機械式套管接箍定位器的研制及應用

姜 勇 ，劉 銳 ，趙曉偉 ，海顯蓮

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710021；3.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710200）

連續油管是卷繞在卷筒上拉直后直接下井的長油管。連續油管作業機被業內譽為“萬能作業機”，目前已廣泛應用于油氣田鉆井、完井、修井、測井等作業，在油氣田勘探與開發中發揮越來越重要的作用。一般人們采用使用輪式測量器來測量下入井中的連續油管長度。輪式測量器的滾輪沿著連續油管的外表面轉動并測量其長度，當滾輪磨損后，將在滾輪上產生溝槽。即使一個像一張紙厚的淺槽，在1 000 m深的井中也會產生2 m左右的誤差，對于排液等不需要精確定位的施工，這種誤差可以滿足要求。對于一些需要精確定位的施工，如多薄層壓裂，誤差太大，可能會導致施工層位的變化。所以開發出連續油管精確定位的方法，對發展連續油管技術的應用推廣具有重要意義[1]。

1 國內外連續油管校深方法的應用

國內外目前主要有三種連續油管井下校深方法：（1）人工井底校深法；（2）機械式套管接箍定位器（MCCL）校深法；（3）無線套管接箍定位器（WCCL）校深法。

1.1 人工井底校深法[2]

先下常規油管到施工井的井底，通過磁定位，反復測定短套管定位接箍的位置，確定實際井底的深度；在進行連續油管施工時，再將連續油管下入井底，反復確定下入連續油管的深度，再以井底為參照點，上提連續油管到施工目的層位，進行連續油管壓裂施工。

1.2 機械式套管接箍定位器（MCCL）法

機械式套管接箍定位器在本體上安裝有彈性卡塊，彈性卡塊采用上下不同角度的倒角設計方案，使其在下井時能平穩通過套管接箍，在上提時機械式套管接箍定位器的卡塊會進入到套管接箍縫隙，若要把其從接箍內拉出，因其上的卡塊角度改變了摩擦阻力的方向，連續油管要增加大于拉力十幾倍的摩擦力，才能使卡塊壓縮彈簧收縮變形，卡塊脫出套管接箍；通過連續油管軸向受力變化的記錄曲線，與測井曲線進行對比，達到連續油管測定井內接箍的工藝技術要求，實現連續油管在井內的定位。

1.3 無線套管接箍定位器（WCCL）法[3]

定位器以電池作動力，通過工具在井筒移動過程中向地面傳送的壓力脈沖信號，可以指出套管接箍、油管接箍的位置，不需要利用電纜提供電力或傳輸數據。無線套管接箍定位器的剖面。

無線套管接箍定位器的線圈和磁鐵裝置，與有線套管定位器相似，檢測與接箍金屬相關的物理量的變化。當定位器通過一個接箍時，線圈和磁鐵裝置產生一個小的電壓脈沖。如果脈沖足夠大，超過工具設定的臨界值，處理系統就把該脈沖認作一個接箍，并接通工具中的電磁閥的電池動力；在工具移動過程中，始終有不可壓縮的流體泵送流過工具。一旦處理系統接通電磁閥的電池動力，即啟動一個滑動活塞將工具關閉，使流體通道封閉三秒鐘。三秒結束后，電磁閥的電池動力被切斷，工具流體通道重新打開。

三類連續油管校深方法的優、缺點對比表（見表1），由表1可知，人工井底校深法雖不需要研發井下工具，但是工序復雜，定位精度難以保證；無線套管接箍定位器法雖可實現精確定位，但是該技術被哈里伯頓公司壟斷，成本較高；機械式套管接箍定位器法不但可以實現精確定位的目的，而且研發難度較小，成本較低，鑒于此，本文提出了機械式套管接箍定位器研究思路。

2 技術分析

2.1 結構

機械式套管接箍定位器結構（見圖1），本體內120度相位對稱分布三個定位卡塊，卡塊安裝在本體內的槽內，定位卡塊兩端分別由2個卡塊壓板限位，卡塊可以在徑向上一定范圍內伸縮。2個螺釘分別將2個卡塊壓板固定在本體上。彈簧位于本體與卡塊內的圓孔內，定位狀態下（卡塊進入套管接箍縫隙）彈簧是擴張的，過套管時，卡塊受擠壓，壓縮彈簧，使之收縮，順利通過套管。

表1 三類連續油管校深方法的優、缺點對比表

圖1 機械式套管接箍定位器示意圖

2.2 工作原理

定位卡塊上下采用不同倒角斜度，由于卡塊下端采用小倒角，使得連續油管帶著機械式套管接箍定位器可平滑下入到短套管接箍位置以下；然后緩慢上提連續油管，當機械式套管接箍定位器定位卡塊遇到接箍縫隙時，會自動擴張進入到接箍縫隙內，由于卡塊上端采用大倒角，若要把其從接箍內拉出，因其上的卡塊角度改變了摩擦阻力的方向，連續油管要增加大于非接箍處十幾倍的摩擦力，才能使卡塊壓縮彈簧收縮變形，卡塊脫出套管接箍。在短套管附近，通過上提連續油管，記錄其軸向懸重變化的曲線（見圖2），通過曲線上峰值的距離，找到短套管位置，并且與測井提供短套管附近實際接箍數據進行對比，校準短套管位置，然后以短套管位置為基礎上下移動連續油管一定距離到目的層，進行連續油管下一步施工，如射孔、壓裂等。

2.3 主要技術指標

總長890 mm，自由外徑130 mm，剛體外徑114 mm，最小內徑35 mm，工作壓力70 MPa，定位滑脫力（過接箍增加力）2.0 t～3.0 t，適用于 Ф139.7 mm（51/2"套管）。

2.4 技術創新點

（1）機械式套管接箍定位器解決了井下連續油管精確定位的需求，使得利用連續油管進行多薄層油氣井特種作業成為可能。

（2）定位卡塊上下采用不同倒角斜度，使得起、下鉆過程中不存在卡鉆風險。

3 室內實驗

3.1 實驗目的

驗證提供的機械式套管接箍定位器定位是否滿足要求（定位滑脫力2.0 t～3.0 t），為現場實驗提供室內研究技術支持。

3.2 實驗裝置

實驗設備包括井下工具加載加扭裝置、50 m室內實驗井等（見圖3），實驗介質為水。

3.3 實驗過程

在室內實驗井內預先下入2根11.5 m的51/2"套管+1根4 m的51/2"套管短節+2根11.5 m的51/2"套管，然后通過27/8"油管連接機械式套管接箍定位器下入51/2"套管中，從地面監控系統觀察懸重變化情況。

油管下達井底后，上提管柱，此時懸重顯示為1.2 t，上提11.5 m后，懸重突然增加至4.0 t，繼續上提后恢復至1.2 t，增加值為2.8 t，證明已到達第一個套管接箍；后繼續上提11.5 m后，懸重增加2.6 t后恢復，證明到達第二個套管接箍，又上提4 m后，懸重增加2.8 t后恢復，證明已到達短套管上接箍位置，反復實驗，懸重增加都在 2.4 t～2.9 t。

圖2 定位過程中軸向懸重變化曲線

圖3 實驗工裝示意圖

3.4 實驗結果

經反復實驗，機械式套管接箍定位器定位可靠，定位滑脫力均保持在2.0 t～3.0 t，達到設計要求。

4 現場實驗

2017年5月，在長慶油田蘇X井進行了機械式套管接箍定位器現場實驗，具體工藝描述為：連續油管水力噴射+Y241封隔器+環空壓裂。實驗管柱（見圖4），短套管位置：2 935.05 m～2 938.55 m，人工井底位置：3 009.27 m，射孔段為 2 896.0 m、2 964.0 m、2 981.0 m，射孔段2 964.0 m和2 981.0 m層間隔只有17 m，氣層厚度分別為2.6 m，5.0 m，3.4 m，氣層厚度最薄為2.6 m。以短套管作為基準，進行精確射孔、填砂作業。

圖4 機械式套管接箍定位器應用管柱示意圖

定位方法為：以連續油管自帶的輪式測量器顯示的數據為參考，找出短套管位置，然后根據測井提供的套管接箍實際數據，校準短套管位置，并進行標記（蘇X井短套管附近的實際套管接箍位置為2 962.05 m、2 950.35 m、2 938.55 m、2 935.05 m、2 923.25 m）。定位過程為：首先下連續油管至短套管以下20 m左右，然后上提連續油管，在連續油管輪式測量器顯示值為2 954.56 m處，連續油管懸重增加2.7 t，判斷到達套管接箍位置；上提連續油管，在輪式測量器顯示值為2 942.76 m處，連續油管懸重增加2.8 t，判斷到達下一個套管接箍位置；上提連續油管至輪式測量器顯示值為2 939.26 m處，連續油管懸重增加2.7 t；上提連續油管至輪式測量器顯示值為2 927.46 m處，連續油管懸重增加2.6 t。綜上找到的四個套管接箍位置分別為 2 954.56 m、2 942.76 m、2 939.26 m、2 927.46 m，其中間距分別為11.8 m、3.5 m、11.8 m，由于3.5 m與提供的短套管長度一致，所以初步判斷2 939.26 m、2 942.76 m分別為短套管的上、下接箍位置；根據測井提供的短套管附近套管接箍的實際數據，2 939.26 m、2 942.76 m與2 938.55 m、2 935.05 m接近，所以將其校準為2 938.55 m、2 935.05 m，并在連續油管上進行標記，然后反復起下連續油管核對位置，都在標記點±0.01 m范圍內，定位滑脫力（過接箍懸重增加值）都在2.0 t～3.0 t，定位成功，找到短套管位置為 2 935.05 m～2 938.55 m。

基于短套管的位置，精確找到了射孔段位置2 896.0 m、2 964.0 m、2 981.0 m，順利完成了三段連續油管水力噴射+Y241封隔器+環空壓裂工藝的施工。在此次作業過程中，最高工作壓力70 MPa。機械式套管接箍定位器在對射孔段定位的過程中，反復起、下鉆數量超過30次，該定位器始終可靠定位，定位滑脫力在 2.0 t～3.0 t，定位性能穩定。

截至2017年12月,機械式套管接箍定位器共實驗6口井，用于6口連續油管水力噴射+Y241封隔器+環空壓裂工藝射孔段的定位。目前最大下入深度3 120 m，最高工作壓力70 MPa，現場實驗應用均一次性成功，定位準確。

5 結論

（1）機械式套管接箍定位器采用純機械結構實現精確定位功能，結構簡單，操作方便；

（2）通過室內實驗驗證，機械式套管接箍定位器定位準確，達到了設計要求；

（3）在長慶油田最小層間距只有17 m，最薄層只有2.6 m的多薄層氣井中，利用機械式套管接箍定位器定位，順利完成了連續油管作業，使得利用連續油管進行多薄層油氣井特種作業成為可能。

［1］林英松，蔣金寶，劉兆年，張寶康，李曉波.連續油管壓裂新技術［J］.斷塊油氣田，2008，（3）：118-121.

［2］張會師.連續油管水力噴砂射孔深度確定方法探究［J］.油氣井測試，2009，（6）：59-60.

［3］陳軍，蔣金寶，劉兆年，張寶康，李曉波.無線機械式套管接箍定位器及其在連續油管壓裂中的應用［J］.新疆石油天然氣，2008，（2）：73-76.