尾管漂浮減阻系統設計

張冠林，趙 聰，梁曉陽，宋劍鳴，曹 博，鄭杜建

1德州大陸架石油工程技術有限公司2中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院

0 引言

隨著深海和非常規油氣田的不斷勘探開發以及鉆井技術的革新，超深大位移井、水平井越來越多。常見的套管下放困難及下放不到位等問題，輕則影響固井質量，嚴重的可能會使得套管無法達到目的層，導致單井報廢等重大事故。部分區域采用安置更多的扶正器來保證套管串的居中效果，但扶正器在套管重量下可能會劃傷裸眼井壁，造成泥砂堆積，形成橋堵，進一步增大下入阻力。近幾年，部分油氣田開始采用套管漂浮下入技術，通過在水平段或大斜度段套管內填充空氣或輕質流體，增大套管所受浮力，從而減小套管下入摩阻，能夠有效解決上述問題［1-6］。但隨著井深增加，井底工況日趨復雜，常規全井筒套管固井已不滿足作業需求，目前油氣田大多采用尾管懸掛固井技術，但在水平井或大位移井中，存在上層送入鉆具重量無法克服尾管段摩阻等問題，導致下尾管粘卡、工具提前動作等隱患，甚至會使管柱斷裂，造成重大事故。為解決上述問題，設計出了適用于尾管固井的漂浮減阻系統。

1 尾管漂浮減阻系統組成及下入可行性分析

超深水平井及大位移井尾管固井管串下放遇阻主要原因是水平段或大斜度段尾管與裸眼井壁間的摩阻較大，且該類井垂深較淺，上層鉆具重量無法克服摩阻導致，而尾管與裸眼井壁間的摩擦系數固定，想要減小摩阻就必須要通過降低尾管與裸眼井壁間的正壓力來實現。尾管漂浮下入原理就是通過將漂浮減阻器單元接于尾管懸掛器下方，使其與浮鞋間尾管內填充空氣或輕質流體，尾管串所受浮力增大，從而減小摩阻。

1.1 尾管漂浮減阻系統組成及具體施工方案

針對水平井及大位移井尾管固井下放困難的問題，考慮尾管固井特點，結合套管漂浮下入技術，優化漂浮減阻器系統結構，設計尾管固井專用漂浮減阻系統，并形成尾管漂浮下入管柱（圖1），自下而上依次為：高反向承壓水泥浮鞋+套管+水泥防轉承托浮箍+套管串+漂浮減阻器單元+膠塞系統+尾管懸掛器+送入鉆具至井口，水平段及造斜段尾管增設扶正器。

圖1 尾管漂浮下入管串結構示意圖

具體施工流程：按照管串圖連接，高反向承壓水泥浮鞋及漂浮減阻器單元之間不灌漿，使兩者之間的尾管串內充滿空氣，漂浮減阻器單元以上灌滿鉆井液；尾管串在漂浮減阻器作用下順利到達設計位置，井口憋壓至懸掛器坐掛剪釘剪斷，坐掛懸掛器后進行送入工具丟手操作，丟手成功后，繼續憋壓至漂浮減阻器打開，開始在管柱內置換空氣至井口；待整個管柱內充滿鉆井液后，井口憋壓至高反向承壓水泥浮鞋打開，管柱內外建立循環；井口投球，憋壓球落在清理膠塞球座上，憋壓剪斷剪釘，清理膠塞下行將漂浮減阻器單元內芯部分推至浮箍處，繼續憋壓剪脫球座，建立循環；注水泥漿，井口投放鉆桿膠塞，替漿至尾管膠塞處復合，剪脫尾管膠塞，繼續替漿至浮箍處實現碰壓，完成漂浮尾管固井流程。

1.2 尾管漂浮下入可行性分析

尾管漂浮減阻系統也有其自身局限性，即下入過程中不能開泵循環，與常規尾管懸掛器配套使用過程中，若裸眼段井眼軌跡較好，且裸眼段巖層較致密，可使尾管順利下放到設計井深，并完成固井流程；若井眼軌跡較差，且裸眼段巖層易坍塌，則很有可能在下入過程中遇到砂橋等，導致下入遇阻，此時若開泵，則會導致尾管懸掛器提前坐掛，整個管串向下方向錨定，此時只能上提將管串提出井口，循環洗井后，重新下放管串。

鑒于上述裸眼井壁易坍塌的特殊情況，筆者通過調研國內外先進尾管固完井技術，提出了兩種針對該種情況的解決措施：一是增加懸掛器坐掛壓力，將其調整至35 MPa，若出現遇阻情況，可直接憋壓打開漂浮減阻器后循環，下放到位后，不進行坐掛、丟手作業，而是直接固井，使鉆桿膠塞及尾管膠塞在浮箍處碰壓至35 MPa，坐掛懸掛器后，再做丟手操作；該種方法要求固井用水泥領漿稠化時間長，且必須實現碰壓，碰壓壓力要高于懸掛器坐掛壓力，依賴因素較多。二是與目前先進的壓力平衡式尾管懸掛器配套使用，由于其平衡液缸式坐掛機構存在，允許遇阻后憋高壓，而懸掛器液缸不動作，待漂浮減阻器打開后，大排量循環，進入壓力平衡式尾管懸掛器常規下放（尾管漂浮下入失效）及固井流程［7］。

綜上所述，尾管漂浮下入技術可行，且可以分為以下三種使用情況：若裸眼段軌跡較好且井壁較穩定，可采用常規尾管懸掛器配套漂浮減阻器使用；若裸眼軌跡較差且井壁易坍塌，可采用提高尾管懸掛器坐掛壓力的方式或采用壓力平衡式尾管懸掛器配套漂浮減阻器使用。

2 尾管漂浮減阻系統關鍵技術分析

尾管固井用漂浮減阻系統較套管固井更復雜，主要難點體現在以下幾方面：一是漂浮減阻器打開時壓力較大，如何保證尾管懸掛器液缸處的滑動密封效果及液缸的抗內壓強度，避免液缸處密封失效；二是尾管串采用送入鉆具送到設計位置，不可能在井口投放清理膠塞，如何在固井之前將漂浮減阻器內芯部分推至浮箍處；三是如何控制各剪釘間壓力等級，以確保各動作準確執行；四是尾管漂浮下入需要較多的膠塞及鋁合金制品，如何保證固井之后的可鉆性，提高鉆塞效率。

針對上述問題，提出了以下技術措施：一是采用組合密封形式，確?；瑒雍蟮拿芊庑Ч⑶以诒ＷC通徑要求的前提下，加厚管壁并采用抗內壓強度與抗外擠強度更好的高性能材料；二是采用尾管膠塞與清理膠塞組合的雙級膠塞系統代替目前尾管固井主流的單級尾管膠塞；三是通過增大各剪釘間的壓力差，來保證各動作可靠；四是采用防轉機構，實現從鉆桿膠塞到浮箍處的防轉效果。

2.1 組合密封技術

為保證滑動后的高壓密封，在液缸處采用最新的格萊圈組合密封結構（圖2），在“O”形密封圈兩側增加兩個帶凹槽的格萊圈，可以避免“O”形密封圈在滑動過程中擠入軸孔間隙造成密封圈損壞，進而密封失效現象；同時加厚液缸壁厚，并采用高強度合金鋼材質，保證其強度。該技術在尾管回接壓裂工具中已普遍應用，且最高密封達到90 MPa，符合尾管漂浮減阻系統使用［8］。

圖2 液缸處格萊圈組合密封形式

2.2 雙級膠塞系統

雙級膠塞結構如圖3所示，主要由清理膠塞、尾管膠塞、碰壓座、球座等組成。其主要工作原理是待漂浮減阻器單元打開后，井口投球，落在球座上，憋壓剪斷清理膠塞剪釘6，清理膠塞下行將漂浮減阻器單元內芯推至浮箍處，繼續憋壓剪斷球座剪釘8，球座落到承托盤11上，內外循環建立；之后進入常規尾管固井流程，注水泥后，井口投放鉆桿膠塞，在尾管膠塞處復合后剪斷尾管膠塞剪釘2，帶動尾管膠塞于浮箍處碰壓［9-10］。

圖3 雙級膠塞系統結構示意圖

使用雙級膠塞系統，清理膠塞在固井之前可以把漂浮減阻器內芯推至浮箍位置，避免內芯在固井過程中殘留在漂浮減阻器單元下方不遠處卡住出現替漿受阻而導致的“灌腸”等重大事故，保證固井施工安全可靠。但雙級膠塞系統剪釘較多，需要通過調整各級剪釘剪切值來保證各動作的順利進行。

采用壓力平衡式尾管漂浮下入技術，由于其球座式尾管膠塞結構復雜，目前僅能實現單級膠塞固井，即漂浮減阻器及浮鞋打開后，直接注水泥并投放鉆桿膠塞替漿，通過尾管膠塞將漂浮減阻器單元內芯推至浮箍處，實現碰壓。

2.3 剪切壓力值確定

根據漂浮減阻系統使用原理，其上部管串灌滿鉆井液，管柱的液柱靜壓力直接作用到漂浮減阻器單元上，與鉆井液密度和漂浮減阻器下深成正比，管柱在下放過程中產生一定的激振壓力，需要設定安全系數，故漂浮減阻器打開壓力設定為30 MPa左右，具體情況視井況調整。考慮激振壓力，若采用常規尾管懸掛器，則將坐掛壓力較常規提升1.5倍，設定為15 MPa；若采用提高坐掛壓力的方式來實現管串遇阻后的循環效果，則將坐掛壓力調整為35 MPa；若采用壓力平衡式尾管懸掛器，懸掛器剪釘剪切壓力不做調整，設置為10 MPa。雙級膠塞系統中，各單元動作較多，為提高三級剪釘釋放可靠性，將清理膠塞剪釘設定為3～4 MPa，球座剪釘設置為6～7 MPa，大小膠塞復合剪釘設置為12～14 MPa。

2.4 防轉機構

為保證固井結束后，節省鉆塞時間，提升作業效率，采用水泥式浮箍、浮鞋，同時在水泥浮箍上部承托環處增設防轉槽，與漂浮減阻器單元內芯下部防轉齒配合，實現內芯與浮箍的防轉；在內芯配合部件間設置“牙嵌”，保證上、下膠塞之間的防轉效果；在內芯上部設有防轉槽，同時在清理膠塞下部設置防轉齒，實現清理膠塞與內芯的防轉；清理膠塞與尾管膠塞間設置“牙嵌”，尾管膠塞與鉆桿膠塞間設置專用螺旋鎖緊卡簧（見圖4），這樣就保證了從鉆桿膠塞直至水泥式浮箍處的防轉效果和施工作業效率。

圖4 各單元間的防轉機構結構圖

2.5 工具性能參數及地面性能評價

2.5.1 主要技術參數

目前尾管用漂浮減阻器系統有?139.7 mm、?177.8 mm和?244.5 mm三種規格，配套?193.7 mm×139.7 mm、?244.5 mm×177.8 mm和?339.7 mm×244.5 mm規格尾管懸掛器使用，主要性能參數見表1。

表1 漂浮減阻器單元主要技術參數

2.5.2 地面性能測試

根據尾管漂浮減阻系統的工作原理及施工流程，進行了漂浮減阻器單元打開動作試驗、雙塞系統分級動作測試、高反向承壓水泥浮鞋打開試驗及整機動作試驗。

試驗以?139.7 mm尾管漂浮減阻系統為例，漂浮減阻器單元打開壓力30.3 MPa；雙塞系統各單元動作順利，清理膠塞剪切壓力3.5 MPa，球座剪切壓力6.6 MPa，大小膠塞復合剪切壓力12.8 MPa；高反向承壓水泥浮鞋打開壓力3 MPa，各單元動作及壓力值均符合設計要求。

按照尾管漂浮下入管串連接各單元（圖5），懸掛器送入工具上部連接試驗臺架并與增壓泵連接，下部放入試驗井內，懸掛器卡瓦處安放短的模擬套管并與試驗井井口固定。

圖5 尾管漂浮下入整機測試管柱結構圖

首先利用增壓泵憋壓至14.7 MPa，懸掛器坐掛，之后利用試驗臺架正轉20圈后丟手，繼續增壓至29.7 MPa，漂浮減阻器打開，泵入清水至內管注滿后，憋壓至3.8 MPa，浮鞋打開，管柱內外連通并建立循環；之后投球，憋壓至4 MPa，清理膠塞剪脫至浮箍處，繼續憋壓至7.1 MPa，球座剪脫，內外連通，后投放鉆桿膠塞于懸掛器位置與尾管膠塞復合，壓力升至13.1 MPa，尾管膠塞剪脫至浮箍處實現碰壓15 MPa。整機測試時，各單元動作順利實現，滿足現場施工需求。

3 結論

（1）通過優化套管漂浮減阻系統結構，結合尾管懸掛器使用原理，形成尾管漂浮減阻系統以增加水平段尾管所受浮力，減小尾管下放摩阻，使尾管能利下放到設計井深，提高施工效率和固井質量。

（2）采用新型組合密封及金屬密封形式，選用尾管雙級膠塞系統，調整優化各級剪釘級差，設置專用防轉機構等四項關鍵技術，保證尾管漂浮下入技術的安全可靠；地面性能測試，尾管漂浮減阻系統各單元動作順利，滿足現場施工需求。

（3）根據尾管漂浮減阻原理提出了三種施工技術：常規尾管漂浮下入技術、應急高坐掛壓力尾管漂浮下入技術、壓力平衡式尾管漂浮下入技術，并分析各自優劣，現場可根據不同井況選擇。