小井眼側鉆水平井液壓套管扶正器研制與應用

李云峰, 王在明, 肖國華, 沈園園, 黃曉蒙

(中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院)

小井眼側鉆水平井技術是基于小井眼鉆井技術、側鉆井技術及水平井技術發展起來的一項綜合的鉆井新技術，該技術能進一步挖潛老井的剩余油，恢復并提高單井產量和最終采收率，目前已成為國內油田老區塊套損井治理、長停井復產、挖潛剩余油的重要技術手段之一[1-6]。為此，冀東油田也開展了?139.7 mm套管開窗小井眼側鉆水平井應用，并取得了一定效果。但由于?139.7 mm套管開窗小井眼側鉆水平井環空間隙小，套管居中困難，固井后形成的水泥環薄厚不均，導致小井眼側鉆井固井質量差，后期易出水，造成小井眼側鉆水平井壽命短，致使小井眼側鉆水平井未能形成規模化應用。

目前，為提高小井眼側鉆水平井的套管居中度，保證后期的固井質量，主要采用的是隨套管串下入一定數量的彈性扶正器和剛性扶正器。其中剛性扶正器主要是通過尺寸上的差別來保護被扶正的套管相對居中，雖然其可以提供很大的扶正力，但該扶正器的外徑受下入套管內徑的限制，且套管的居中度相對較差；而彈性扶正器是通過彈性鋼片提供一定的彈力來使套管居中，雖然其可以使套管能保持較好居中，但在彈片提供的彈力小于套管的徑向力時，被扶正套管的居中度無法保證。同時小井眼側鉆水平井由于井眼較小，在井眼條件不夠理想的情況下，以上兩種扶正器很容易造成套管串下入困難，導致固井質量差[7-9]。針對以上問題，筆者在借鑒國內外套管扶正器原理及應用情況的基礎上[10-13]，研制出了一種液壓剛性套管扶正器，其隨套管串一起下入井筒中，能夠有效提高套管的居中度，保證固井質量，延長小井眼側鉆水平井的生產壽命。

一、液壓剛性套管扶正器結構及工作原理

1. 液壓剛性套管扶正器結構

液壓剛性套管扶正器主要由上接頭、上活塞、“O”型密封圈、下活塞、鎖環、椎體、扶正抓、下接頭等組成，結構如圖1所示。

圖1 液壓剛性套管扶正器結構圖

1上接頭 2“O”型密封圈 3上活塞 4下活塞 5鎖環 6椎體 7扶正抓 8下接頭

2. 工作原理

液壓剛性套管扶正器隨套管串下入預定深度后，通過井口打壓(壓力10～12 MPa)的作用，套管內壓切斷扶正器的銷釘，椎體在多級活塞推動下促使扶正向外擴張，在扶正抓向外擴張緊貼或嵌入井壁的情況下，實現套管的居中，且椎體對扶正抓也起到硬扶正支撐作用；同時活塞上鎖環對椎體實現鎖緊的功能，防止椎體發生松動倒退，進而保證扶正抓的撐開效果，防止扶正抓受外力發生收縮變形。

二、主要技術參數與性能特點

1. 主要技術參數

液壓剛性套管扶正器技術參數主要為：總長度為1 070 mm，外徑110 mm，撐開最大外徑88 mm，內通徑82mm，啟動壓力10～12 MPa，撐開壓力8～9 MPa，扶正力≥5 t/級。

2. 性能特點

(1)外徑小，與?95.25 mm完井套管接箍外徑一致，便于下入。

(2)多級活塞液壓扶正，操作簡便、安全可靠。

(3)剛性扶正，周向均勻，降低了套管柱自身重力效應的影響，保證套管柱的始終處于居中位置。

(4)扶正外徑大，其扶正抓撐開后外徑達到138 mm，具有較強的扶正效果。

三、關鍵技術

1. 扶正抓結構設計

綜合考慮液壓剛性套管扶正器扶正效果和扶正抓撐開后對過流面積的影響，設計扶正器徑向圓周均勻分布了12個扶正抓，且扶正抓采用高強度鋼制成，具有較強的扶正力，既保證套管柱始終處于居中位置，降低了套管柱自身重力效應的影響，同時扶正抓撐開后對后期固井施工作業沒有影響(見圖2)。

圖2 多級式活塞液壓剛性扶正器扶正抓實物圖

2. 椎體結構設計

為了保證液壓剛性套管扶正器扶正抓能夠有效撐開，在扶正器椎體與扶正抓接觸的位置采用了斜坡結構的設計，既保證了椎體在活塞的作用下推動扶正抓向外撐開，又對扶正抓起到硬扶正支撐作用，防止扶正抓受外力壓縮變形，提高扶正的效果。

3. 鎖緊機構設計

設計螺紋與斜面配合的鎖緊機構實現鎖緊功能，當活塞推動椎體促使扶正抓向外擴張時，鎖環也隨著椎體一起向下移動，并對椎體有效實現鎖緊功能，防止椎體因泄壓后發生松動或倒退，保證扶正抓不會由于椎體的松動或倒退而回位。

四、室內試驗

1. 密封性試驗

為了保證液壓剛性套管扶正器具有良好地密封性能，以水作為介質對其開展密封性能測試，測試結果表明：其承壓在30 MPa以上，完全能夠滿足現場施工的要求。

2. 抗拉、抗扭試驗

依據冀東油田?139.7 mm套管開窗側鉆水平井下入的套管外徑為95.25 mm，鋼級為N80Q，壁厚為6.5 mm，其抗拉強度為700 kN，抗扭強度17.63 kN·m,因此，確定液壓剛性套管扶正器抗拉承載能力大于700 kN，扭矩承載能力大于18 kN·m。

為了驗證液壓剛性套管扶正器的強度能否滿足下套管安全作業的要求，對液壓剛性套管扶正器進行了抗拉強度、抗扭強度性能測試。測試其抗拉強度時，將液壓剛性套管扶正器放在抗拉強度試驗機上，然后施加軸向拉伸載荷至700 kN，穩載5 min，液壓剛性套管扶正器未發生變形及斷裂。測試抗扭強度時，將液壓剛性套管扶正器放在抗扭強度試驗機上，對其施加扭矩20 kN·m，穩載5 min，卸載后檢查，液壓剛性套管扶正器無損壞、無變形。通過室內試驗結果表明：液壓剛性套管扶正器抗拉強度大于700 kN，抗扭強度達20 kN·m，表明液壓剛性套管扶正器的強度能夠滿足下套管安全作業的要求。

3. 撐開試驗

為了驗證液壓剛性套管扶正器扶正抓是否能夠順利撐開、撐開壓力的大小是否達到設計要求以及撐開后的尺寸能否保證套管居中，對液壓剛性套管扶正器進行了撐開試驗。在測試時，當壓力達到10.8 MPa時，液壓剛性套管扶正器銷釘剪斷，多級活塞開始運動，壓力下降；繼續打壓，活塞開始推動椎體對扶正抓進行向外撐開運動，活塞當壓力達到8.86 MPa時，扶正抓完全撐開，其撐開外徑達到138 mm。根據?139.7 mm套管開窗后井眼的直徑為118 mm，按照井徑擴大率12%～15%計算，其裸眼段井徑132～136 mm，而液壓剛性套管扶正器扶正抓撐開外徑達到138 mm，完全滿足扶正套管的需求，有效提高套管的居中度，保證后期固井質量。

4. 套管串支撐試驗

為了進一步驗證液壓剛性套管扶正器能否有效提高側鉆水平井水平段套管的居中度，在地面開展了套管串支撐試驗。地面試驗發現，1個液壓剛性套管扶正器能夠支撐2根外徑為95.25 mm套管離開地面至少20 mm，而1個液壓剛性套管扶正器對3個外徑為95.25 mm套管進行支撐時，由于套管的擾性作用，套管串中間部分有貼地的現象，其貼地在1～3 m。因此為了提高側鉆水平井水平段套管的居中度，依據套管居中設計與校核、力學分析方法及套管自身的擾性作用[14-17]，建議側鉆水平井水平段每2根套管安裝一個液壓剛性套管扶正器，造斜段每3根套管安裝一個液壓剛性套管扶正器，以達到提高套管的居中度，提高后期固井質量的目的。

五、現場試驗應用

截至目前，液壓剛性套管扶正器在冀東油田?139.7 mm套管開窗側鉆水平井試驗應用了5口井，其完井管柱為：浮鞋+套管+浮箍+套管+球座式碰壓座+套管組合+液壓剛性套管扶正器+套管組合+尾管懸掛器+送入鉆具，5口井共計應用液壓剛性套管扶正器125個，固井成功率100%，且水平段一界面固井質量優質率100%，二界面優質率98%，側鉆水平井水平段的固井質量得到了明顯的提高，后期生產油井含水率較低，如表1所示。

表1 小井眼側鉆水平井應用液壓剛性套管扶正器情況

1. 試驗井基本情況

CPA1井深2 300 m，垂深1 850 m，側鉆裸眼段長650 m,水平段長150 m，最大井斜角91°，完鉆鉆井液密度1.10 g/cm3，黏度45 s，井身結構如圖3。

2. 液壓剛性套管扶正器施工情況

為了提高該側鉆水平井水平段套管的居中度，保證水平段的固井質量，該井在水平段采用的是每兩根套管應用一個液壓剛性套管扶正器，造斜段是每三根套管應用一個液壓剛性套管扶正器，共計應用了24個液壓剛性套管扶正器。

圖3 CPA1井身結構

現場施工過程中，首先按照設計方案連接好套管串組合后，進行下套管作業，同時要控制好下套管的速度；其次，在套管串下到預定位置時，進行循環洗井，循環1～2周確保能夠將井底巖屑循環出來，為后期固井的施工順利和提高固井質量創造條件；再次進行投球、打壓施工，打開套管串中的液壓剛性套管扶正器；最后繼續打壓，憋通球座，使井筒建立循環通道，進行注水泥固井施工作業。

3. 應用效果

CPA1固井施工完成后，電測結果顯示，該側鉆水平井水平段固井質量一界面優質率為100%，二界面為優良，有效驗證了應用液壓剛性套管扶正器側鉆水平井的固井質量優于應用常規彈性或剛性扶正器側鉆水平井的固井質量。

六、結論

(1)液壓剛性套管扶正器設計的多級式活塞、硬扶正支撐的椎體及具有防止發生松動或倒退的鎖環，既降低了對地面打壓設備的要求，又保證了在較小的壓力下實現扶正抓向外擴張并產生較大的扶正力，提高套管的居中度。

(2)室內測試表明,液壓剛性套管扶正器的結構合理、性能安全可靠，能夠有效提高?139.7mm套管開窗小井眼側鉆水平井套管的居中度，解決了因環空間隙小、套管居中度低導致的固井質量差的問題，成為進一步提高側鉆水平井生產壽命一種新的技術手段。

(3)現場5口小井眼側鉆水平井試驗表明,液壓剛性套管扶正器有效提高了套管居中度，保證了小井眼側鉆水平井一界面和二界面的固井質量，為利用小井眼側鉆水平井開展老區塊油藏剩余油高效挖潛提供了有力技術保證，建議進一步推廣應用。