旋轉(zhuǎn)尾管固井工具在超深水平井中的應(yīng)用

張紅衛(wèi)，阮臣良，李鵬飛，楚廣川

（1.中國(guó)石油化 工股份有限公司 西北油田分公司，烏魯木齊 830011；2.德州大陸架石油 工程技術(shù)有限公司，山東 德州 253034）①

旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)是在下尾管和注水泥期間從地面通過(guò)動(dòng)力源旋轉(zhuǎn)鉆柱，由鉆桿經(jīng)旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器將扭矩傳遞給尾管。隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步，大位移井、水平井和大斜度井越來(lái)越多，尾管順利下到設(shè)計(jì)位置難度越來(lái)越大，國(guó)外率先使用旋轉(zhuǎn)尾管固井工具在尾管下入過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，解決尾管下入遇阻問(wèn)題。英國(guó)、挪威等國(guó)的油田利用旋轉(zhuǎn)尾管固井工具解決了超大位移井的尾管下入問(wèn)題。英國(guó)BP公司在Wytch Farm M區(qū)塊的16SP大位移井中，利用旋轉(zhuǎn)尾管固井工具將?177.8mm（7英寸）尾管順利送到了10 210m的井深［1］。美國(guó) Weatherford公司的旋轉(zhuǎn)尾管固井工具在中國(guó)的南海、渤海等海上油田應(yīng)用較多，例如南海東部西江油田施工的11口9 000m以上的大位移井中，裸眼長(zhǎng)度近3 000m，井斜85°，利用邊循環(huán)邊旋轉(zhuǎn)的方式保證尾管串順利下到設(shè)計(jì)位置。截至目前，該技術(shù)已經(jīng)在全球使用了千余井次，取得了很好的效果。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)超深水平井技術(shù)得到了快速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)四川、新疆地區(qū)的深層高壓低滲儲(chǔ)層提供了經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案，最大限度地提高單井產(chǎn)量和最終采收率。但是，在超深水平井的尾管固井中，存在尾管串下入阻力大、水平段固井質(zhì)量難以保證2大技術(shù)難題。借助國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)，利用旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)的旋轉(zhuǎn)下入功能，可解決超深水平井的尾管下入難題。

1 超深水平井尾管下入的影響因素

由于超深水平井的井身結(jié)構(gòu)、地層特點(diǎn)等諸多因素的影響，旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)施工工藝方面與常規(guī)尾管懸掛器存在許多不同之處，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、套管、泥漿性能、配套工具性能和施工工藝等均會(huì)影響到旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器在水平井內(nèi)應(yīng)用的可靠性［1－4］。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器在水平井內(nèi)應(yīng)用主要解決尾管下入遇阻的難題，在尾管下入遇阻時(shí)，利用頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)鉆具或轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)方鉆桿帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)尾管“鉆進(jìn)”，利于尾管順利下到設(shè)計(jì)位置。在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，為保證鉆具及尾管螺紋的連接可靠性，防止因扭矩過(guò)大而導(dǎo)致螺紋損壞的情況，必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)速和扭矩。頂部驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并配備有扭矩表，可以安全地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和扭矩監(jiān)測(cè)。對(duì)于超深水平井，尾管串在旋轉(zhuǎn)下入時(shí)旋轉(zhuǎn)扭矩很大，需要配備輸出扭矩更大的頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤(pán)（如ZP375型轉(zhuǎn)盤(pán)），以滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。

1.2 套管性能

套管鋼級(jí)和連接螺紋抗扭能力也是需要考慮的一個(gè)重要因素。超大位移水平井由于造斜段和水平段的影響，尾管下入易遇阻且旋轉(zhuǎn)扭矩較大，較長(zhǎng)的尾管段旋轉(zhuǎn)扭矩一般會(huì)超過(guò)常規(guī)API螺紋的抗扭能力，旋轉(zhuǎn)下入時(shí)可能會(huì)造成對(duì)螺紋的傷害。為保證超大位移水平井的尾管下入安全，一般會(huì)選用鋼級(jí)在P110以上、帶有TP－CQ、VAM、fox等氣密封螺紋的高抗扭套管。

1.3 泥漿性能［5］

超深水平井地層通常較復(fù)雜，砂泥巖易吸水膨脹而垮塌，掉塊大不易破碎，在尾管下入過(guò)程中易發(fā)生遇阻；鉆井液攜砂能力弱時(shí)，易形成巖屑床，影響水平段尾管固井循環(huán)及最終固井質(zhì)量；鉆井液固相含量過(guò)高也會(huì)影響到工具的動(dòng)作。針對(duì)以上難點(diǎn)，應(yīng)選擇具有強(qiáng)抑制性能及封堵防塌、懸浮攜帶、潤(rùn)滑防卡能力的鉆井液，有助于加大尾管順利下到設(shè)計(jì)位置的可能性，提高旋轉(zhuǎn)尾管固井施工的可靠性。

1.4 配套工具性能

配套工具的性能直接影響超深水平井尾管下入的安全性和固井質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)尾管固井工具在超深水平井中的適應(yīng)性主要體現(xiàn)在遇阻后丟手連接可靠性、固相較多時(shí)丟手可靠性及懸掛器的最大抗扭能力等；另外，與旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器配套使用的鉆式引鞋和螺旋扶正器可幫助尾管順利下入。鉆式引鞋的下部設(shè)計(jì)有偏心的導(dǎo)向頭，在遇到臺(tái)階井眼時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)利于尾管切削下入；引鞋的側(cè)面設(shè)計(jì)有鑲嵌硬質(zhì)合金的切削刃，能夠在縮徑井段旋轉(zhuǎn)擴(kuò)眼，利于上方尾管下入。螺旋樹(shù)脂扶正器采用摩擦因數(shù)較小的樹(shù)脂材料，減小套管與井壁間的摩擦，減小了尾管下入的阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩；螺旋結(jié)構(gòu)的扶正翼能夠在泥漿頂替過(guò)程中產(chǎn)生旋流效果，一定程度上提高尾管固井質(zhì)量。

1.5 施工工藝

旋轉(zhuǎn)尾管固井施工工藝是保證超大位移水平井尾管安全下入的另一個(gè)關(guān)鍵因素，在進(jìn)行尾管固井施工前，要根據(jù)井眼軌跡、泥漿性能、地層特點(diǎn)等現(xiàn)場(chǎng)因素，結(jié)合工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有針對(duì)性地制定尾管下入及固井施工工藝，包括尾管旋轉(zhuǎn)扭矩的預(yù)測(cè)、最大安全扭矩的設(shè)計(jì)、扶正器優(yōu)選及安放位置設(shè)計(jì)、泥漿性能的調(diào)整及特殊情況下的應(yīng)急預(yù)案等。

2 旋轉(zhuǎn)尾管固井工具的組成及原理

旋轉(zhuǎn)尾管固井工具主要由液壓丟手單元、旋轉(zhuǎn)懸掛器單元及配套的球座、引鞋和扶正器等附件組成，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)尾管固井工具與常規(guī)尾管固井工具相比有很大的差別，其能夠在尾管入井過(guò)程中和懸掛器坐掛后傳遞扭矩，帶動(dòng)尾管旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)尾管下入遇阻時(shí)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；在固井期間旋轉(zhuǎn)尾管提高頂替效率，從而提高尾管固井質(zhì)量。

2.1 液壓丟手單元

液壓丟手單元由承載機(jī)構(gòu)、丟手機(jī)構(gòu)和扭矩傳遞機(jī)構(gòu)組成。承載機(jī)構(gòu)的原理是利用1圈可收縮的擋塊嵌入懸掛器內(nèi)與之配合的槽內(nèi)，擋塊下方連接有下接頭，阻止擋塊收縮，三者形成自鎖機(jī)構(gòu)。扭矩傳遞機(jī)構(gòu)是利用兩端帶有扭矩傳遞齒的套筒分別與鉆具和懸掛器相連，在丟手前后均能傳遞鉆具的扭矩。177.8mm（7英寸）液壓丟手工具的額定扭矩為57kN·m，額定抗拉載荷達(dá)到3 500kN，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。為提高液壓丟手工具的可靠性，除設(shè)計(jì)了液壓丟手方式以外還設(shè)計(jì)了機(jī)械丟手方式，以增加丟手的可靠性，使得丟手機(jī)構(gòu)具有了雙保險(xiǎn)的丟手方式。液壓丟手的原理是：投球后完成坐掛作業(yè)，下放尾管，同時(shí)下壓一定的鉆具重力，憋壓至14～16MPa時(shí)，可實(shí)現(xiàn)鉆具與尾管的丟手。當(dāng)無(wú)法憋壓或其他原因?qū)е乱簤簛G手方式失效時(shí)，可以反轉(zhuǎn)鉆具1／6圈，進(jìn)行機(jī)械丟手。液壓丟手壓力和機(jī)械丟手扭矩可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)［6］。

圖1 旋轉(zhuǎn)尾管固井工具

2.2 旋轉(zhuǎn)懸掛器單元

旋轉(zhuǎn)懸掛器單元由坐掛機(jī)構(gòu)、激發(fā)機(jī)構(gòu)和軸承等組成。旋轉(zhuǎn)懸掛器的坐掛機(jī)構(gòu)一般采用內(nèi)嵌式卡瓦機(jī)構(gòu)，卡瓦嵌在懸掛器錐套的內(nèi)部，在入井過(guò)程中可防止因管壁的磕碰導(dǎo)致卡瓦脫落或提前坐掛，入井可靠性得到較大程度的提高。同時(shí)，內(nèi)嵌卡瓦坐掛機(jī)構(gòu)優(yōu)化了承載方式，較大程度提高了承載能力和坐掛后的過(guò)流面積。激發(fā)機(jī)構(gòu)是利用液壓力激發(fā)液缸動(dòng)作，推動(dòng)卡瓦上行，實(shí)現(xiàn)懸掛器的坐掛。旋轉(zhuǎn)懸掛器軸承的作用是在懸掛器坐掛后承受整個(gè)尾管串的載荷，承載能力、旋轉(zhuǎn)扭矩和使用壽命是體現(xiàn)懸掛器軸承性能的關(guān)鍵指標(biāo)。最新研究表明：244.5 mm×177.8mm英寸×7英寸）的懸掛器軸承承載能力可達(dá)910kN，坐掛機(jī)構(gòu)的承載能力達(dá)到2 700 kN，坐掛后的過(guò)流面積為50cm2。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

永1－平1井是中石化的一口超深水平井先導(dǎo)試驗(yàn)井，位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地中部3區(qū)塊車(chē)莫隆起構(gòu)造南翼［2］，三開(kāi)完鉆井深5 730.73m，上層套管下深4 500m，尾管規(guī)格為?177.8mm，長(zhǎng)度1 429m。該井鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)卡鉆，通井過(guò)程中多次遇阻，尾管固井施工前，作業(yè)者便預(yù)計(jì)尾管下入難度大。為保證四開(kāi)（設(shè)計(jì)7 395m）順利鉆進(jìn)，三開(kāi)尾管必須下到設(shè)計(jì)位置，決定利用旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)，在尾管下入遇阻時(shí)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)下入。永1－平1井井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 永1－平1井井身結(jié)構(gòu)

3.1 旋轉(zhuǎn)尾管固井工具主要參數(shù)

表1 懸掛器尾管固井工具技術(shù)參數(shù)

3.2 施工難點(diǎn)及對(duì)策

3.2.1 施工難點(diǎn)

1）永1－平1井的吐谷魯群組井段砂泥巖吸水易膨脹導(dǎo)致垮塌，并且易掉塊，套管下入過(guò)程中易遇阻，甚至卡死。

2）由于造斜段狗腿度大和水平段臺(tái)階井眼等因素的影響，尾管下入過(guò)程中易遇阻，利用常規(guī)的下入方法尾管很難到達(dá)設(shè)計(jì)位置。

3）水平段固井由于井斜大，易形成不規(guī)則糖葫蘆井眼或橢圓井眼，套管居中困難，水泥漿頂替時(shí)易竄槽，固井質(zhì)量無(wú)法保證。

4）西山窯組地層壓力高，泥漿密度高達(dá)1.83 g／cm3，過(guò)高的固相含量對(duì)工具的可靠性造成較大的挑戰(zhàn)。

3.2.2 對(duì)策

為保證尾管施工的順利進(jìn)行，采用旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)，下入遇阻時(shí)采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式解阻。尾管扶正器采用螺旋樹(shù)脂式扶正器，能夠在尾管下入時(shí)減小摩擦阻力，旋流翼能夠在水泥漿頂替過(guò)程中產(chǎn)生旋流效果，提高頂替效率。考慮到尾管下入過(guò)程中需要旋轉(zhuǎn)下入，尾管螺紋的抗扭性能至關(guān)重要，通過(guò)通井期間數(shù)據(jù)對(duì)尾管旋轉(zhuǎn)進(jìn)行扭矩預(yù)測(cè)，扭矩約為15kN·m。為保證尾管旋轉(zhuǎn)下入的施工安全，施工方?jīng)Q定采用P110鋼級(jí)、壁厚為12.65mm的API長(zhǎng)圓螺紋套管，最大上扣扭矩達(dá)到16kN·m［7］。為保證懸掛器正常坐掛，在懸掛器坐掛位置上下50m的外層套管進(jìn)行刮壁。

3.3 施工要求

1）入井管串不能反轉(zhuǎn)，因反轉(zhuǎn)會(huì)剪斷應(yīng)急釋放銷釘，導(dǎo)致送入工具和尾管分離。

2）如果必須轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，只能正轉(zhuǎn)，必須在有控制的情況下緩慢釋放反轉(zhuǎn)扭矩。

3）下鉆過(guò)程中循環(huán)泥漿時(shí)循環(huán)壓力不得超過(guò)5.5MPa，防止懸掛器提前坐掛。

4）當(dāng)液壓丟手失效時(shí)，首先確認(rèn)送入工具在高壓下是否仍處于受壓縮狀態(tài)，重新調(diào)整懸掛器處受壓的載荷大小，并逐次升壓0.5MPa，檢查工具是否脫手。如果液壓方式無(wú)法丟手，可采用反轉(zhuǎn)的方式，剪斷機(jī)械丟手銷釘，確認(rèn)剪釘剪斷后，上提管柱完成丟手動(dòng)作。

3.4 施工程序

按照管串設(shè)計(jì)依次下入浮鞋、浮箍和球座等附件，每2～3根套管安裝1個(gè)螺旋樹(shù)脂扶正器。下完套管后連接旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器，測(cè)量上提懸重700 kN，下放懸重650kN。連接鉆具繼續(xù)送入尾管，在尾管下至井深5 125m時(shí)遇阻，總懸重由1 600kN變?yōu)?00kN，上提至3 000kN后提開(kāi)。采用上下活動(dòng)和開(kāi)泵循環(huán)的方式均無(wú)法解阻，決定連接頂驅(qū)，利用頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)管串旋轉(zhuǎn)下入；啟動(dòng)扭矩34kN·m，轉(zhuǎn)速20r／min，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)后扭矩范圍為27～41 kN·m，懸重基本保持1 800kN不變；旋轉(zhuǎn)送入1個(gè)單根后停轉(zhuǎn)，接鉆具繼續(xù)送入尾管，此時(shí)懸重基本保持在1 600kN左右。在后期施工中尾管下入順利，懸掛器坐掛、丟手均一次性成功，坐掛壓力12 MPa，丟手壓力16MPa，整個(gè)尾管固井施工順利。

3.5 結(jié)果分析

永1－平1井的尾管固井難點(diǎn)在于尾管能否送入到位，在此類超深水平井尾管下入遇阻時(shí)，很可能造成“下不去，上不來(lái)”的情況，采用上提下放和循環(huán)的方式很難解決這一問(wèn)題，利用旋轉(zhuǎn)尾管固井工具采用旋轉(zhuǎn)下入的方式，很好地解決了尾管的下入遇阻難題。該井在施工前的準(zhǔn)備過(guò)程中，預(yù)測(cè)到尾管旋轉(zhuǎn)扭矩較大，選用高鋼級(jí)、大壁厚的API套管，滿足了現(xiàn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)需要。尾管下至設(shè)計(jì)位置后，坐掛、丟手和固井參數(shù)正常，證明在中途大扭矩旋轉(zhuǎn)后，工具及套管螺紋的密封性良好。

為了降低施工風(fēng)險(xiǎn)，如果需要旋轉(zhuǎn)下入套管，最好選用抗扭能力強(qiáng)的氣密封螺紋套管。

4 結(jié)論

1）超深水平井尾管固井施工難度大，特別是尾管下入困難，采用旋轉(zhuǎn)尾管下入技術(shù)能夠?qū)⑽补芟碌皆O(shè)計(jì)位置。

2）多種因素會(huì)影響旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器在超深水平井內(nèi)應(yīng)用的可靠性，在旋轉(zhuǎn)尾管施工前要進(jìn)行扭矩預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)設(shè)備、鉆具、套管和泥漿性能等提出相關(guān)要求，以降低作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

3）旋轉(zhuǎn)懸掛器及配套工具的性能至關(guān)重要，在施工前應(yīng)根據(jù)施工井況對(duì)工具的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并確保工具與設(shè)備、套管匹配，以保證施工的順利進(jìn)行。

［1］馬蘭榮，郭朝輝，楊德凱，等.旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器軸承的研制及性能試驗(yàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（9）：67－70.

［2］李 維，李 黔.旋轉(zhuǎn)尾管固井套管扭曲失穩(wěn)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（6）：49－52.

［3］郭朝輝，楊德凱，馬蘭榮.國(guó)外尾管頂部封隔器技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（7）：13－17.

［4］秦金立，蘇 同.國(guó)外固井膠塞研究新進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（1）：39－42.

［5］曹來(lái)順.聚合鋁鉆井液技術(shù)在永1－平1井中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009（3）：17－19.

［6］胡興富，李永和，王國(guó)新.旋轉(zhuǎn)尾管固井工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1997，19（3）：25－28.

［7］周全興.鉆采工具手冊(cè)［K］.北京：科學(xué)出版社，2002.