套管浮箍浮鞋選型分析及失效預防措施

徐星

摘要：浮箍浮鞋失效會造成管內留塞，環空水泥漿返高不夠，增加作業時間和成本。對比分析了不同類型浮箍浮鞋的結構和技術特點。結合API標準，介紹了浮箍浮鞋的主要性能評價指標和測試標準。分析了浮箍浮鞋失效的影響因素，并提出針對性的預防措施。為不同井況下浮箍浮鞋的合理選型及提高使用成功率提供參考。

關鍵詞：浮鞋; 浮鞋; 性能; 選型; 失效; 預防措施

中圖分類號：TE925.203? ?文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.010

Abstract：Float collar and float shoe can effectively prevent the annular cement slurry from being poured back into the pipe after cementing， and they can be used as an internal spraying tool， while the guide pipe string is smoothly entered into the well， increasing the buoyancy of the pipe string in the lower casing process， which is crucial to improving the cementing quality. On the basis of the comparative analysis of the structure and technical characteristics of different float collars and float shoes， the main performance evaluation indicators and test standards of float equipment were introduced， the influencing factors of the failure of float equipment were analyzed， and the targeted preventive measures were put forward to provide a reference for the reasonable selection of the float equipment under different well conditions and the improvement of the success rate of use.

Key words：float collar; float shoe; performance; selection; failure; preventive measure

浮箍浮鞋是一種應用十分廣泛的固井工具附件，主要作用有防止固井結束后水泥漿在U型管效應下倒返回管內，用于接收固井膠塞碰壓。在下入套管過程中作為內防噴工具，增加管串的浮力，準確控制套管內水泥塞高度，從而確保固井質量。雖然浮箍浮鞋的生產制造工藝簡單，但在固井作業中發揮的作用不容小覷。一旦浮箍浮鞋失效，會導致管內留塞過長，以及水泥漿返高不夠，無法有效封固目的層。額外的鉆塞時間以及擠水泥等補救措施會增加作業成本。因此，有必要對不同種類浮箍浮鞋的結構特點、性能評價方法，失效原因及預防措施進行分析。針對不同井況選擇合適的浮箍浮鞋，降低浮箍浮鞋失效發生的概率，為現場固井作業提供指導。

1 浮箍浮鞋主要種類及結構特點

浮箍浮鞋主要由外殼、防回壓機構及內部填充材料組成。外殼通常選用等同或高于套管鋼級的厚壁管或接箍材料加工而成。防回壓機構通過設計帶有彈簧機構的單流閥，或靠浮力作用的浮閥，實現管內流體正向流通，反向截止。在外殼和防回壓機構之間一般通過填充混凝土，或設計鋁合金材質內套，實現防回壓機構的限位固定。

1.1 按內部填充材料分類

不同種類的浮箍浮鞋具有各自的性能特點，按照內部填充材料不同可分為水泥式和金屬式，結構如圖1所示。

水泥式浮箍（如圖1a）的內部填充材料為水泥。殼體內部設計有凹形槽，可增加水泥的附著力。由于水泥的鉆除速度快，強度高，可適應不同形狀的內部輪廓結構，生產成本低，應用非常廣泛。金屬式浮箍（如圖1b）內部材料采用鋁合金閥座，以螺紋連接的方式與外殼連接，單流閥采用銅制材質，表面硫化橡膠，提高其密封性能。與水泥式相比，金屬式浮箍在運輸和使用過程中不易因碰撞或處置不當發生結構破壞，可以承受更高的井下溫度。缺點是易發生沖蝕，并且鉆除時間較長。

1.2 按防回壓結構分類

浮箍浮鞋按照防回壓結構不同可分為柱塞閥式、浮球式和舌板閥式，結構如圖2所示。

柱塞閥式結構主要由柱塞閥、閥座、導桿、導桿座和彈簧等組成。柱塞閥在彈簧的彈力作用下與閥座接觸實現反向密封。閥座與外殼之間通常填充混凝土，實現單流閥固定。柱塞閥式結構設計受力均勻，不容易發生應力集中，使用最廣泛。根據柱塞閥安裝位置的不同又可分為正向式（如圖2a）和倒懸式（如圖2b）。正向柱塞閥的彈簧和導桿設計在閥體以下，密封位置位于上部的閥體和閥座之間，要求在密封位置以上設計足夠長度的外殼以實現有效密封。正向式結構的優點是當正向循環時閥體壓縮彈簧，彈簧會退縮進入下面的凹槽內，可以更好地保護彈簧，防止發生沖蝕。倒懸柱塞閥的導桿和彈簧位于閥體以上，通過下端閥體與閥座的面接觸實現密封。與正向式結構相比，該結構設計需要較短的外殼，節省原材料。缺點是彈簧充分暴露在流道內，易發生沖蝕，從而導致密封失效。浮球式防回壓機構（如圖2c）無彈簧結構，浮球采用低密度樹脂材料加工而成，在浮力作用下與外部的閥座接觸，實現反向密封，結構較為簡單，但是防回壓能力有限。舌板閥結構（如圖2d）的流道設計簡潔，過流面積大，允許更大排量循環，特別適用于含有大量堵漏材料的泥漿環境，通常在自灌漿浮箍浮鞋結構中使用，或者直接安裝在API螺紋母扣端接箍內，成本低，安裝方便，但反向承壓能力較低。

1.3 按是否允許自動灌漿分類

按下入時是否可以自動灌漿，浮箍浮鞋可分為普通型和自灌漿型。普通型浮箍浮鞋在下入時要求及時灌漿，否則會由于管內掏空過多，導致管內外壓差超過浮箍浮鞋的防回壓能力，引起單流閥變形，造成反向密封失效。灌漿時如果停止下套管作業，則容易發生粘卡。自灌漿浮箍浮鞋通過結構設計，允許下入過程中管外流體自動流入管內，實現套管內外壓力的動態平衡，降低環空流體返速，減少壓力激動，降低井漏發生風險，無需人工灌漿，實現下套管連續作業，從而節省下套管時間。

自灌漿浮箍浮鞋按照結構不同又可分為投球轉換式自灌漿、排量控制式自灌漿和壓差式自灌漿3種。

1） 投球轉換式。

投球轉換式自灌漿結構原理如圖3所示，主要由插管、舌板閥、剪釘座和扭簧等組成，舌板閥有90°的運動空間，通過扭簧控制實現閥體的閉合。下入時插管與上剪釘座通過剪釘連接，舌板閥處于開啟狀態。在該狀態下，套管內外建立平衡，泥漿可由插管下部進入到套管內實現自動灌漿。當套管到達指定位置時投球，球落入插管下端的球座后，憋壓剪斷聯接剪釘座與插管的剪釘，插管下落脫離閥座，舌板閥在扭簧作用下關閉，轉換為普通單流閥式浮箍。

2） 排量控制式。

排量控制式自灌漿單流閥結構如圖4所示，主要由浮閥、浮閥座、彈簧、閥桿和限位球組成。在閥桿上設計有限位槽，下入之前裝入限位球，在限位球限位作用下保持浮閥上下連通，井內的液體也可通過閥體進入浮箍以上的套管，使套管內外壓力平衡。套管下到位后循環泥漿，當排量達到預先設定的轉換排量值時，閥桿下行，環形分布的限位球會自動脫落，轉變為普通單流閥。該結構要求下入時嚴格控制下放速度，下放過快產生的激動壓力會導致限位球提前脫落而轉換成普通單流閥。

3） 壓差式。

壓差式自灌漿浮箍結構如圖5所示，內部設計有2個方向不同的舌板閥，上端的舌板閥靠插管限位在下入時處于向下打開狀態，下端的舌板閥安裝方向相反，向上開啟允許環空流體自動流入管內，當管內液柱到達一定高度時，下端的舌板閥向下關閉，從而始終保持管內外存在一定壓差，下到位后通過投球憋壓轉換為普通單流閥結構，在實現自動灌漿的同時，可以有效避免激動壓力對地層的沖擊作用，避免地層井漏或失穩發生。

2 浮箍浮鞋性能評價指標和測試標準

浮箍浮鞋性能的評價指標主要包括耐沖蝕能力、正向承壓和反向承壓能力和耐溫能力等。其中，防回壓能力與單流閥的結構強度、混凝土的抗撓和剪切強度、外殼內部的凹槽形狀密切相關。此外，要求單流閥在固相含量高的鉆井液中能經受長時間的沖蝕。為此，美國石油協會（American Petroleum Institute）發布了關于浮箍浮鞋測試的推薦性做法（API Recommended Practice 10F），其中將耐沖蝕性能劃分為I、II、III共3個等級（如表1），分別規定了在經過不同時間沖蝕后進行對應等級的反向承壓測試，耐溫性能劃分為A、B、C共3個等級（如表2），分別規定了將浮箍浮鞋置于不同溫度下一定時間后進行對應等級的反向承壓測試。

隨著鉆井日益往深井超深井和高溫高壓井方向發展，井下環境對浮箍浮鞋的耐沖蝕、耐溫和耐壓能力提出了更高的要求。美國石油學會（American Petroleum Institute）于2018年發布了浮箍浮鞋測試標準（API Specification 10F），相比API Recommended Practice 10F，該標準增加了性能等級的劃分種類并提高了測試標準，可以幫助作業者更好地理解和評價浮箍浮鞋性能。新標準按照正向沖蝕、反向沖蝕、沖蝕排量、耐溫和承壓能力共5個參數進行了等級劃分，正向沖蝕最高等級對應沖蝕時間由之前的24 h提高到36 h，沖蝕排量最高等級由1.6 m3/min提高到3.2 m3/min，承壓能力最高等級由之前的34.5 MPa提高到51.7 MPa。具體等級劃分如表3～7。

3 浮箍浮鞋失效的影響因素

浮箍浮鞋失效會造成管內留塞，環空水泥漿返高不夠，從而增加額外的鉆塞時間。如果目的層未有效封固，還需要進行擠水泥作業，導致鉆井作業時間和成本增加。影響浮箍浮鞋失效的因素主要包括井下環境、施工不當、產品質量等。

3.1 井下環境

1） 高溫及腐蝕介質。

浮箍浮鞋內部的橡膠密封件根據材質的選擇具有一定的溫度適用范圍，當井下溫度超出了橡膠密封件的耐溫極限（如表8），就會發生橡膠密封件碳化而失效的情況。此外，當鉆遇富含腐蝕性介質如H2S和CO2的地層時，鋁合金內芯等金屬材料極易發生腐蝕，導致防回壓失效。

2） 井眼清潔程度。

如果井眼清潔程度較差，井壁不穩定掉塊較多，下套管前未進行充分通井循環，顆粒較大的砂石塊可能會在閥體或球欄柱處卡死，導致反向密封失效（如圖6所示）。在漏失井中使用堵漏材料后，如果泥漿中殘留較多的絮狀或大顆粒堵漏材料，也會發生閥體與閥座之間夾雜堵漏材料，導致浮箍浮鞋失效（如圖7所示）。

3.2 施工不當

1） 井內落物。

下套管過程中若發生井內落物，落物卡在單流閥密封面位置，會導致防回壓失效，甚至可能發生單流閥被落物擊穿脫落而堵死過流通道的情況。如圖8所示，為某井施工中由于母扣護絲部件落入井內，在下到位開泵循環時護絲部件擊穿浮箍單流閥，閥體堵死下部浮鞋的過流孔而發生憋高壓，最終起套管。

2） 管內外壓差。

浮箍浮鞋的防回壓密封能力決定了使用過程中管內外壓差不能過高。比如在使用常規浮箍浮鞋時，灌漿不及時會造成管內掏空過長，單流閥在長時間反向壓差作用下會發生擠壓變形，大幅增加失效的概率。掏空產生的壓差計算公式為

p＝ρ（h1－h2）

式中：p為掏空壓差；ρ為管內介質的密度；h1為管柱外管空垂直液面高度；h2為管柱內液面高度。

此外，注水泥作業結束后，環空的水泥漿密度高導致管外壓力高于管內，如果壓差超過浮箍浮鞋的防回壓能力，也可能會導致密封失效。

3） 循環時間和排量。

套管下到位后需要進行充分循環洗井將井底的沉砂和巖屑循環干凈。當遇到復雜情況如環空憋堵時，循環時間會加長。長時間大排量循環會對密封面造成沖蝕，同時彈簧、導桿部件在長時間往復運動之后容易發生疲勞損壞，從而導致浮箍浮鞋失效。

3.3 產品選型和質量問題

API SPEC 10F標準對浮箍浮鞋的性能等級進行了劃分，作業者需要根據井下環境選擇性能相匹配的浮箍浮鞋，如果井下環境如溫度、腐蝕介質和壓差超出了浮箍浮鞋的適用范圍，則會大幅增加浮箍浮鞋失效的風險。在生產、運輸及搬運過程中，不當的操作會造成產品結構上的損傷。儲存時間過長會導致橡膠密封件老化。產品出廠前反向測試壓力過高可能造成單流閥發生變形。以上因素都可能造成浮箍浮鞋發生質量缺陷，在入井使用時失效。

4 失效預防措施

4.1 合理選型

在選配浮箍浮鞋前，需要詳細收集井下環境和現場施工信息，包括井深、井型、泥漿密度、泥漿類型、井底溫度、是否含腐蝕介質、是否發生過復雜情況（如井漏及相應的處理措施）等，根據井下條件選擇合適型號和性能指標的浮箍浮鞋，比如針對要求PDC可鉆、富含腐蝕介質的井況選配水泥式結構；對于井溫過高的小尺寸井眼，附件在固井結束后無需鉆除，可選配金屬式結構；對于小間隙井、易漏失井可選擇自灌漿浮箍浮鞋，節省下套管時間，降低激動壓力；對于井況簡單的淺井，可選配浮球式或舌板閥式，節省作業成本。此外，建議浮箍浮鞋分別選用不同結構進行組合使用，會降低失效發生的概率。

4.2 質量控制

加強產品生產過程的質量控制，對于不同型號的浮箍浮鞋在入井前做好樣機性能測試，包括水泥石樣塊強度測試、耐沖蝕測試、耐溫性能測試等，確保性能指標滿足對應的等級要求，出廠前建議進行低壓反向承壓測試。運輸時確保浮箍浮鞋在箱體內安放緊湊，多個組合包裝時要設計隔欄等防護裝置，減小轉運過程中碰撞的發生。

4.3 施工措施

入井前做好浮箍浮鞋的檢查，并做靜水壓密封測試。充分做好通井工作，盡量將井底沉沙和巖屑循環干凈；下套管過程中嚴格做好通徑，防止井內落物，控制下放速度并及時灌漿；下到位后盡量控制循環時間和排量在浮箍浮鞋可承受范圍內；此外，固井前通過放回水提前驗證浮箍浮鞋反向密封情況，若失效則配高密度泥漿入井，平衡管內外壓差。

4.4 選配特殊工具

針對一些特殊和復雜井況，可選配特殊工具。比如針對下入摩阻較大的大斜度井，可使用鉆式浮鞋（如圖9a），配合頂驅旋轉裝置可旋轉通過縮徑段等容易發生阻卡的位置，防止遇阻時下壓過多重力對浮鞋造成損壞；針對頁巖氣水平井，由于使用清水替漿管內外壓差過高，可選配關井閥和彈浮式浮箍的組合工具（如圖9b）；針對井壁不穩定、泥漿固相含量高的井況，可選擇可濾式浮鞋（如圖9c）配合自灌漿浮箍，下入過程中管外的泥漿在進入管內前經過過濾裝置，可將大顆粒雜質篩除，防止卡死單流閥引起失效。

5 現場應用

國內某區塊在進行139.7 mm套管固井施工作業時連續5口井發生注水泥結束后放回水不斷流的情況。該區塊井深3 300～3 600 m，井眼尺寸為215.9 mm。泥漿類型為飽和鹽水鉆井液體系，井溫在90～110 ℃。使用139.7 mm金屬式浮箍和浮鞋各1只，固井結束后正常碰壓，放回水不斷流。經過反復加回壓2次仍無效，最終選擇憋壓候凝。5口井的基本信息如表9。

從影響浮箍浮鞋的失效因素出發，結合5口井的實際情況分析，排除了溫度、管內外壓差以及循環排量和時間等因素，認為導致浮箍浮鞋失效的原因是鹽水泥漿環境下金屬式浮箍浮鞋的鋁合金內套容易發生腐蝕。此外，該區塊普遍存在易漏失地層，發生漏失后使用較多的顆粒狀堵漏材料，容易發生卡死浮箍浮鞋單流閥的情況。針對性地提出使用浮球式浮箍+水泥式浮鞋的組合結構，通井時增加濾網并徹底將大顆粒堵漏材料循環干凈等一系列措施，有效降低了該區塊浮箍浮鞋失效發生的概率。

6 結論

1） 不同結構的浮箍浮鞋具有各自優缺點，在使用前需要根據井下環境合理選型，可以有效提高使用成功率。

2）? 浮箍浮鞋的主要性能評價指標包括耐沖蝕、耐溫和承壓能力等。按照API SPEC 10F標準規定的對應等級進行性能評價測試，可有效提高入井使用的可靠性。

3） 影響浮箍浮鞋失效的因素包括井下環境、不當的施工操作和產品質量等。雖然失效無法完全避免，但可以采取相應的預防措施，降低浮箍浮鞋發生失效的風險。

4） 隨著鉆井技術的不斷發展，高壓氣井等復雜井況越來越多，建議針對現場需求進行浮箍浮鞋氣密封測試研究，提高浮箍浮鞋的性能等級。

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