扭矩環(huán)在國內(nèi)海上油田的首次應(yīng)用

謝榮斌 崔國杰 陳松茂 張 濤 夏天成

1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300452; 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司, 天津 300452

0 前言

大位移井是鉆井行業(yè)難題,作業(yè)風(fēng)險高[1],尤其下Φ 177.8 mm尾管作業(yè)難度大。一旦出現(xiàn)阻卡,處理手段有限,發(fā)生尾管下不到位的概率很高[2]。直到近幾年隨著旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)不斷趨于成熟,才使得尾管下入成功率得到較大提高[3]。而普通套管扣的抗扭強度難以滿足旋轉(zhuǎn)下尾管作業(yè)要求,石油行業(yè)一般使用的都是高抗扭套管,但高抗扭套管費用昂貴,大幅度增加了作業(yè)成本。為此,提出使用“扭矩環(huán)+普通套管”代替高抗扭套管的新思路。

扭矩環(huán)是一種能顯著提高常規(guī)套管扣抗扭強度的工具,早在2010年,國外威德福石油公司就在印尼FG-8井中開始將扭矩環(huán)配合旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)而使用,并取得了成功[4]。截止目前,國內(nèi)海上各大油田還未使用過。2016年,渤海墾利某油田布置了三口大位移井,平均井深超過4 500 m,Φ 215.9 mm井眼超過900 m,且該區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[5],地層容易坍塌,井壁穩(wěn)定性差,井下復(fù)雜情況多,Φ 177.8 mm尾管作業(yè)下入難度特別大[6]。為此,采用旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù),引入扭矩環(huán),解決了常規(guī)套管扣無法滿足旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)的難題,首次在國內(nèi)海上油田取得應(yīng)用成功。

1 扭矩環(huán)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點

扭矩環(huán)結(jié)構(gòu)見圖1,為一個圓環(huán)狀的止動環(huán),由API系列L-80材質(zhì)的鋼材加工而成。其主要性能參數(shù)見表1。

圖1 扭矩環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

同規(guī)格情況下常規(guī)API系列螺紋的連接扭矩是Bear、Vam等特殊扣的一半左右,見表2。連接扭矩過大會導(dǎo)致API螺紋失效的主要原因是母扣管體脹大而出現(xiàn)滑扣[7]。扭矩環(huán)就是安裝在套管接箍兩端公扣間隙處,當(dāng)絲扣連接達到規(guī)定扭矩后,接箍兩端的公扣與扭矩環(huán)相接觸,從而起到金屬密封螺紋止動臺階的作用[8],可阻止螺紋進一步旋入,防止接箍脹大導(dǎo)致螺紋滑脫。它不僅增強了BTC扣型的上扣扭矩,提高了抗扭強度,而且也增強了密封能力,實現(xiàn)在大斜度井或大位移井中的套管或尾管的旋轉(zhuǎn)下入[9]。

表1 適合Φ177.8mm尾管(磅級43.15kg/m,L80材質(zhì),BTC扣型)扭矩環(huán)的主要參數(shù)

磅級/(kg·m-1)內(nèi)徑/mm外徑/mm高度/m43.15158.4170.622.5最大上扣扭矩/(kN·m)最大抗壓/t最大抗內(nèi)壓/MPa最大抗外壓/MPa35.4306.656.2848.41

表2 不同螺紋扣型扭矩對比

扣型規(guī)格最小上扣扭矩/(kN·m)推薦上扣扭矩/(kN·m)最大上扣扭矩/(kN·m)BTCΦ 177.8 mm43.15(kg·m-1) L 808.109.4511.20VamΦ 177.8 mm43.15(kg·m-1) L 8018.1620.0521.94BearΦ 177.8 mm43.15(kg·m-1) L 8021.7523.3825.02

使用扭矩環(huán)時,可提前用專用工具將扭矩環(huán)安裝在Φ 177.8 mm尾管內(nèi)。安裝完之后的配合示意圖見圖2,扭矩環(huán)距離雙母接箍端面115.8 mm,尾管△符號距離公扣端面114.5 mm,見圖2～3,當(dāng)扭矩上至△符號,再繼續(xù)上扣時,扭矩環(huán)就會起到止動的作用,限制公扣繼續(xù)前進,從而提高BTC扣的上扣扭矩及抗扭強度[10]。具體數(shù)據(jù)見表3。

圖2 △符號距離公扣端面示意圖

圖3 扭矩環(huán)距離雙母接箍端面示意圖

2 扭矩環(huán)實驗測試及使用優(yōu)勢

2.1 實驗測試

在實驗室,準(zhǔn)備帶BTC雙母接箍的Φ 177.8 mm短套管至少兩根,Φ 177.8 mm、43.15 kg/m、L 80扭矩環(huán)若干,上扣機[11](能顯示并記錄上扣扭矩曲線);游標(biāo)卡尺、卷尺、通徑規(guī)等工具。然后用上扣機給帶有扭矩環(huán)的套管上扣,提升扭矩至33.75 kN·m,見圖4。

表3 扭矩環(huán)與BTC尾管配合使用相關(guān)數(shù)據(jù)

尾管外徑/mm尾管內(nèi)徑/mm壁厚/mm△距離公扣端面高度/mm177.8157.0710.36114.5雙母接箍外徑/mm雙母接箍通徑/mm雙母接箍長度/mm母接箍端面至扭矩環(huán)高度/mm194.46153.9254.8115.8參數(shù)接箍最大抗拉載荷/t最小上扣扭矩/(kN·m)推薦上扣扭矩/(kN·m)最大上扣扭矩/(kN·m)數(shù)據(jù)338.3815.5925.4535.4

a)連接兩根套管

b)用上扣機給套管上扣圖4 實驗室測試扭矩環(huán)

經(jīng)地面試驗測試結(jié)果證明:設(shè)置合適的扭矩環(huán),API系列BTC扣型螺紋的抗扭能力能夠達到同規(guī)格氣密封螺紋的抗扭能力[12]。以安裝止動環(huán)的Φ 177.8 mm套管為例,其抗扭強度可達到33.80 kN·m,較不安裝扭矩環(huán)的螺紋最大緊扣扭矩11.20 kN·m提高2.01倍,并且反復(fù)拆卸多次,螺紋外觀沒有磨損,見圖5～6。

2.2 使用優(yōu)勢

1)安裝簡易,不影響作業(yè)時效。扭矩環(huán)在現(xiàn)場使用過程中,可以不占用井口,提前在甲板完成安裝,提高作業(yè)效率,見圖7。

3)減少采辦流程,縮短供貨周期。目前,使用高抗扭套管的采辦流程是現(xiàn)場根據(jù)作業(yè)需要做好計劃,然后通知采辦部門,采辦部門委托廠家進行加工,加工完成之后運送到碼頭倉庫,裝船送往現(xiàn)場。采辦流程繁瑣且周期長,容易造成因物料供應(yīng)不及時而影響現(xiàn)場作業(yè)的問題。而扭矩環(huán)則只需要現(xiàn)場通知廠家準(zhǔn)備好后,隨固井配件一起送往現(xiàn)場即可。

圖5 不安裝扭矩環(huán)的最大上扣扭矩值

圖6 安裝扭矩環(huán)后最大上扣扭矩值

a)專用工具側(cè)面圖

b)專用工具正面圖

3 扭矩環(huán)在海上油田的首次應(yīng)用

2016年,墾利某油田布置了三口大位移井,平均井深超過4 500 m,Φ 215.9 mm井眼長度均超過900 m,且該區(qū)域深層沙河街組煤層發(fā)育[13],煤矸石容易掉塊,井壁穩(wěn)定性差[14-17],Φ 177.8 mm尾管作業(yè)難度大,決定采用旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)[18-19],為降低作業(yè)成本,引入了扭矩環(huán),代替價格昂貴的高抗扭尾管,三口井尾管均下至設(shè)計位置,見表4。

該三口井下Φ 177.8 mm尾管作業(yè)過程中,A 1井出現(xiàn)了三個遇阻點,遇阻超過10 t,提活尾管后,依然通不過,決定旋轉(zhuǎn)下入,設(shè)置頂驅(qū)蹩停扭矩為28 kN·m,頂驅(qū)轉(zhuǎn)速10～15 r/min,排量400～500 L/min,控制大鉤下放速度0.05 m/s以內(nèi),扭矩波動在22～25 kN·m,泵壓2.5～3 MPa,通過遇阻點。A 2井由于煤層較多,下入過程中連續(xù)出現(xiàn)遇阻情況,旋轉(zhuǎn)下入了3 h,最高扭矩上漲至30 kN·m見圖8,接近扭矩環(huán)的試驗最高扭矩值33.75 kN·m,為安全考慮,起出了尾管,通井之后,再次下入尾管,順利下至設(shè)計位置。A 3井下入過程中,遇阻均未超過10 t,未旋轉(zhuǎn)管串,下入至設(shè)計位置。

表4 墾利某油田三口大位移井尾管下入情況統(tǒng)計

井名完鉆井深/m水平位移/m最大井斜角/(°)尾管長度/m旋轉(zhuǎn)情況下入情況A 14 7423 924.6770.42935旋轉(zhuǎn)解阻3段下至設(shè)計位置A 24 7883 930.1573.06981旋轉(zhuǎn)3 h下至設(shè)計位置A 34 2263 310.37661 005正常下入下至設(shè)計位置

圖8 A 2井旋轉(zhuǎn)下尾管錄井曲線圖

“扭矩環(huán)+普通套管”代替高抗扭套管在墾利某油田大位移井作業(yè)中成功實施,不僅縮短了采辦周期、提高了作業(yè)效率,而且井下安全得到了保障,應(yīng)用效果顯著。據(jù)統(tǒng)計，在這三口大位移井作業(yè)過程中由于該技術(shù)的應(yīng)用,共節(jié)省費用約180萬元,取得良好的經(jīng)濟效益,見表5。

表5 使用“扭矩環(huán)+普通套管”節(jié)省套管費用統(tǒng)計

井名完鉆井深/m尾管長度/m尾管根數(shù)/根節(jié)約成本/萬元A 14 7429358857.6A 24 7889819460.04A 34 2261 0059661.31

4 結(jié)論

1)“扭矩環(huán)+普通套管”可以替代高抗扭套管使用在旋轉(zhuǎn)下尾管作業(yè)中,可有效節(jié)省作業(yè)成本。

2)隨著渤海油田持續(xù)發(fā)展,調(diào)整加密井增加,大位移井將越來越多,扭矩環(huán)為渤海油田今后大位移井作業(yè)提供了重要技術(shù)手段和安全保障,也為降本增效開發(fā)做出貢獻,具有良好的應(yīng)用前景,值得進一步推廣應(yīng)用。