新型雙合葉浮球式自灌漿浮箍設計及應用

畢雪亮，李 鋼，王 鵬，逯廣東，韓福偉

（1.東北石油大學，黑龍江 大慶163318；2.渤海鉆探工程有限公司 第三鉆井公司，天津300280）①

浮箍是套管串及固井過程的重要工具，要求結構和性能穩定，在保證固井工作質量中起著關鍵作用。浮箍安裝在引鞋上，在下套管的過程中，常規非自灌漿浮箍的回壓閥會關閉，管內的液柱處于真空狀態；要使管內外的壓力保持平衡，只能人工地向管內灌入泥漿，所以必須事先停止下套管作業。但在復雜井中，這種做法可能導致套管被卡等事故，費時且費力。為此，相關技術人員研制了各種自動灌漿浮箍。但在實際使用過程中，發現自動灌漿浮箍的結構和加工工藝比較復雜，且成本較高，因為浮箍的外殼內部鑲有襯套等結構，所以浮箍的內徑小于套管內徑，導致泥漿通過時阻力大、流量小、浮箍重力比較大［1］。在注水泥后，反向回壓的密封性能不可靠，容易造成水泥漿返回井內，水泥塞過高，外部環空不能完全封隔，嚴重影響固井質量。為改善這些情況，本文對自動灌漿浮箍的結構和工藝進行了改進。改進后的浮箍結構和加工工藝較簡單，不需要鑲入襯套，不僅降低了生產成本，也方便了現場使用，降低了工人的勞動強度，雙閥蓋合葉關閉時兩道密封確保了套管內的鉆井液不進入環形空間，同時使得水泥漿不能倒流至套管內，保證了固井質量。

1 結構

浮箍安裝在引鞋以上1～2根套管的單根上，它的作用是在下套管過程中可掏空一定量的鉆井液，在浮力的作用下，可使套管串懸浮，以便減輕套管串的重力［2］。另外，自灌漿浮箍可以縮短套管下入井內的時間，同時在固井注水泥時使套管外的水泥漿不會倒流入套管內，保證注水泥漿的質量。結構如圖1所示［3］。其中，左右閥蓋互相配合，可以阻止水泥漿倒流，達到反向密封作用。浮箍本身通過自動灌漿進行循環洗井，調整鉆井液性能。固井后浮箍內部鋁制承托環等結構具有良好的可鉆性。

圖1 雙合葉浮球式自灌漿浮箍結構示意

2 工作原理

在下套管過程中，泥漿通過塑料擋管內部孔道進入套管內，進而完成自動灌漿，當套管下入井下指定位置時，向井內投入銅球，此時開泵循環泥漿，當銅球到達塑料擋管時，蹩壓（壓力表中壓力有升高變化），塑料擋管蹩掉時，雙閥蓋合葉關閉（灌漿速度與塑料擋管內徑有關，內徑大則灌漿速度快，可根據實際情況改變塑料擋管大小）。該浮箍的一個作用是通過自動灌漿使得鉆井液對套管的浮力減輕、阻力降低，套管內液柱壓力與環空液柱壓力互相平衡，從而使套管能夠迅速地下入井下［4］；另一個作用是當浮箍左右兩側的雙閥蓋關閉時，能起到單流閥的作用，防止水泥漿倒流至套管內。

3 主要技術特點

1） 雙合葉浮球式自灌漿浮箍采用既可自灌又能密封的原理，實現了浮箍在特殊井型時縮短套管的下入時間及形成良好的密封。

2） 該浮箍主要用于引導套管柱順利入井，調整下套管時套管柱所受的浮力，在固井時準確控制套管內水泥塞高度，從而確保固井質量［5］。

3） 雙合葉浮球式自灌漿浮箍采用左右閥末端及浮球充滿氫氣的方式來增加浮力，另外左右閥均裝有彈簧，方便打開和關閉浮箍，打開時只需增加泵壓，關閉時緩慢釋放壓力并由彈簧和浮球同時關閉浮箍。

4） 根據不同井型及井壁是否穩定，可調整浮箍內部的塑料擋管直徑來控制自灌漿速度。

4 主要技術參數

雙合葉浮球式自灌漿浮箍的主要技術參數如表1［6］。

表1 雙合葉浮球式自灌漿浮箍主要技術參數

5 關鍵技術及制造難點

5.1 材料及螺紋的選擇

該浮箍隨固井工具組合連續在井下工作，工況相對惡劣，受力變化較大。依據該浮箍的使用和性能要求，對國內外同類浮箍的材料特性進行了系統的研究，提出了既要實現浮箍在井下的密封作用又要滿足后續鉆進時浮箍的可鉆性，所以選擇了浮箍外部本體為鋼制材料，內部用水泥或鋁填充，在使用前對其進行無損探傷檢測，以確保各零部件的密封性能。針對特殊固井工具可以設計特殊錐螺紋或臺肩螺紋與此連接，提高了螺紋的連接強度和零件的互換性。在特殊螺紋的加工及材料選擇方面難度較大，主要考慮地層溫度高或鉆遇腐蝕性氣體可能導致浮箍的失效。

5.2 左右閥蓋及浮球結構

為確保密封的可靠性，采用特殊設計密封結構和材料，左閥蓋及浮球大部分為鋁制材料［7］，末端用氫氣進行填充，左閥蓋末端也使用氫氣進行填充，主要是為了增加左右閥蓋關閉后的浮力，使其密封可靠，能更好地阻止水泥漿倒灌至套管內。閥蓋末端采用密封氫氣的方式增加浮箍的浮力，對密封端的制造有一定難度，一定要密封好，否則將減弱使用效果。另外，在使用前要對其進行密封檢測確保其密封性能良好。

6 使用方法

6.1 在鉆具組合的安裝位置

在固井作業中，浮箍在引鞋之上同時連接于套管，典型的套管串組合：引鞋＋套管鞋＋旋流短節＋浮箍＋短套管＋扶正器＋套管。浮箍連接在套管柱末端向上20～30m 處［8］。

6.2 操作方法

根據現場實際使用情況，正確安裝浮箍，根據固井工藝技術組裝好套管串，下入井內，控制合理下放速度，防止鉆井液回流速度過大影響井壁穩定。操作步驟：

1） 按常規方法下放套管串，此時雙合葉浮球式自灌漿浮箍通過自動灌漿功能夠循環鉆井液，調整鉆井液性能同時加快下套管的速度。當套管繼續下行至井眼指定部位時，將銅球投入套管內，銅球通過自重和循環鉆井液的壓力不斷下行，當銅球下行至塑料擋管端口處時，會堵塞流動出口（端口）。

2） 繼續加大泵壓在套管內形成蹩壓，當管內壓力逐漸增大直至將塑料擋管蹩掉，浮箍內部左閥蓋和右閥蓋及左右閥蓋彈簧由傾斜的初始狀態到平行的關閉狀態，即恢復到單流閥狀態。

3） 準備注入水泥漿固井。水泥漿由套管內部注入至端口處，通過壓力的作用使得左右閥蓋打開，水泥漿通過浮箍由套管內流向套管外部的環形空間，水泥漿不斷上升至工程要求的指定位置，碰壓，水泥漿注入完畢，套管外部的環形空間壓力高于套管內壓力，促使浮箍內左右閥蓋再次回到關閉狀態，將套管內與套管外封隔，水泥漿只能停留在套管外的環形空間，不能倒流至套管內部。此時固井結束，等待水泥漿的候凝。

7 現場應用

雙合葉浮球式自灌漿浮箍在吉林油田現場推廣使用。該井為預探水平井，應用最大井深3 280.33 m，最大井斜83°。經應用證明，該浮箍在下套管中途循環鉆井液不影響自動灌漿性能，同時在固井結束后密封效果良好，耐腐蝕性強，套管內無水泥漿侵入，保證了水泥漿在候凝時完全充滿環空。

8 結論

1） 雙合葉浮球式自灌漿浮箍可用于直井、水平井、定向井、套管開窗側鉆井等多種鉆井、固井作業，使用范圍較廣。

2） 該浮箍在下放套管時可以自灌漿，減輕了鉆井液對套管的浮力，減少了套管下入過程中井眼環空泥漿上返速度，并減少了套管在下放時卡鉆的幾率，實現了下套管的連續施工，利于井壁穩定。配合固井工具的使用，易安裝易鉆取，使用安全可靠。

3） 此浮箍主要應用于固井，同時也可應用于鉆井中，能夠減少壓力波動，防止井漏發生［9］。

4） 自灌漿浮箍降低了井隊人員的勞動強度，節省了下套管的時間，提高了固井質量，降低了鉆井的直接成本。

［1］應保慶.自動灌浮箍現場應用及評價［J］.石油鉆探技術，1996，24（2）：1－32.

［2］杭忠俊，顧業成.浮球式自灌鉆井液浮箍［J］.石油礦場機械，1994，23（6）：19－22.

［3］張明昌.固井工藝技術［M］.北京：中國石化出版社，2007：33－35.

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