油層套管保護(hù)技術(shù)在元壩投產(chǎn)氣井中的應(yīng)用

李國(guó)成，張國(guó)興，周陽(yáng)，吳志國(guó)，張興超，張俊松

（中國(guó)石化西南石油工程公司井下作業(yè)分公司，四川德陽(yáng)618000）

·石油與鉆掘工程·

油層套管保護(hù)技術(shù)在元壩投產(chǎn)氣井中的應(yīng)用

李國(guó)成*，張國(guó)興，周陽(yáng)，吳志國(guó)，張興超，張俊松

（中國(guó)石化西南石油工程公司井下作業(yè)分公司，四川德陽(yáng)618000）

元壩氣田是迄今為止國(guó)內(nèi)埋藏最深的海相酸性氣田，井型主要采用超深水平井和大斜度定向井。在投產(chǎn)測(cè)試前期，掃塞、通井、刮管等井筒作業(yè)極易磨損油層套管，為后續(xù)投產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。通過(guò)對(duì)鉆具材質(zhì)規(guī)格的優(yōu)選，非旋轉(zhuǎn)套管保護(hù)器的使用，泥漿體系的低磨阻優(yōu)化，形成了針對(duì)元壩高含硫超深投產(chǎn)氣井的油層套管保護(hù)技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)施對(duì)油層套保護(hù)效果顯著，為該區(qū)塊高含硫化氫海相井的安全投產(chǎn)提供了又一技術(shù)保障措施。

元壩投產(chǎn)；超深氣井；套管保護(hù)

1　概述

四川盆地川東北地區(qū)元壩氣田鉆完井深度都大于7000m，其主力二疊系上統(tǒng)氣藏高溫且含H2S和CO2，腐蝕環(huán)境惡劣。為了滿足該區(qū)塊抗腐蝕性能要求，完井套管采用了低鋼級(jí)材質(zhì)，封隔器預(yù)計(jì)座封井段及以下使用高鎳基合金材質(zhì)［1-2］。在井筒準(zhǔn)備工作中，掃塞、通井、刮管等工序極易磨損油層套管的，為后續(xù)完井測(cè)試作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患，嚴(yán)重制約了投產(chǎn)氣井的服役壽命。針對(duì)完井投產(chǎn)作業(yè)油層套管保護(hù)這一棘手問(wèn)題，通過(guò)鉆具材質(zhì)規(guī)格的優(yōu)選，非旋轉(zhuǎn)套管保護(hù)器的使用，泥漿體系的低磨阻優(yōu)化，形成了元壩高含硫超深氣井的油層套管保護(hù)技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)施有效降低了井筒作業(yè)中油層套管磨損，為元壩氣田海相氣井的順利投產(chǎn)提供了安全保障。

2　國(guó)內(nèi)套管防磨配套技術(shù)

深井及超深井因?yàn)槠渥鳂I(yè)時(shí)間長(zhǎng)，鉆掃過(guò)程中鉆具對(duì)套管的磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重，使得套管防磨的要求較為突出。目前，國(guó)內(nèi)各油田形成了一系列套管防磨配套技術(shù)［3-4］。

2.1鉆桿膠皮護(hù)箍

膠皮護(hù)箍的外徑大于鉆桿接頭的外徑，在鉆進(jìn)的過(guò)程中，鉆桿接頭不和套管內(nèi)壁接觸，磨損作用在膠皮和套管上，由于膠皮比套管軟得多，因此主要的磨損由膠皮來(lái)承受而套管不會(huì)受到磨損，同時(shí)也避免了鉆桿接頭的磨損。由于膠皮護(hù)箍耐磨性一般，容易老化掉塊造成井下復(fù)雜情況，因而沒(méi)有得到很好的推廣。

2.2防磨接頭

防磨接頭外套與套管壁接觸，而心軸與鉆桿一起旋轉(zhuǎn)。外套僅在套管內(nèi)滑動(dòng)，不隨鉆桿旋轉(zhuǎn)，因而與套管內(nèi)壁不產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，減少了套管磨損。由于在接頭處存在薄弱環(huán)節(jié)，立根長(zhǎng)度變化，不利于現(xiàn)場(chǎng)操作，使用過(guò)程中存在硬磨損，同時(shí)過(guò)多使用會(huì)導(dǎo)致循環(huán)壓耗過(guò)大。

2.3滾珠式保護(hù)套

滾珠式保護(hù)套是把鉆桿接頭與套管間的滑動(dòng)磨擦去掉，變?yōu)闈L動(dòng)磨擦。在設(shè)計(jì)原理上它比膠皮護(hù)箍更進(jìn)一層，但是由于加工和選材上存在較大的難度，加工成本高，加工質(zhì)量很難穩(wěn)定，且存在活動(dòng)部件，使用壽命較短，一但出現(xiàn)滾珠脫落，會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)，阻礙了推廣應(yīng)用。

2.4耐磨帶

鉆桿接頭耐磨帶是以凸起的形式熔合在鉆桿接頭表面，用以代替鉆桿接頭來(lái)和套管摩擦的材料，對(duì)鉆桿接頭起到了保護(hù)作用。由于耐磨帶的硬度低于鉆桿本身，因此，對(duì)套管起到了一定的保護(hù)作用。而耐磨帶在磨損掉一部分之后，可以進(jìn)行重復(fù)堆焊使用。由于是硬磨損，保護(hù)套管效果不佳，且不適用特殊材質(zhì)的套管。

3　高含硫超深氣井油層套管保護(hù)技術(shù)

在常規(guī)掃塞、通井、刮管等井筒處理工序的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入針對(duì)套管防磨優(yōu)化措施，有效保護(hù)油層套管的同時(shí)滿足了井筒凈化的需要。

3.1井筒作業(yè)管柱的優(yōu)選

為了提高油層套管在酸性環(huán)境下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力，元壩氣田普遍采用厚壁低鋼級(jí)套管與鎳基合金套管組合，套管材質(zhì)硬度低耐磨性差。在井筒作業(yè)中，鉆具選擇在滿足作業(yè)強(qiáng)度校核的條件下盡量降低鋼級(jí)，減小鉆具材質(zhì)硬度，降低與油層套管的硬磨損，同時(shí)有助于提升鉆具防“氫脆”能力。因此，井筒作業(yè)中嚴(yán)禁使用S135以上高強(qiáng)度鋼級(jí)材質(zhì)鉆具。根據(jù)元壩氣田井深結(jié)構(gòu)及井深，推薦使用上大下小的G105鋼級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)鉆具。

此外，常用鉆具接頭鋪焊有耐磨帶，對(duì)材質(zhì)偏軟鎳基合金套管磨損較大，在元壩高含硫氣井作業(yè)中應(yīng)避免使用。

3.2非旋轉(zhuǎn)套管保護(hù)器的運(yùn)用

3.2.1工作原理［5-6］

非旋轉(zhuǎn)套管保護(hù)器由3部分組成，即滑套、金屬加強(qiáng)襯管和止推軸承環(huán)。上下止推軸承環(huán)由加強(qiáng)型金屬銷釘鎖定在鉆桿本體上，滑套位于兩軸承環(huán)之間，能夠與鉆桿相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1　非旋轉(zhuǎn)套管保護(hù)器工作原理

由于保護(hù)器直徑比鉆桿接頭外徑大，鉆桿接頭與套管內(nèi)壁不會(huì)接觸。在鉆井過(guò)程中，鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)而滑套與套管之間僅有滑動(dòng)。滑套本體采用高分子材料回彈性好，力學(xué)性能優(yōu)良，因此對(duì)套管的硬磨損極小，起到了對(duì)套管的保護(hù)。

3.2.2使用方法

保護(hù)器型號(hào)由套管數(shù)據(jù)、鉆桿數(shù)據(jù)和井下溫度數(shù)據(jù)決定。根據(jù)井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、套管保護(hù)器設(shè)計(jì)安放方法，采用專用軟件進(jìn)行模擬鉆井側(cè)向力并優(yōu)化，確定套管保護(hù)器的安裝起始位置及數(shù)量，對(duì)于側(cè)向力突出井段應(yīng)加密安裝套管減磨接頭。在套管保護(hù)器安裝過(guò)程中，采用刮泥器遮擋井口，防止安裝工具意外掉落入井。在使用過(guò)程中，對(duì)套管保護(hù)器的磨損情況進(jìn)行逐一記錄，并根據(jù)磨損情況調(diào)整安放位置。

3.3泥漿體系的低摩擦優(yōu)化

元壩氣田井底溫度高達(dá)160℃，部分泥漿處理劑在高溫下會(huì)失效降解并加速套管磨損。因此，在元壩完井泥漿體系中，重點(diǎn)加強(qiáng)泥漿高溫穩(wěn)定性的維護(hù)，優(yōu)選抗高溫降濾失劑、護(hù)膠劑等處理劑。此外，在旋轉(zhuǎn)作業(yè)中加入減磨劑，采用化學(xué)手段減少鉆桿與套管間的硬磨損。在日常維護(hù)中，加入與泥漿體系配套潤(rùn)滑劑，保證泥漿的含油有效含量，提高泥漿體系潤(rùn)滑性。

4　高含硫超深氣井油層套管保護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

元壩10-側(cè)1井是元壩區(qū)塊實(shí)施勘探開(kāi)發(fā)一體化以來(lái)第一口超深大斜度開(kāi)發(fā)井，完鉆井深7273m，造斜點(diǎn)井深6404.88m，最大井斜76.68°。該井鎳基合金油層套管在井深6560～7230m，位于大斜度造斜井段并處于第一個(gè)水泥塞固封位置（6378.32～6574.0m），掃塞時(shí)偏磨套管風(fēng)險(xiǎn)極高，為該井投產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

4.1作業(yè)管具的選擇

根據(jù)油層套管防磨需要，現(xiàn)場(chǎng)選用不帶保徑合金齒的牙輪鉆頭和未鋪焊耐磨涂層的鉆具進(jìn)行前期井筒作業(yè)，防止鋪焊合金傷害套管。通過(guò)對(duì)油層套管內(nèi)徑及鉆桿抗拉校核，掃塞管柱采用G105鋼級(jí)?88.9mm× 9.35mm+?101.6mm×9.65mm的鉆具組合。

管柱結(jié)構(gòu)（自下而上）：?149 mm牙輪鉆頭+ ?120mm浮閥+?120mm鉆鋌60m+?120mm單流閥+?88.9mm×9.35mmG105鉆桿+?120mm旁通閥+? 88.9mm×9.35mmG105鉆桿+? 101.6mm× 9.65mmG105鉆桿。

4.2非旋轉(zhuǎn)套管保護(hù)器使用

4.2.1套管保護(hù)器的選型

根據(jù)鉆桿數(shù)據(jù)、井下溫度數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)選用適合?101.6mm和?88.9mm鉆桿的HMK型套管保護(hù)器，其數(shù)據(jù)如下所示：

適用于鉆桿尺寸：?101.6mm；過(guò)流面積（在7-5/8″套管內(nèi)）：38.4cm2；

保護(hù)器本體外徑：158mm±2mm；卡箍材質(zhì)：6061-T651鍛壓鋁合金；

卡箍外徑：?139.7mm；本體材質(zhì)：HNBR及鋼合金支撐肋；

側(cè)向力額定載荷：3000lb（13.3kN）；適用溫度：175℃；

適用于鉆桿尺寸：?88.9mm；過(guò)流面積（在7-5/8″套管內(nèi)）：58.7cm2；

保護(hù)器本體外徑：?149mm±2mm；卡箍材質(zhì)：6061-T651鍛壓鋁合金；

卡箍外徑：?127mm；本體材質(zhì)：HNBR及鋼合金支撐肋；

側(cè)向力額定載荷：3000lb（13.3kN）；適用溫度：175℃；

圖2　元壩10-側(cè)1井鉆具側(cè)向力圖

4.2.2套管保護(hù)器的安放設(shè)計(jì)

根據(jù)《元壩10-側(cè)1井完井投產(chǎn)方案設(shè)計(jì)》中關(guān)于套管保護(hù)的要求，以及根據(jù)本井井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、套管保護(hù)器設(shè)計(jì)安放設(shè)計(jì)的方法、采用專用軟件進(jìn)行模擬鉆井側(cè)向力并優(yōu)化，并結(jié)合甲方的要求和鄰井的實(shí)施防磨經(jīng)驗(yàn)，安裝方案設(shè)計(jì)如下：

在井口0～800m，每?jī)芍惭b一套，計(jì)13套HMK400型套管保護(hù)器，在井下7000m往上安裝至6600m，此井段為合金套管需重點(diǎn)保護(hù)，每柱安裝一套，計(jì)17套HMK350型套管保護(hù)器，保護(hù)6500～7000m井段的合金套管。

4.2.3套管保護(hù)器的安裝使用

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)套管保護(hù)器的設(shè)計(jì)安裝位置計(jì)算出具體安裝鉆桿柱數(shù)。在安裝前采用刮泥器及彩條布對(duì)井口進(jìn)行遮蓋，防止安裝工具意外掉落入井。在保護(hù)器安裝完成入井時(shí)操作時(shí)，扶正管柱防止刮卡井口。

4.3泥漿體系低摩阻優(yōu)化

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泥漿體系實(shí)驗(yàn)篩選，選用RH220、DHD、FRH-A、FK-10及潤(rùn)滑油等液體潤(rùn)滑劑。在鉆掃水泥塞作業(yè)中，加入抗磨減阻劑（減磨劑和固體潤(rùn)滑劑），提高泥漿體系的潤(rùn)滑性，降低泥漿體系的摩阻系數(shù)。

4.4掃塞套管防磨工藝措施

現(xiàn)場(chǎng)鉆掃水泥塞參數(shù)控制：鉆壓10～40kN，轉(zhuǎn)速20～40r/min。在施工中嚴(yán)禁在某一井深處長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，循環(huán)泥漿活動(dòng)鉆具時(shí)主要以上提下放為主。同時(shí)，振動(dòng)篩處放磁性裝置收集鐵屑，監(jiān)測(cè)套管磨損情況。

4.5套管防磨效果

元壩10-側(cè)1井在鉆掃水泥塞過(guò)程中泥漿返出口未收集到常見(jiàn)套管絲狀鐵屑，且鐵屑量明顯減少，在起鉆過(guò)程中觀測(cè)鉆桿接頭的磨損情況，鉆桿接頭無(wú)磨損造成的亮白色。通過(guò)上述套管保護(hù)技術(shù)措施的使用，鉆桿接頭和油層套管得到了有效保護(hù)。

圖3　非旋轉(zhuǎn)套管保護(hù)器現(xiàn)場(chǎng)安裝

5　結(jié)論

（1）在元壩投產(chǎn)井中，井筒作業(yè)推薦選用G105鋼級(jí)鉆具組合。在含有鎳基合金套管等特殊材質(zhì)套管時(shí)，避免選用接頭鋪焊有耐磨涂層的鉆具及帶保徑齒的工具。

（2）非旋轉(zhuǎn)防磨保護(hù)器避免了鉆桿與套管直接接觸，顯著降低鉆具與套管的物理磨損。

（3）性能穩(wěn)定的高溫深井泥漿體系有助于套管防磨，并可適量加入提高潤(rùn)滑性能的化學(xué)處理劑。

（4）高溫含硫氣井作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，油層套管防磨在理論及工藝上需要進(jìn)一步研究。

［1］薛麗娜，周小虎，嚴(yán)焱誠(chéng)，范希連，胡大梁；高溫酸性氣藏油層套管選材探析——以四川盆地元壩氣田為例［J］.天然氣工業(yè)，2013（1）.

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TE1

B

1004-5716（2016）03-0027-04

2015-03-12

2015-03-16

李國(guó)成（1986-），男（漢族），四川內(nèi)江人，助理工程師，現(xiàn)從事修井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及研究工作。