淺析漂浮下套管技術(shù)在大位移井中的應(yīng)用

羅健，劉傳世，王曉強，焦永豐，賈墨

（1.中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100028；2.德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東 德州 253074；3.中國石油國際事業(yè)有限公司，北京 100033）

石油作為當(dāng)今世界主要能源和基礎(chǔ)原材料之一，是國家工業(yè)發(fā)展的血液。采用大位移鉆井技術(shù)開發(fā)近海油田，可以使用陸地常規(guī)鉆井設(shè)備和井口裝置，避免使用復(fù)雜昂貴的海上鉆井平臺、人工島或者海底井口裝置等設(shè)備，同時與海洋環(huán)保相比更容易滿足環(huán)保要求。大位移井由于井眼水平位移大，下套管時套管與井壁摩擦阻力大，下套管施工難度大。使用漂浮下套管技術(shù)能有效降低套管與井壁摩擦阻力，有助于解決大位移井套管難以下入的困難。

1 套管在大位移井中受力分析

大位移井指水平位移與垂直井深比≥2，且水平位移超過3000m的油井。在進(jìn)行大位移井中套管受力分析時，本文假設(shè)套管串不旋轉(zhuǎn)、只有沿井眼方向的軸向運動，井眼內(nèi)壁與套管外壁完全接觸、且二者為滑動摩擦，忽略套管接箍刮削井壁、鉆屑及井壁坍塌等造成的機械損失（圖1）。

圖1 大位移井中套管串示意圖

采用常規(guī)下套管方法時，通常每下入10～15根套管灌一次鉆井液，或者當(dāng)井口大鉤懸重接近零、套管串無法繼續(xù)下行時，再往套管里灌滿鉆井液推動套管繼續(xù)下行。

在垂直段，套管受到自身和套管內(nèi)鉆井液向下的重力、井口大鉤向上拉力、井眼內(nèi)鉆井液對套管的浮力，當(dāng)套管受到向上力的合力小于向下力的合力時，套管沿井眼下行；在造斜段，套管在上部套管及鉆井液重力等合力的作用下，受井眼軌跡限制發(fā)生彎曲，套管對井眼內(nèi)壁產(chǎn)生正向壓力及摩擦力，當(dāng)套管受到的摩擦力小于其受到的推力時，套管繼續(xù)下行；在穩(wěn)斜段或者水平段，井眼垂深隨井眼軌跡長度的變化增加幅度減小，套管和套管內(nèi)鉆井液的重力對推動套管前行的力隨井深增加幅度減小，同時因該段井眼軸線與水平方向夾角小，在套管及鉆井液自身重力的作用下，套管外表面與井眼內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦力隨著套管下入長度的增加而不斷增大，套管繼續(xù)下行的困難越來越大。

對于大位移井，套管在穩(wěn)斜段或者水平段受到的摩擦力對套管順利下入井眼底部有重要影響，有效降低該段套管在下放過程中受到的井壁摩擦力，對套管順利下入井眼底部有重要意義。

2 漂浮下套管技術(shù)工作原理

通過在套管中串聯(lián)漂浮接箍，使漂浮接箍上、下套管形成臨時隔斷。漂浮接箍至底部浮鞋段的管串中不灌注液體或者灌注低密度液體，降低漂浮接箍以下套管串對井眼下部的壓力或者使其處于漂浮狀態(tài)，進(jìn)而降低該段套管下入過程中受到的井壁摩擦力，降低下套管作業(yè)的難度；漂浮接箍上部套管串中正常灌注泥漿或者加重泥漿，增加套管柱的重量，以便增加套管串的軸向推力（圖2）。

圖2 漂浮下套管施工方案示意圖

套管串下入預(yù)定井深后，小排量開泵緩慢提升泥漿輸出壓力，當(dāng)泥漿輸出壓力與漂浮接箍上部凈液柱的壓力之和大于漂浮接箍設(shè)定打開壓力時，漂浮接箍上滑套銷釘剪斷，上滑套在泥漿壓力作用下下移，循環(huán)孔打開，泥漿進(jìn)入漂浮接箍下部套管串頂替空氣或者低密度液體，泥漿輸出壓力驟降；間歇灌注泥漿，直至泥漿灌滿漂浮接箍下部套管串，緩慢建立泥漿循環(huán)，待泥漿性能滿足固井施工后開始固井作業(yè)（圖3）。

圖3 漂浮接箍結(jié)構(gòu)圖

固井作業(yè)結(jié)束后，投入碰壓膠塞頂替水泥漿，碰壓膠塞下落到漂浮接箍上滑套后，逐漸增加鉆井液壓力直至下滑套銷釘剪斷，膠塞與上下滑套一起下移到井底，完成固井。漂浮接箍上滑套銷釘?shù)募羟辛νǔ＿h(yuǎn)大于下滑套銷釘?shù)募羟辛?，?dāng)上滑套的銷釘剪斷瞬間，上滑套在巨大的壓力作用下會產(chǎn)生巨大沖擊力，該沖擊力有時會將下滑套銷釘一起剪斷，這種情況下投入碰壓膠塞后，碰壓膠塞通過漂浮接箍時將不會發(fā)生剪切下滑套銷釘過程，膠塞將在井底與漂浮接箍滑套接觸并產(chǎn)生碰壓，完成固井。

下套管施工作業(yè)過程中，因為操作不當(dāng)或者遇阻等原因，使套管串下放速度突然急速降低或者驟停，漂浮接箍上部鉆井液因加速度的急劇變化，會對漂浮接箍本體產(chǎn)生瞬時動載荷，如果瞬時動載荷較大，且動載荷與漂浮接箍上部套管串中鉆井液對漂浮接箍的壓力之和大于漂浮接箍的打開壓力時，漂浮接箍將提前打開，因此漂浮下套管作業(yè)過程中，要嚴(yán)格控制套管下放速度，充分考慮鉆井液動載荷對漂浮接箍的影響。

3 漂浮接箍安裝位置的優(yōu)化

如果漂浮接箍安裝位置距離套管底部距離較近，套管漂浮段距離短，對減小下套管過程中的摩擦阻力不明顯；如果漂浮接箍安裝位置距離套管底部較遠(yuǎn)，漂浮段距離長，在井眼垂直段和造斜段套管受到的推動套管下行的力較小，當(dāng)套管下入井眼過程中受到的阻力增大到一定數(shù)值時，套管無法繼續(xù)下入。優(yōu)化漂浮接箍在套管串中的安裝位置，可以降低下套管過程中摩擦阻力，縮短下套管時間。

漂浮接箍安裝位置初始計算點選擇在大位移井臨界阻力角處，臨界阻力角的計算公式如下：

式中：cθ為臨界阻力角，°；μ為套管與井壁之間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)井眼軌跡，尋找井斜角與臨界阻力角接近的位置作為漂浮接箍在套管串上的初始安裝位置，設(shè)初始安裝位置井深為L，然后以某一長度ΔL為步長，通過LANDMARK軟件計算漂浮接箍安放在井深L±ΔL×i（i=0,1,2,3,…）位置處井口大鉤的載荷F，并根據(jù)計算結(jié)果，繪制井口大鉤載荷F與漂浮接箍安放位置L±ΔL×i（i=0,1,2,3,…）的關(guān)系曲線。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)井口大鉤的懸重大于靜止載荷的30%時，套管可以順利下入井眼。下套管作業(yè)時，要結(jié)合井口大鉤載荷與漂浮接箍安放位置關(guān)系曲線的計算結(jié)果、現(xiàn)場施工經(jīng)驗、節(jié)約材料、縮短施工時間等因素，綜合確定漂浮接箍的最終安裝位置。

4 結(jié)語

本文通過套管在大位移井中受力分析和漂浮下套管技術(shù)工作原理的闡述，說明漂浮下套管技術(shù)可以有效降低大位移井下套管的摩擦阻力，減少下套管過程中遇阻遇卡等情況的發(fā)生，同時進(jìn)一步提出漂浮接箍安裝位置的優(yōu)化方法，對大位移井下套管作業(yè)有重要實用價值。