國外尾管懸掛器技術(shù)現(xiàn)狀

于明武，雷萬征，喬維鶴，趙曉飛，荊強，王德貴,3

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學研究院，河北 三河065201；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；3.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引言

尾管固井是一項風險高、技術(shù)復雜、施工難度大、質(zhì)量要求高的特殊作業(yè)。尾管固井能節(jié)省大量套管和固井成本并有效地縮短鉆井周期，可帶來巨大的經(jīng)濟效益，有效地改善鉆進條件[1-4]。尤其在深井和鉆遇復雜地層的井，采用尾管固井已成為常態(tài)化工藝技術(shù)[5-6]。尾管懸掛器作為尾管固井的專用工具，在尾管固井作業(yè)中占有重要的位置，其性能和質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到尾管固井的成敗。隨著鉆完井技術(shù)的發(fā)展, 深井和復雜井的數(shù)量越來越多，提高復雜井眼條件下尾管固井的成功率及在垮塌地層、“窄壓力窗口”地層、深水井、大位移定向井、水平井、開窗側(cè)鉆井及高壓氣井中使用行之有效的尾管懸掛器是提高固井質(zhì)量的主要技術(shù)措施[7-8]。尾管懸掛器同其他鉆井工具相比，其可靠性、一次使用成功率要求更高。國外研究高端尾管懸掛器的公司主要有威德福、斯倫貝謝、貝克休斯等。為了縮短與國外尾管懸掛器技術(shù)差距，有必要深入研究國外幾家著名公司的工具結(jié)構(gòu)、特點，為國內(nèi)研發(fā)提供合理的發(fā)展方向。

1 懸掛器技術(shù)特點

懸掛器具有懸掛載荷大、環(huán)空流道大、坐掛對外層套管傷害小、具有防提前坐掛功能、帶有重載荷軸承坐掛后可旋轉(zhuǎn)固井功能。封隔器均采用整體式膠筒設(shè)計或金屬附著橡膠設(shè)計，增加坐封可靠性，提高循環(huán)排量，降低提前坐封風險。膠筒基本都采用了氫化丁腈橡膠或耐高溫的四丙氟橡膠，能夠有效的減少坐封力，耐溫以及耐久性更好。送入工具是尾管懸掛器總成的核心部件，其性能決定了尾管懸掛器抗拉、抗壓、抗扭、能否旋轉(zhuǎn)固井、脫手可靠性。送入工具通常由防砂帽、提升短節(jié)、坐封器、機械或液壓脫手工具、密封補芯、中心管、膠塞適配器等部件組成。

防砂帽通常有兩類，一類是常規(guī)帶有流道的，另一類是浮式防砂帽。常規(guī)防帽設(shè)計有流道連通回接筒內(nèi)外，平衡管內(nèi)外壓力，防止回接筒在井下被高壓擠毀。尾管懸掛器下入前需將回接筒內(nèi)灌滿高粘懸浮液體，防止固相顆粒物質(zhì)進入回接筒內(nèi)埋死送入工具。防砂帽與回接筒有固定機構(gòu)，試脫手過程防砂帽不脫離回接筒防止沉砂掉落進入回接筒，固井后可以回收防砂帽。

2 典型產(chǎn)品特點

目前高端尾管懸掛器需具備懸掛能力強、坐封可靠性高、脫手操作簡單并能夠防止提前脫手、回接筒防砂效果好、過流面積大、送入工具帶有應(yīng)急脫手功能[9-10]。國外高端尾管懸掛器市場主要由威德福、斯倫貝謝、貝克休斯三家公司產(chǎn)品壟斷，形成了“三足鼎立”的局面。以下分別介紹威德福、斯倫貝謝、貝克休斯三家公司產(chǎn)品的技術(shù)特點。

2.1 威德福尾管懸掛器

威德福尾管懸掛器采用模塊化設(shè)計、液壓坐掛、機械坐封、機械脫手或液壓脫手、內(nèi)嵌式卡瓦[11]。懸掛器采用內(nèi)嵌式卡瓦、液壓坐掛，具有防提前坐掛功能，即在尾管下入過程卡瓦受外力作用不會造成提前坐掛，憋壓坐掛時解除鎖定裝置。懸掛器帶有軸承，坐掛后依然可以旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)固井，提高固井質(zhì)量。封隔器采用機械坐封，一體式膠筒，并設(shè)有開口環(huán)保護膠筒在漲封過程中不會損壞。封隔器具有彈簧儲能機構(gòu)，可將坐封下壓力儲存，持續(xù)對膠筒施壓。封隔器與機械送入工具配合還可實現(xiàn)防提前坐封功能。回接筒或防砂帽受外力作用下，防提前坐封機構(gòu)可將外力傳遞給封隔器本體，防止膠筒提前漲封，在送入工具脫手后即可解除坐封鎖定。

圖1 威德福尾管懸掛器

機械式送入工具具有“液鎖”保護機構(gòu)，防止送入工具提前脫手，尾管下入過程可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)下入。需要脫手時，打壓解除“液鎖”保護機構(gòu)后正轉(zhuǎn)脫手。工具內(nèi)部帶有閥座，尾管短路、球座刺漏等無法憋壓情況下可通過鋼絲作業(yè)投閥進入閥座打壓解除液鎖”保護機構(gòu)，從而順利脫手。液壓式送入工具通過打壓脫手，并帶有機械應(yīng)急脫手機構(gòu)。在打壓脫手無效、管柱無法憋壓等異常情況，可通過下壓、反轉(zhuǎn)機械方式脫手，確保了脫手的可靠性。

浮式防砂帽是威德福獨有的專利產(chǎn)品。尾管懸掛器下入時回接筒內(nèi)灌滿清水，防砂帽帶有密封使得井內(nèi)泥漿、巖屑無法進入回接筒內(nèi)，并通過防砂帽的移動調(diào)節(jié)回接筒內(nèi)外壓力平衡。此外，浮式防砂帽在被巖屑埋死的情況下可以通過過提打開循環(huán)孔，建立短路循環(huán)。浮式防砂帽帶有刀翼，在短路循環(huán)的同時還可以倒滑眼，清除巖屑，回收送入工具。

2.2 斯倫貝謝尾管懸掛器

斯倫貝謝懸掛器、封隔器與威德福結(jié)構(gòu)類似，機械送入工具、液壓送入工具結(jié)構(gòu)原理類似[12]。不同之處有以下幾點：

液壓送入工具的機械應(yīng)急脫手方式不同，反轉(zhuǎn)后還需要下壓一定噸位，剪切軸向銷釘才能脫手。能夠更好的防止尾管懸掛器提前脫手。此外，與威德福工具相比多了一個閥座，在打不起壓力的情況下可以投閥進行打壓脫手。密封補芯扶正塊采用6塊環(huán)繞式設(shè)計，大大增加了與中心管的接觸面積，防止高壓作用下密封補芯抱死中心管。

圖2 斯倫貝謝尾管懸掛器

防砂帽采用棘爪與回接筒固定，并設(shè)計有流道，確保回接筒內(nèi)外壓力平衡。防砂帽在尾管下入、試脫手過程始終不離開回接筒，確保巖屑不會進入回接筒內(nèi)。在坐封封隔器、回收送入工具時壓縮防砂帽彈簧即可收回棘爪，回收防砂帽。

2.3 貝克休斯尾管懸掛器

貝克休斯尾管懸掛器懸掛器、封隔器、液壓脫手工具結(jié)構(gòu)原理與斯倫貝謝工具相似[13]。不同之處在于：

懸掛器采用了專利的卡瓦與錐體的設(shè)計，使得其懸掛載荷最大，受力分布更均勻，對上層套管傷害最小。封隔器改變了傳統(tǒng)的膠筒膨脹坐封設(shè)計，改為軟金屬硫化橡膠膨脹坐封。該設(shè)計承壓能力更強，抗沖蝕能力更強，不易損壞。坐封器具有坐封指示功能，其原理是坐封器上安裝有一組與封隔器同樣的剪切銷釘，但坐封器上的銷釘數(shù)量比封隔器的多一顆，通過出井檢查坐封器的銷釘剪切情況可以判斷封隔器是否正常坐封。同時坐封器上的銷釘剪切后可建立短路循環(huán)，也能判斷坐封與否。

圖3 貝克休斯尾管懸掛器

防砂帽結(jié)構(gòu)與斯倫貝謝類似，多了一個塞網(wǎng)機構(gòu)，能夠保持回接筒內(nèi)外應(yīng)力平衡，同時阻擋固相顆粒物進入回接筒內(nèi)。

3 結(jié)論及建議

隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深層、“三高”氣藏、低壓低滲透、稠油、非常規(guī)資源等難動用儲量延伸，特殊工藝井數(shù)量不斷增長，對尾管懸掛器的性能要求也越來越高，滿足耐高溫、懸掛能力強、坐封可靠性高、過流面積大、防砂效果好、脫手可靠性高、具有應(yīng)急脫手功能、可旋轉(zhuǎn)、模塊化設(shè)計等多功能的尾管懸掛器需求也將越來越大。

國外高端尾管懸掛器在結(jié)構(gòu)上設(shè)計理念先進，以下特色技術(shù)值得國內(nèi)學習：1）獨特的卡瓦與錐體設(shè)計，增加了懸掛載荷和過流面積，同時降低了對外層套管的傷害。防提前坐掛、坐封功能提高了懸掛器在惡略井況下的可靠性。2）單膠筒以及金屬鍍橡膠設(shè)計都有效的增加了環(huán)空返速及坐封后的承壓能力，降低了提前坐封的風險。3）獨特的防砂帽流道與防砂設(shè)計，實現(xiàn)了與回接筒可靠連接及脫開，降低了送入工具被埋死在回接筒內(nèi)的風險。4）機械脫手工具為實現(xiàn)安全下入及旋轉(zhuǎn)功能帶有“液鎖”，提高了工具可靠性；液壓脫手工具帶有機械應(yīng)急脫手功能，可防止無法憋壓造成脫手困難。

相比國外高端尾管懸掛器，國內(nèi)還存在很大差距，發(fā)展空間很大，耐高溫高壓、耐腐蝕鋼材和橡膠等高性能材料和提高工具可靠性是未來的發(fā)展方向。