水平井篩管完井提拉預應力工具的研制

馬慶濤，張建國，馬明新，張海平

稠油熱采井開發中，由于注蒸汽過程中套管串受熱伸長，后期生產過程中普遍存在套篩管損壞[1]和井口抬升[2]，目前普遍采用提拉預應力[3]作業來緩解套管串熱應力。通過在固井注水泥前或注水泥后對井內套管串施加一定的預拉力，減小或抵消注蒸汽受熱時熱應力造成的套管伸長，減少套管柱受熱膨脹應力破損，防止注蒸汽井口抬升，增加生產井壽命，該措施在直斜井中得到了較好的應用效果。然而，由于疏松砂巖稠油油藏儲層膠結、易出砂[4]，大多采用水平井篩管完井開發，目前國內外未有相關與水平井篩管完井相配合的提拉預應力工具[5–7]。本文介紹了一種水平井篩管完井提拉預應力工具，采用水平井篩管上部固井段提拉預應力完井、下部篩管段采用熱應力補償器補償熱應力[8]的完井方法，對熱采水平井完井管串進行提拉預應力作業，可有效防止套管應力損壞、緩解井口抬升。

1 工具結構設計及工藝參數

1.1 工作原理及結構特點

（1）工作原理。提拉預應力工具結構如圖1所示。提拉預應力工具連接于套管底部，工具下到預定位置后，開泵循環鉆井液，待井下正常，從井口投球（盲板的話，直接套管內打壓），球自由下落，當球落到球座時，通過套管內利用鉆井液打壓；當液柱壓力達到設定壓力，銷釘被剪斷，液缸推動活塞，活塞啟動桿連帶提拉爪打開，提拉爪慢慢吃入地層，直至支撐桿頂住提拉爪，提拉爪吃入地層后可進行提拉預應力作業。

圖1 提拉預應力工具結構

（2）結構特點。①采用6只提拉爪均勻分布，利于套管居中；②套管內打壓提拉爪撐開，泄壓后自動復位；③工具內徑與套管一致，不影響后續作業；④提拉爪對地層的吃入力與套管的提拉力成正比，提拉力越大，提拉爪趨向張開角度越大，吃入地層越深；⑤提拉預應力工具內空心設計、內外不互通，適用于水平井提拉預應力。

1.2 性能參數

提拉預應力工具性能參數如表1。

1.3 完井管串及施工工藝

（1）完井管串推薦結構：引鞋+篩管串+球座或盲板+提拉預應力工具（斜井段）+管外封隔器+分級箍+套管串至井口（圖2）。

（2）施工工藝。①按設計要求連接提拉預應力工具與套管串組合，保證完井管串的順利下入；②下完套管后，按照設計要求投球，待球到位球座；③打壓至7～9 MPa，脹封提拉預應力工具，同時進行提拉套管預應力，達到設計提拉力后套管串坐封井口；④打壓至12～14 MPa，脹封管外封隔器；⑤打壓至16～18 MPa，打開分級箍，進行固井作業。

表1 提拉預應力工具性能參數

圖2 完井管串推薦結構

2 室內試驗

2.1 工具抗拉力室內壓力試驗

試驗目的：檢驗提拉預應力工具所能承受壓力的能力。

試驗設備：YE-200A壓力試驗機1臺（額定負荷大于200 t、升高大于1 500 mm），壓力套1個。

試驗方法：將提拉預應力工具外部套上一根兩段平整、長度1 000 mm、外徑339.7 mm、壁厚10.92 mm的壓力套，使其下端座于打開的提拉預應力工具上面，然后移至壓力試驗機打開的上下盤之間，采用逐漸加壓的方法測定錨爪能夠承受的最大壓力，預計施加最大壓力載荷100 t。試驗過程中施加壓力要緩慢得當，過程中隨時關注壓力表顯示及波動。

試驗結果：當提拉預應力工具所受壓力達到100 t時，提拉爪形態保持良好，無明顯變形。

2.2 地面支撐性試驗

試驗目的：驗證提拉預應力工具開啟提拉爪動作的可靠性。

試驗方案：將提拉預應力工具按照以下試驗管串連接，通過高壓泵打壓的方式，脹封提拉預應力工具，觀察提拉爪的支撐離地形態（圖3）。

圖3 地面支撐性試驗管串

試驗過程：按照以上管串結構連接試驗工具；套管兩端裝試壓接頭，逐步升壓至8 MPa，達到提拉預應力工具剪釘剪斷壓力，剪釘剪斷，同時錨爪支撐套管離開地面，泄壓，試驗結束。

試驗結果：壓力升壓至8 MPa，剪斷剪釘，同時錨爪支撐套管完全離開地面，工具各結構件無一損壞。

3 現場試驗

為了解決稠油熱采水平井注蒸汽后熱應力難題，緩解后期注汽套管損壞，在P601–P1井成功進行了工具預應力完井現場試驗，實現了套管預應力伸長，減少后期注汽過程中套管串受熱伸長，減少井口抬升程度。

（1）井身結構見表2。完井管柱結構見圖4。

表2 P601-P1井井身結構

圖4 P601-P1井完井管柱結構

（2）提拉預應力計算。假設提拉預應力工具以上管柱長度600 m，套管鋼級P110，套管規格Ф177.8 mm×9.19 mm，注蒸汽溫度350℃，水泥返至地面。計算的預應力值為28.5 t，套管伸長量為20 cm。

（3）提拉預應力工藝。管柱下放到距井底3 m后，按正循環方式連接管線，用固井車小排量打壓，試壓5 MPa，繼續打壓至9 MPa，脹封提拉預應力工具，穩壓3分鐘，以3 m為限、每次0.5 m為單位上提管柱，上提過程中若指重表顯示懸重持續增加，表明提拉預應力工具錨定地層，開始提拉預應力15～20 t（懸重顯示增加15～20 t），提拉預應力之后卸下多余短節，座好吊卡，繼續下一道工序；若上提3 m，指重表顯示仍無明顯持續的變化，則表明提拉預應力工具未錨定地層，繼續下一道工序。

（4）配套完井工藝。井口打壓至 12 MPa、14 MPa，各穩壓3~5分鐘，脹封套管外封隔器，然后繼續升高壓力至18～20 MPa，打開分級箍，實現正循環。待泥漿循環暢通后，大排量循環泥漿，直至泥漿性能滿足固井要求。

（5）試驗結果。P601–P1井預應力完井現場試驗表明，研制出的Φ177.8 mm規格水平井用提拉預應力工具與篩管完井工藝相配套，可明顯吃入地層，產生有效提拉力，滿足熱采水平井的提拉預應力作業要求。

4 結論

（1）該水平井篩管完井用提拉預應力工具有6只提拉爪均勻分布，工具內徑與套管一致，內空心設計不互通，可支撐套管完全離地，安全提拉力達100 t，可滿足水平井提拉預應力作業要求。

（2） 現場試驗表明，提拉預應力工具可明顯吃入地層，產生有效提拉力，提拉作業和固井施工順利，可滿足水平井篩管完井作業要求。

參考文獻

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[5] 張強，陳治，李丁，等. 新型可鉆式預應力固井地錨設計與研究[J]. 石油機械，2015，（8）：83–86.

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[8] 孫迎春，賈耀惠. 熱應力補償器在超稠油開發中的應用[J]. 特種油氣藏，2002，9（6）：51–53.