套管浮箍浮鞋選型分析及失效預(yù)防措施

徐星

摘要：浮箍浮鞋失效會造成管內(nèi)留塞，環(huán)空水泥漿返高不夠，增加作業(yè)時間和成本。對比分析了不同類型浮箍浮鞋的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點。結(jié)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(yù)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(guān)鍵詞：浮鞋; 浮鞋; 性能; 選型; 失效; 預(yù)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(yīng)用十分廣泛的固井工具附件，主要作用有防止固井結(jié)束后水泥漿在U型管效應(yīng)下倒返回管內(nèi)，用于接收固井膠塞碰壓。在下入套管過程中作為內(nèi)防噴工具，增加管串的浮力，準確控制套管內(nèi)水泥塞高度，從而確保固井質(zhì)量。雖然浮箍浮鞋的生產(chǎn)制造工藝簡單，但在固井作業(yè)中發(fā)揮的作用不容小覷。一旦浮箍浮鞋失效，會導致管內(nèi)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(yè)成本。因此，有必要對不同種類浮箍浮鞋的結(jié)構(gòu)特點、性能評價方法，失效原因及預(yù)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(fā)生的概率，為現(xiàn)場固井作業(yè)提供指導。

1 浮箍浮鞋主要種類及結(jié)構(gòu)特點

浮箍浮鞋主要由外殼、防回壓機構(gòu)及內(nèi)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(gòu)通過設(shè)計帶有彈簧機構(gòu)的單流閥，或靠浮力作用的浮閥，實現(xiàn)管內(nèi)流體正向流通，反向截止。在外殼和防回壓機構(gòu)之間一般通過填充混凝土，或設(shè)計鋁合金材質(zhì)內(nèi)套，實現(xiàn)防回壓機構(gòu)的限位固定。

1.1 按內(nèi)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(nèi)部填充材料不同可分為水泥式和金屬式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水泥式浮箍（如圖1a）的內(nèi)部填充材料為水泥。殼體內(nèi)部設(shè)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(yīng)不同形狀的內(nèi)部輪廓結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)成本低，應(yīng)用非常廣泛。金屬式浮箍（如圖1b）內(nèi)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(zhì)，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(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，可以承受更高的井下溫度。缺點是易發(fā)生沖蝕，并且鉆除時間較長。

1.2 按防回壓結(jié)構(gòu)分類

浮箍浮鞋按照防回壓結(jié)構(gòu)不同可分為柱塞閥式、浮球式和舌板閥式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

柱塞閥式結(jié)構(gòu)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(xiàn)反向密封。閥座與外殼之間通常填充混凝土，實現(xiàn)單流閥固定。柱塞閥式結(jié)構(gòu)設(shè)計受力均勻，不容易發(fā)生應(yīng)力集中，使用最廣泛。根據(jù)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(shè)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(shè)計足夠長度的外殼以實現(xiàn)有效密封。正向式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是當正向循環(huán)時閥體壓縮彈簧，彈簧會退縮進入下面的凹槽內(nèi)，可以更好地保護彈簧，防止發(fā)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(xiàn)密封。與正向式結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)設(shè)計需要較短的外殼，節(jié)省原材料。缺點是彈簧充分暴露在流道內(nèi)，易發(fā)生沖蝕，從而導致密封失效。浮球式防回壓機構(gòu)（如圖2c）無彈簧結(jié)構(gòu)，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(xiàn)反向密封，結(jié)構(gòu)較為簡單，但是防回壓能力有限。舌板閥結(jié)構(gòu)（如圖2d）的流道設(shè)計簡潔，過流面積大，允許更大排量循環(huán)，特別適用于含有大量堵漏材料的泥漿環(huán)境，通常在自灌漿浮箍浮鞋結(jié)構(gòu)中使用，或者直接安裝在API螺紋母扣端接箍內(nèi)，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(nèi)掏空過多，導致管內(nèi)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(yè)，則容易發(fā)生粘卡。自灌漿浮箍浮鞋通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，允許下入過程中管外流體自動流入管內(nèi)，實現(xiàn)套管內(nèi)外壓力的動態(tài)平衡，降低環(huán)空流體返速，減少壓力激動，降低井漏發(fā)生風險，無需人工灌漿，實現(xiàn)下套管連續(xù)作業(yè)，從而節(jié)省下套管時間。

自灌漿浮箍浮鞋按照結(jié)構(gòu)不同又可分為投球轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換式。

投球轉(zhuǎn)換式自灌漿結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(tài)。在該狀態(tài)下，套管內(nèi)外建立平衡，泥漿可由插管下部進入到套管內(nèi)實現(xiàn)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(lián)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(guān)閉，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(nèi)的液體也可通過閥體進入浮箍以上的套管，使套管內(nèi)外壓力平衡。套管下到位后循環(huán)泥漿，當排量達到預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)換排量值時，閥桿下行，環(huán)形分布的限位球會自動脫落，轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀▎瘟鏖y。該結(jié)構(gòu)要求下入時嚴格控制下放速度，下放過快產(chǎn)生的激動壓力會導致限位球提前脫落而轉(zhuǎn)換成普通單流閥。

3） 壓差式。

壓差式自灌漿浮箍結(jié)構(gòu)如圖5所示，內(nèi)部設(shè)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(tài)，下端的舌板閥安裝方向相反，向上開啟允許環(huán)空流體自動流入管內(nèi)，當管內(nèi)液柱到達一定高度時，下端的舌板閥向下關(guān)閉，從而始終保持管內(nèi)外存在一定壓差，下到位后通過投球憋壓轉(zhuǎn)換為普通單流閥結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)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(wěn)發(fā)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(jié)構(gòu)強度、混凝土的抗撓和剪切強度、外殼內(nèi)部的凹槽形狀密切相關(guān)。此外，要求單流閥在固相含量高的鉆井液中能經(jīng)受長時間的沖蝕。為此，美國石油協(xié)會（American Petroleum Institute）發(fā)布了關(guān)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(guī)定了在經(jīng)過不同時間沖蝕后進行對應(yīng)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(guī)定了將浮箍浮鞋置于不同溫度下一定時間后進行對應(yīng)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(fā)展，井下環(huán)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(fā)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(yè)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(shù)進行了等級劃分，正向沖蝕最高等級對應(yīng)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(nèi)留塞，環(huán)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(yè)，導致鉆井作業(yè)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(huán)境、施工不當、產(chǎn)品質(zhì)量等。

3.1 井下環(huán)境

1） 高溫及腐蝕介質(zhì)。

浮箍浮鞋內(nèi)部的橡膠密封件根據(jù)材質(zhì)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(fā)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(zhì)如H2S和CO2的地層時，鋁合金內(nèi)芯等金屬材料極易發(fā)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(wěn)定掉塊較多，下套管前未進行充分通井循環(huán)，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(fā)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(nèi)落物。

下套管過程中若發(fā)生井內(nèi)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(fā)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(nèi)，在下到位開泵循環(huán)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(fā)生憋高壓，最終起套管。

2） 管內(nèi)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(nèi)外壓差不能過高。比如在使用常規(guī)浮箍浮鞋時，灌漿不及時會造成管內(nèi)掏空過長，單流閥在長時間反向壓差作用下會發(fā)生擠壓變形，大幅增加失效的概率。掏空產(chǎn)生的壓差計算公式為

p＝ρ（h1－h(huán)2）

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

此外，注水泥作業(yè)結(jié)束后，環(huán)空的水泥漿密度高導致管外壓力高于管內(nèi)，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(huán)時間和排量。

套管下到位后需要進行充分循環(huán)洗井將井底的沉砂和巖屑循環(huán)干凈。當遇到復雜情況如環(huán)空憋堵時，循環(huán)時間會加長。長時間大排量循環(huán)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(fā)生疲勞損壞，從而導致浮箍浮鞋失效。

3.3 產(chǎn)品選型和質(zhì)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(yè)者需要根據(jù)井下環(huán)境選擇性能相匹配的浮箍浮鞋，如果井下環(huán)境如溫度、腐蝕介質(zhì)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(chǎn)、運輸及搬運過程中，不當?shù)牟僮鲿斐僧a(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的損傷。儲存時間過長會導致橡膠密封件老化。產(chǎn)品出廠前反向測試壓力過高可能造成單流閥發(fā)生變形。以上因素都可能造成浮箍浮鞋發(fā)生質(zhì)量缺陷，在入井使用時失效。

4 失效預(yù)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(huán)境和現(xiàn)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(zhì)、是否發(fā)生過復雜情況（如井漏及相應(yīng)的處理措施）等，根據(jù)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(zhì)的井況選配水泥式結(jié)構(gòu)；對于井溫過高的小尺寸井眼，附件在固井結(jié)束后無需鉆除，可選配金屬式結(jié)構(gòu)；對于小間隙井、易漏失井可選擇自灌漿浮箍浮鞋，節(jié)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(jié)省作業(yè)成本。此外，建議浮箍浮鞋分別選用不同結(jié)構(gòu)進行組合使用，會降低失效發(fā)生的概率。

4.2 質(zhì)量控制

加強產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質(zhì)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(yīng)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(nèi)安放緊湊，多個組合包裝時要設(shè)計隔欄等防護裝置，減小轉(zhuǎn)運過程中碰撞的發(fā)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(huán)干凈；下套管過程中嚴格做好通徑，防止井內(nèi)落物，控制下放速度并及時灌漿；下到位后盡量控制循環(huán)時間和排量在浮箍浮鞋可承受范圍內(nèi)；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(nèi)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(qū)旋轉(zhuǎn)裝置可旋轉(zhuǎn)通過縮徑段等容易發(fā)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(nèi)外壓差過高，可選配關(guān)井閥和彈浮式浮箍的組合工具（如圖9b）；針對井壁不穩(wěn)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(nèi)前經(jīng)過過濾裝置，可將大顆粒雜質(zhì)篩除，防止卡死單流閥引起失效。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

國內(nèi)某區(qū)塊在進行139.7 mm套管固井施工作業(yè)時連續(xù)5口井發(fā)生注水泥結(jié)束后放回水不斷流的情況。該區(qū)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(jié)束后正常碰壓，放回水不斷流。經(jīng)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(fā)，結(jié)合5口井的實際情況分析，排除了溫度、管內(nèi)外壓差以及循環(huán)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(huán)境下金屬式浮箍浮鞋的鋁合金內(nèi)套容易發(fā)生腐蝕。此外，該區(qū)塊普遍存在易漏失地層，發(fā)生漏失后使用較多的顆粒狀堵漏材料，容易發(fā)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(jié)構(gòu)，通井時增加濾網(wǎng)并徹底將大顆粒堵漏材料循環(huán)干凈等一系列措施，有效降低了該區(qū)塊浮箍浮鞋失效發(fā)生的概率。

6 結(jié)論

1） 不同結(jié)構(gòu)的浮箍浮鞋具有各自優(yōu)缺點，在使用前需要根據(jù)井下環(huán)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(guī)定的對應(yīng)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(huán)境、不當?shù)氖┕げ僮骱彤a(chǎn)品質(zhì)量等。雖然失效無法完全避免，但可以采取相應(yīng)的預(yù)防措施，降低浮箍浮鞋發(fā)生失效的風險。

4） 隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓氣井等復雜井況越來越多，建議針對現(xiàn)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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