河南油田高效定點取換套技術(shù)

冉津津 （中石化河南石油工程公司井下作業(yè)分公司，河南 桐柏 474780）

河南油田高效定點取換套技術(shù)

冉津津 （中石化河南石油工程公司井下作業(yè)分公司，河南 桐柏 474780）

使用倒扣法取換套管時，由于倒扣不準(zhǔn)常使實際取換套深度大于設(shè)計深度。這不僅造成浪費還降低了取換套的施工效率，為此研究高效定點取換套技術(shù)。通過套管加重、精確倒扣和倒扣診斷3種方法來實現(xiàn)定點取換套，并對倒扣診斷法中存在的伸長量變化問題展開研究，找到了使用現(xiàn)場測量和保留一定長度套管的方法來解決伸長量變化問題。在取換套施工過程中使用套管加重、精確倒扣和倒扣診斷3種方法可確保定點取換套的成功，顯著提高取換套的施工效率，具有一定的應(yīng)用價值。

取換套；套管；倒扣；伸長量；中和點

河南油田主要使用倒扣法進(jìn)行取換套，由于倒開點控制不準(zhǔn)確，為防止倒扣出套銑管而丟魚頭，套銑管下入深度一般比設(shè)計取換套深度深100m以上，這不僅延長了施工周期，還增加了卡鉆風(fēng)險。使用定點取換套技術(shù)［1］，雖提高了取換套準(zhǔn)確度，但仍缺少一套完善的倒扣方法作為技術(shù)支持，倒扣出套銑管的風(fēng)險依然存在。研究定點取換套的倒扣技術(shù)，對提高取換套施工效率是很有必要的。

1 定點取換套倒扣技術(shù)研究

1.1 套管加重法

套管加重法就是利用配重管柱的重量，對設(shè)計取換套點以下的套管進(jìn)行加重。加重后，套管接箍處絲扣承受的壓力增加，摩擦力加大，將更難以被倒開，因此可防止套管從設(shè)計取換套點以下倒開。

如圖1所示，在尾管保魚［2］基礎(chǔ)之上，對尾管進(jìn)行配重 （使用鉆鋌或加重鉆桿），使尾管重量達(dá)到100～150kN。配合使用高承壓找漏、丟手封隔器，找完漏以后在設(shè)計取換套點以下1／2～2／3套管長度處進(jìn)行坐掛丟手。另外，坐掛后投球封堵內(nèi)空間，防止泥漿進(jìn)入坐掛點以下，可縮短后期替漿時間。

圖1 套管加重管柱組合

1.2 精確倒扣法

由于套管的結(jié)構(gòu)與油管相似，引入解卡打撈定點倒扣技術(shù)［3］的精確倒扣法是可行的。該方法對管柱所受的浮力進(jìn)行分析，并結(jié)合實際對各影響因素進(jìn)行了處理，可對倒扣拉力進(jìn)行精確計算，能將中和點準(zhǔn)確控制在設(shè)計取套深度處，從而大大提高倒扣成功率。

精確倒扣法可準(zhǔn)確計算套管所受的浮力，如圖2所示 （圖中只保留公扣端，接箍及其以下套管省略），套管相連時，絲扣形成密封。陰影部分大圓環(huán)面積為套管的橫截面積，圓環(huán)1的面積 （絲扣所在的橫截面積）上無法受到水壓力作用不產(chǎn)生浮力，此時套管所受的浮力由圓環(huán)2的面積受水壓力作用而產(chǎn)生。以往在計算倒扣拉力時，將管柱視作下端無連接的自由管柱，自由管柱所受的浮力為排開水的重力，而實際管柱下端相連密封，所受浮力變小，將排開水的重力作為浮力來計算是錯誤的，這也是實際倒扣拉力計算不準(zhǔn)、無法將中和點準(zhǔn)確控制在設(shè)計取套深度的主要原因。而精確倒扣法對實際管柱的浮力做了正確的描述，精確計算了倒扣拉力，從而能將中和點準(zhǔn)確控制在設(shè)計取套深度處。圖2的作用在于區(qū)分自由管柱與實際管柱所受浮力的區(qū)別，有助于理解精確倒扣法的正確性。

如圖3所示，定點取換套的倒扣方式與一般倒扣方式不同，要先將倒扣工具下至取換套點以上1／3～2／3套管長度處撈住套管再倒扣，因此在計算倒扣拉力時還要將下入倒扣工具的管柱重量計算在內(nèi)。由于與坐掛點之間僅有一個套管接箍 （即設(shè)計取換套點），因此只允許從這個接箍的上部或下部絲扣處倒開。使用精確倒扣法計算倒扣拉力及其具體過程見參考文獻(xiàn) ［3］。

圖2 套管所受浮力分析

圖3 定點倒扣示意圖

1.3 倒扣診斷法

使用以上兩種方法，可基本實現(xiàn)定點取換套，但一些意外情況發(fā)生時仍存在從坐掛點以下倒開的可能。為此，套銑管仍要下到坐掛點以下足夠深度 （50～80m），此時對施工效率的提高不明顯。

倒扣診斷法是在倒扣過程中，套管被倒開前就能判斷出是否失敗的方法，若失敗只需上扣、緊扣即可補救，因此可確保倒扣的成功。其原理為倒扣時套管絲扣退出增加了套管長度，使上部套管伸長量變?。煌瑫r，這部分絲扣露出來還增加了泥漿作用面積，使套管所受浮力變大，因此倒扣時指重計讀數(shù)將變小。指重計讀數(shù)變化和伸長量變小導(dǎo)致的變化量公式如下：

式中：ΔF為指重計讀數(shù)變化，kN；ΔF1為倒開點以上套管的伸長量變小導(dǎo)致拉力變小的變化量，kN；Δλ1為倒開點以上套管的伸長量變化量，cm；ΔF2為浮力變大導(dǎo)致拉力變小的變化量，kN；E為套管的彈性模量，GPa；A為套管的橫截面積，cm2；H為設(shè)計取套點所在深度，m。

套管絲扣露出長度計算公式如下：

式中：Δλ2為套管絲扣露出長度，cm；L為絲扣總長度，cm；ω為倒扣轉(zhuǎn)速，r／s；t為倒扣時間，s；N為公扣端絲扣的總扣數(shù)。

根據(jù)套管公扣端結(jié)構(gòu)及幾何關(guān)系，可得：

式中：D1、D2分別為最大絲扣直徑和最小絲扣直徑，cm；DL為露出部分絲扣最小直徑，cm；K為倒開套管總?cè)?shù)；ρ為泥漿密度，kg／m3；ΔA為露出絲扣增加的水作用面積，cm2。

選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和時間 （即倒扣圈數(shù)）并根據(jù)式 （7）計算出指重計的變化量，就可對倒扣進(jìn)行即時的診斷。若實際倒扣時指重計的變化量滿足計算值，則倒扣取得成功；若不滿足，由于坐掛點以上僅有一處倒開點，可判斷倒開點在坐掛點以下，在套管加重作用下指重計變化量會明顯小于計算值，應(yīng)及時停止倒扣并上扣、緊扣，避免倒扣失敗。

2 存在問題

套管加重法的實施過程及其配套工具已經(jīng)比較成熟，基本不存在技術(shù)問題；精確倒扣法已經(jīng)在解卡打撈中成功運用，并且套管結(jié)構(gòu)和油管相似，技術(shù)問題已經(jīng)基本解決，因此這里只對倒扣診斷法存在的問題進(jìn)行分析研究。

2.1 伸長量變化計算不準(zhǔn)

坐掛點以下套管在自身重量和配重管柱的雙重作用下，受壓發(fā)生位移和變形并在井眼內(nèi)重新分布［4］，若在上部施加較小壓力，很難再產(chǎn)生位移和變形。因此倒扣時產(chǎn)生的伸長量變化都只能向上傳遞，很容易認(rèn)為伸長量變化等于套管絲扣露出部分的長度，即Δλ1＝Δλ2，有：

以5 1/2in套管為例，先不考慮割套和打撈管柱，假設(shè)在井口直接進(jìn)行倒扣，泥漿密度取水的密度。查數(shù)據(jù)表［5］得：L＝8.8cm，N＝27，K＝15，D1＝139.7mm，D2＝131.8mm。計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 5 1/2in套管特定深度倒扣診斷計算表

表1中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，ΔF1的一些計算值過大，甚至已經(jīng)超過了套管液重，使ΔF的值不符合實際，因此取Δλ1＝Δλ2存在問題。

2.2 中和點上移

使用精確倒扣法可將中和點控制在設(shè)計取換套深度，中和點以上套管在自身重力下處于自由拉伸狀態(tài)。例如倒扣12圈時Δλ2＝39.11mm，而400m套管的自由拉伸量僅為26.08mm，按此推算指重計讀數(shù)將為零，這顯然與實際不符。其原因在于倒扣時套管所受的拉力變小使中和點上移 （與浮力變化無關(guān)），上移這段距離的套管不再受拉力，會因自身重量將一部分伸長量變化轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼奈灰坪妥冃瘟?，阻礙了伸長量變化向上傳遞。再加上摩擦力的阻礙，共同削弱了伸長量變化對套管所受拉力的減小作用，如圖4所示。

圖4 中和點上移的影響

3 處理方法

套銑時為防止套管在套銑管中彎曲自鎖，一般每套銑進(jìn)尺200m［2］后下割刀割取一次套管。因此通常在倒扣打撈前設(shè)計取換套點以上的大部分套管已被割套取完，僅保留幾米長度為打撈倒扣所用。

3.1 現(xiàn)場測量法

由于剩余幾米長度的套管重量和浮力變化可忽略不計，因此主要考慮伸長量變化對打撈管柱的影響。以2 7/8 in內(nèi)平式反扣鉆桿 （參數(shù)見文獻(xiàn) ［5］）倒扣12圈為例，根據(jù)式 （8）計算ΔF1值，結(jié)果如表2所示。

表2 反扣鉆桿ΔF1計算值

圖5 伸長量變化現(xiàn)場測量過程簡圖

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，為測量Δλ1做以下操作：①下放管柱，G2＜ΔF1時下放至指重計讀數(shù)為零；G2＞ΔF1時下放至指重計讀數(shù)小于G2－ΔF1，讓管柱所處的狀態(tài)在井筒中分布充分，與中和點上移管柱變化后的狀態(tài)相當(dāng)。②上提管柱，G2＜ΔF1時不上提，G2＞ΔF1時上提至拉力為G2－ΔF1，并做標(biāo)記點A，此時管柱與倒扣時阻礙伸長量傳遞的狀態(tài)相當(dāng)。③繼續(xù)上提管柱至拉力大于G2。④下放管柱至拉力為G2，并做標(biāo)記點B，如圖5中（a）所示。此時AB為沒有摩擦阻礙（設(shè)摩擦阻礙伸長量變化的大小為Δλf，cm）時的伸長量變化量Δλ′1，而Δλ1＝Δλ′1－Δλf。⑤ 上提管柱至拉力大于G2，并做標(biāo)記點A0。⑥ 繼續(xù)上提，G2＜ΔF1時拉力增量為G2；G2＞ΔF1時拉力增量為ΔF1。⑦下放管柱至第⑤步上提后的拉力，并做標(biāo)記點B0，由于摩擦力反向，A0無法回到原位，因此A0B0＝Δλf，如圖5中（b）所示。綜上可得Δλ1＝Δλ′1－Δλf＝AB－A0B0。

3.2 保留套管法

為避免中和點上移，可在設(shè)計取換套點以上適當(dāng)保留一定長度的套管。當(dāng)ΔF1＜G1（套管液重）時，打撈管柱始終處于拉伸狀態(tài)，中和點不會上移，并且Δλ1＝Δλ2，此時可以用式（9）進(jìn)行計算。令ΔF1＝G1，可以計算出保留套管的最小長度，計算結(jié)果如表3所示。

表3 保留套管最小長度計算表

由表3可以看出，H越小保留長度Lc就越大，到一定程度時Lc將大于H，此時已經(jīng)無法實現(xiàn)。令Lc＝H＝Hmin，由ΔF1＝G1可計算得最小適用深度Hmin。以倒扣12圈為例，計算得Hmin＝261.67m（以上計算中泥漿密度均取水的密度為例計算而得），又由于井口已經(jīng)有8～15m的套管被割去（使方鉆桿能下入），因此Hmin可取270m。當(dāng)H小于270m時，應(yīng)使用現(xiàn)場測量法來獲得Δλ1；當(dāng)H大于270m時，應(yīng)使用保留套管法進(jìn)行計算。另外，倒扣圈數(shù)越少，Hmin取值越小，保留套管法的適用范圍就越大，現(xiàn)場使用時可根據(jù)具體情況優(yōu)選倒扣參數(shù)。

定點取換套技術(shù)確保實現(xiàn)后，在提高取換套施工效率方面主要有以下幾點優(yōu)勢：①套銑管只需下到坐掛點即可，大大縮短了套銑深度和時間。②定點取換套本身可最大限度節(jié)約套管材料。③替漿時只需替出坐掛點以上井段的泥漿，大大縮短了替漿時間。④以上三點同時還減輕了現(xiàn)場施工人員的勞動強度。⑤設(shè)計取套深度附近存在拐點或處于復(fù)雜地層時，可使用套管對扣器并隨封隔器一起丟手，可大大提高套管對扣成功率。

4 結(jié)論

1）套管加重法通過加重坐掛點以下套管，能有效避免從坐掛點以下倒開。

2）精確倒扣法能將中和點準(zhǔn)確控制在設(shè)計取套換深度，提高倒扣成功率。

3）倒扣診斷法能在套管被倒開前進(jìn)行有效判斷，可避免倒扣失敗，確保定點取換套成功。

4）確保定點取換套成功，可顯著提高取換套的施工效率。

［1］張成江 .定點倒扣法取套技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］.復(fù)雜油氣藏，2010，3（4）：78～81.

［2］胡博仲 .油水井大修工藝技術(shù) ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［3］冉津津，邱流湘，劉濤，等 .解卡打撈定點倒扣技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］.石油天然氣學(xué)報 （江漢石油學(xué)院學(xué)報），2013，35（6）：1～4.

［4］李欽道，張娟，鄒波，等 .直井油管柱螺旋彎曲研究 ［J］.鉆采工藝，2012，35（6）：61～66.

［5］吳奇 .井下作業(yè)工程師手冊 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002.

［編輯］ 黃鸝

Taking Out and Replacing Casings by Using Efficient Fixed Point Technology in Henan Oilfield

RAN Jin-jin （Author' s Address：Downhole Operation Branch，Henan Petroleum Engineering Company，SINOPEC，Nanyang 474780，Henan，China）

When backoff method was used to take out and replace casing strings，because of its calculation was not accurate the depth of casing replacement was more than that of design.This not only wasted time，but also reduced the efficiency of the operation.Therefore the technology for fixed-point taking and replacing casing strings was studied.The casing strings were taken and replaced at fixed point through the methods of casing weigthing，accurate casing backoff and its diagnosis and the issue of elongation change in casing backoff diagnosis was discussed.The method that uses field measurement data and reserving a certain length of casing is proposed to solve problem of elongation change.In the casing replacement，the three methods can ensure a successful operation and obviously improve the operation efficiency，it is valuable for application.

taking out and replacing casing；casing；backoff；elongation；neutral point

TE283

A

1000-9752（2014）04-0098-05

2013-09-24

冉津津 （1986-），男，2011年西南石油大學(xué)畢業(yè)，工程師，從事油井大修技術(shù)研究工作。