浮箍和浮鞋失效原因分析及預(yù)防

朱和明，吳晉霞，郭朝輝，薛占峰

（中國石化 石油工程技術(shù)研究院，山東 德州253005）①

浮箍、浮鞋作為重要的套管附件，其可靠性直接影響到固井質(zhì)量。目前，很多學(xué)者均側(cè)重于新型浮箍、浮鞋的研發(fā)［1］，對其失效原因分析卻很少，或僅限于分析浮箍使用的井下環(huán)境的影響，包括：經(jīng)驗、地層、套管、鉆井液、井下溫度、井下壓力等，而未從浮箍、浮鞋自身結(jié)構(gòu)及材料等方面進行分析［2］。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年的浮箍、浮鞋研發(fā)及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，綜合井下環(huán)境因素及浮箍、浮鞋自身因素，對浮箍、浮鞋失效原因進行分析，提出了預(yù)防措施。

1 浮箍和浮鞋失效的危害

1） 防回壓密封失效 當固井作業(yè)完畢后，如果浮箍、浮鞋的防回壓密封能力失效，套管外部的水泥漿就會從環(huán)空倒返至套管內(nèi)，從而造成套管外部水泥環(huán)高度不夠，而在套管內(nèi)部卻存在大量水泥塞，嚴重影響了固井作業(yè)質(zhì)量。當發(fā)生這種情況時，需要重新下鉆來鉆除套管內(nèi)的水泥塞，并進行射孔擠水泥作業(yè)，增加了鉆井作業(yè)時間與成本。如圖1a、圖1b分別為正常固井情況和浮箍、浮鞋失效后的管內(nèi)外水泥位置示意。

圖1 固井后的水泥位置示意

2） 循環(huán)不暢 這種現(xiàn)象主要表現(xiàn)在固井工具管柱下入到預(yù)定位置后開泵不能建立循環(huán)，或在循環(huán)及注水泥過程中突然出現(xiàn)管內(nèi)憋堵現(xiàn)象。這樣瞬時產(chǎn)生的高壓會對井口管線、循環(huán)作業(yè)設(shè)備及現(xiàn)場作業(yè)人員構(gòu)成巨大的威脅，同時導(dǎo)致了下一步的固井作業(yè)無法正常進行。在采取措施不能解決憋堵問題的情況下，則需要提出整個入井管柱來逐根進行檢查，既浪費了時間，又增加了作業(yè)風險。

綜上所述，浮箍、浮鞋雖然只是一種固井工具附件，但其出現(xiàn)失效情況后所產(chǎn)生的危害卻是無法估量的。目前浮箍、浮鞋的應(yīng)用十分廣泛，全世界每年新鉆油氣井近5萬口，幾乎每口井的固井作業(yè)都需要用到，如何降低浮箍、浮鞋的失效率已成為目前十分重要的研究項目。

2 失效原因分析

2.1 井下環(huán)境影響

2.1.1 高溫

隨著石油勘探開發(fā)逐步向更深更復(fù)雜地層的不斷推進，井下高溫情況正越來越普遍。作為連接在入井管柱最底部的工具附件，浮箍、浮鞋首當其沖的面臨到了高溫環(huán)境的考驗。目前，中海油的海上油氣區(qū)塊的井底溫度多數(shù)已達到或超過150℃，其中部分高溫油氣區(qū)塊的井下溫度甚至超過了200℃。這對浮箍、浮鞋的橡膠密封件、浮球及由非金屬材料組成的回壓閥都構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)，直接影響了其耐循環(huán)沖蝕能力和防回壓密封能力。表1為浮箍、浮鞋常用橡膠材料、回壓閥及浮球所使用材料的耐溫性能。

表1 浮箍和浮鞋常用材料的耐溫性能 ℃

2.1.2 腐蝕

在我國的川東北地區(qū)，井下高含H2S和CO2等腐蝕性氣體的情況十分普遍。在這種高腐蝕環(huán)境下，浮箍、浮鞋內(nèi)部所使用的鋁合金或鑄鐵材料以及密封橡膠材料均會有不同程度的腐蝕情況發(fā)生。對于金屬材料，其密封面會因為腐蝕情況造成密封失效；對于橡膠材料，在高含H2S情況下，其力學(xué)性能下降較快，極易產(chǎn)生高壓情況下密封失效的情況。圖2～3分別為普通橡膠材料在氣相和液相的H2S中經(jīng)過168h的浸漬后，其拉伸強度變化情況。可以看出，常規(guī)橡膠材料在H2S中浸漬后，其拉伸強度下降了80%。在承受反向高壓情況下，這樣的橡膠很容易發(fā)生損壞從而導(dǎo)致密封失效。

2.1.3 井眼清潔程度

在固井管柱入井施工作業(yè)前，為了保證管柱能夠順利安全地下入到預(yù)定位置，同時保證固井作業(yè)時的可靠性，需要進行數(shù)次的通井來保證井眼的通暢，同時在通井期間進行大排量循環(huán)來排出井底的巖屑，保證井眼的清潔。但是在很多情況下，在只通1次井或者不通井的情況下便下入固井管柱，這樣極易在井眼不規(guī)則處出現(xiàn)管柱下入困難。在來回的上提、下放管柱過程中，很容易造成浮鞋導(dǎo)引頭的損壞，從而影響對整個入井管柱的導(dǎo)引下入效果。同時井內(nèi)遺留的大量巖屑會隨著管柱的下入進入到浮鞋內(nèi)部，進而在浮鞋內(nèi)部過流通道處不斷堆積，形成憋堵，造成開泵困難（如圖4）。

圖2 橡膠在氣相H2S中浸漬后的拉伸強度

圖3 橡膠在液相H2S中浸漬后的拉伸強度

圖4 巖屑在浮鞋內(nèi)部堆積

2.1.4 泥漿性能

循環(huán)貫穿于固井作業(yè)的整個施工過程中。在循環(huán)過程中，循環(huán)介質(zhì)（泥漿）的性能也對浮箍、浮鞋有著重要的影響。如果泥漿的固相含量較多，會在導(dǎo)桿與導(dǎo)桿孔之間縫隙內(nèi)發(fā)生堆積，導(dǎo)致導(dǎo)桿不能正常復(fù)位，從而造成浮箍、浮鞋的防回壓效果失效（如圖5）。如果泥漿的清潔程度較差，即泥漿含有雜質(zhì)或者是較大的條狀摻雜物，在循環(huán)過程中這些雜質(zhì)極有可能會被浮箍、浮鞋的彈簧和球欄處掛住，從而在此處形成堆積，造成密封失效（如圖6）。

圖5 導(dǎo)桿不能復(fù)位

圖6 彈簧及球籃處堆積雜質(zhì)

2.2 施工因素

2.2.1 井口落物

在固井管柱下入作業(yè)中，若不注意保護井口，鉆臺上物體極易落入到井內(nèi)，特別是在夜間施工的情況下，極大地增加了井口落物的可能性。落入井口的物體會因自身重力因素或者在循環(huán)泥漿的沖擊下沿著入井管柱下行，當下落到浮箍、浮鞋位置時，由于此處存在縮徑情況，大尺寸落物極有可能會堵在浮箍、浮鞋的過流孔處，從而造成2種后果，①浮箍、浮鞋的過流孔完全被堵死，不能建立循環(huán)，形成管內(nèi)憋堵；②落物卡在密封面處，造成密封失效。

2.2.2 入井管柱通徑

在固井管柱下入前，原則上是要求每一根入井套管或鉆桿都要進行通徑，但也會因為各方面原因存在沒有通徑就下入的情況。在這種情況下，若管柱內(nèi)有較大的雜物，則會在循環(huán)過程中落入到浮箍內(nèi)，從而造成浮箍密封失效。其次，在對入井管柱進行通徑過程中，若通徑規(guī)與管柱規(guī)格尺寸不匹配，通徑規(guī)直徑較小，則不能實現(xiàn)對入井管柱的有效通徑，這樣提高了管柱內(nèi)部雜物遺留的風險。在通徑過程中，有時通徑規(guī)會被卡在鉆桿內(nèi)，而由于人為因素沒有被發(fā)現(xiàn)，這樣卡著通徑規(guī)的鉆柱下入到井內(nèi)，浮箍、浮鞋失效情況也隨之發(fā)生。圖7為鉆柱沒有進行有效通徑，導(dǎo)致鉆柱內(nèi)大量泥沙與雜質(zhì)在浮箍處發(fā)生堆積，導(dǎo)致憋泵情況發(fā)生，不能建立循環(huán)，只得起出入井管柱。

圖7 浮箍上部泥沙堆積

2.2.3 壓差因素

浮箍、浮鞋都具有一定的防回壓密封能力，但是當反向壓差大于其承受能力時，浮箍、浮鞋便會發(fā)生損壞，從而造成密封失效。目前在固井作業(yè)中浮箍、浮鞋所承受的壓差主要有3種：

1） 灌漿不及時造成的內(nèi)外壓差 在管柱下入過程中，為了及時平衡管柱的內(nèi)外壓差，通常需要在下入一定長度的管柱后，都要停下來進行灌漿，當管柱內(nèi)灌滿泥漿后，再繼續(xù)進行管柱下入作業(yè)。但是在實際作業(yè)中，通常會因為鉆具內(nèi)徑小，灌漿速度快，導(dǎo)致了管柱里面的氣體沒有及時排出，從而造成管柱沒有灌滿泥漿，或者在管柱入井作業(yè)中沒有進行及時灌漿，使得管柱內(nèi)部的液面掏空過大。這樣管柱外部液面造成的壓差完全作用在浮箍、浮鞋上，當壓差超過浮箍、浮鞋承壓能力后，造成了浮箍、浮鞋密封失效［2］。

掏空產(chǎn)生的壓差計算公式為：

式中：p1為掏空壓差，Pa；ρN為泥漿密度，g／cm3；hH為管柱外環(huán)空液面的垂直高度，m；hG為管柱內(nèi)部液面高度，m。

2） 注水泥作業(yè)后壓差 注水泥作業(yè)完畢后，在管柱外面的環(huán)空為水泥漿，而在管柱內(nèi)部則為泥漿，通常情況下，水泥漿密度要大于泥漿，這樣由于密度原因形成作用于浮箍、浮鞋的內(nèi)外壓差。

注水泥作業(yè)完畢后內(nèi)外壓差計算公式為：

式中：p2為密度壓差，Pa；ρ為水泥漿密度，g／cm3；h為管柱外環(huán)空水泥漿的垂直高度，m。

3） 異常壓差 在管柱下入過程中，如果中途遇阻，一般采取下壓一定重力的方式來解阻。如果是由于井眼縮徑造成的遇阻，采取這種方式可能會給浮箍、浮鞋造成一定的附加壓差。異常情況下的附加壓差為：

式中：p3為異常壓差，Pa；W 為下壓的管柱重力，N；f為為井壁摩擦力，N；A為遇阻處的管柱外面積，mm2。

2.2.4 循環(huán)

在固井前為了有效地清除井底或鉆井液內(nèi)的鉆屑，保證整個井內(nèi)的干凈清潔，需要進行充分的循環(huán)洗井，因此循環(huán)的排量和時間都會對浮箍、浮鞋產(chǎn)生一定的影響，甚至導(dǎo)致其失效。

1） 循環(huán)排量 為了將井底較大的巖屑充分循環(huán)出來，需要進行大排量循環(huán)。隨著循環(huán)排量的增大，勢必會加大對浮箍、浮鞋密封面的沖蝕磨損。同時，隨著排量的增大，浮箍、浮鞋水眼處的流速也會隨之增強，這樣也會對浮箍閥及花籃均造成一定的沖擊力。

以177.8mm（7英寸）浮箍、浮鞋為例，假設(shè)水眼直徑為60mm，閥最大外徑為85mm，閥錐面夾角為90℃，鉆井液密度為1.5g／cm3，循環(huán)排量為1.6m3／min。根據(jù)流體的動量方程，可以計算出浮箍、浮鞋水眼處的流速v＝Q／A＝0.27／0.002 83＝9.67m／s，鉆井液對浮箍閥的沖擊力F＝σ×Q×v（1－cosa）＝1 500×0.027×9.67（1－cos45°）＝115.6N

根據(jù)計算結(jié)果，鉆井液對閥的沖擊力并不大，這個力作用在花籃上也不足以使得花籃發(fā)生疲勞損壞。因此，排量增大主要是對密封面的沖蝕磨損。如圖8～9為大排量循環(huán)條件下，浮箍金屬密封面發(fā)生了沖蝕磨損，從而喪失了反向承壓密封能力。

圖8 閥座密封面沖蝕磨損

圖9 閥表面沖蝕磨損

2） 循環(huán)時間 管柱在入井后，僅循環(huán)1～2周便會進行固井作業(yè)，這樣循環(huán)時間較少，減小了浮箍、浮鞋失效的風險。但是在一些特殊場合下，會因為各種原因而不得不進行長時間的循環(huán)。循環(huán)時間過長的影響有：

①對于彈簧式浮箍、浮鞋，在流體長時間的沖擊下，彈簧會由于長時間的往復(fù)振動而產(chǎn)生疲勞損壞，其對閥的支撐效果大幅減??；閥與導(dǎo)桿多是依靠螺紋連接，在長時間振動過程中，螺紋發(fā)生疲勞磨損，導(dǎo)致閥與導(dǎo)桿發(fā)生脫離；導(dǎo)桿在導(dǎo)桿孔內(nèi)長時間的上下移動，會產(chǎn)生疲勞磨損導(dǎo)致對導(dǎo)桿的扶正效果降低。圖10～12所示為某公司的浮箍在循環(huán)壽命測試時，閥與導(dǎo)桿發(fā)生脫離，脫離的導(dǎo)桿落入到其下面的浮箍上，導(dǎo)致下面浮箍也隨之失效。圖11則是長時間循環(huán)條件下，導(dǎo)桿的磨損情況。

②對于浮球式浮箍、浮鞋，在流體的沖擊下，浮球會在球欄內(nèi)發(fā)生滾動，其與球欄肋不斷發(fā)生摩擦與碰撞。當循環(huán)時間過長時候，浮球因與球欄長時間的摩擦碰撞會導(dǎo)致浮球表面發(fā)生磨損，從而大幅降低了浮球的密封效果。圖12為浮球長時間循環(huán)后表面磨損情況。

圖10 脫落的導(dǎo)桿

圖11 導(dǎo)桿磨損情況

圖12 浮球磨損情況

2.2.5 防回壓驗證浮箍、浮鞋防回壓失效情況有一部分是發(fā)生在管柱的入井作業(yè)過程中，因此在浮箍、浮鞋到達上層套管鞋的位置時，以及固井管柱下入到井底預(yù)定位置時，都需要進行浮箍、浮鞋的防回壓性能驗證，即在環(huán)空外注水打壓，來驗證浮箍、浮鞋的反向承壓密封能力，并且根據(jù)驗證結(jié)果來決定下一步是否采取補救措施來保證固井作業(yè)的順利進行。目前在固井作業(yè)過程中，多數(shù)情況下都不會進行防回壓驗證，這極大地增加了浮箍、浮鞋失效導(dǎo)致固井作業(yè)失敗的風險。

2.3 工具自身因素

2.3.1 井況適應(yīng)問題

隨著石油鉆井技術(shù)的發(fā)展，為了適應(yīng)不同狀況下的井底條件，各石油工具公司相繼開發(fā)了不同種類的具有不同功能的浮箍、浮鞋，浮箍、浮鞋的發(fā)展也呈多樣化、專用化，其對現(xiàn)場井況的適應(yīng)能力也不盡相同。因此，當浮箍、浮鞋在現(xiàn)場應(yīng)用時，若其使用范圍與現(xiàn)場井況不匹配，例如浮箍、浮鞋的耐溫性能、防腐蝕性能、承壓密封性能不能滿足現(xiàn)場井底條件要求時，則在使用過程中大幅增加了浮箍、浮鞋失效的風險。

2.3.2 結(jié)構(gòu)缺陷

目前，浮箍、浮鞋的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但是在設(shè)計過程中沒有充分考慮井下工作環(huán)境，其結(jié)構(gòu)也存在一定的不合理性，例如浮箍、浮鞋的過流面積、循環(huán)壽命、閥體支撐能力及耐沖擊強度不能滿足使用要求，在井下條件較為惡劣的情況下，浮箍、浮鞋失效情況極易發(fā)生。

2.3.3 質(zhì)量缺陷

在生產(chǎn)、運輸及搬運過程中，浮箍、浮鞋會因為各種因素而發(fā)生結(jié)構(gòu)上的損傷，從而導(dǎo)致其在質(zhì)量上存在一定的缺陷。當浮箍、浮鞋儲存時間過長，其密封件的性能也隨之下降，就存在了一定的質(zhì)量隱患。有些油田在使用浮箍、浮鞋時，都要進行反向承壓性能測試，當測試壓力過高，會對浮箍、浮鞋造成一種隱性的破壞。當這些存在質(zhì)量缺陷的浮箍、浮鞋在現(xiàn)場使用時，由于檢查比較簡單，極有可能沒有發(fā)現(xiàn)浮箍、浮鞋存在的質(zhì)量缺陷便直接入井使用。

3 預(yù)防措施

3.1 性能檢測

在浮箍、浮鞋上井場前，必須按照相關(guān)標準對浮箍、浮鞋進行全面的性能測試，以保證質(zhì)量可靠性。特別注意的是，在進行浮箍、浮鞋反向承壓性能試驗時，可在標準規(guī)定值方面進行適當?shù)慕档?，以防止超過浮箍、浮鞋最高承受壓力而造成損壞。

3.2 施工作業(yè)

3.2.1 入井前

1） 做好對入井浮箍、浮鞋的現(xiàn)場檢測工作，包括檢查浮箍、浮鞋適用范圍是否與實際井況相符。同時還需檢測浮箍、浮鞋是否經(jīng)過性能檢測以及確保入井前其內(nèi)部保持完好且彈簧能夠正常活動。

2） 在下套管前要充分做好通井工作，同時在通井過程中大排量進行循環(huán)洗井，確保井下的清潔通暢。同時使用振動篩篩除泥漿中的較大雜質(zhì)。

3.2.2 管柱入井

1） 入井管柱在入井前，要做到逐根通徑。同時通徑時，鉆臺上只保留1個通徑規(guī)，確保通徑規(guī)在通徑過程中沒有遺留在管柱內(nèi)。

2） 在下入管柱過程中，保護好井口，嚴防出現(xiàn)井內(nèi)落物情況。

3） 保持下入速度平穩(wěn)，嚴禁猛剎、提放，同時要做到及時灌漿，并且保證每次灌漿都要盡量灌滿，防止出現(xiàn)較大掏空現(xiàn)象。

4） 在管柱下入到預(yù)定位置，開泵循環(huán)過程中，盡量避免長時間的大排量循環(huán)。

5） 管柱到達套管鞋及在固井作業(yè)前，都要進行防回壓性能驗證。如果發(fā)現(xiàn)浮箍、浮鞋失效，則可在替漿作業(yè)時使用高密度泥漿來平衡管內(nèi)外壓差。

3.2.3 固井作業(yè)

1） 在固井作業(yè)前，進行環(huán)空試壓，檢驗浮箍、浮鞋的反向承壓密封能力。如果發(fā)現(xiàn)浮箍、浮鞋已經(jīng)失效，則需要采取固井作業(yè)時泵入高密度泥漿的方式來平衡套管內(nèi)外壓差。

2） 固井作業(yè)完畢后，若井口出現(xiàn)返漿，則可能是浮箍、浮鞋處存在較大雜質(zhì)，可嘗試開泵反復(fù)頂幾次，將雜質(zhì)從浮箍、浮鞋處沖離。若依然無效，則起鉆或憋壓候凝。

4 結(jié)論

1） 在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，無法做到完全避免浮箍、浮鞋失效，但是可以通過分析影響其失效的各方面原因，從而制定有針對性的預(yù)防措施，最大限度地降低浮箍、浮鞋的失效風險，提高固井作業(yè)的成功率。

2） 通過耐高溫、耐腐蝕材料優(yōu)選，對沖蝕機構(gòu)過流優(yōu)化分析，閥導(dǎo)桿一體化設(shè)計及扶正機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，大幅提高了浮箍、浮鞋的性能及安全可靠性。

3） 隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，對浮箍、浮鞋性能要求也在不斷提高，即在保證安全可靠性的同時，需要具備良好的可鉆性，從而節(jié)省鉆除時間，提高鉆井作業(yè)效率。因此，下一步需要針對現(xiàn)場需要，進行浮箍、浮鞋易鉆填充材料的研究，同時綜合考慮浮箍、浮鞋失效因素，進行高性能易鉆浮箍、浮鞋的研制。

［1］張洪新，程建中.稠油油藏水平井套管附件的研制及應(yīng)用［J］.鉆采工藝，1998，32（1）：58－60.

［2］劉運樓.浮箍井下工作環(huán)境與失效分析［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（12）：94－96.

［3］杭忠俊，顧業(yè)成.浮球式自灌鉆井液浮箍［J］.石油礦場機械，1994，23（6）：18－22