內嵌卡瓦尾管懸掛器在老井側鉆中的優勢綜合分析

高果成

(中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

長慶油田目前有長停井、低效井上萬口，而開窗側鉆及壓裂改造一體化技術是實現長停井、低效井挖潛增效的有效手段之一，成為近些年長慶油田的重要工作方向。長慶油田油井原套管尺寸普遍為?139.7 mm，為此在?139.7 mm套管井內采用?118 mm鉆頭側鉆施工。但在下套管及固井施工中，由于井眼尺寸小、環空間隙窄，導致采用常規尾管懸掛器固井作業時存在摩阻大、循環壓力大、易提前坐掛、管串難以下入的問題。通過理論分析和現場應用，采用內嵌卡瓦尾管懸掛器可規避常規尾管懸掛器在老井小井眼側鉆固完井施工中存在的不足，提高懸掛固井成功率，減小現場施工難度，降低成本，提高施工效率。

一、側鉆水平井現場工藝分析

老井側鉆能夠充分利用老井眼、老設施，挖掘區塊產能潛力，獲得更多經濟效益。現有側鉆工藝中，主要使用的是懸掛器固井完井，相比較全井段套管固井，優勢在于成本相對較低，節省大量的管串及水泥漿成本費用；固井技術難度相對較小，長慶區塊油井?139.7 mm套管小井眼側鉆使用?118 mm的鉆頭進行側鉆，井眼曲率半徑短，懸掛器以下全井段水泥封固。現場管串設計：?88.9 mm引鞋+?88.9 mm浮箍+?88.9 mm浮箍+?88.9 mm套管串+?139.7 mm×?88.9 mm內嵌卡瓦尾管懸掛器+送入鉆具。

1. 懸掛器完井工藝優點

完井管串無裸眼封隔器等工具，管串結構相對簡單。管串重入井眼技術難度降低，由于坐掛丟手等工藝操作簡單，具有節省施工時間，降低施工風險的優點。

2. 懸掛器完井工藝缺點及困難

(1)懸掛器易提前坐掛或坐掛困難。由于上層套管為老井套管，在側鉆施工前進行過試采修井作業，套管完整性和井眼隱患不能完全預估，可能導致懸掛器在下入過程中提前坐掛或坐掛困難。

(2)下入套管困難。由于裸眼段井眼與套管間隙小，摩阻大，導致套管下入困難。在下入過程中，如果懸掛器性能穩定，可以通過循環方式幫助套管下入，但是并無太多新工藝新手段輔助套管下入。

(3)循環壓力異常。由于井眼與套管間隙小，大斜度段曲率半徑情況復雜，水平段循環頂替效率差。低邊沉砂較多，在固井過程中由于水泥漿攜砂能力強，懸掛器最小過流面積越小，循環壓力越高，易形成砂卡，造成井下異常。

二、常規尾管懸掛器和內嵌式卡瓦尾管懸掛器的對比

尾管懸掛器要能穩定的懸掛在上層套管內壁上，并且保證后期固井施工正常。其主要性能參數受到額定載荷、過流面積，最大外徑影響。?139.7 mm×?88.9 mm常規尾管懸掛器設計額定載荷為300 kN，最大外徑117 mm；?139.7 mm×?88.9 mm內嵌式卡瓦懸掛器設計額定載荷為380 kN、最大外徑?114 mm。從基礎參數可以看到，內嵌式卡瓦懸掛器較常規尾管懸掛器額定載荷更大，最大外徑更小。

1. 結構及特點

常規尾管懸掛器坐掛部分有液缸、連接桿、鉗牙三個組件，通過銷釘連接，它是通過液缸連接桿上推，讓卡瓦沿錐套直徑方向擴張，填滿外層套管與懸掛器的環空，卡瓦牙咬緊套管內壁，將尾管懸掛在上層套管上，結構見圖1所示。這種結構的懸掛器在運輸或者入井過程中，卡瓦容易受到瞬間外力的磕碰變形，或者導致銷釘脫落，尤其在老井小井眼中，上層套管在多年開采后，管壁質量無法保證，雖然在鉆井前期進行了上層套管內壁修整，保證了通徑的正常，但是依舊存在一定程度上套管壁的破損。在井眼間隙小、套管質量差的單井中，常規尾管懸掛器在下入過程中會容易發生卡瓦與破損的井壁刮擦，可能導致卡瓦、連接桿、銷釘的脫落，出現懸掛器提前坐掛或者組件掉落卡死管串；或是造成卡瓦、連接桿、液缸的變形，導致后期坐掛失敗。

內嵌式卡瓦尾管懸掛器的設計中，卡瓦與液缸連接部分優化為無連桿的結構，如圖2所示。由于力臂變短，力矩變小，卡瓦牙應力分布更加均勻，減少了因連接桿斷裂變形的安全風險。與液缸的連接使用了軸連接的固定方式，有效減小了卡瓦連接桿與液缸變形的可能[1]，同時該設計無銷釘連接，減少了細小部件脫落造成的井下施工風險。卡瓦通過錐套側面鍵槽向外擴張，卡瓦受力的過程，應力不會集中[2]，從而防止卡瓦部分斷裂，同時液缸與卡瓦連接部分有循環通道。

圖2 內嵌式卡瓦尾管懸掛器坐掛系統

2. 坐掛機制的設計

常規尾管懸掛器的坐掛載荷機制是卡瓦和錐體直接楔形受力方式，卡瓦與錐套以及外層套管形成接觸，受力點在錐套、本體、卡瓦表面和套管內壁接觸點上，向軸心方向線性排布。卡瓦上行后與外層套管形成咬合力決定了尾管最大載荷。

內嵌卡瓦懸掛器坐掛機制為周向受力和軸向受力的復合受力方式。由于卡瓦隱藏在錐套與錐套的間隙中，下套管時，防止鉗牙、卡瓦受外力沖擊，使卡瓦與液缸的連接不受不規則及破損套管壁的影響，保證懸掛器下入過程中的安全性。卡瓦在沿錐套鍵槽上行的同時徑向張開，卡瓦表面接觸外套管壁，能更穩定地與外層套管接觸形成咬合力進行尾管懸掛，卡瓦受力面積更大，內部應力分布更加均勻，應力峰值減小[3]。坐掛后，從圖3受力云圖對比可以看出，內嵌卡瓦尾管懸掛器受力更加均勻，卡瓦具有復合斜面承載結構，由軸向分解為周向和軸向承載，減小軸向力，增加了卡瓦與外層套管的接觸面積，降低坐掛處應力[4]。

3. 過流面積參數比較

獲得有效最大過流面積是懸掛器的重要設計方向，懸掛后過流面積越大，循環壓力越低。而懸掛器坐掛前后過流通道面積變化導致泵壓改變，所以懸掛前后過流面積變化率越低，循環泵壓越穩定，越能提高井壁穩定性[5]。同時按照SY/T 5083-2014《尾管懸掛器及尾管回接裝置》標準要求，尾管懸掛器坐掛后卡瓦處過流通道面積對上層套管與尾管接箍之間過流通道面積的比值應不小于35%。常規尾管懸掛器坐掛前卡瓦處過流通道面積2 177.58 mm2，坐掛后卡瓦處過流通道面積1 486.19 mm2，見圖4。坐掛后過流面積對上層套管與尾管接箍之間過流面積的比值為49%；內嵌卡瓦尾管懸掛器坐掛前卡瓦處過流通道面積2 721.97 mm2，坐掛后卡瓦處過流通道面積1 957.74 mm2，見圖5，坐掛后過流面積對上層套管與尾管接箍之間過流面積的比值為62%。

圖3 常規尾管懸掛器受力云與內嵌卡瓦懸掛器受力云圖

圖4 常規懸掛器坐掛處過流面積

圖5 內嵌卡瓦懸掛器坐掛后過流面積

由于過流面積最直接的影響就是固井前后循環凈化井眼和固井時環空質量，過流面積越大，越有利于在相同的環空返速下獲得更小的循環泵壓。常規尾管懸掛器在坐掛后過流面積減小，引起環空壓力增大，易導致蹩泵漏失的井下風險。而內嵌式卡瓦懸掛器坐掛前后，過流面積變化小，減小了在小井眼中環空蹩泵的井下風險。尾管懸掛器坐掛后卡瓦處過流通道面積對上層套管與尾管接箍之間過流通道面積的比值越大，懸掛前后的泵壓變化越小,對井眼的穩定性有益，所以內嵌式式卡瓦的設計優于常規懸掛器。

三、內嵌卡瓦尾管懸掛器在側鉆水平井中的優勢

1. 降低小井眼窄間隙循環壓力

根據現場統計，在長慶區塊的?139.7 mm側鉆井中，800 L/min的循環排量下，循環壓力范圍為12～15 MPa。下入套管前，充分循環井內鉆井液，破壞井底鉆井液凝膠結構，改善流變性，減小循環時可能帶來的激動壓力。由于懸掛器的瓶頸作用，導致開泵循環時，激動壓力較大，循環壓力偏高，其危險可能帶來懸掛器提前坐掛，或者裸眼段井壁受激動壓力和循環壓力影響坍塌而導致砂卡。

以兩口老井側鉆井為例，側19-004井使用?139.7 mm×?88.9 mm常規懸掛器進行作業，完鉆井深1 637 m，?88.9 mm套管下深1 631 m，?139.7 mm套管開窗位置1 097 m，裸眼段長533 m，懸掛器位置為895 m，鉆井液密度1.56 g/cm3，黏度45 s，失水5 mL，pH=9。側21-103井使用內嵌卡瓦尾管懸掛器，完鉆井深1 652 m，?88.9 mm套管下深1 646 m，?139.7 mm套管開窗位置1 056 m,裸眼段長懸掛器位置859 m，鉆井液密度1.57 g/cm3，黏度43 s，失水5 mL，pH=9。對兩口井頂通壓力及正常循環壓力進行對比，見圖6。

圖6 側19-004與側21-103頂通與循環壓力比較

根據過流面積的對比，理論上使用內嵌式卡瓦懸掛器可比常規懸掛器循環壓力小2～4 MPa。實際施工中，由圖6可見，使用內嵌式卡瓦懸掛器的循環壓力和頂通壓力比常規尾管懸掛器要小，所以相同排量情況下可達到更高的頂替效率和更大的攜砂通道，能讓循環時間及等停時間縮短。

2. 幫助小井眼窄間隙套管順利下入

?139.7 mm側鉆井裸眼段井眼擴大率小，環空間隙不超過19 mm。由于?88.9 mm油管抗拉強度低，遇阻解卡手段受限，如果使用常規懸掛器完井，則更難以解決下套管問題。相比常規懸掛器，內嵌卡瓦尾管懸掛器卡瓦隱藏在錐套內，下入過程不與井壁接觸，不出現卡瓦受力導致坐掛的情況。遇阻時，內嵌式卡瓦懸掛器可以進行套管旋轉解卡，所以操作手段更豐富；由于內嵌卡瓦懸掛器過流面積比常規懸掛器要大，在遇阻遇卡循環時壓差坐掛的可能性大大降低，上提下放更安全。

對側19-004井和側21-103井的套管下入摩阻及懸重進行記錄，套管下入過程中下放速度控制不超過為0.35 m/s。具體情況見圖7。

圖7 側19-004與側21-103裸眼段套管摩阻與懸重對比

由圖7可知，雖然側21-103井摩阻較側19-004井更大，懸重更輕，下入難度更大,但套管進入裸眼段后，由于環空最小間隙比常規懸掛器大，更利于在大摩阻段進行循環作業，環空激動壓力變小，減少對井壁的損害，減少上提下放次數。對兩口井下套管施工時長統計，側19-004井下套管施工時間為570 min，其中裸眼段下套管施工時間為320 min。側21-103井下套管施工時間為520 min，其中裸眼段下套管施工時間為280 min。使用內嵌式卡瓦尾管懸掛器的側21-103井施工時間比使用常規尾管懸掛器的側19-004井減少8.78%，裸眼段施工時間側21-103井比側19-004井減少12.5%。

3. 提高固井施工效率

套管下入完成后，進行懸掛施工和固井施工。常規尾管懸掛器需要進行中和點的精確計算，內嵌式卡瓦尾管懸掛器的中和點計算保證在正負50 kN即可，有效降低懸掛器現場施工人員操作難度和判斷難度。

側21-103井固井施工前以500 L/min排量循環壓力5.6 MPa，固井施工時壓力變化為2～11～22 MPa。側19-004井固井施工前以500 L/min排量循環壓力6.9 MPa，固井時施工壓力變化為3～13～23 MPa。兩口井比較，使用了內嵌式卡瓦尾管懸掛器的側21-103井在循環壓力和施工壓力都明顯小于使用常規尾管懸掛器的側19-004井。內嵌式卡瓦尾管懸掛器比常規尾管懸掛器坐掛后環空過流面積大13%，這與固井時循環壓力的變化基本成正比關系，表明了內嵌式卡瓦尾管懸掛器在相同施工條件下，能獲得更低的循環壓力，減小了施工風險和難度。

四、結論

(1)內嵌卡瓦尾管懸掛器比常規尾管懸掛器過流面積大，可以獲得更好的循環效果，降低循環壓力，提高小井眼窄間隙頂替效率。

(2)內嵌卡瓦尾管懸掛器的結構設計特點，可以在套管下入過程中使用邊循環邊下入和旋轉下入的技術手段進行遇阻段的下套管工藝控制，提高套管下入的成功率，減小下套管風險。

(3)內嵌卡瓦尾管懸掛器能降低固井施工的風險，提升現場施工的安全性，提高老套管側鉆井的利用效率。