水平井篩管完井提拉預(yù)應(yīng)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(fā)中，由于注蒸汽過程中套管串受熱伸長，后期生產(chǎn)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(yù)應(yīng)力[3]作業(yè)來緩解套管串熱應(yīng)力。通過在固井注水泥前或注水泥后對井內(nèi)套管串施加一定的預(yù)拉力，減小或抵消注蒸汽受熱時(shí)熱應(yīng)力造成的套管伸長，減少套管柱受熱膨脹應(yīng)力破損，防止注蒸汽井口抬升，增加生產(chǎn)井壽命，該措施在直斜井中得到了較好的應(yīng)用效果。然而，由于疏松砂巖稠油油藏儲(chǔ)層膠結(jié)、易出砂[4]，大多采用水平井篩管完井開發(fā)，目前國內(nèi)外未有相關(guān)與水平井篩管完井相配合的提拉預(yù)應(yīng)力工具[5–7]。本文介紹了一種水平井篩管完井提拉預(yù)應(yīng)力工具，采用水平井篩管上部固井段提拉預(yù)應(yīng)力完井、下部篩管段采用熱應(yīng)力補(bǔ)償器補(bǔ)償熱應(yīng)力[8]的完井方法，對熱采水平井完井管串進(jìn)行提拉預(yù)應(yīng)力作業(yè)，可有效防止套管應(yīng)力損壞、緩解井口抬升。

1 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)

1.1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）工作原理。提拉預(yù)應(yīng)力工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。提拉預(yù)應(yīng)力工具連接于套管底部，工具下到預(yù)定位置后，開泵循環(huán)鉆井液，待井下正常，從井口投球（盲板的話，直接套管內(nèi)打壓），球自由下落，當(dāng)球落到球座時(shí)，通過套管內(nèi)利用鉆井液打壓；當(dāng)液柱壓力達(dá)到設(shè)定壓力，銷釘被剪斷，液缸推動(dòng)活塞，活塞啟動(dòng)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(jìn)行提拉預(yù)應(yīng)力作業(yè)。

圖1 提拉預(yù)應(yīng)力工具結(jié)構(gòu)

（2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。①采用6只提拉爪均勻分布，利于套管居中；②套管內(nèi)打壓提拉爪撐開，泄壓后自動(dòng)復(fù)位；③工具內(nèi)徑與套管一致，不影響后續(xù)作業(yè)；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(yù)應(yīng)力工具內(nèi)空心設(shè)計(jì)、內(nèi)外不互通，適用于水平井提拉預(yù)應(yīng)力。

1.2 性能參數(shù)

提拉預(yù)應(yīng)力工具性能參數(shù)如表1。

1.3 完井管串及施工工藝

（1）完井管串推薦結(jié)構(gòu)：引鞋+篩管串+球座或盲板+提拉預(yù)應(yīng)力工具（斜井段）+管外封隔器+分級(jí)箍+套管串至井口（圖2）。

（2）施工工藝。①按設(shè)計(jì)要求連接提拉預(yù)應(yīng)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(shè)計(jì)要求投球，待球到位球座；③打壓至7～9 MPa，脹封提拉預(yù)應(yīng)力工具，同時(shí)進(jìn)行提拉套管預(yù)應(yīng)力，達(dá)到設(shè)計(jì)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(jí)箍，進(jìn)行固井作業(yè)。

表1 提拉預(yù)應(yīng)力工具性能參數(shù)

圖2 完井管串推薦結(jié)構(gòu)

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 工具抗拉力室內(nèi)壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模簷z驗(yàn)提拉預(yù)應(yīng)力工具所能承受壓力的能力。

試驗(yàn)設(shè)備：YE-200A壓力試驗(yàn)機(jī)1臺(tái)（額定負(fù)荷大于200 t、升高大于1 500 mm），壓力套1個(gè)。

試驗(yàn)方法：將提拉預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力工具上面，然后移至壓力試驗(yàn)機(jī)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(yù)計(jì)施加最大壓力載荷100 t。試驗(yàn)過程中施加壓力要緩慢得當(dāng)，過程中隨時(shí)關(guān)注壓力表顯示及波動(dòng)。

試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)提拉預(yù)應(yīng)力工具所受壓力達(dá)到100 t時(shí)，提拉爪形態(tài)保持良好，無明顯變形。

2.2 地面支撐性試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證提拉預(yù)應(yīng)力工具開啟提拉爪動(dòng)作的可靠性。

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

圖3 地面支撐性試驗(yàn)管串

試驗(yàn)過程：按照以上管串結(jié)構(gòu)連接試驗(yàn)工具；套管兩端裝試壓接頭，逐步升壓至8 MPa，達(dá)到提拉預(yù)應(yīng)力工具剪釘剪斷壓力，剪釘剪斷，同時(shí)錨爪支撐套管離開地面，泄壓，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)結(jié)果：壓力升壓至8 MPa，剪斷剪釘，同時(shí)錨爪支撐套管完全離開地面，工具各結(jié)構(gòu)件無一損壞。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了解決稠油熱采水平井注蒸汽后熱應(yīng)力難題，緩解后期注汽套管損壞，在P601–P1井成功進(jìn)行了工具預(yù)應(yīng)力完井現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了套管預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)見表2。完井管柱結(jié)構(gòu)見圖4。

表2 P601-P1井井身結(jié)構(gòu)

圖4 P601-P1井完井管柱結(jié)構(gòu)

（2）提拉預(yù)應(yīng)力計(jì)算。假設(shè)提拉預(yù)應(yīng)力工具以上管柱長度600 m，套管鋼級(jí)P110，套管規(guī)格Ф177.8 mm×9.19 mm，注蒸汽溫度350℃，水泥返至地面。計(jì)算的預(yù)應(yīng)力值為28.5 t，套管伸長量為20 cm。

（3）提拉預(yù)應(yīng)力工藝。管柱下放到距井底3 m后，按正循環(huán)方式連接管線，用固井車小排量打壓，試壓5 MPa，繼續(xù)打壓至9 MPa，脹封提拉預(yù)應(yīng)力工具，穩(wěn)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(xù)增加，表明提拉預(yù)應(yīng)力工具錨定地層，開始提拉預(yù)應(yīng)力15～20 t（懸重顯示增加15～20 t），提拉預(yù)應(yīng)力之后卸下多余短節(jié)，座好吊卡，繼續(xù)下一道工序；若上提3 m，指重表顯示仍無明顯持續(xù)的變化，則表明提拉預(yù)應(yīng)力工具未錨定地層，繼續(xù)下一道工序。

（4）配套完井工藝。井口打壓至 12 MPa、14 MPa，各穩(wěn)壓3~5分鐘，脹封套管外封隔器，然后繼續(xù)升高壓力至18～20 MPa，打開分級(jí)箍，實(shí)現(xiàn)正循環(huán)。待泥漿循環(huán)暢通后，大排量循環(huán)泥漿，直至泥漿性能滿足固井要求。

（5）試驗(yàn)結(jié)果。P601–P1井預(yù)應(yīng)力完井現(xiàn)場試驗(yàn)表明，研制出的Φ177.8 mm規(guī)格水平井用提拉預(yù)應(yīng)力工具與篩管完井工藝相配套，可明顯吃入地層，產(chǎn)生有效提拉力，滿足熱采水平井的提拉預(yù)應(yīng)力作業(yè)要求。

4 結(jié)論

（1）該水平井篩管完井用提拉預(yù)應(yīng)力工具有6只提拉爪均勻分布，工具內(nèi)徑與套管一致，內(nèi)空心設(shè)計(jì)不互通，可支撐套管完全離地，安全提拉力達(dá)100 t，可滿足水平井提拉預(yù)應(yīng)力作業(yè)要求。

（2） 現(xiàn)場試驗(yàn)表明，提拉預(yù)應(yīng)力工具可明顯吃入地層，產(chǎn)生有效提拉力，提拉作業(yè)和固井施工順利，可滿足水平井篩管完井作業(yè)要求。

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