新型雙合葉浮球式自灌漿浮箍設(shè)計(jì)及應(yīng)用

畢雪亮，李 鋼，王 鵬，逯廣東，韓福偉

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶163318；2.渤海鉆探工程有限公司 第三鉆井公司，天津300280）①

浮箍是套管串及固井過程的重要工具，要求結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，在保證固井工作質(zhì)量中起著關(guān)鍵作用。浮箍安裝在引鞋上，在下套管的過程中，常規(guī)非自灌漿浮箍的回壓閥會(huì)關(guān)閉，管內(nèi)的液柱處于真空狀態(tài)；要使管內(nèi)外的壓力保持平衡，只能人工地向管內(nèi)灌入泥漿，所以必須事先停止下套管作業(yè)。但在復(fù)雜井中，這種做法可能導(dǎo)致套管被卡等事故，費(fèi)時(shí)且費(fèi)力。為此，相關(guān)技術(shù)人員研制了各種自動(dòng)灌漿浮箍。但在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)灌漿浮箍的結(jié)構(gòu)和加工工藝比較復(fù)雜，且成本較高，因?yàn)楦」康耐鈿?nèi)部鑲有襯套等結(jié)構(gòu)，所以浮箍的內(nèi)徑小于套管內(nèi)徑，導(dǎo)致泥漿通過時(shí)阻力大、流量小、浮箍重力比較大［1］。在注水泥后，反向回壓的密封性能不可靠，容易造成水泥漿返回井內(nèi)，水泥塞過高，外部環(huán)空不能完全封隔，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。為改善這些情況，本文對(duì)自動(dòng)灌漿浮箍的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的浮箍結(jié)構(gòu)和加工工藝較簡(jiǎn)單，不需要鑲?cè)胍r套，不僅降低了生產(chǎn)成本，也方便了現(xiàn)場(chǎng)使用，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，雙閥蓋合葉關(guān)閉時(shí)兩道密封確保了套管內(nèi)的鉆井液不進(jìn)入環(huán)形空間，同時(shí)使得水泥漿不能倒流至套管內(nèi)，保證了固井質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)

浮箍安裝在引鞋以上1～2根套管的單根上，它的作用是在下套管過程中可掏空一定量的鉆井液，在浮力的作用下，可使套管串懸浮，以便減輕套管串的重力［2］。另外，自灌漿浮箍可以縮短套管下入井內(nèi)的時(shí)間，同時(shí)在固井注水泥時(shí)使套管外的水泥漿不會(huì)倒流入套管內(nèi)，保證注水泥漿的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。其中，左右閥蓋互相配合，可以阻止水泥漿倒流，達(dá)到反向密封作用。浮箍本身通過自動(dòng)灌漿進(jìn)行循環(huán)洗井，調(diào)整鉆井液性能。固井后浮箍?jī)?nèi)部鋁制承托環(huán)等結(jié)構(gòu)具有良好的可鉆性。

圖1 雙合葉浮球式自灌漿浮箍結(jié)構(gòu)示意

2 工作原理

在下套管過程中，泥漿通過塑料擋管內(nèi)部孔道進(jìn)入套管內(nèi)，進(jìn)而完成自動(dòng)灌漿，當(dāng)套管下入井下指定位置時(shí)，向井內(nèi)投入銅球，此時(shí)開泵循環(huán)泥漿，當(dāng)銅球到達(dá)塑料擋管時(shí)，蹩壓（壓力表中壓力有升高變化），塑料擋管蹩掉時(shí)，雙閥蓋合葉關(guān)閉（灌漿速度與塑料擋管內(nèi)徑有關(guān)，內(nèi)徑大則灌漿速度快，可根據(jù)實(shí)際情況改變塑料擋管大?。Ｔ摳」康囊粋€(gè)作用是通過自動(dòng)灌漿使得鉆井液對(duì)套管的浮力減輕、阻力降低，套管內(nèi)液柱壓力與環(huán)空液柱壓力互相平衡，從而使套管能夠迅速地下入井下［4］；另一個(gè)作用是當(dāng)浮箍左右兩側(cè)的雙閥蓋關(guān)閉時(shí)，能起到單流閥的作用，防止水泥漿倒流至套管內(nèi)。

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

1） 雙合葉浮球式自灌漿浮箍采用既可自灌又能密封的原理，實(shí)現(xiàn)了浮箍在特殊井型時(shí)縮短套管的下入時(shí)間及形成良好的密封。

2） 該浮箍主要用于引導(dǎo)套管柱順利入井，調(diào)整下套管時(shí)套管柱所受的浮力，在固井時(shí)準(zhǔn)確控制套管內(nèi)水泥塞高度，從而確保固井質(zhì)量［5］。

3） 雙合葉浮球式自灌漿浮箍采用左右閥末端及浮球充滿氫氣的方式來(lái)增加浮力，另外左右閥均裝有彈簧，方便打開和關(guān)閉浮箍，打開時(shí)只需增加泵壓，關(guān)閉時(shí)緩慢釋放壓力并由彈簧和浮球同時(shí)關(guān)閉浮箍。

4） 根據(jù)不同井型及井壁是否穩(wěn)定，可調(diào)整浮箍?jī)?nèi)部的塑料擋管直徑來(lái)控制自灌漿速度。

4 主要技術(shù)參數(shù)

雙合葉浮球式自灌漿浮箍的主要技術(shù)參數(shù)如表1［6］。

表1 雙合葉浮球式自灌漿浮箍主要技術(shù)參數(shù)

5 關(guān)鍵技術(shù)及制造難點(diǎn)

5.1 材料及螺紋的選擇

該浮箍隨固井工具組合連續(xù)在井下工作，工況相對(duì)惡劣，受力變化較大。依據(jù)該浮箍的使用和性能要求，對(duì)國(guó)內(nèi)外同類浮箍的材料特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了既要實(shí)現(xiàn)浮箍在井下的密封作用又要滿足后續(xù)鉆進(jìn)時(shí)浮箍的可鉆性，所以選擇了浮箍外部本體為鋼制材料，內(nèi)部用水泥或鋁填充，在使用前對(duì)其進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)，以確保各零部件的密封性能。針對(duì)特殊固井工具可以設(shè)計(jì)特殊錐螺紋或臺(tái)肩螺紋與此連接，提高了螺紋的連接強(qiáng)度和零件的互換性。在特殊螺紋的加工及材料選擇方面難度較大，主要考慮地層溫度高或鉆遇腐蝕性氣體可能導(dǎo)致浮箍的失效。

5.2 左右閥蓋及浮球結(jié)構(gòu)

為確保密封的可靠性，采用特殊設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)和材料，左閥蓋及浮球大部分為鋁制材料［7］，末端用氫氣進(jìn)行填充，左閥蓋末端也使用氫氣進(jìn)行填充，主要是為了增加左右閥蓋關(guān)閉后的浮力，使其密封可靠，能更好地阻止水泥漿倒灌至套管內(nèi)。閥蓋末端采用密封氫氣的方式增加浮箍的浮力，對(duì)密封端的制造有一定難度，一定要密封好，否則將減弱使用效果。另外，在使用前要對(duì)其進(jìn)行密封檢測(cè)確保其密封性能良好。

6 使用方法

6.1 在鉆具組合的安裝位置

在固井作業(yè)中，浮箍在引鞋之上同時(shí)連接于套管，典型的套管串組合：引鞋＋套管鞋＋旋流短節(jié)＋浮箍＋短套管＋扶正器＋套管。浮箍連接在套管柱末端向上20～30m 處［8］。

6.2 操作方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，正確安裝浮箍，根據(jù)固井工藝技術(shù)組裝好套管串，下入井內(nèi)，控制合理下放速度，防止鉆井液回流速度過大影響井壁穩(wěn)定。操作步驟：

1） 按常規(guī)方法下放套管串，此時(shí)雙合葉浮球式自灌漿浮箍通過自動(dòng)灌漿功能夠循環(huán)鉆井液，調(diào)整鉆井液性能同時(shí)加快下套管的速度。當(dāng)套管繼續(xù)下行至井眼指定部位時(shí)，將銅球投入套管內(nèi)，銅球通過自重和循環(huán)鉆井液的壓力不斷下行，當(dāng)銅球下行至塑料擋管端口處時(shí)，會(huì)堵塞流動(dòng)出口（端口）。

2） 繼續(xù)加大泵壓在套管內(nèi)形成蹩壓，當(dāng)管內(nèi)壓力逐漸增大直至將塑料擋管蹩掉，浮箍?jī)?nèi)部左閥蓋和右閥蓋及左右閥蓋彈簧由傾斜的初始狀態(tài)到平行的關(guān)閉狀態(tài)，即恢復(fù)到單流閥狀態(tài)。

3） 準(zhǔn)備注入水泥漿固井。水泥漿由套管內(nèi)部注入至端口處，通過壓力的作用使得左右閥蓋打開，水泥漿通過浮箍由套管內(nèi)流向套管外部的環(huán)形空間，水泥漿不斷上升至工程要求的指定位置，碰壓，水泥漿注入完畢，套管外部的環(huán)形空間壓力高于套管內(nèi)壓力，促使浮箍?jī)?nèi)左右閥蓋再次回到關(guān)閉狀態(tài)，將套管內(nèi)與套管外封隔，水泥漿只能停留在套管外的環(huán)形空間，不能倒流至套管內(nèi)部。此時(shí)固井結(jié)束，等待水泥漿的候凝。

7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

雙合葉浮球式自灌漿浮箍在吉林油田現(xiàn)場(chǎng)推廣使用。該井為預(yù)探水平井，應(yīng)用最大井深3 280.33 m，最大井斜83°。經(jīng)應(yīng)用證明，該浮箍在下套管中途循環(huán)鉆井液不影響自動(dòng)灌漿性能，同時(shí)在固井結(jié)束后密封效果良好，耐腐蝕性強(qiáng)，套管內(nèi)無(wú)水泥漿侵入，保證了水泥漿在候凝時(shí)完全充滿環(huán)空。

8 結(jié)論

1） 雙合葉浮球式自灌漿浮箍可用于直井、水平井、定向井、套管開窗側(cè)鉆井等多種鉆井、固井作業(yè)，使用范圍較廣。

2） 該浮箍在下放套管時(shí)可以自灌漿，減輕了鉆井液對(duì)套管的浮力，減少了套管下入過程中井眼環(huán)空泥漿上返速度，并減少了套管在下放時(shí)卡鉆的幾率，實(shí)現(xiàn)了下套管的連續(xù)施工，利于井壁穩(wěn)定。配合固井工具的使用，易安裝易鉆取，使用安全可靠。

3） 此浮箍主要應(yīng)用于固井，同時(shí)也可應(yīng)用于鉆井中，能夠減少壓力波動(dòng)，防止井漏發(fā)生［9］。

4） 自灌漿浮箍降低了井隊(duì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了下套管的時(shí)間，提高了固井質(zhì)量，降低了鉆井的直接成本。

［1］應(yīng)保慶.自動(dòng)灌浮箍現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及評(píng)價(jià)［J］.石油鉆探技術(shù)，1996，24（2）：1－32.

［2］杭忠俊，顧業(yè)成.浮球式自灌鉆井液浮箍［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1994，23（6）：19－22.

［3］張明昌.固井工藝技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007：33－35.

［4］袁進(jìn)平，蔡俊林，莊曉謙等.新型固井工具研制［J］.石油鉆采工藝，2002，25（2）：67－68.

［5］劉運(yùn)樓，李福德，劉偉.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.

［6］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)：固井［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2005：658－660.

［7］姜向東，朱和明，孫文俊.易鉆浮箍浮鞋的研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2012，34（5）：107－109.

［8］陳平.鉆井與完井工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［9］張世文.自動(dòng)灌漿浮箍浮鞋設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2009（23）：43－44.