玻璃鋼套管在蘇拉特盆地煤層氣井的應用

叢 科，李曉剛，劉英偉，苗 杰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

引言

澳大利亞蘇拉特（Surat）盆地的區(qū)塊北部具有豐富的煤層氣資源，由于與X-star煤礦公司的礦權(quán)重合，基于礦權(quán)管理協(xié)議，防止煤的開采過程中出現(xiàn)火花而產(chǎn)生燃爆事故，在該區(qū)塊的表層以下不允許有鐵質(zhì)套管。與常規(guī)的鋼制套管相比，非金屬材質(zhì)的玻璃鋼套管既能保證自身強度滿足施工要求,且在采煤過程中不會產(chǎn)生電火花和摩擦火花，提高了后期采煤的安全性。但是相對于普通鋼管，玻璃鋼套管在抗內(nèi)壓，抗拉以及抗扭都存在著很大局限性，給煤層氣鉆完井設計及施工帶來了很大挑戰(zhàn)，玻璃鋼套管的外觀見圖1。

圖1 玻璃鋼套管的外觀圖

煤層氣是與煤層礦藏伴生的天然氣資源，主要以烷烴類為主，是非常規(guī)能源的一種，近年來，國內(nèi)山西、四川等地發(fā)現(xiàn)了眾多煤層氣礦藏資源，海外的澳大利亞蘇拉特（Surat）盆地等地區(qū)，也發(fā)現(xiàn)了眾多煤層氣資源。玻璃鋼也被稱作玻璃纖維纏繞夾砂管，主要以環(huán)氧樹脂及其余的有機材料作為基體，是近年來新興的工程材料，和常規(guī)鋼制設備、鋼管相比，玻璃鋼套管具有無靜電、耐磨損、抗腐蝕、硬度高的特點，和常規(guī)不銹鋼材質(zhì)較軟的問題相比，玻璃鋼套管材質(zhì)較硬，不易磨損，廣泛用于造紙、城市給排水、化工、石油等工程領(lǐng)域。

國內(nèi)外目前常用的玻璃鋼套管主要有以下幾種：

1）FRE套管，強化環(huán)氧樹脂玻璃纖維套管，主要是通過混入的石英和玻璃來強化；

2）GRE套管，強化環(huán)氧樹脂玻璃套管，已經(jīng)應用于常規(guī)油井；

3）FRP套管，玻璃纖維強化塑料套管，采用聚酯樹脂，耐腐蝕，常用于化學工業(yè)。

玻璃纖維復合材料的變化多樣性主要是因為聚酯系列以及加工工藝的不同。不同的聚酯體系決定了不同的機械性能（強度）和化學性能（防腐），但這些性能都與溫度密切相關(guān)。昆士蘭煤層氣公司目前將GRE套管定位首選主要是因為GRE具有針對碳水化合物的獨有的聚酯體系，而且已經(jīng)成熟應用于油氣行業(yè)（在西澳的常規(guī)油氣井中有成功的應用）。為了適應蘇拉特盆地煤層氣井的設計要求，供貨商對GRE套管也做了一些適應性的改造。

1 玻璃鋼套管串設計

1.1 7寸玻璃鋼套管抗內(nèi)壓級別選擇

行業(yè)普遍對套管性能采用安全系數(shù)進行套管校核及井身結(jié)構(gòu)設計，在之前的作業(yè)中采用0.8的安全系數(shù)，這樣的套管設計偏保守。根據(jù)蘇拉特盆地之前的作業(yè)方式，套管所承受的最大壓力為1 250 psi，之前的作業(yè)7寸生產(chǎn)套管需要選擇最小抗內(nèi)壓1 750 psi等級的管材。

在實際作業(yè)中，根據(jù)API 15HR-High pressure Fibreglass line標準進行分析。

1）隨機抽取18個相同的套管樣本進行環(huán)向及軸向壓力測試；每跟套管都施加不同的內(nèi)壓；

2）測試時間持續(xù)超過6 000 h；

3）根據(jù)測試結(jié)果，將失效點按照應力（Y軸）與時間（X軸）記錄；

4）將這些失效點連接，制定線性回歸曲線，推測到175 000 h（20年）的套管最小失效應力；

5）玻璃鋼套管抗內(nèi)壓等于在最小失效應力的基礎上再采用0.67的安全系數(shù)。

6）根據(jù)以上分析，結(jié)合蘇拉特盆地生產(chǎn)周期及年限，最終選擇7寸玻璃鋼套管強度1 250 psi，來替代之前的1 750 psi級別套管，這樣對比下來套管成本降低超過30%以上。

1.2 玻璃鋼套管扣型選擇

套管接箍的強度直接影響了整個套管串的強度，由于GRE套管材質(zhì)和加工工藝的原因，其母接箍和本體是一個整體所以強度較高。但通常扣型為非API的，性能較差。因此改進后的扣型稱之為SPH，是常規(guī)Buttress扣的一種變形。設計為4扣/英寸，并且通過絲扣和密封圈實現(xiàn)雙密封。密封圈放置在公扣的頂端，與母扣的末端絲扣形成第一道密封。絲扣的咬合為第二道密封。GRE套管使用專用的絲扣油，這種絲扣油含有聚四氟乙烯及其它聚合物顆粒。一方面能潤滑絲扣防止上扣時的損傷另一方面通過這些聚合物顆粒填充絲扣間的空隙使絲扣連接更緊密從而提高整體強度（見圖2）。

圖2 玻璃鋼套管扣型

1.3 玻璃鋼預射孔套管設計

由于生產(chǎn)的需要，煤層段的套管為預射孔式生產(chǎn)套管。GRE套管的價格遠高于普通套管，尤其是割縫管，價格更高。所以如果100 m以下都換用普通預射孔套管就能在一定程度上降低成本。但經(jīng)過計算這樣的組合在下套管過程中的軸向載荷將超出GRE套管的安全值。對于GRE套管，因為強度的原因，只能在本體上割縫來代替圓孔，見圖3。

圖3 玻璃鋼套管割縫管

每根套管上的割縫分為28個單元，每個單元分為2組（2組之間相隔180°）每組有5條割縫，每條割縫長91 mm，寬10 mm。平均每根套管共有280條割縫，占套管總表面積的4.3%。GRE套管的脆性很高，受不了沖撞，所以在運輸、儲存時要格外小心。GRE套管通常都是6根一捆，分上下2排，每根之間都用緩沖材料隔開。下套管時使用雙吊卡，其吊卡也為特制。因為上扣扭矩很小，有不能經(jīng)受沖擊力，所以上扣采用鏈鉗，手動上扣。

這些地區(qū)的煤層氣井也需要下入PCP（progressive cavity pump）進行生產(chǎn)。目前所使用的PCP的定子部分是通過一個錨定系統(tǒng)固定在套管內(nèi)壁，以承受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反扭矩，保證PCP的正常運行。同樣，GRE套管不能承受這樣的扭矩，因此目前的方案是，最底端的4根套管選用普通的預射孔套管。

1.4 玻璃鋼套管井身結(jié)構(gòu)設計

由于玻璃鋼套管接箍并非API標準尺寸，玻璃鋼套管的接箍直徑太大，遠大于本體直徑，使得井身結(jié)構(gòu)受到很大的限制，井身結(jié)構(gòu)一般選用非常規(guī)尺寸，不能和常規(guī)井一樣采用通用的鉆頭和井口設備，增加了成本也加大了后勤供應的難度。這對后續(xù)鉆井工期費用，鉆完井工具選擇等都帶來了挑戰(zhàn)。因為都是成熟區(qū)塊的鉆井作業(yè)地質(zhì)情況和井控風險都很清楚，所以由生產(chǎn)管柱的尺寸反推套管尺寸，再決定鉆頭尺寸，具體見表1。

表1 玻璃鋼套管井井身結(jié)構(gòu)

由于玻璃鋼套管井井身結(jié)構(gòu)同普通煤層氣井井身結(jié)構(gòu)的不同，我們可以采用變扣、變徑短節(jié)等形式，完成玻璃剛套管與常規(guī)井口設備的對接，同時由于玻璃鋼套管的破裂壓力、失效壓力、抗拉特性與常規(guī)井口設備存在差異，在設計時，我們需要應用Solidworks Simulation、Ansys等有限元工程分析軟件，對玻璃套管的強度，尤其是在大狗腿度、大斜度井的特殊工況下玻璃套管的強度進行校核，使其安全系數(shù)達到1.5或以上等級。

2 玻璃鋼套管井作業(yè)固井工具選擇

普通煤層氣井的固井工具選用管外封隔器與液壓分級箍配合使用，固井期間最大碰壓壓力達到2 200 psi，而普通玻璃鋼套管的抗內(nèi)壓僅有1 250～1 750 psi，這對我們現(xiàn)場作業(yè)，固井工具的選擇，提出了新的要求。

由于受玻璃鋼套管抗內(nèi)壓強度的限制，所使用的管外封隔器和分級箍都是通過機械的方式來實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換。在套管下到位后，用特制的C型補心組合開關(guān)工具。開關(guān)工具主要由上、下試壓皮碗，負荷顯示器和開關(guān)滑套所組成。管外封隔器的座封所需的壓力密閉在上、下皮碗之間，傳不到玻璃鋼套管；分級箍的開關(guān)是通過開關(guān)滑套的下移和上移來實現(xiàn)，所以很好的解決了玻璃鋼套管的承壓問題。機械式分級箍的工作原理如圖4所示。

圖4 機械分級箍工作原理示意圖

3 玻璃鋼套管井口選擇

普通煤層氣井井口采用快速扣連接下入方式，避免了隔套管，下卡瓦時間，并且表層固井無需等待過長的凝固時間，縮短作業(yè)的時間周期。而在玻璃鋼套管井中，由于套管尺寸限制，只能采用分體式井口。

在下入表層套管過程中，存在一個問題，防噴器組和套管頭的重量遠遠大于GRE套管的軸向載荷。最好的解決辦法就是通過普通套管將井口裝置的重量分散到方井口。因此選用井口基盤與承重卡瓦的組合。下套管前，將32”×125/8”的井口基盤平置與導管之上（事先將導管割的與方井口底部平齊）。103/4”套管要預先配長，從方井口底部以下3 m至井口是普通炭鋼套管＋聯(lián)頂節(jié)的組合。套管到位后，固井，當頂替結(jié)束時，立即將承重卡瓦放在基盤中，下放套管重量。

4 玻璃鋼套管井扭矩錨的考慮

普通煤層氣井采用螺桿泵完井方式，為了防止生產(chǎn)過程中螺桿泵突然倒轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭矩，一般在油管管竄下部采用扭矩錨。在采用鋼管套筒作業(yè)的油井上，完井過程中要安裝一個扭矩錨，以防井下泵組扭矩上升和失速時油管連接處松脫，造成設備落井等油田作業(yè)事故，需要大修作業(yè)。而玻璃鋼套管外殼組合抗扭矩（mut）強度很低，不能承受在這種情況下可能出現(xiàn)的井下泵組扭矩、或油管連接處松脫造成的對套管外殼應力的影響。因此，為了保證PCP的正常運行目前有兩種方案。第一是采用扭矩錨，在最底端的4根套管選用普通的預射孔套管。第二種方案是采用高扭矩的油管，通過在油管中預安裝高扭矩環(huán)，可以大幅度提高油管的抗扭能力，降低生產(chǎn)過程中的倒扣風險。

5 結(jié)語

文章介紹了玻璃鋼套管在蘇拉特盆地的煤層氣井作業(yè)中的改進以及應用。為防止煤的開采過程中出現(xiàn)火花而產(chǎn)生燃爆事故，在該區(qū)塊的表層以下不允許有鐵質(zhì)套管。與常規(guī)的鋼制套管相比,非金屬材質(zhì)的玻璃鋼套管既能保證自身強度滿足施工要求,且在采煤過程中不會產(chǎn)生電火花和摩擦火花,提高了后期采煤的安全性。Surat盆地某作業(yè)者在煤層氣開發(fā)過程中采用玻璃鋼套管（Glass Reinforced Epoxy）來完成鉆完井作業(yè)，該項目共有27口煤層氣井中應用了玻璃鋼套管。玻璃鋼套管不像炭鋼套管那樣具有高強度、抗沖擊、耐彎曲，其突出特點就是脆性高，承受不了較大的沖擊，而且耐壓程度也比較低。因此使用GRE套管作為煤層氣井的套管具有很多困難。