The Application of Rotary Casing Running Technology with Full-floating in Extended Reach Wells

Zhixin Tian, Zhiwei Wang

1School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei

2Panyu Operations Company, CNOOC Ltd., Shenzhen Guangdong

Abstract By taking the rotary casing running technology with full-floating in extended reach wells (ERWs)of Panyu Oilfield in the east of South China Sea, this paper analyzed the problems and difficulties in the process of Φ244.5 mm casing running in long open hole section, such as large deviation,long open hole section, more intercalation, high wall friction, easy formation leakage, and so on.The necessity of introducing the full floating rotating casing technology was expounded, the working principle and main equipment of the technology were introduced, and the operation characteristics and application effect of the technology were analyzed. The results indicate that when full-floating and rotation casing is run into the casing string, the load of hook is increased,the resistance point is passed smoothly, the fault is passed safely and smoothly, the lost circulation and differential pressure sticking are not occurred, and the Φ244.5 mm casing in the long open hole section is successfully lowered to the design depth. It can be used to improve the casing running technology of long open hole in extended reach well.

Keywords Rotary Casing Running Technology with Full-floating, Extended Reach Well, Top Drive System,Eccentric Floating Shoe

1. 引言

對(duì)于大位移深井和超深井，常規(guī)漂浮接箍下套管技術(shù)存在著漂浮接箍失效，下入過程摩阻大，人員勞動(dòng)強(qiáng)度高等風(fēng)險(xiǎn)，時(shí)常出現(xiàn)下入中途漂浮接箍失效，無(wú)法實(shí)現(xiàn)漂浮下入，遇阻時(shí)處理手段有限，無(wú)法通過遇阻點(diǎn)，擊破漂浮接箍破裂盤產(chǎn)生瞬間高壓，壓漏地層等情況，給后續(xù)鉆完井作業(yè)造成嚴(yán)重的影響。

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)可以快速上卸扣，精準(zhǔn)控制上扣扭矩，避免套管絲扣損傷；旋轉(zhuǎn)套管柱減小套管柱與井壁接觸的側(cè)向力，減小套管下入摩阻，增加大鉤載荷；遇阻時(shí)可以上提、下放、旋轉(zhuǎn)、下壓套管柱，通過遇阻點(diǎn)能力強(qiáng)，避免壓差卡鉆；旋轉(zhuǎn)下入時(shí)減小壓力激動(dòng)，避免井漏；設(shè)備自動(dòng)化程度高，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)安全性[1] [2]。

位于南海東部海域的番禺油田，在已經(jīng)成功實(shí)施的6口大位移井作業(yè)中，通過引用全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管工藝，下入時(shí)全程不灌漿，實(shí)現(xiàn)全漂浮旋轉(zhuǎn)下入，降低大位移井下套管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，安全、順利、高效地將長(zhǎng)裸眼井段的Φ244.5 mm套管全部下至設(shè)計(jì)深度。

2. 大位移井長(zhǎng)裸眼井段套管下入難點(diǎn)及對(duì)策

1) 套管下入深度深，裸眼段長(zhǎng)，穩(wěn)斜角度大，常規(guī)下套管方法難以滿足要求。番禺油田6口大位移井中Φ244.5 mm套管平均下深4910 m，最大穩(wěn)斜角84° (見表1)。其中，PY10-5-A1H井Φ244.5 mm套管下深6114 m，裸眼段長(zhǎng)度達(dá)到4822 m。若采用常規(guī)下入法(邊下套管邊灌鉆井液)和常規(guī)漂浮法(套管下部灌鉆井液，上部漂浮)均無(wú)法下入到位。當(dāng)前，漂浮接箍下入法是大位移井下套管作業(yè)常用的方法[1]，但是該方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也暴露出許多問題，如漂浮接箍失效、遇阻時(shí)處理手段有限、擊破漂浮接箍破裂盤瞬間高壓壓漏地層等。

Table 1. The data of extended reach wells in Panyu Oilfield表1. 番禺油田大位移井?dāng)?shù)據(jù)

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)不使用漂浮接箍，依靠與之相配套的偏心浮鞋、雙閥浮箍等組件來(lái)保證下入過程套管柱處于全漂浮狀態(tài)，規(guī)避了漂浮接箍失效風(fēng)險(xiǎn)；在套管下入遇阻時(shí)，全漂浮旋轉(zhuǎn)下入的方式可以上提、下放、旋轉(zhuǎn)，甚至下壓套管柱，極大豐富了套管遇阻時(shí)的處理手段，確保套管下入到設(shè)計(jì)深度；套管下入到位后，只需要灌滿套管柱，頂通循環(huán)排氣即可，無(wú)需高壓擊破漂浮接箍破裂盤，避免擊破瞬間，高壓傳遞到井筒環(huán)空壓漏地層的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 裸眼段過斷層，安全密度窗口窄，下入過程產(chǎn)生壓力激動(dòng)，易壓漏地層。番禺油田區(qū)域各層位安全密度窗口較寬，但斷層處安全密度窗口急劇減小。以PY10-5-A1H井為例，Φ311.15 mm井段在韓江組2987 m處鉆遇斷層，安全密度窗口由1.759～1.873 g/cm3急劇下降到1.35～1.39 g/cm3。在下入Φ244.5 mm套管時(shí)，井筒中充滿油基鉆井液，油基鉆井液黏度高，靜切力大，且黏度隨著鉆井液靜置時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。如果采用常規(guī)漂浮接箍下套管工藝，下入時(shí)產(chǎn)生壓力激動(dòng)，在窄安全密度窗口處存在壓漏地層的風(fēng)險(xiǎn)。全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)可以在下放過程中旋轉(zhuǎn)套管柱，剪切稀釋井筒中的油基鉆井液，很大程度上減小壓力激動(dòng)的產(chǎn)生，降低窄安全密度窗口地層處漏失的風(fēng)險(xiǎn)。

3) 地層軟硬交錯(cuò)，夾層多，下入摩阻大。番禺油田大位移井地層夾層主要集中在韓江組和珠江組段。韓江組上部巖性為淺灰色含礫砂巖、砂巖與泥巖呈不等厚互層，其中礫巖層發(fā)育；韓江組下部及珠江組為灰色泥巖夾中厚層灰色–灰褐色粉砂巖、細(xì)–中砂巖，普遍含有灰質(zhì)硬夾層，地層研磨性較強(qiáng)，地層軟硬交錯(cuò)頻繁。在鉆進(jìn)過程中，軟硬地層交界處，夾層處扭矩波動(dòng)幅度大，多次憋停頂驅(qū)，起下鉆困難，反復(fù)劃眼容易形成臺(tái)階。若采用常規(guī)漂浮接箍下套管工藝，下入過程無(wú)法旋轉(zhuǎn)套管柱，若位于套管柱最下方的浮鞋頂?shù)杰浻步诲e(cuò)地層處的臺(tái)階，則套管柱遇阻難以下入，而且由于地層夾層多，井眼不規(guī)則，會(huì)造成套管柱下入時(shí)摩阻增大，嚴(yán)重時(shí)套管柱無(wú)法下入。

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)在下入時(shí)遇到軟硬交錯(cuò)地層處的臺(tái)階時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)套管柱，調(diào)整套管柱下方偏心浮鞋的偏心方向，可以順利通過井眼臺(tái)階處。此外，通過旋轉(zhuǎn)套管柱，減小夾層段下入時(shí)的摩阻，增加大鉤載荷，增強(qiáng)了通過遇阻點(diǎn)的能力。

3. 全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)

3.1. 技術(shù)原理

全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)是指在套管下入過程中全程不灌漿，使套管柱漂浮在井筒鉆井液中，通過旋轉(zhuǎn)套管柱，減小與井壁接觸的側(cè)向力，減小套管下入摩阻，增加大鉤載荷，降低下入過程壓力激動(dòng)的一種方法。

3.2. 旋轉(zhuǎn)下套管系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)下套管系統(tǒng)主要設(shè)備有頂部驅(qū)動(dòng)工具[3]、液壓卡盤、扭矩監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、司鉆控制器和服務(wù)管線等一系列設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成。

3.2.1. 旋轉(zhuǎn)下套管頂部驅(qū)動(dòng)工具

頂部驅(qū)動(dòng)工具是整個(gè)旋轉(zhuǎn)下套管系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，按功能可分為動(dòng)力總成、連接總成、限位總成、卡瓦總成以及密封導(dǎo)向總成5部分。動(dòng)力總成主要完成卡瓦的撐開與收縮作業(yè)；連接總成用于連接動(dòng)力總成與卡瓦總成，實(shí)現(xiàn)傳遞力和力矩的功能；卡瓦總成主要由卡瓦心軸與卡瓦組成，完成卡緊套管的功能；密封導(dǎo)向總成中，導(dǎo)向頭完成引導(dǎo)頂驅(qū)下套管驅(qū)動(dòng)工具進(jìn)入套管，皮碗用于防止注入泥漿時(shí)泥漿回返[4]。

3.2.2. 液壓卡盤

液壓卡盤和頂部驅(qū)動(dòng)工具配有安全互鎖系統(tǒng)[5] [6]：控制系統(tǒng)只有識(shí)別到頂部驅(qū)動(dòng)工具卡瓦卡在套管本體內(nèi)壁，而非接箍處，且咬合力達(dá)到設(shè)定值，控制臺(tái)操作人員和司鉆才能給液壓卡盤泄壓，在正常作業(yè)時(shí)，液壓卡盤和頂部驅(qū)動(dòng)工具不能同時(shí)打開。

3.3. 套管附件

3.3.1. 套管扣型優(yōu)選

常規(guī)下套管方法，下入時(shí)不需要旋轉(zhuǎn)套管柱，因此在對(duì)套管進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，只需要對(duì)套管抗拉強(qiáng)度，抗外擠強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行校核即可。但在旋轉(zhuǎn)下套管工況下，除了上述強(qiáng)度指標(biāo)外，還需要對(duì)套管接箍絲扣的抗扭強(qiáng)度進(jìn)行校核。以PY10-5-A1H井為例，原設(shè)計(jì)套管下深7019 m，旋轉(zhuǎn)扭矩33.7 kN·m，普通的BTC扣、NU扣等均難以滿足旋轉(zhuǎn)工況下對(duì)套管扣型抗扭強(qiáng)度的要求，需要使用高抗扭扣型套管，綜合考慮套管抗扭強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性，選擇了JFE BEAR扣套管，最大上扣扭矩38.3 kN·m，滿足旋轉(zhuǎn)下套管對(duì)套管接箍絲扣抗扭強(qiáng)度的要求。

3.3.2. 偏心浮鞋

偏心浮鞋(圖 1(a))安裝在套管柱的最下端，相比常規(guī)套管浮鞋，它具有以下優(yōu)勢(shì)：① 偏心設(shè)計(jì)的浮鞋在通過遇阻點(diǎn)時(shí)，減小拖曳力，減少下入過程不必要旋轉(zhuǎn)套管柱的次數(shù)，即使上提下放管柱無(wú)法通過遇阻點(diǎn)，需要旋轉(zhuǎn)套管柱下入時(shí)，偏心浮鞋可以以更小的啟動(dòng)扭矩旋轉(zhuǎn)套管柱，通過遇阻點(diǎn)的能力更強(qiáng)。② 偏心浮鞋共有下面1個(gè)主水眼和側(cè)面4個(gè)輔水眼，套管下入過程中，即使浮鞋推動(dòng)井筒中巖屑堆積堵塞主水眼，仍然可以通過側(cè)面的4個(gè)輔水眼進(jìn)行循環(huán)和固井。③ 偏心浮鞋內(nèi)部設(shè)計(jì)有斷屑槽(圖1(b))，在進(jìn)行下一井段作業(yè)時(shí)，鉆穿切削浮鞋時(shí)，斷屑槽自動(dòng)切斷切削浮鞋產(chǎn)生的鉆屑，避免鉆屑堆積，同時(shí)更短的偏心浮鞋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)可以更容易和更快地被鉆穿[7]。

Figure 1. The eccentric floating shoe圖1. 偏心浮鞋的外觀及內(nèi)部構(gòu)造圖

3.3.3. 雙浮箍或雙閥浮箍

在使用全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)的6口大位移井中，由于下入過程中全程不灌漿，當(dāng)套管下到設(shè)計(jì)深度時(shí)，浮鞋單流閥承受著巨大的壓差，以PY10-5-A1H井為例，按照原設(shè)計(jì)，該井Φ244.5 mm套管下至斜深7019 m (垂深2413 m)，浮鞋處需承受約30 MPa的壓差。這就給浮鞋和浮箍的安全性和穩(wěn)定性提出極高的要求，一旦浮鞋和浮箍單流閥失效，井筒內(nèi)的鉆井液則會(huì)進(jìn)入套管，無(wú)法實(shí)現(xiàn)漂浮下入，存在著套管下不到位的風(fēng)險(xiǎn)。為了確保每口井套管都能全漂浮下入，根據(jù)每口井實(shí)際深度，選擇對(duì)應(yīng)壓力等級(jí)的浮鞋和浮箍，預(yù)留足夠的安全余量，并在每口井套管柱的設(shè)計(jì)中，在浮鞋上方連接雙浮箍或者雙閥浮箍，實(shí)現(xiàn)三重保障。

3.3.4. 樹脂扶正器

樹脂扶正器具有耐磨損、密度低(表2)、耐腐蝕性極強(qiáng)的特性[8]，在大位移井旋轉(zhuǎn)下套管工況下，展現(xiàn)出比鋅合金、鋁合金、鑄鋼扶正器更大的優(yōu)勢(shì)。

Table 2. The comparison of performance parameters of the stabilizers with different materials表2. 不同材質(zhì)扶正器性能參數(shù)對(duì)比表

4. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

4.1. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

番禺油田所實(shí)施的6口大位移井Φ244.5 mm套管下入作業(yè)中，均采用全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管工藝下入。通過旋轉(zhuǎn)，減小了套管柱和井壁之間的摩阻，大鉤載荷比旋轉(zhuǎn)前有所增加，下入過程中控制旋轉(zhuǎn)扭矩始終小于套管的上扣扭矩，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。

4.2. 效果分析

1) 精準(zhǔn)控制上扣扭矩，避免套管絲扣損傷。頂部驅(qū)動(dòng)工具扭矩傳感器模塊自成一體，單獨(dú)采集扭矩信號(hào)，并非借助頂驅(qū)扭矩信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)套管上扣扭矩，扭矩傳感器非常靈敏，監(jiān)控扭矩?cái)?shù)值十分精確[9]。

2) 旋轉(zhuǎn)下入套管柱，增加大鉤載荷，減小套管下入摩阻。在旋轉(zhuǎn)下入的5口井中，套管柱在從不旋轉(zhuǎn)切換到旋轉(zhuǎn)模式時(shí)，均出現(xiàn)大鉤載荷增加的現(xiàn)象。以 PY10-5-A1H井為例，通過對(duì)比實(shí)際扭矩和模擬扭矩，反算出的全漂浮旋轉(zhuǎn)工況下摩阻系數(shù)小于0.2，可以得出全漂浮旋轉(zhuǎn)下入套管柱減小了套管下入摩阻。

3) 套管柱下入遇阻時(shí)，處理手段多樣，有效地避免了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。番禺油田大位移井裸眼段長(zhǎng)，地層巖性變化大，夾層多，套管下入過程中出現(xiàn)遇阻現(xiàn)象在所難免。鉆成的6口大位移井中，采用全漂浮旋轉(zhuǎn)的方式下入套管，很少有遇阻的情況發(fā)生，即使在遇到遇阻點(diǎn)時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)套管柱的方式就能通過遇阻點(diǎn)。

4) 設(shè)備自動(dòng)化程度高，大大減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)下套管作業(yè)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高強(qiáng)度的作業(yè)，在下入初期，由于套管柱自身懸重不夠，套管上扣時(shí)需要打背鉗，以防止旋轉(zhuǎn)上扣時(shí)下部的套管柱旋轉(zhuǎn)[10]。作業(yè)人員不僅勞動(dòng)強(qiáng)度很大，也對(duì)其人身安全造成極大的威脅。全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管工藝設(shè)備集中化、自動(dòng)化程度高，下入套管時(shí)，由頂驅(qū)帶動(dòng)頂部驅(qū)動(dòng)工具旋轉(zhuǎn)完成套管上扣，極大地減輕了下套管作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

5. 結(jié)論

1) 全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)是可以精準(zhǔn)控制上扣扭矩，避免套管絲扣損傷，增加大鉤載荷，減小套管下入摩阻，豐富套管遇阻時(shí)的處理手段，有效避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生，是大位移深井和超深井下套管作業(yè)成功的有力保障。

2) 全漂浮旋轉(zhuǎn)下套管工況下，偏心浮鞋、樹脂扶正器等組件的使用，是增強(qiáng)套管柱下入能力的有效手段。

3) 旋轉(zhuǎn)下套管設(shè)備自動(dòng)化程度高，減輕了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，保障人身安全，提高作業(yè)時(shí)效，降低綜合作業(yè)成本。