機械式套管接箍定位器的研制及應(yīng)用

姜 勇 ，劉 銳 ，趙曉偉 ，海顯蓮

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710021；3.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710200）

連續(xù)油管是卷繞在卷筒上拉直后直接下井的長油管。連續(xù)油管作業(yè)機被業(yè)內(nèi)譽為“萬能作業(yè)機”，目前已廣泛應(yīng)用于油氣田鉆井、完井、修井、測井等作業(yè)，在油氣田勘探與開發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。一般人們采用使用輪式測量器來測量下入井中的連續(xù)油管長度。輪式測量器的滾輪沿著連續(xù)油管的外表面轉(zhuǎn)動并測量其長度，當滾輪磨損后，將在滾輪上產(chǎn)生溝槽。即使一個像一張紙厚的淺槽，在1 000 m深的井中也會產(chǎn)生2 m左右的誤差，對于排液等不需要精確定位的施工，這種誤差可以滿足要求。對于一些需要精確定位的施工，如多薄層壓裂，誤差太大，可能會導(dǎo)致施工層位的變化。所以開發(fā)出連續(xù)油管精確定位的方法，對發(fā)展連續(xù)油管技術(shù)的應(yīng)用推廣具有重要意義[1]。

1 國內(nèi)外連續(xù)油管校深方法的應(yīng)用

國內(nèi)外目前主要有三種連續(xù)油管井下校深方法：（1）人工井底校深法；（2）機械式套管接箍定位器（MCCL）校深法；（3）無線套管接箍定位器（WCCL）校深法。

1.1 人工井底校深法[2]

先下常規(guī)油管到施工井的井底，通過磁定位，反復(fù)測定短套管定位接箍的位置，確定實際井底的深度；在進行連續(xù)油管施工時，再將連續(xù)油管下入井底，反復(fù)確定下入連續(xù)油管的深度，再以井底為參照點，上提連續(xù)油管到施工目的層位，進行連續(xù)油管壓裂施工。

1.2 機械式套管接箍定位器（MCCL）法

機械式套管接箍定位器在本體上安裝有彈性卡塊，彈性卡塊采用上下不同角度的倒角設(shè)計方案，使其在下井時能平穩(wěn)通過套管接箍，在上提時機械式套管接箍定位器的卡塊會進入到套管接箍縫隙，若要把其從接箍內(nèi)拉出，因其上的卡塊角度改變了摩擦阻力的方向，連續(xù)油管要增加大于拉力十幾倍的摩擦力，才能使卡塊壓縮彈簧收縮變形，卡塊脫出套管接箍；通過連續(xù)油管軸向受力變化的記錄曲線，與測井曲線進行對比，達到連續(xù)油管測定井內(nèi)接箍的工藝技術(shù)要求，實現(xiàn)連續(xù)油管在井內(nèi)的定位。

1.3 無線套管接箍定位器（WCCL）法[3]

定位器以電池作動力，通過工具在井筒移動過程中向地面?zhèn)魉偷膲毫γ}沖信號，可以指出套管接箍、油管接箍的位置，不需要利用電纜提供電力或傳輸數(shù)據(jù)。無線套管接箍定位器的剖面。

無線套管接箍定位器的線圈和磁鐵裝置，與有線套管定位器相似，檢測與接箍金屬相關(guān)的物理量的變化。當定位器通過一個接箍時，線圈和磁鐵裝置產(chǎn)生一個小的電壓脈沖。如果脈沖足夠大，超過工具設(shè)定的臨界值，處理系統(tǒng)就把該脈沖認作一個接箍，并接通工具中的電磁閥的電池動力；在工具移動過程中，始終有不可壓縮的流體泵送流過工具。一旦處理系統(tǒng)接通電磁閥的電池動力，即啟動一個滑動活塞將工具關(guān)閉，使流體通道封閉三秒鐘。三秒結(jié)束后，電磁閥的電池動力被切斷，工具流體通道重新打開。

三類連續(xù)油管校深方法的優(yōu)、缺點對比表（見表1），由表1可知，人工井底校深法雖不需要研發(fā)井下工具，但是工序復(fù)雜，定位精度難以保證；無線套管接箍定位器法雖可實現(xiàn)精確定位，但是該技術(shù)被哈里伯頓公司壟斷，成本較高；機械式套管接箍定位器法不但可以實現(xiàn)精確定位的目的，而且研發(fā)難度較小，成本較低，鑒于此，本文提出了機械式套管接箍定位器研究思路。

2 技術(shù)分析

2.1 結(jié)構(gòu)

機械式套管接箍定位器結(jié)構(gòu)（見圖1），本體內(nèi)120度相位對稱分布三個定位卡塊，卡塊安裝在本體內(nèi)的槽內(nèi)，定位卡塊兩端分別由2個卡塊壓板限位，卡塊可以在徑向上一定范圍內(nèi)伸縮。2個螺釘分別將2個卡塊壓板固定在本體上。彈簧位于本體與卡塊內(nèi)的圓孔內(nèi)，定位狀態(tài)下（卡塊進入套管接箍縫隙）彈簧是擴張的，過套管時，卡塊受擠壓，壓縮彈簧，使之收縮，順利通過套管。

表1 三類連續(xù)油管校深方法的優(yōu)、缺點對比表

圖1 機械式套管接箍定位器示意圖

2.2 工作原理

定位卡塊上下采用不同倒角斜度，由于卡塊下端采用小倒角，使得連續(xù)油管帶著機械式套管接箍定位器可平滑下入到短套管接箍位置以下；然后緩慢上提連續(xù)油管，當機械式套管接箍定位器定位卡塊遇到接箍縫隙時，會自動擴張進入到接箍縫隙內(nèi)，由于卡塊上端采用大倒角，若要把其從接箍內(nèi)拉出，因其上的卡塊角度改變了摩擦阻力的方向，連續(xù)油管要增加大于非接箍處十幾倍的摩擦力，才能使卡塊壓縮彈簧收縮變形，卡塊脫出套管接箍。在短套管附近，通過上提連續(xù)油管，記錄其軸向懸重變化的曲線（見圖2），通過曲線上峰值的距離，找到短套管位置，并且與測井提供短套管附近實際接箍數(shù)據(jù)進行對比，校準短套管位置，然后以短套管位置為基礎(chǔ)上下移動連續(xù)油管一定距離到目的層，進行連續(xù)油管下一步施工，如射孔、壓裂等。

2.3 主要技術(shù)指標

總長890 mm，自由外徑130 mm，剛體外徑114 mm，最小內(nèi)徑35 mm，工作壓力70 MPa，定位滑脫力（過接箍增加力）2.0 t～3.0 t，適用于 Ф139.7 mm（51/2"套管）。

2.4 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）機械式套管接箍定位器解決了井下連續(xù)油管精確定位的需求，使得利用連續(xù)油管進行多薄層油氣井特種作業(yè)成為可能。

（2）定位卡塊上下采用不同倒角斜度，使得起、下鉆過程中不存在卡鉆風(fēng)險。

3 室內(nèi)實驗

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

驗證提供的機械式套管接箍定位器定位是否滿足要求（定位滑脫力2.0 t～3.0 t），為現(xiàn)場實驗提供室內(nèi)研究技術(shù)支持。

3.2 實驗裝置

實驗設(shè)備包括井下工具加載加扭裝置、50 m室內(nèi)實驗井等（見圖3），實驗介質(zhì)為水。

3.3 實驗過程

在室內(nèi)實驗井內(nèi)預(yù)先下入2根11.5 m的51/2"套管+1根4 m的51/2"套管短節(jié)+2根11.5 m的51/2"套管，然后通過27/8"油管連接機械式套管接箍定位器下入51/2"套管中，從地面監(jiān)控系統(tǒng)觀察懸重變化情況。

油管下達井底后，上提管柱，此時懸重顯示為1.2 t，上提11.5 m后，懸重突然增加至4.0 t，繼續(xù)上提后恢復(fù)至1.2 t，增加值為2.8 t，證明已到達第一個套管接箍；后繼續(xù)上提11.5 m后，懸重增加2.6 t后恢復(fù)，證明到達第二個套管接箍，又上提4 m后，懸重增加2.8 t后恢復(fù)，證明已到達短套管上接箍位置，反復(fù)實驗，懸重增加都在 2.4 t～2.9 t。

圖2 定位過程中軸向懸重變化曲線

圖3 實驗工裝示意圖

3.4 實驗結(jié)果

經(jīng)反復(fù)實驗，機械式套管接箍定位器定位可靠，定位滑脫力均保持在2.0 t～3.0 t，達到設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場實驗

2017年5月，在長慶油田蘇X井進行了機械式套管接箍定位器現(xiàn)場實驗，具體工藝描述為：連續(xù)油管水力噴射+Y241封隔器+環(huán)空壓裂。實驗管柱（見圖4），短套管位置：2 935.05 m～2 938.55 m，人工井底位置：3 009.27 m，射孔段為 2 896.0 m、2 964.0 m、2 981.0 m，射孔段2 964.0 m和2 981.0 m層間隔只有17 m，氣層厚度分別為2.6 m，5.0 m，3.4 m，氣層厚度最薄為2.6 m。以短套管作為基準，進行精確射孔、填砂作業(yè)。

圖4 機械式套管接箍定位器應(yīng)用管柱示意圖

定位方法為：以連續(xù)油管自帶的輪式測量器顯示的數(shù)據(jù)為參考，找出短套管位置，然后根據(jù)測井提供的套管接箍實際數(shù)據(jù)，校準短套管位置，并進行標記（蘇X井短套管附近的實際套管接箍位置為2 962.05 m、2 950.35 m、2 938.55 m、2 935.05 m、2 923.25 m）。定位過程為：首先下連續(xù)油管至短套管以下20 m左右，然后上提連續(xù)油管，在連續(xù)油管輪式測量器顯示值為2 954.56 m處，連續(xù)油管懸重增加2.7 t，判斷到達套管接箍位置；上提連續(xù)油管，在輪式測量器顯示值為2 942.76 m處，連續(xù)油管懸重增加2.8 t，判斷到達下一個套管接箍位置；上提連續(xù)油管至輪式測量器顯示值為2 939.26 m處，連續(xù)油管懸重增加2.7 t；上提連續(xù)油管至輪式測量器顯示值為2 927.46 m處，連續(xù)油管懸重增加2.6 t。綜上找到的四個套管接箍位置分別為 2 954.56 m、2 942.76 m、2 939.26 m、2 927.46 m，其中間距分別為11.8 m、3.5 m、11.8 m，由于3.5 m與提供的短套管長度一致，所以初步判斷2 939.26 m、2 942.76 m分別為短套管的上、下接箍位置；根據(jù)測井提供的短套管附近套管接箍的實際數(shù)據(jù)，2 939.26 m、2 942.76 m與2 938.55 m、2 935.05 m接近，所以將其校準為2 938.55 m、2 935.05 m，并在連續(xù)油管上進行標記，然后反復(fù)起下連續(xù)油管核對位置，都在標記點±0.01 m范圍內(nèi)，定位滑脫力（過接箍懸重增加值）都在2.0 t～3.0 t，定位成功，找到短套管位置為 2 935.05 m～2 938.55 m。

基于短套管的位置，精確找到了射孔段位置2 896.0 m、2 964.0 m、2 981.0 m，順利完成了三段連續(xù)油管水力噴射+Y241封隔器+環(huán)空壓裂工藝的施工。在此次作業(yè)過程中，最高工作壓力70 MPa。機械式套管接箍定位器在對射孔段定位的過程中，反復(fù)起、下鉆數(shù)量超過30次，該定位器始終可靠定位，定位滑脫力在 2.0 t～3.0 t，定位性能穩(wěn)定。

截至2017年12月,機械式套管接箍定位器共實驗6口井，用于6口連續(xù)油管水力噴射+Y241封隔器+環(huán)空壓裂工藝射孔段的定位。目前最大下入深度3 120 m，最高工作壓力70 MPa，現(xiàn)場實驗應(yīng)用均一次性成功，定位準確。

5 結(jié)論

（1）機械式套管接箍定位器采用純機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精確定位功能，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；

（2）通過室內(nèi)實驗驗證，機械式套管接箍定位器定位準確，達到了設(shè)計要求；

（3）在長慶油田最小層間距只有17 m，最薄層只有2.6 m的多薄層氣井中，利用機械式套管接箍定位器定位，順利完成了連續(xù)油管作業(yè)，使得利用連續(xù)油管進行多薄層油氣井特種作業(yè)成為可能。

［1］林英松，蔣金寶，劉兆年，張寶康，李曉波.連續(xù)油管壓裂新技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2008，（3）：118-121.

［2］張會師.連續(xù)油管水力噴砂射孔深度確定方法探究［J］.油氣井測試，2009，（6）：59-60.

［3］陳軍，蔣金寶，劉兆年，張寶康，李曉波.無線機械式套管接箍定位器及其在連續(xù)油管壓裂中的應(yīng)用［J］.新疆石油天然氣，2008，（2）：73-76.