大位移水平井旋轉自導式套管浮鞋的研制及應用

李社坤 周戰云 任文亮 秦克明 侯平

中石化中原石油工程有限公司固井公司

大位移水平井旋轉自導式套管浮鞋的研制及應用

李社坤 周戰云 任文亮 秦克明 侯平

中石化中原石油工程有限公司固井公司

為了提高浮鞋引導能力，解決大位移水平井套管下入困難的問題，研制了一種旋轉自導式浮鞋。利用偏頭引鞋增強引導能力，利用雙向螺旋槽實現自動調整引導狀態，利用彈浮式回壓密封結構來實現回壓坐封。該工具引導機構可沿軸線360°自由旋轉，耐溫可達180 ℃，耐回壓能力可達50 MPa，引導機構自動復位后偏轉角度都在10°以內。室內試驗及現場應用表明：旋轉自導式浮鞋具有較強的自導向能力和反向承壓能力，能夠引導套管在井眼軌跡曲折的水平井眼內順利下行，在固井作業后可靠坐封。由于頁巖氣井的開發多為大位移水平井，因此，可廣泛應用于各類頁巖氣水平井下套管及固井施工作業。

大位移；水平井；旋轉自導；浮鞋；固井；現場應用

頁巖氣在全球范圍內分布廣泛，開發潛力巨大，隨著頁巖氣在全國范圍內的深入開發，水平井鉆完井技術得到更廣泛的應用，特別是大位移水平井的日益增多，對于頁巖氣的開采起到積極的促進作用［1-3］。大位移水平井因水平段過長導致完井時套管在井眼內摩阻加大、井眼軌跡蜿蜒曲折使套管柱下端易卡阻，通常套管難以順利下放到位。目前主要可采取2種措施：一是采用滾輪扶正器、套管漂浮技術［4］以減小套管摩擦阻力；二是在提高下套管引導能力方面采用套管“抬頭”技術，即在常規引鞋上部加裝1只整體剛性扶正器，使引鞋盡量在井眼內保持居中狀態［5］，以使套管更易于通過狗腿度較大的井段，但是由于引鞋外部的剛性扶正器增大了套管下端的外徑，遇到縮徑井段時不易通過，無形中增加了下套管遇阻的風險；另外還可以采用一種偏頭浮鞋［6-8］，該種浮鞋具有坡度較大的引導面，當下套管遇阻時，可通過反復“上提+下放”的方式來通過遇阻井段，但由于其偏頭引鞋不具有自動調整引導狀態的功能，即使經過多次“上提+下放”操作，也不易調整至最佳引導狀態，使用時操作較為不便；其次，該種浮鞋的彈簧式回壓坐封結構可靠性相對較差，因其密封面固定，經流體長時間沖刷容易損壞，現場應用情況也表明其可靠率相對較低。

因此，針對上述不足，研制一種能夠自動調整最佳引導狀態，并且具有較高回壓坐封可靠性的引導工具，對于確保大位移水平井套管順利下放到位將有著積極的意義。

1 旋轉自導式套管浮鞋的研制

Development of rotary self-guidance casing float shoe

1.1 結構

Structure

為提高引導工具的引導能力，研制了旋轉自導式浮鞋，組成部分主要包括殼體、引導機構、回壓密封機構3部分。回壓密封機構位于殼體內部，二者之間通過螺紋相連，引導機構（偏頭引鞋）位于殼體下部，二者之間通過兩道滾珠槽及滾珠相連，具體結構見圖1。

圖1 旋轉自導式浮鞋結構Fig.1 Structure of rotary self-guidance float shoe

（1）殼體的主要功能是將回壓密封機構和引導機構整合在一起，同時通過它與套管連接。因此其結構設計為管狀結構，上端設有連接螺紋以便于連接套管，下端內壁設有環形凹槽，以便于通過滾珠與引導結構相連。

（2）引導機構的主要功能是提供較強的導引力、提供自動調整最佳引導狀態的能力，提供液流通道，能夠與殼體連接且具有較小的旋轉摩擦力。因此引導機構設計為圓柱狀結構，其下端相對設有副引導面（小球面）和主引導面（大球面），主引導面的半徑為副引導面半徑的兩倍，當主引導面正對所接觸的井壁時，其引導通過能力要強于副引導面。上述結構能夠確保其引導能力不低于常規的半球式引鞋。

為使引導機構（偏頭引鞋）具有自動調整最佳引導狀態的能力，在其外壁對稱設置數條左旋螺旋槽和右旋螺旋槽；下套管時井壁摩擦力可使偏頭引鞋向發生旋轉，直到兩種旋向的螺旋槽同時接觸井壁時方停止轉動，此時主引導面朝向所接觸的井壁，處于最佳引導狀態。為了使螺旋槽能夠提供較為合理的摩擦旋轉力矩，其螺旋角設置為±（15°～ 45°）。

為使引導機構（偏頭引鞋）既能與殼體可靠相連，又能便于旋轉，在其上部外壁設置2道滾珠槽，然后通過多個滾珠與殼體下部相連。引導機構（偏頭引鞋）的結構見圖2。

圖2 引導機構結構Fig.2 Structure of guide mechanism

（3）回壓密封機構的主要功能是確保液流只能單向導通、密封可靠和耐回壓。因此，設計的回壓密封機構主要由閥座、閥球、球托、球籃和彈簧等零件構成，閥座為圓板狀結構，外圓面設置螺紋，其中心開有通孔，通孔下端設內錐面，內錐面與閥球配合可實現單向密封，球籃與閥座通過螺紋聯接，其內依次容納閥球、球托和彈簧，彈簧彈力通過球托作用于閥球，使其與閥座下端內錐面緊密接觸。由于閥球在液力沖擊下可任意轉動，且彈簧可緩沖液力沖擊，由此可避免閥球因劇烈撞擊而損壞；此外，閥球可在彈簧或返流單獨或共同作用下完成坐封，功能可靠性大大提高。為提高閥球的耐溫耐壓能力，其芯部材質采用膠木、碳纖維、玻璃鋼或鋁合金，其外表裹覆耐高溫氟橡膠，由此也可進一步提高密封效果，回壓密封機構結構見圖3。

圖3 回壓密封機構結構Fig.3 Structure of backpressure sealing mechanism

1.2 工作原理

Working principle

使用該工具時，將殼體上部的內螺紋旋接于套管柱下端后進行下套管作業。下套管過程中，偏頭引鞋側壁上螺旋槽與井壁摩擦會產生不同旋向的力矩，該力矩會使引鞋向相應的方向旋轉，直到左旋螺旋槽與右旋螺旋槽同時與井壁發生接觸，不同旋向的力矩相互抵消，偏頭引鞋方停止轉動；此時，偏頭引鞋下端引導能力較強的大球面始終朝向所接觸的井壁，使得即使遇到較大的曲折井段也能順利通過，由此增強了引導能力，確保套管能夠順利下入。

1.3 技術參數

Technical parameter

針對?139.7 mm套管設計的旋轉自導式浮鞋性能參數見表1。

表1 旋轉自導式套管浮鞋技術參數Table 1 Technical parameters of rotary self-guidance casing float shoe

1.4 結構特點

Structural characteristic（1）內部結構功能可靠，液流通道暢通，液流阻力較小；（2）具有可沿軸線360°自由旋轉的偏頭引鞋，下套管過程中可自動調整導向方位，提高套管柱通過能力，防止套管在曲折井段遇阻；（3）耐溫可高達180 ℃，其反向承壓能力可達50 MPa；（4）內部回壓裝置采用功能可靠性較高的彈浮式結構，一次坐封成功率高；（5）引導能力強，特別適用于井眼軌跡不規則井段套管的下入引導。

2 室內評價試驗

Laboratory evaluation test

為了驗證旋轉自導式浮鞋的綜合性能能否滿足設計要求，對其耐沖蝕能力、反向承壓能力、自導向能力等進行了室內評價試驗。

2.1 耐沖蝕性能試驗

Erosion resistance test

耐沖蝕性能試驗（也稱壽命試驗）的主要目的在于評價浮鞋在規定排量液體長時間沖蝕過程中保持反向坐封的能力，SY/T 5618—2009《套管用浮箍、浮鞋》中要求?139.7 mm規格的排量不小于2.0 m3/min，沖刷時間不少于24 h。為了評價旋轉自導式浮鞋的耐沖蝕性能，將1只加工好的旋轉自導式浮鞋（規格：FXIII-XZ 5-1/2LTC10.54P110）樣品置入浮箍浮鞋耐沖蝕性能實驗裝置中（如圖4所示），試驗介質為清水，升溫時間150 min，循環排量2 m3/min，初始溫度27 ℃，循環溫度82 ℃，分別經過24 h、48 h、72 h的沖蝕試驗，浮鞋內部構件閥球、彈簧、閥座密封面等結構未見任何損壞。用同樣方法對相同規格常規的彈簧式和浮球式浮鞋進行試驗，閥芯在48 h時已發生明顯磨損或損壞，反向坐封能力部分喪失。試驗結果表明，旋轉自導式浮鞋的耐沖蝕能力不僅滿足標準SY/T 5618—2009的技術要求，而且優于其他類型的浮鞋。

圖4 旋轉自導式浮鞋耐沖蝕性能實驗裝置Fig.4 Experimental apparatus for testing the erosion resistance of rotary self-guidance float shoe

2.2 反向承壓能力試驗

Reverse pressure bearing capacity test

反向承壓能力試驗的主要目的是評價浮鞋回壓密封強度能否滿足現場使用要求，SY/T 5618—2009中規定Ⅲ型浮鞋反向承壓試驗壓力不小于30 MPa，穩壓時間不少于5 min［9］。為了充分評價旋轉自導式浮鞋的反向承壓能力，確定進行更高壓力級別的試驗，分別在25 MPa、35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa的壓力下分別穩壓5 min，累計穩壓時間不小于25 min。試驗方案確定后，將旋轉自導式浮鞋反向承壓部件通過短節與試壓泵相連，通過試壓控制系統設置好試壓程序后開啟試壓系統進行測試，在設定的壓力值下分別穩壓5 min，壓降均小于0.5 MPa，試壓結果見圖5；卸壓后拆下浮箍內部構件，除閥球與閥座接觸處有明顯壓痕外，未發現其他損壞情況。試驗結果表明：旋轉自導式浮鞋的反向承壓能力遠大于標準SY/T 5618—2009中對Ⅲ型浮鞋反向承壓標準（30 MPa）的要求［9］，能夠滿足高壓固井作業的要求。

圖5 旋轉自導式浮鞋反向承壓試壓曲線Fig.5 Reverse pressure bearing test curve of rotary self-guidance float shoe

2.3 自導向能力試驗

Self-guidance capacity test

為驗證旋轉自導式浮鞋是否具有自動調整最佳引導狀態的能力，根據其工作狀態研究設計了試驗方案，為了便于觀察試驗結果，采用軸向半剖的?244.5 mm的套管模擬井眼，然后將旋轉自導式浮鞋（規格：FXIII-XZ 5-1/2LTC10.54P110）置入模擬井眼內（模擬井眼內徑220 mm，引鞋外徑154 mm，模擬井眼長度為5 m，內壁電焊多個凸點模擬粗糙的井壁），將殼體相對于模擬井壁周向固定，防止軸向移動過程中發生相對轉動；為便于確定偏頭引鞋初始偏轉角度和復位后的偏轉角度，在引鞋及殼體上刻畫刻度線，通過量取刻線間弧長計算偏轉角度；然后將偏頭引鞋導向面轉向模擬井眼側壁，確定引鞋初始偏轉角度后，軸向移動旋轉自導式浮鞋以模擬下套管過程，觀察偏頭引鞋自動旋轉導向情況，測量引鞋復位后偏轉角度，模擬結果見表2。

通過試驗觀察，旋轉自導式浮鞋在移動過程中能夠自動調整并保持引導方位，使引導能力較強的引導面最終始終保持朝向所接觸的井壁；根據表2數據可知，在不同初始偏轉角度的情況下移動浮鞋，最后偏頭引鞋總能夠復位至最佳引導狀態，且復位后其偏轉角度都在10°以內。試驗結果表明，旋轉自導式浮鞋具有自動調整最佳引導狀態的能力。

表2 旋轉自導式浮鞋自導向能力試驗結果Table 2 Self-guidance capacity test results of rotary selfguidance float shoe

3 現場應用

Field application

旋轉自導式浮鞋研制成功后，先后在延長油礦云頁平2井等3口頁巖氣水平井進行了成功應用，取得了良好效果。以云頁平1-1井為例，該井位于延安市延長縣張家灘鎮上余佛村南約400 m處，是陜西延長油礦在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部部署的一口頁巖氣水平井探井，該井設計井深和完鉆井深均為4 180 m，井底位移1 927 m，完鉆垂深2 455 m，最大井斜93°，最大狗腿度5.09 （°）/30 m，套管下深4174 m，套管直徑139.7 mm。

該井固井施工存在以下技術難點：（1）最大井斜達到93°，井眼軌跡曲折，最大狗腿度5.09 （°）/30 m，下套管遇阻風險較大；（2）位垂比較大，水平段套管下入摩阻較大，套管不易下放到位；（3）固井施工壓力較高，對浮箍浮鞋可靠性要求較高。

3.1.1 井眼準備 （1）用標準鉆頭通井，排量不小于1.8 m3/min，循環不低于2周；阻卡井段劃眼；（2）固井前鉆井液黏度調整到80 s以內。

3.1.2 技術措施 （1）為防止套管柱下端遇阻，確保回壓坐封可靠，采用引導及回壓能力較強的旋轉自導式浮鞋。（2）針對水平井下套管摩阻大的問題，在2100 ～3 500 m井段每2根套管安裝1只剛性扶正器，在3 500～4 170 m井段每2根套管間隔安裝1只滾輪扶正器。（3）下套管中途遇阻時，接循環頭邊循環邊進行下套管作業，上提下放噸位不超過工具和鉆井設備能力的80%［10-11］。

根據技術措施確定套管串結構（自下而上）：?139.7 mm旋轉自導式浮鞋+?139.7 mm套管×1根+?139.7 mm浮箍+?139.7 mm套管×1根+?139.7 mm浮箍+?139.7 mm長圓套管串+短套管（2 683.08～2 693.83 m）+?139.7 mm長圓套管串+?139.7 mm聯頂節。

下套管作業歷時24.5 h，作業過程中共下入扶正器145個，灌鉆井液19次，整個作業過程順利。

固井施工作業過程中，地面施工連續正常，替漿過程壓力為0～14MPa，碰壓22 MPa，水泥漿返出地面，泄壓無回流，表明浮箍浮鞋密封良好。

該井施工情況表明：旋轉自導式浮鞋引導能力較好，下套管過程未發生下鉆時遇到的阻卡情況，回壓坐封功能可靠，避免了憋壓候凝帶來的不良影響。

4 結論

Conclusions

（1）旋轉自導式浮鞋可自動調整最佳引導狀態，具有較強的自導向能力，可承受較高的反向回壓，具有較強的耐沖蝕性能和較強的功能可靠性。

（2）室內試驗和現場應用表明，旋轉自導式浮鞋能夠引導水平井套管順利下入，回壓坐封功能可靠，可廣泛應用于井眼軌跡曲折的大斜度井、水平井、高壓井的固井施工作業。

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（修改稿收到日期 2017-02-08）

〔編輯 薛改珍〕

Development of rotary self-guidance casing float shoe and its application in extended-reach horizontal wells

LI Shekun,ZHOU Zhanyun,REN Wenliang,QIN Keming,HOU Ping
Cementing Company,SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd.,Puyang457001,He’nan,China

A kind of rotary self-guidance float shoe was researched and developed to improve the guidance capacity of float shoes so as to deal with the difficult casing job in extended-reach horizontal wells.An offset guide shoe is used to reinforce the guiding capacity,a bi-directional spiral groove is used to adjust the guiding state automatically and an elastic-floating backpressure sealing structure is used for the realization of backpressure setting.The guidance mechanism of this tool can rotate freely along the axial line by 360°,and it can resist the temperature of 180 ℃ and backpressure of 50 MPa.After the guidance mechanism resets automatically,its angle of deflection is within 10°.It is indicated from laboratory experiments and field application that this rotary self-guidance float shoe is stronger in terms of self-guidance capacity and reverse pressure bearing capacity.By virtue of this tool,casing job can be implemented smoothly in horizontal wells whose hole trajectory is zigzag and the setting after the cementing is reliable.Shale gas wells are mostly in the form of extended-reach horizontal wells,so this tool can be extensively applied to casing job and cementing operation in various shale-gas horizontal wells.

extended reach; horizontal well; rotary self-guidance; float shoe; cementing; field application

李社坤，周戰云，任文亮，秦克明，侯平.大位移水平井旋轉自導式套管浮鞋的研制及應用［J］.石油鉆采工藝，2017，39（3）：323-327.

TE925.2

：B

1000–7393（2017 ）03–0323–05DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.013

: LI Shekun,ZHOU Zhanyun,REN Wenliang,QIN Keming,HOU Ping.Development of rotary self-guidance casing float shoe and its application in extended-reach horizontal wells［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 323-327.

李社坤（1966-），1988年畢業于西南石油大學鉆井工程專業，現從事固井技術研究工作。通訊地址：（457001）河南省濮陽市華龍區石化路100號中原固井公司。電話：0393-4882276。E-mail：Lishekun1@126.com

周戰云（1969-），1993年畢業于河北承德石油高等技術專科學校機械制造工藝與設備專業，現從事固井工具技術研究工作。通訊地址：（457001）河南省濮陽市華龍區石化路100號中原固井公司。電話：0393-4883033。E-mail：13839276555@163.com