油層套管保護技術在元壩投產氣井中的應用

李國成，張國興，周陽，吳志國，張興超，張俊松

（中國石化西南石油工程公司井下作業分公司，四川德陽618000）

·石油與鉆掘工程·

油層套管保護技術在元壩投產氣井中的應用

李國成*，張國興，周陽，吳志國，張興超，張俊松

（中國石化西南石油工程公司井下作業分公司，四川德陽618000）

元壩氣田是迄今為止國內埋藏最深的海相酸性氣田，井型主要采用超深水平井和大斜度定向井。在投產測試前期，掃塞、通井、刮管等井筒作業極易磨損油層套管，為后續投產作業帶來嚴重安全隱患。通過對鉆具材質規格的優選，非旋轉套管保護器的使用，泥漿體系的低磨阻優化，形成了針對元壩高含硫超深投產氣井的油層套管保護技術。該技術的實施對油層套保護效果顯著，為該區塊高含硫化氫海相井的安全投產提供了又一技術保障措施。

元壩投產；超深氣井；套管保護

1　概述

四川盆地川東北地區元壩氣田鉆完井深度都大于7000m，其主力二疊系上統氣藏高溫且含H2S和CO2，腐蝕環境惡劣。為了滿足該區塊抗腐蝕性能要求，完井套管采用了低鋼級材質，封隔器預計座封井段及以下使用高鎳基合金材質［1-2］。在井筒準備工作中，掃塞、通井、刮管等工序極易磨損油層套管的，為后續完井測試作業帶來嚴重安全隱患，嚴重制約了投產氣井的服役壽命。針對完井投產作業油層套管保護這一棘手問題，通過鉆具材質規格的優選，非旋轉套管保護器的使用，泥漿體系的低磨阻優化，形成了元壩高含硫超深氣井的油層套管保護技術。該技術的實施有效降低了井筒作業中油層套管磨損，為元壩氣田海相氣井的順利投產提供了安全保障。

2　國內套管防磨配套技術

深井及超深井因為其作業時間長，鉆掃過程中鉆具對套管的磨損現象較為嚴重，使得套管防磨的要求較為突出。目前，國內各油田形成了一系列套管防磨配套技術［3-4］。

2.1鉆桿膠皮護箍

膠皮護箍的外徑大于鉆桿接頭的外徑，在鉆進的過程中，鉆桿接頭不和套管內壁接觸，磨損作用在膠皮和套管上，由于膠皮比套管軟得多，因此主要的磨損由膠皮來承受而套管不會受到磨損，同時也避免了鉆桿接頭的磨損。由于膠皮護箍耐磨性一般，容易老化掉塊造成井下復雜情況，因而沒有得到很好的推廣。

2.2防磨接頭

防磨接頭外套與套管壁接觸，而心軸與鉆桿一起旋轉。外套僅在套管內滑動，不隨鉆桿旋轉，因而與套管內壁不產生相對旋轉，減少了套管磨損。由于在接頭處存在薄弱環節，立根長度變化，不利于現場操作，使用過程中存在硬磨損，同時過多使用會導致循環壓耗過大。

2.3滾珠式保護套

滾珠式保護套是把鉆桿接頭與套管間的滑動磨擦去掉，變為滾動磨擦。在設計原理上它比膠皮護箍更進一層，但是由于加工和選材上存在較大的難度，加工成本高，加工質量很難穩定，且存在活動部件，使用壽命較短，一但出現滾珠脫落，會發生連鎖反應，阻礙了推廣應用。

2.4耐磨帶

鉆桿接頭耐磨帶是以凸起的形式熔合在鉆桿接頭表面，用以代替鉆桿接頭來和套管摩擦的材料，對鉆桿接頭起到了保護作用。由于耐磨帶的硬度低于鉆桿本身，因此，對套管起到了一定的保護作用。而耐磨帶在磨損掉一部分之后，可以進行重復堆焊使用。由于是硬磨損，保護套管效果不佳，且不適用特殊材質的套管。

3　高含硫超深氣井油層套管保護技術

在常規掃塞、通井、刮管等井筒處理工序的基礎上，通過加入針對套管防磨優化措施，有效保護油層套管的同時滿足了井筒凈化的需要。

3.1井筒作業管柱的優選

為了提高油層套管在酸性環境下應力腐蝕開裂能力，元壩氣田普遍采用厚壁低鋼級套管與鎳基合金套管組合，套管材質硬度低耐磨性差。在井筒作業中，鉆具選擇在滿足作業強度校核的條件下盡量降低鋼級，減小鉆具材質硬度，降低與油層套管的硬磨損，同時有助于提升鉆具防“氫脆”能力。因此，井筒作業中嚴禁使用S135以上高強度鋼級材質鉆具。根據元壩氣田井深結構及井深，推薦使用上大下小的G105鋼級復合結構鉆具。

此外，常用鉆具接頭鋪焊有耐磨帶，對材質偏軟鎳基合金套管磨損較大，在元壩高含硫氣井作業中應避免使用。

3.2非旋轉套管保護器的運用

3.2.1工作原理［5-6］

非旋轉套管保護器由3部分組成，即滑套、金屬加強襯管和止推軸承環。上下止推軸承環由加強型金屬銷釘鎖定在鉆桿本體上，滑套位于兩軸承環之間，能夠與鉆桿相對轉動。

圖1　非旋轉套管保護器工作原理

由于保護器直徑比鉆桿接頭外徑大，鉆桿接頭與套管內壁不會接觸。在鉆井過程中，鉆桿轉動而滑套與套管之間僅有滑動。滑套本體采用高分子材料回彈性好，力學性能優良，因此對套管的硬磨損極小，起到了對套管的保護。

3.2.2使用方法

保護器型號由套管數據、鉆桿數據和井下溫度數據決定。根據井眼軌跡、井身結構、鉆具組合、套管保護器設計安放方法，采用專用軟件進行模擬鉆井側向力并優化，確定套管保護器的安裝起始位置及數量，對于側向力突出井段應加密安裝套管減磨接頭。在套管保護器安裝過程中，采用刮泥器遮擋井口，防止安裝工具意外掉落入井。在使用過程中，對套管保護器的磨損情況進行逐一記錄，并根據磨損情況調整安放位置。

3.3泥漿體系的低摩擦優化

元壩氣田井底溫度高達160℃，部分泥漿處理劑在高溫下會失效降解并加速套管磨損。因此，在元壩完井泥漿體系中，重點加強泥漿高溫穩定性的維護，優選抗高溫降濾失劑、護膠劑等處理劑。此外，在旋轉作業中加入減磨劑，采用化學手段減少鉆桿與套管間的硬磨損。在日常維護中，加入與泥漿體系配套潤滑劑，保證泥漿的含油有效含量，提高泥漿體系潤滑性。

4　高含硫超深氣井油層套管保護技術現場運用

元壩10-側1井是元壩區塊實施勘探開發一體化以來第一口超深大斜度開發井，完鉆井深7273m，造斜點井深6404.88m，最大井斜76.68°。該井鎳基合金油層套管在井深6560～7230m，位于大斜度造斜井段并處于第一個水泥塞固封位置（6378.32～6574.0m），掃塞時偏磨套管風險極高，為該井投產作業帶來嚴重隱患和風險。

4.1作業管具的選擇

根據油層套管防磨需要，現場選用不帶保徑合金齒的牙輪鉆頭和未鋪焊耐磨涂層的鉆具進行前期井筒作業，防止鋪焊合金傷害套管。通過對油層套管內徑及鉆桿抗拉校核，掃塞管柱采用G105鋼級?88.9mm× 9.35mm+?101.6mm×9.65mm的鉆具組合。

管柱結構（自下而上）：?149 mm牙輪鉆頭+ ?120mm浮閥+?120mm鉆鋌60m+?120mm單流閥+?88.9mm×9.35mmG105鉆桿+?120mm旁通閥+? 88.9mm×9.35mmG105鉆桿+? 101.6mm× 9.65mmG105鉆桿。

4.2非旋轉套管保護器使用

4.2.1套管保護器的選型

根據鉆桿數據、井下溫度數據，現場選用適合?101.6mm和?88.9mm鉆桿的HMK型套管保護器，其數據如下所示：

適用于鉆桿尺寸：?101.6mm；過流面積（在7-5/8″套管內）：38.4cm2；

保護器本體外徑：158mm±2mm；卡箍材質：6061-T651鍛壓鋁合金；

卡箍外徑：?139.7mm；本體材質：HNBR及鋼合金支撐肋；

側向力額定載荷：3000lb（13.3kN）；適用溫度：175℃；

適用于鉆桿尺寸：?88.9mm；過流面積（在7-5/8″套管內）：58.7cm2；

保護器本體外徑：?149mm±2mm；卡箍材質：6061-T651鍛壓鋁合金；

卡箍外徑：?127mm；本體材質：HNBR及鋼合金支撐肋；

側向力額定載荷：3000lb（13.3kN）；適用溫度：175℃；

圖2　元壩10-側1井鉆具側向力圖

4.2.2套管保護器的安放設計

根據《元壩10-側1井完井投產方案設計》中關于套管保護的要求，以及根據本井井眼軌跡、井身結構、鉆具組合、套管保護器設計安放設計的方法、采用專用軟件進行模擬鉆井側向力并優化，并結合甲方的要求和鄰井的實施防磨經驗，安裝方案設計如下：

在井口0～800m，每兩柱安裝一套，計13套HMK400型套管保護器，在井下7000m往上安裝至6600m，此井段為合金套管需重點保護，每柱安裝一套，計17套HMK350型套管保護器，保護6500～7000m井段的合金套管。

4.2.3套管保護器的安裝使用

現場根據套管保護器的設計安裝位置計算出具體安裝鉆桿柱數。在安裝前采用刮泥器及彩條布對井口進行遮蓋，防止安裝工具意外掉落入井。在保護器安裝完成入井時操作時，扶正管柱防止刮卡井口。

4.3泥漿體系低摩阻優化

通過對現場泥漿體系實驗篩選，選用RH220、DHD、FRH-A、FK-10及潤滑油等液體潤滑劑。在鉆掃水泥塞作業中，加入抗磨減阻劑（減磨劑和固體潤滑劑），提高泥漿體系的潤滑性，降低泥漿體系的摩阻系數。

4.4掃塞套管防磨工藝措施

現場鉆掃水泥塞參數控制：鉆壓10～40kN，轉速20～40r/min。在施工中嚴禁在某一井深處長時間定點轉動轉盤，循環泥漿活動鉆具時主要以上提下放為主。同時，振動篩處放磁性裝置收集鐵屑，監測套管磨損情況。

4.5套管防磨效果

元壩10-側1井在鉆掃水泥塞過程中泥漿返出口未收集到常見套管絲狀鐵屑，且鐵屑量明顯減少，在起鉆過程中觀測鉆桿接頭的磨損情況，鉆桿接頭無磨損造成的亮白色。通過上述套管保護技術措施的使用，鉆桿接頭和油層套管得到了有效保護。

圖3　非旋轉套管保護器現場安裝

5　結論

（1）在元壩投產井中，井筒作業推薦選用G105鋼級鉆具組合。在含有鎳基合金套管等特殊材質套管時，避免選用接頭鋪焊有耐磨涂層的鉆具及帶保徑齒的工具。

（2）非旋轉防磨保護器避免了鉆桿與套管直接接觸，顯著降低鉆具與套管的物理磨損。

（3）性能穩定的高溫深井泥漿體系有助于套管防磨，并可適量加入提高潤滑性能的化學處理劑。

（4）高溫含硫氣井作業環境復雜，油層套管防磨在理論及工藝上需要進一步研究。

［1］薛麗娜，周小虎，嚴焱誠，范希連，胡大梁；高溫酸性氣藏油層套管選材探析——以四川盆地元壩氣田為例［J］.天然氣工業，2013（1）.

［2］張忠鏵，張春霞，陳長風，邵衛東，王琍.高酸性腐蝕氣田用鎳基合金油套管的開發［J］.鋼管，2011（4）.

［3］韓秀明，樊建春.鉆桿防磨技術的現狀和發展［J］.石油礦場機械，2007（3）.

［4］仵雪飛，林元華，巫才文，施太和，李潤方，林騰蛟.套管防磨措施研究進展［J］.西南石油學院學報，2004（4）.

［5］杜征鴻.深井套管非旋轉防磨保護技術應用研究［J］.中國石油和化工標準與質量，2012（7）.

［6］劉曉艷，邊培明，趙錦棟，謝慶繁.深井套管保護技術及應用實踐［J］.鋼管，2010（S1）.

TE1

B

1004-5716（2016）03-0027-04

2015-03-12

2015-03-16

李國成（1986-），男（漢族），四川內江人，助理工程師，現從事修井技術現場應用及研究工作。