扶正器做了一系列的改進(jìn)，并研制了配套球座，完善了套管居中井下配套工具。

1　液壓式套管扶正器存在的問(wèn)題

液壓扶正器主要由中心管、液缸、活塞、止退環(huán)、扶正片、扶正塊等組成（圖1）［1］。其工作原理是工具下入到位后打壓，液壓力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，從而推起扶正片，將套管抬起居中。工具上設(shè)有止退結(jié)構(gòu)，防止扶正片回彈，保證扶正效果。

圖1　液壓式套管扶正器

在前期應(yīng)用的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該工具結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題。

（1）扶正片撐開(kāi)時(shí)影響環(huán)空過(guò)流面積，不利在有掉塊的水平井中應(yīng)用。為提高液壓式套管扶正器的支撐力和居中能力，最初設(shè)計(jì)的液壓扶正器的扶正片為36片。以?139.7 mm型液壓扶正器為例，其撐開(kāi)后的最大外徑能達(dá)到330 mm，撐開(kāi)后各扶正片之間的間隙為20 mm，然而?215.9 mm鉆頭打的井徑一般在225～255 mm之間，在這種井徑的限制下，扶正片撐不到最大位置，此時(shí)扶正片之間的間隙在10 mm以?xún)?nèi)，若用在有掉塊的水平段，掉塊會(huì)在扶正器的位置堆積，有堵住環(huán)空的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）壓裂作業(yè)時(shí)，活塞有二次運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致密封失效。在低滲透水平井的應(yīng)用中，一般要進(jìn)行壓裂作業(yè)，然而并不是在固井結(jié)束后馬上壓裂，基本要等上1～2個(gè)月的時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)，液壓扶正器浸泡在井內(nèi)液體當(dāng)中，活塞運(yùn)動(dòng)區(qū)域有可能發(fā)生生銹或者是雜質(zhì)沉積的情況。而液壓扶正器由于受到井徑以及固井施工壓力的限制，固井結(jié)束后并沒(méi)有膨脹到最大外徑，活塞還剩余一段行程，壓裂作業(yè)試壓時(shí)由于壓力較高，活塞在高壓的作用下會(huì)再次運(yùn)動(dòng)，在密封圈經(jīng)過(guò)生銹或者雜質(zhì)沉積的區(qū)域，有可能發(fā)生劃傷失效的情況，造成工具的密封失效，從而影響壓裂施工。

2　液壓扶正器的改進(jìn)

2.1結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1.1改變扶正片結(jié)構(gòu)為使液壓扶正器撐開(kāi)后不影響環(huán)空的過(guò)流面積，將以前的36片扶正片換下，采用6片式扶正片結(jié)構(gòu)，扶正片采用超強(qiáng)彈簧鋼制成，扶正力強(qiáng)且變形均勻（圖2），?139.7 mm型液壓扶正器打開(kāi)后最大外徑由330 mm改為260 mm，滿(mǎn)足?215.9 mm鉆頭所鉆井徑要求，且保證扶正器打開(kāi)時(shí)扶正片能撐到最大位置，利于套管居中。

圖2　改進(jìn)后的扶正器扶正片

2.1.2增加關(guān)閉套結(jié)構(gòu)為了避免后期高壓作業(yè)過(guò)程中，高壓致使活塞再次運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的密封圈密封性能失效問(wèn)題，在液缸中增加了關(guān)閉套結(jié)構(gòu)。液壓扶正器脹封完成后，壓力繼續(xù)升高至18 MPa，關(guān)閉套向右運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉進(jìn)液孔（如圖3所示），保證壓裂受到高壓時(shí)，活塞不會(huì)產(chǎn)生二次運(yùn)動(dòng)。進(jìn)液孔關(guān)閉套結(jié)構(gòu)中采用止退結(jié)構(gòu)，確保進(jìn)液孔永久關(guān)閉。

圖3　關(guān)閉套內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2改進(jìn)后室內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況

2.2.1套管居中實(shí)驗(yàn)將改進(jìn)后的液壓扶正器連接到套管上，每2根套管連接1套液壓扶正器，然后對(duì)管串打壓，當(dāng)壓力升至14 MPa時(shí)，液壓扶正器全部打開(kāi)，平躺在地上的套管被抬高了48 mm，居中效果如圖4所示。扶正片打開(kāi)外徑為260 mm，且變形均勻。結(jié)果表明，改進(jìn)后的液壓扶正器在14 MPa時(shí)可以抬起兩根套管且扶正片變形均勻，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4　套管居中實(shí)驗(yàn)

2.2.2進(jìn)液孔關(guān)閉情況實(shí)驗(yàn)將改進(jìn)后的液壓扶正器進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)。壓力升到14 MPa時(shí)彈簧片全部撐開(kāi)到位，壓力升到18 MPa時(shí)關(guān)閉套關(guān)閉，液缸內(nèi)壓力降到1 MPa；繼續(xù)升壓到80 MPa，穩(wěn)壓5 min，壓力不降，液缸內(nèi)壓力不變。泄壓后再次升壓到80 MPa，穩(wěn)壓5 min，壓力不降，液缸壓力仍不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后泄壓，在液缸位置開(kāi)槽，檢查關(guān)閉套關(guān)閉情況，如圖5所示，關(guān)閉套已完全關(guān)閉。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明液壓扶正器進(jìn)液孔關(guān)閉可靠。

圖5　實(shí)驗(yàn)后液缸開(kāi)槽觀(guān)察進(jìn)液孔關(guān)閉情況

2.2.3高溫耐壓實(shí)驗(yàn)將3套液壓扶正器先后置于勝利鉆井院完井實(shí)驗(yàn)室高溫高壓模擬井筒中，井筒內(nèi)溫度分別升高到80 ℃、100 ℃、125 ℃，保持30 min，然后分別打壓到80 MPa，穩(wěn)壓5 min，壓力不降，液缸內(nèi)壓力無(wú)變化，表明液壓扶正器密封結(jié)構(gòu)在125 ℃、80 MPa條件下性能可靠。

2.3改進(jìn)后的技術(shù)參數(shù)

改進(jìn)后的液壓扶正器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　液壓扶正器技術(shù)參數(shù)

3　配套球座的研制

3.1結(jié)構(gòu)及工作原理

應(yīng)用液壓扶正器時(shí)，若在碰壓的時(shí)候打開(kāi)液壓扶正器，循環(huán)過(guò)程中，套管緊貼下井壁，容易造成循環(huán)不干凈，影響固井質(zhì)量。為了更好地提高長(zhǎng)水平段水平井的固井質(zhì)量，就需在固井之前提前打開(kāi)液壓扶正器，所以需要研究一種球座，在下入過(guò)程中，是中通的，管串下到位以后，投球，打壓脹開(kāi)液壓扶正器，繼續(xù)打壓，球座可以憋通進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，將井眼沖洗干凈，固井時(shí)可提高固井質(zhì)量。

根據(jù)這一要求，研制了與液壓扶正器配套使用的球座，結(jié)構(gòu)如圖6所示。使用時(shí)將球座連接在浮箍上部，管串下到位后，投球憋壓至14 MPa，打開(kāi)液壓扶正器使套管居中，繼續(xù)升壓至20 MP，剪釘4或者剪釘5剪斷，內(nèi)球座下落到擋板上，建立循環(huán)，隨后即可進(jìn)行循環(huán)固井作業(yè)。

3.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

（1）未投球前，球座中通，若下入過(guò)程遇阻，可開(kāi)泵循環(huán)，利于管柱安全下入；

圖6　配套球座結(jié)構(gòu)

（2）設(shè)計(jì)了兩級(jí)球座，且剪釘剪斷壓力設(shè)置一致，增加了打開(kāi)球座的安全系數(shù)，提高了施工的安全性；

（3）使用時(shí)連接到浮箍的上端，不影響固井作業(yè)；

（4）與液壓扶正器配合，管串下到位后，先脹開(kāi)液壓扶正器居中套管，再進(jìn)行循環(huán)固井作業(yè)，可充分清洗井眼，提高固井質(zhì)量。技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　配套球座技術(shù)參數(shù)

4　套管居中工具完井工藝

（1）按設(shè)計(jì)要求連接套管組合，配套球座連接在浮箍上端，嚴(yán)格控制下放速度，每下入30根套管至少灌漿一次，保證完井管串的順利下入［2］。

（2）下完套管后，循環(huán)1周到2周將井底沉砂清洗干凈。

（3）投球至配套球座上，憋壓14 MPa，穩(wěn)壓3 min打開(kāi)所有液壓扶正器居中水平段套管，繼續(xù)升壓至18 MPa，關(guān)閉液壓扶正器液缸進(jìn)液孔。

（4）繼續(xù)升壓至20 MPa，憋通球座，建立循環(huán)進(jìn)行固井作業(yè)。

5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鹽227井組是勝利油田首個(gè)探索工廠(chǎng)化運(yùn)作模式的非常規(guī)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。改進(jìn)后的液壓扶正器先后在該井組進(jìn)行了4口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，使用液壓扶正器后，不會(huì)影響完井管串的下入摩阻（如表3所示），確保了完井管串安全到位。水平段的固井質(zhì)量得到了非常明顯的改善，總體固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。壓裂施工前，試壓70 MPa，均未發(fā)生密封失效現(xiàn)象，后期壓裂施工安全順利。

表3　改進(jìn)后液壓扶正器在非常規(guī)井的應(yīng)用情況

6　結(jié)論

（1）改進(jìn)后的液壓扶正器扶正力強(qiáng)，扶正片變形均勻，能更好地扶正套管，且撐開(kāi)后過(guò)流面積大，利于固井施工安全。

（2）液壓扶正器通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，杜絕了活塞二次運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，保證了液壓扶正器的耐壓性能，利于在壓裂井中應(yīng)用，提高了液壓扶正器的應(yīng)用范圍。

（3）與配套球座配合使用，固井前提前打開(kāi)液壓扶正器，居中套管，循環(huán)時(shí)充分地沖洗井眼，提高固井質(zhì)量。

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（修改稿收到日期2015-06-17）

〔編輯朱偉〕

長(zhǎng)慶油田再添2個(gè)千噸級(jí)作業(yè)區(qū)

2015年7月12日，長(zhǎng)慶華慶油田喬河作業(yè)區(qū)日產(chǎn)原油1 110 t。繼6月16日地處甘寧交界演武油田方山作業(yè)區(qū)日產(chǎn)突破千噸后，6月26日，位于陜西吳起和甘肅華池交界的華慶油田喬河作業(yè)區(qū)，日產(chǎn)再破千噸。長(zhǎng)慶油田新添2個(gè)千噸級(jí)作業(yè)區(qū)。

油氣當(dāng)量跨上5 000萬(wàn)t的長(zhǎng)慶油田，堅(jiān)持“持續(xù)勘探，尋找新區(qū)”和“堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新提高單井產(chǎn)量”2個(gè)不動(dòng)搖，夯實(shí)油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)基礎(chǔ)。3年前，原油日產(chǎn)在百余噸低位運(yùn)行的方山作業(yè)區(qū)，從發(fā)現(xiàn)演224區(qū)塊開(kāi)始，對(duì)演武地區(qū)的油藏物性再認(rèn)識(shí)、再分析、再勘探，連獲50多口高產(chǎn)井，發(fā)現(xiàn)了10個(gè)滾動(dòng)擴(kuò)邊區(qū)，以及鎮(zhèn)180區(qū)、鎮(zhèn)191區(qū)、鎮(zhèn)429區(qū)、演116區(qū)等多個(gè)優(yōu)質(zhì)區(qū)塊，共落實(shí)產(chǎn)能15萬(wàn)t，2年多時(shí)間產(chǎn)量增長(zhǎng)10多倍。

華慶油田是長(zhǎng)慶第一個(gè)實(shí)施超低滲油藏規(guī)模開(kāi)發(fā)的油田。2009年開(kāi)始，在喬河地區(qū)的油田開(kāi)發(fā)中，華慶油田堅(jiān)持“地下創(chuàng)新提單產(chǎn)，地面挖潛降成本”理念，做好水文章，改造好油藏，實(shí)施水平井開(kāi)發(fā)，全面進(jìn)行油田生產(chǎn)指揮信息化改造，在建成中國(guó)石油首個(gè)水平井規(guī)模開(kāi)發(fā)示范區(qū)的同時(shí)，建成了長(zhǎng)慶油田首個(gè)智能化油田。特別是喬河作業(yè)區(qū)，以使用長(zhǎng)慶第1臺(tái)增壓橇、建成長(zhǎng)慶第1座數(shù)字化增壓站為契機(jī)，將信息化改造和精細(xì)化管理相結(jié)合，保證原油產(chǎn)量穩(wěn)步提升，實(shí)現(xiàn)了超低滲油藏高效開(kāi)發(fā)。

（供稿石藝）

The improvement and application of hydraulic casing centralizer for well cementating in horizontal wells

LI Guofeng, XU Xin, ZHAO Yong, CHEN Yong
（Drilling Technology Research Institute, Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd., Dongying 257017, China）

The structure of hydraulic centralizer is improved, and relevant ground experiments are carried out in regard of the problems of influence on annular open area after bows are opened, sealing failure due to secondary piston motion during application of hydraulic casing centralizer in horizontal wells. A ball seat supporting the hydraulic centralizer is developed. After a hydraulic centralizer is lowered in position, a ball is put in position to start up the hydraulic centralizer before cycle operation. In this way, boreholes can be cleaned thoroughly, well cementation quality is enhanced, and casing centralization process is improved. The improved hydraulic centralizer is applied to unconventional horizontal wells for 4 well times, with 32 hydraulic centralizers applied to each well in average, and well cementation and fracturing processes are both free of sealing failure. Well cementation is in sound quality, indicating that the improved hydraulic centralizer is more suitable for well cementation for unconventional horizontal wells.

horizontal well; well cementating; hydraulic centralizer; structure improvement

TE925+.2

B

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0054 – 04

10.13639/j.odpt.2015.04.015

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“低滲油氣田完井關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05022-006）部分研究成果。

李國(guó)鋒，1982年生。2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事石油完井工具開(kāi)發(fā)與配套工藝研究工作，工程師。電話(huà)：13562262324。E-mail：41931517@qq.com。

引用格式：李國(guó)鋒，徐鑫，趙勇，等.水平井固井液壓式套管扶正器的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：54-57.