深井短尾管安全丟手關鍵技術分析與研究

鄒明?陳江萍?李劍?譚世武

摘要：在深井短尾管固井施工中，由于較大的摩阻、懸掛尾管短、質量輕等因素，容易產生丟手不易判斷，以及大摩阻下不易丟手等諸多問題。為此，通過研發一種尾管牽制技術和尾管懸掛器卡瓦內嵌技術，使深井短尾管固井施工具備反向錨定及鎖緊、解鎖功能，依托額外載荷的增加保障施工的便捷性和安全性。與此同時，在安全丟手技術的應用中，仍然需制定詳細的現場施工工藝流程，通過精確設定壓力值啟動參數，以適應各級運動的需求，使其更加適用于各類深井短尾管固井施工場景，切實在深井作業中發揮出關鍵作用，為現場鉆探作業提供便利。

關鍵詞：深井；短尾管；安全丟手；關鍵技術

一、前言

隨著鉆井技術的進步，鉆井深度紀錄被不斷刷新，短尾管固井作業在深井、超深井中的應用與日俱增。然而，傳統的尾管懸掛器坐掛和丟手方法，在可靠性方面已經難以適應不斷變化的需求，難以在復雜的應用場景中發揮最佳作用。現階段，為了提升非常規短尾管固井的可靠性，國內關于尾管懸掛器不坐掛脫扣分離技術的研究正如火如荼，尤其是一系列先進固井技術的出爐，使短尾管固井作業迎來全新變革[1]。由于受到部分技術缺陷的影響，如尾管坐底后開泵循環困難、尾管懸掛器未坐掛導致工具偏斜，以及尾管較短難以提供足夠反扭矩等，為了實現上述問題的突破，本文將對安全丟手關鍵技術開展研究，以梳理在深井短尾管固井作業中丟手困難的潛在影響因素。同時，結合集成尾管牽制技術和尾管懸掛器卡瓦內嵌技術，以改變和優化其應用效果。

二、深井短尾管固井中的技術難點

（一）深井管柱摩阻較大

由于深井作業本身具有較大的難度，特別是在固井作業階段，受到井眼屈曲及管柱內摩阻等條件影響，會對管柱在提放環節產生干擾，特別是在一些大位移井或定向井操作中，管柱摩阻的影響尤其顯著。在進行短輕尾管懸掛和丟手操作時，正是受上述因素的影響及干擾，使部分作業中提起和放下的摩阻力有時甚至超過了懸掛尾管本身的重量，極大地影響了短輕尾管懸掛和丟手操作的效率和判斷精度[2]。此外，由于尾管懸掛器應在中和點以下倒扣丟手，會在操作中難以有效確定中和點，無疑給高效作業帶來了極大困難。

（二）存在系統誤差影響

在作業中，短輕尾管懸掛和丟手判斷的標準，通常是以指重表的變化為準，其結構一般為機械式或電子式。但是，此類系統的測量精準并不是很高，尤其受外部諸多因素的影響，使其與實際的數值存在較明顯的差異，加之鉆井設備各個環節的誤差值，最終導致指重表的視值與真實值差異較大，對于短輕尾管懸掛和丟手的判斷將產生極大影響，不利于固井作業管理。

（三）頂升力因素干擾強

在深井作業中，如大斜度井、水平井等作業場景下，環空中被水泥漿等特質填滿，對于短尾管產生較大的浮重，加上內部摩阻等外部因素的影響，會大幅增加內部的頂升力，當所受外部力達到一定的數值時，則容易產生嚴重的頂升力干擾，從而產生短尾管的上浮風險。比如，當頂升力達到相應的值時，短尾管甚至會跟隨丟手的上提而向上移動，難以實現正確丟手，從而給深井固井作業帶來較大風險。

三、安全丟手關鍵技術

（一）技術方案

依據深井短尾管固井施工的相關技術要求，在安全丟手技術優化環節，應遵循“下得去、掛得住、鎖得牢、丟得開”的原則，基于常規技術及相關應用特點，采取更加有效的固井管柱措施，使安全丟手能夠發揮出最佳效果，滿足深井短尾管固井作業的需求[3]。一般而言，在關鍵技術及工藝優化中，可以優先對工藝管柱的結構進行設計，如圖1所示。

1.反向牽制技術

在作業中應用反向牽制技術，旨在通過牽制組件與內置尾管懸掛裝置的協同作用，實現對尾管進行雙向固定的目的。一般而言，牽制組件設置在內置尾管懸掛裝置的下方，當尾管被送達預定的位置時，通過投球密閉所產生的壓力，使內置尾管懸掛裝置的卡瓦和牽制組件的卡瓦反向緊扣，從而實現對尾管懸掛裝置及尾管串的軸向固定。

利用反向牽制技術，既提供了足夠的反扭矩，以支持尾管懸掛裝置的丟手操作，又施加了一個向下的牽引力，等同于增加了尾管的重力，確保其超過丟手時的阻力，幫助判定丟手操作是否達到預期效果，并減少尾管隨鉆具提出井口的風險[4]。此外，牽制組件還配備了解鎖功能，在井下發生意外或卡瓦意外鎖定時，可利用上提噸位來實現機械解鎖，其中的上提噸位可依據實際進行靈活調整，以便提出尾管串。

2.內嵌懸掛技術

采用尾管懸掛器的內置卡瓦技術，卡瓦被固定在錐套內部，且卡瓦的最大外徑需要小于錐套的最大外徑。此設計在尾管下降過程中，能夠確保錐套對卡瓦提供有效保護，防止在深井或超深井作業中卡瓦意外坐掛。

此外，內置的卡瓦懸掛器有助于增加懸掛器坐掛后的流通面積，減輕循環壓力，在循環和固井作業中減少井漏的風險。利用這一集成技術，結合尾管牽制和尾管懸掛器卡瓦內嵌技術，逐步形成適用于深井短尾管安全丟手的工藝。

（二）尾管懸掛牽制單元

這種單元通常集成在鉆井液循環系統中，能夠對尾管施加恒定的拉力，防止其在井內發生意外移動或碰撞，同時根據需要調整牽制力度，適應不同的鉆井條件和作業要求[5]。在深井作業過程中，由于受較大摩阻因素的干擾，加上短尾管重力偏小等諸多限制，導致在實際操作的過程中不易丟手，且丟手的精確判斷難以實現，甚至容易誘發事故風險。

為此，牽制單元的應用能夠有效緩解上述問題，其主要以尾管懸掛器為依托，連接于下方，且有反向卡瓦設計。其中，具體的工藝優化思路為：當尾管達到預定的下入深度后，通過投入球體并增加壓力，使尾管懸掛器的卡瓦和牽制短節中的反向卡瓦反向鎖緊，并為它們提供向下的牽制力，間接增大尾管的重力，以便在操作中易于丟手，再結合指重表對丟手效果加以判斷[6]。工作原理如圖2所示。

此外，該單元還具備鎖定和解鎖功能，鎖定剪釘的剪斷壓力設定為13至14兆帕。如果在井下發生異常情況或卡瓦意外鎖定，可通過相應的操作完成機械解鎖。卡瓦和錐套屬于牽制單元的核心設計，由整體式卡瓦設計構成，優勢是使連接機構大幅減少，展現出極簡的設計風格，不僅使后期的解鎖操作變得簡單易行，也能夠大幅提升其安全可靠性[7]。另外，卡瓦與錐套之間的接觸面采取平面設計，并利用補償角增強其鎖定性能，以確保在各機構發揮作用之后，仍然能夠快速恢復原始狀態。并且，由于平面設計有接觸面大的優點，能夠有效規避應力集中的問題，使整體式卡瓦可以在應用中發揮最佳效果，防止在鎖定與解鎖的操作中受到損壞，進一步延長機構的使用壽命。

在工藝的研究與結構設計中，將重點對機構的結構尺寸及角度進行優化，為使部件的結構強度達到更高水平，還將考慮采用局部滲碳工藝，增加結構部件的整體硬度，實現韌性與硬度的合理搭配。

（三）內嵌尾管懸掛器

為有效克服空間限制和高承載的小間隙設計需求，內嵌尾管懸掛器逐步獲得優化應用，其以嵌入式卡瓦作為基礎，大幅增加了載荷承受能力，通過更薄的卡瓦與更高的性能，達到了理論與實際的同步平衡。這種懸掛器通常包含一個或多個卡瓦（也稱為卡爪或掛鉤），能夠嵌入套管內壁的特定凹槽中，實現尾管的固定。此設計的創新之處在于，改變了傳統尾管懸掛器卡瓦與錐體之間的楔形受力方式，采用了軸向和周向的復合受力方式，以此優化了卡瓦與上層套管的受力狀態，擴大了它們的接觸面積，將所產生的應力控制在合理區間。

與常規尾管懸掛器相比，內嵌尾管懸掛器的懸掛載荷提升幅度超過50%，應用效果完全碾壓傳統的技術。同時，由于獨特的過流通道設計，內嵌尾管懸掛器能夠在過流面積上比傳統增加30%左右，保持了順暢的內部過流通道，有效地提升了固井質量，適用于不同的固井作業需求。

（四）井下控制技術

該技術主要用于井下工具啟動剪釘的控制，由于深井短尾管固井作業往往需要涉及多組剪釘，如何實現井下的有效控制已成為被重點考慮的問題。在實踐中，應當依據深井的實際情況，及時全面地收集相關的壓力數據，通過液壓裝置對動作進行有效控制[8]。

通常而言，基于深井作業的特殊性與復雜性，在剪釘剪切范圍的要求中，要求誤差值應控制在15%以下，一般可將壓力值設定為4-6MPa，以確保作業安全。同時，為防止作業中提前坐掛，需要對懸掛器的控制值進行調整優化，將懸掛器坐掛值控制在9-10MPa之間。同時，為發揮良好的牽制作用，以提升鎖定動作的可靠性，可以將牽制單元鎖定壓力進行設置，以13-14MPa為宜，同時設定球座剪脫為17-18MPa，全面實現參數的優化。

四、安全丟手工藝措施

（一）送入鉆具稱重

鉆具稱重是確保鉆井作業安全和高效的重要步驟，是現代鉆井作業中不可或缺的一個環節。在深井短尾管安全丟手的工藝實踐中，應當對鉆具的重量有全面的了解，并通過各項數據的采集與計算，對短尾管懸掛及丟手實現精準控制。具體而言，應當在送鉆前開展通管及刮管，再結合相關數據進行分析，最終成為作業過程中懸掛及丟手判斷的基礎依據。

（二）頂升力計算

由于頂升力對深井作業的影響較大，也極為普遍，為降低對短尾管懸掛及丟手的影響，則需要對潛在的頂升力進行科學計算，以避免在作業過程中固井后尾管上浮問題。計算公式如下：

其中，

當TD<0時，尾管不上浮；當TD>0時，尾管上浮。

式中，TD—尾管固井后頂升力，單位N；

TCC—尾管所受水泥漿的浮力，單位N；

TC—尾管自身重量，單位N；

TM—尾管內液體重力，單位N；

D —尾管外徑，單位m；

d—尾管內徑，單位m；

L—尾管長度，單位m；

Wc—單位長度的質量，單位kg/m；

Pc—水泥漿密度，單位g/cm3；

Pm—尾管內液密度，單位g/cm3；

g—重力加速度。

通過以上公式的計算，能夠有效地掌握頂升力，并減小對于短尾管懸掛及丟手的影響。

（三）牽制短節技術應用

該技術屬于一種重要的輔助工具，能夠有效緩解在短尾管懸掛及丟手判斷方面的困難。比如，在深井作業的過程中，通過此技術的輔助，既不會對作業過程產生影響，同時也能夠給懸掛產生有效的牽制作用，并依托鎖定功能，使尾管柱無法上移，防止牽制短節無法解鎖，大幅提升了判斷的精確性，也使作業的安全性、有效性得到增強。牽制短節技術的結構示意如圖3所示。

牽制短節技術的結構由本體、液缸、卡瓦、錐套、解鎖機構、扶正環等組成，其運行原理為：由懸掛器的球閥建立壓力，以實現尾管的懸掛。在懸掛動作完成之后，繼續增加壓力，利用液壓機制完成反向錨定，對較短的尾管施加向上的力，以實現牽制和固定。若遇特殊深井作業時，則應通過上提噸位解除短節的錨定，顯示出該項技術具備錨定與解鎖功能，并且能夠與多種液壓懸掛系統或丟手裝置配合使用，技術應用的前景廣闊。

五、結語

綜上所述，由于深井短尾管安全丟手技術目前仍存在一定的局限性。例如，在高壓力、高摩阻等極端環境下，設備的性能和可靠性可能受到影響。因此，需要通過技術優化研究，進一步優化和改進相關設備，提高技術在復雜井況下的適應能力。本文從尾管懸掛器、錨定技術、解鎖功能、卡瓦內嵌結構設計等方面對深井短尾管安全丟手關鍵技術進行了深入分析，通過不同技術條件優化與結構調整，構成了一個高效、可靠的安全丟手系統，適用于各種復雜井況，具有較強的適應性。同時，為進一步提高鉆井技術水平及保障鉆井作業的安全，仍需要加大對深井短尾管安全丟手關鍵技術的探索，不斷完善和優化相關技術，推動技術創新，為石油鉆探事業的可持續發展貢獻力量。

參考文獻

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作者單位：西部鉆探井下作業公司（儲層改造中心）

責任編輯：張津平、尚丹