篩管液壓丟手裝置的研制與應(yīng)用

孫文俊　侯乃賀　李富平　李建業(yè)

（中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州　253005）

篩管液壓丟手裝置的研制與應(yīng)用

孫文俊侯乃賀李富平李建業(yè)

（中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州253005）

長北氣田采用雙分支水平井技術(shù)配合裸眼完井進(jìn)行天然氣開發(fā)，為預(yù)防鉆遇泥巖層和煤層坍塌的問題，在水平裸眼段內(nèi)下入預(yù)鉆孔篩管以支撐井壁。由于井眼環(huán)境復(fù)雜，長北氣田的水平井作業(yè)存在著長篩管下入困難、短篩管重量輕不易順利丟手、常規(guī)丟手工具遇阻時無法旋轉(zhuǎn)解阻、常規(guī)球座施工后需另外下鉆鉆除等技術(shù)難題。研制了篩管液壓丟手裝置，該裝置具備旋轉(zhuǎn)功能，允許篩管串在下入過程中采取旋轉(zhuǎn)的方式通過阻點(diǎn)；具有兩種丟手方式，既可通過液壓方式丟手，也可通過機(jī)械方式丟手；設(shè)計(jì)了可提出式球座機(jī)構(gòu)，在施工后可隨著送入工具整體提出，無需下鉆鉆除。該篩管液壓丟手裝置通過了一系列地面性能實(shí)驗(yàn)，并在長北氣田CB23-2井和CB23-3井兩口水平分支井進(jìn)行了應(yīng)用，完成了4趟篩管下入作業(yè)，成功解決了現(xiàn)場難題。

液壓丟手；可提出式球座；裸眼完井；預(yù)鉆孔篩管；長北氣田

長北氣田位于陜西省榆林北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，是中國石油與殼牌公司合作的大型石油天然氣開發(fā)項(xiàng)目，多采用雙分支水平井技術(shù)配合裸眼完井進(jìn)行天然氣開采。由于長北氣田地下煤層豐富，在長裸眼水平井鉆進(jìn)過程中經(jīng)常鉆遇煤層或泥巖層，存在縮徑和井壁不穩(wěn)定等潛在風(fēng)險?，F(xiàn)場一般采用在易坍塌裸眼井段下入預(yù)鉆孔篩管的方法來實(shí)現(xiàn)對井壁的支撐。但長北氣田由于水平裸眼段存在泥巖層或煤層，極易造成長篩管串下入困難，因此要求丟手裝置具備旋轉(zhuǎn)功能；設(shè)計(jì)的篩管串長度出于成本考慮，僅略長于易坍塌井段長度，往往只有100~300 m，容易出現(xiàn)丟手困難；常規(guī)球座在實(shí)現(xiàn)憋壓后不能形成全通徑，需另外下鉆鉆除；丟手位置在水平裸眼井段，井內(nèi)巖屑及沉砂等介質(zhì)易對丟手裝置產(chǎn)生影響，造成無法正常丟手（常規(guī)機(jī)械丟手采用正轉(zhuǎn)方式丟手，下入過程遇阻無法旋轉(zhuǎn)［1-2］；常規(guī)液壓丟手對井筒環(huán)境敏感，易發(fā)生提前丟手或無法丟手［3］）。通過對國內(nèi)外丟手工具的調(diào)研，研發(fā)了篩管液壓丟手裝置［4-6］，實(shí)現(xiàn)了不同長度篩管串的送入和丟手作業(yè)。

1　篩管液壓丟手裝置

1.1設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在篩管下入過程中，篩管液壓丟手裝置可采取旋轉(zhuǎn)方式使篩管串通過遇阻點(diǎn)；具有液壓和機(jī)械兩種丟手方式，其中液壓丟手作為首選丟手方式，機(jī)械丟手作為備用手段，提高丟手可靠性；具有可提出式球座結(jié)構(gòu)，避免常規(guī)球座在施工后需另外下鉆鉆除的問題，縮短建井周期，節(jié)省作業(yè)成本；具備保護(hù)裝置，防止在管串下入過程和循環(huán)過程中井內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入丟手裝置內(nèi)部，影響丟手可靠性。

1.2裝置結(jié)構(gòu)

篩管液壓丟手裝置由液壓丟手單元、保護(hù)單元和可提出式球座單元等三大部分組成。其中液壓丟手單元由上接頭、芯軸、扭矩套、鎖定環(huán)、雙面卡簧、花瓣套筒、液缸、液壓丟手剪釘、機(jī)械丟手剪釘、下接頭和扭矩接頭等組成；保護(hù)單元由防砂帽和保護(hù)筒組成；可提出式球座單元由連接筒、球座外殼、球座和球座端環(huán)等組成，如圖1所示。本裝置的上接頭與送入鉆具相連，扭矩接頭與篩管串相連。丟手后，保護(hù)筒和扭矩接頭與篩管串留在井內(nèi)，裝置其余部分全部提出。除可提出式球座單元以外的其余提出部件統(tǒng)稱為送入工具。

1.3工作原理

篩管液壓丟手裝置可實(shí)現(xiàn)篩管串下入過程中的旋轉(zhuǎn)、液壓丟手或機(jī)械丟手，并能在憋通球座后將可提出式球座單元整體與送入工具一起提出。

（1）下入過程旋轉(zhuǎn)。下入過程中若出現(xiàn)管串遇阻，且通過上提下放無法通過遇阻點(diǎn)，可通過旋轉(zhuǎn)鉆具，帶動上接頭、扭矩套和扭矩接頭間的扭矩齒進(jìn)行扭矩傳遞，驅(qū)動與扭矩接頭連接的尾管串進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而減小管串下入摩阻或改變管串下入角度，以順利通過遇阻點(diǎn)。

圖1　篩管液壓丟手裝置

（2）液壓丟手。鉆具送入到位后，將鉆具下壓一定噸位，鉆具帶動上接頭、扭矩套、芯軸及與芯軸連接的鎖定環(huán)、液缸和下接頭一起下行，從而完全壓縮扭矩套與扭矩接頭之間的軸向間隙，此時花瓣套筒的彈性爪在扭矩接頭凹槽內(nèi)下行至凹槽下端面。投憋壓球并泵送到位，憋壓球與球座配合，憋壓，剪斷液壓丟手剪釘，液缸上行，推動花瓣套筒和雙面卡簧上行，花瓣套筒的彈性爪從扭矩接頭凹槽內(nèi)脫出，實(shí)現(xiàn)丟手。液缸繼續(xù)上行，雙面卡簧與鎖定環(huán)咬合，從而防止花瓣套筒的彈性爪再次進(jìn)入扭矩接頭凹槽內(nèi)。

（3）機(jī)械丟手。若液壓丟手不成功，則可采取機(jī)械丟手。通過反轉(zhuǎn)鉆具，剪斷機(jī)械丟手剪釘，此時上接頭和扭矩套間可相對運(yùn)動。下壓鉆具，使上接頭扭矩齒與扭矩套的扭矩槽接觸；繼續(xù)下壓，完全壓縮扭矩套與扭矩接頭之間的軸向間隙，上接頭帶動芯軸、鎖定環(huán)、液缸和下接頭下行。此時下接頭失去對花瓣套筒彈性爪的支撐，鎖定環(huán)與雙面卡簧咬合。上提鉆具，上接頭帶動芯軸、鎖定環(huán)、雙面卡簧和花瓣套筒上行，將花瓣套筒的彈性爪從扭矩接頭凹槽內(nèi)拔出，從而實(shí)現(xiàn)丟手。

（4）丟手后球座提出。繼續(xù)進(jìn)行管內(nèi)憋壓，剪斷球座剪釘，球座下行，并坐落在球座端環(huán)上。起鉆時，可提出式球座單元與送入工具一起提出。丟手裝置技術(shù)裝置見表1。

表1　篩管液壓丟手裝置技術(shù)參數(shù)

2　室內(nèi)性能實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)?127 mm鉆桿扣打壓接頭、?88.9 mm油管扣堵頭、?127 mm鉆桿扣拉伸接頭、?139.7 mm套管扣拉伸接頭，選擇拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)、電動試壓泵、上扣機(jī)等實(shí)驗(yàn)裝置。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表2。

表2　實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2實(shí)驗(yàn)過程及指標(biāo)

（1）整體密封性能實(shí)驗(yàn)。組裝一套篩管液壓丟手裝置，將液壓丟手剪釘更換成高壓無法剪切的鋼釘，卸下可提出式球座單元，用?127 mm鉆桿扣打壓接頭連接該裝置的上接頭，用?88.9 mm油管扣堵頭連接該裝置連接筒下端的?88.9 mm油管扣。用電動試壓泵連接?127 mm鉆桿扣打壓接頭，打壓30MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力不下降為合格。

（2）承載實(shí)驗(yàn)。重新組裝一套篩管液壓丟手裝置，用?127 mm鉆桿扣拉伸接頭連接該裝置的上接頭，用?139.7 mm套管扣拉伸接頭連接在該裝置的扭矩接頭，將兩個拉伸接頭分別固定在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的兩端。最大拉伸力 1 000 kN，扭矩接頭與送入工具無位移為合格。

（3）液壓丟手實(shí)驗(yàn)。完成上一實(shí)驗(yàn)后，將液壓丟手鋼釘更換成銅質(zhì)剪釘，將?139.7 mm套管扣拉伸接頭連接在扭矩接頭下端，將拉伸接頭固定在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上。用電動試壓泵打壓至壓力突降繼而趨于穩(wěn)定，記錄此壓力突降前最高壓力數(shù)值，該值在11~12 MPa為合格。上提上接頭，送入工具脫離扭矩接頭為合格。

（4）球座剪切實(shí)驗(yàn)。完成上一實(shí)驗(yàn)后，卸掉?88.9 mm油管扣堵頭，將?36 mm憋壓球放入球座內(nèi)，將可提出式球座單元連接到連接筒下端的?88.9mm油管扣。用電動試壓泵打壓至壓力突然釋放，記錄最高壓力值，該值在21~23 MPa為合格。

（5）機(jī)械丟手實(shí)驗(yàn)。完成上一實(shí)驗(yàn)后，卸掉連接在篩管液壓丟手裝置兩端的拉伸接頭，用上扣機(jī)的兩個卡盤分別卡緊該裝置的上接頭和扭矩接頭。將上扣機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)行機(jī)械丟手剪釘?shù)募羟信ぞ販y定。記錄扭矩突然釋放前的最大數(shù)值，該值在2800~3200 N·m為合格。下壓上接頭后再上提，送入工具脫離扭矩接頭為合格。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對篩管液壓丟手裝置進(jìn)行整體密封實(shí)驗(yàn)，打壓30 MPa，穩(wěn)壓15 min無壓降，達(dá)到整體密封性能要求；對篩管液壓丟手裝置進(jìn)行拉伸承載實(shí)驗(yàn)，成功拉伸至 1 000 kN，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；對液壓丟手功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，打壓11.4 MPa液壓丟手剪釘剪斷，上提上接頭，送入工具與扭矩接頭成功脫離；對球座進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，打壓21.4 MPa球座剪釘剪斷，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；對機(jī)械丟手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反轉(zhuǎn)扭矩2 982 N·m剪釘剪斷，下壓后再上提上接頭，送入工具與扭矩接頭成功脫離。

3　施工工藝

3.1前期準(zhǔn)備

在進(jìn)行管串下入施工前，使用原鉆具進(jìn)行通井作業(yè)。通井過程中，對于可能遇阻點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)劃眼，確保井內(nèi)無明顯遇阻點(diǎn)，通井至井底后，充分循環(huán)清洗井眼。用原鉆具通井過程中，需采用不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行井內(nèi)的旋轉(zhuǎn)扭矩測試，以對管串下入過程中的旋轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行預(yù)測和對比。測試位置分別為擬下入篩管串的井底位置和丟手位置，并分別記錄旋轉(zhuǎn)測試點(diǎn)的上提和下放懸重。

3.2管串下入

連接引鞋及篩管串。連接液壓丟手裝置時，先將上接頭與送入鉆具連接，再將扭矩接頭下端與篩管串連接。連接好液壓丟手裝置后，在保護(hù)筒內(nèi)灌滿保護(hù)油，從而起到潤滑部件和防止井內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入裝置內(nèi)部的作用。工具連接完畢后進(jìn)行稱重，并進(jìn)行循環(huán)頂通。篩管串送入過程中操作要平穩(wěn)，并注意觀察遇阻情況，如遇阻或多次上提、下放均無法順利通過，則將管串提起一段距離后進(jìn)行試旋轉(zhuǎn)，并采用邊旋轉(zhuǎn)邊下放的方式通過遇阻點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中必須參考通井過程中的測試扭矩，嚴(yán)格控制旋轉(zhuǎn)扭矩，避免對篩管產(chǎn)生破壞。

3.3丟手作業(yè)

管串送入到位后，頂替循環(huán)，頂通泵壓不得大于6 MPa，循環(huán)時間10~20 min，循環(huán)后上下活動管串，測試懸重；如條件允許進(jìn)行整體管串旋轉(zhuǎn)，并記錄旋轉(zhuǎn)扭矩。保持液壓丟手裝置處于受壓狀態(tài)，投憋壓球，并采用0.5~0.8 m3/min排量泵送，待憋壓球到位后緩慢升壓至13 MPa，并穩(wěn)壓2 min，卸壓后緩慢上提鉆具，觀察是否完成丟手；同時在上提2 m后可進(jìn)行試旋轉(zhuǎn)，采用與丟手前相同的轉(zhuǎn)速，對比丟手前后扭矩變化，判斷是否完成丟手。如未丟手，再次使液壓丟手裝置處于受壓狀態(tài)，逐次提高2 MPa壓力，重復(fù)液壓丟手操作。

若液壓丟手失效，可采用機(jī)械丟手。尋找液壓丟手裝置的中和點(diǎn)位置，反轉(zhuǎn)管串，使反轉(zhuǎn)扭矩達(dá)到4 000 N·m，上下小幅度活動管串使扭矩傳遞至機(jī)械丟手剪釘處，下放小段距離后上提管串，觀察懸重變化情況，判斷是否丟手。如未完成機(jī)械丟手，則逐漸增大并且反轉(zhuǎn)扭矩。丟手完成后，繼續(xù)開泵憋通球座。起鉆，球座單元與送入工具一起提出，保證篩管內(nèi)全通徑，避免下鉆鉆除。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

2014年7月—11月，篩管液壓丟手裝置在長北氣田CB23-2井和CB23-3井兩口水平分支井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，在4個水平分支井眼內(nèi)成功完成了4次?139.7 mm篩管串的下入及丟手作業(yè)，并創(chuàng)造了長北項(xiàng)目該規(guī)格篩管串最長1 491.95 m和最短124.83 m的下入及丟手記錄，應(yīng)用效果良好。具體應(yīng)用情況見表3。

表3　長北氣田篩管液壓丟手裝置應(yīng)用情況

5　結(jié)論與建議

（1）長北氣田CB23-2井和CB23-3井的4趟篩管下入作業(yè)的成功實(shí)施，證明篩管液壓丟手裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)不同長度篩管串在長裸眼水平段的送入、液壓丟手和球座憋通后隨送入工具的順利起出。

（2）下入長篩管串時，由于井筒對管串摩擦力較大，可通過對比丟手前后的上提、下放懸重來進(jìn)行丟手判斷；下入短篩管串時，由于井筒對管串摩擦力較小，在對比丟手前后懸重的同時，還可對比旋轉(zhuǎn)扭矩的變化來進(jìn)行輔助判斷。

（3）篩管液壓丟手裝置在CB23-2井使用時，篩管串長達(dá)1 491.95 m，由于篩管扣型為偏梯扣，抗扭能力不高，因此在丟手判斷時沒有測試旋轉(zhuǎn)扭矩；若該井出現(xiàn)管串下入極其困難的情況，低抗扭扣型將嚴(yán)重制約工具的旋轉(zhuǎn)解阻功能，建議在今后下入長篩管串時優(yōu)先采用高抗扭扣型。

［1］張金龍，阮臣良，郭朝輝，等. 旋轉(zhuǎn)尾管固井關(guān)鍵技術(shù)分析［J］. 石油機(jī)械，2011，39（5）：88-91．

［2］阮臣良，馬蘭榮，孫文俊. 國外旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器丟手工具分析 ［J］. 石油機(jī)械，2009，37（9）：166-168．

［3］李玉海．球掛式液壓丟手工具研制［J］．石油礦場機(jī)械，2012，41（2）：71-73．

［4］HYATT C R, PARTIN M H . Liner rotation and proper planning improve primary cementing success ［J］.SPE 12607,1984.

［5］E:期刊20160915新建文件夾廖前華，于小龍，劉禹銘，等. 新型導(dǎo)向液壓丟手工具的研制及應(yīng)用［J］. 石油機(jī)械，2011，39（3）：45-46．

［6］趙峨松，陳娟琪. 小井眼篩管懸掛器的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2012，34（3）：119-120．

（修改稿收到日期2015-04-15）

〔編輯李春燕〕

Development and application of hydraulic releasing device for screen pipe

SUN Wenjun, HOU Naihe, LI Fuping, LI Jianye
（Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co. Ltd., SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering, Dezhou 253005, China）

Natural gas in Changbei Gasfield is developed using dual branch horizontal wells in cooperation with open hole completion. In order to prevent wellbore collapse when drilling mudstone layer and coal bed, the pre-bored screen pipe is run to the horizontal open hole section to support the wellbore side wall. Due to complexity of wellbore conditions, a number of technical difficulties have been met in horizontal well operations in Changbei Gasfield such as difficulties in running long screen pipe, that short screen pipe is too light to effect smooth release, that conventional release tools cannot be freed by rotation at tight hole, and that the conventional ball seat needs to be drilled out by tripping in separately, etc. A hydraulic releasing device for screen pipe has been developed, which has rotation function, allowing the screen pipe to pass the tight hole by rotating when it is run. There are two release methods: hydraulic releasing and mechanical release. The designed retrievable ball seat mechanism can be lifted out as a whole with the running tool after the job is finished and does not need to be drilled out. This hydraulic releasing device for screen pipe has passed a series of surface performance experiments and utilized in two horizontal branch wells CB23-2 and CB23-3 in Changbei Gasfield; four runs of screen pipe were conducted, which successfully addressed the field difficulties.

hydraulic releasing; retrievable ball seat; open hole completion; pre-bored screen pipe; Changbei Gasfield

TE931

B

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0118 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.027

中國石油化工股份有限公司2014年度科技部項(xiàng)目“雙防旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器的研制”（編號：P14113）。

孫文俊，1982年生。2004年畢業(yè)于長江大學(xué)，現(xiàn)主要從事石油固完井工具的研發(fā)與技術(shù)服務(wù)工作。電話：0534-2670123。E-mail： swj@shelfoil.com。

引用格式：孫文俊，侯乃賀，李富平，等.篩管液壓丟手裝置的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：118-121.