機械式雙定位塊套管接箍定位器的設計與現(xiàn)場試驗

彭振華，張 園，丁 雯，吳 超，孫秉宇

(1．中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島 266580)

連續(xù)油管壓裂技術在現(xiàn)場應用時，連續(xù)油管入井過程中存在預彎曲、受力易伸縮，從而導致對目的層定位精度不高的問題。為解決該問題，一般采用套管接箍定位器[1-4]。套管接箍定位器主要有機械式、液壓式和無線式3種。機械式套管接箍定位器內(nèi)徑為全通徑，流量大，水力沖蝕小，可在井內(nèi)任何位置進行探測定位；其缺點是工作中始終要與套管壁面和接箍接觸，會磨損套管，且對定位塊和彈簧強度要求高[5-6]。液壓式套管接箍定位器的工作時間可調(diào)控，啟動流量小，適用于管徑小的連續(xù)油管，可避免卡鉆；其缺點是增加了反循環(huán)工序，會增加施工時間，螺旋彈簧及定位球處容易失效[7]。無線式套管接箍定位器可對全井的套管接箍進行探測，能在井內(nèi)任何井段進行準確定位，不易在井內(nèi)形成卡鉆；其缺點是內(nèi)徑小，砂液通過時對定位器內(nèi)壁面有較為嚴重的沖蝕，且該技術國內(nèi)暫不掌握，研發(fā)難度大，成本高[8]。綜合比較上述3種套管接箍定位器的優(yōu)缺點后認為，液壓式和無線式套管接箍定位器存在的缺點較難克服，應從機械式套管接箍定位器入手，分析其存在的不足，對其結構進行優(yōu)化設計，提高其綜合性能。分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有機械式套管接箍定位器采用單定位塊結構，通過定位塊上、下端的倒角和下井與上提2道工序實現(xiàn)定位，在該過程中定位塊和彈簧頻繁受力，導致其逐漸失效，定位精度下降。為此，筆者設計了機械式雙定位塊套管接箍定位器，以減少上提管柱找準接箍的工序，縮短施工時間，同時避免連續(xù)油管因頻繁受力而失效，從而延長使用壽命；并對其進行了現(xiàn)場試驗，驗證了其可行性。

1 雙定位塊套管接箍定位器結構設計及受力分析

根據(jù)設計思路，設計了機械式雙定位塊套管接箍定位器的結構，并對其入井過程中5種情況下的受力進行了分析，揭示了其工作原理。

1.1 整體結構設計

為實現(xiàn)在管柱入井過程中，定位塊通過套管接

箍位置時，利用大鉤載荷的變化與測井數(shù)據(jù)，找準定位塊經(jīng)過套管接箍處時管柱下放力的2次波動，對目的層進行精確定位，設計了如圖1所示的機械式雙定位塊套管接箍定位器。

圖1 機械式雙定位塊套管接箍定位器結構Fig.1 Structure of the locator with mechanical double positioning blocks for casing collars

該定位器總長度679.0 mm，自由外徑130.0 mm，剛體外徑110.0 mm，內(nèi)通徑40.0 mm。定位器主體中間開槽，4組定位塊沿周向排列，中間開有通孔；上定位塊與下定位塊的徑向尺寸根據(jù)套管尺寸設計，上、下定位塊之間的端部采用間隙配合；上、下定位塊與主體凹槽配合的端部也采用間隙配合；上、下定位塊底部與主體凹槽之間安裝有螺旋彈簧，裝配時彈簧處于壓縮狀態(tài)；定位塊與定位器主體之間，通過一組螺釘與壓塊固定。

1.2 入井受力分析

機械式雙定位塊套管接箍定位器入井過程中共有5種情況，即：定位器位于套管，下定位塊位于套管接箍處，上定位塊位于套管接箍處，下定位塊離開套管接箍處，上定位塊離開套管接箍處。對這5種情況依次進行受力分析，結果如圖2所示(圖2中：G為管柱所受重力，N；fz1為上定位塊所受摩擦力，N；fz2為下定位塊所受摩擦力，N；Nz1為上定位塊所受支持力，N；Nz2為下定位塊所受支持力，N；Nz為彈簧彈力，N；以上各符號中，下標z代表定位器下放過程中5種情況的序號)。

圖2 定位器下放過程中5種情況下的受力示意Fig.2 The force change on the locator in five cases during slack-off

套管接箍定位器隨連續(xù)油管以一定速度下放，當定位器上、下定位塊處于套管中時，受到管柱自身重力以及定位塊與套管間的摩擦力，下放力基本穩(wěn)定，受力情況如圖2(1)所示。根據(jù)受力分析，可得：

(1)

式中：μ為摩擦系數(shù)；k為彈簧勁度系數(shù)，N/mm；x為彈簧的形變量，mm。

由于上、下定位塊在套管中處于壓縮狀態(tài)，N1=N11，N2=N22，同時上、下定位塊底部的螺旋彈簧也完全相同，故N11=N12。因此，連續(xù)油管的下放力為：

F1=G-2μN11

(2)

式中：F1為連續(xù)油管的下放力，N。

同理可得，下定位塊位于套管接箍處、上定位塊位于套管接箍處、下定位塊離開套管接箍處、上定位塊離開套管接箍處時，連續(xù)油管的下放力為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4和F5分別為下定位塊位于套管接箍處、上定位塊位于套管接箍處、下定位塊離開套管接箍處、上定位塊離開套管接箍處時連續(xù)油管的下放力，N；α為定位塊角度，(°)。

由以上分析可知，管柱通過套管接箍時的下放力與彈簧支撐力、定位塊的定位角以及接觸面的摩擦系數(shù)有關。當連續(xù)油管攜帶定位器通過套管接箍時，由

于采用雙定位塊結構，管柱的下放力會出現(xiàn)2次波動(F2～F3和F4～F5)。一個接箍產(chǎn)生2個力的波動，在儀表車上能采集到力的脈沖變化，如圖3所示。通過與深度計數(shù)器數(shù)據(jù)相結合，可確定井下套管接箍所在位置的深度，從而實現(xiàn)對目的層的精確定位。

圖3 套管接箍處下放力變化示意Fig.3 The change of slack off force on the casing collar

2 結構參數(shù)對下放力的影響

為了分析機械式雙定位塊套管接箍定位器的可靠性，設定位器下放速度為5 m/min，定位器中心與套管接箍中心的距離為1 m，彈簧原長為30 mm，利用ADAMS軟件對其入井下放過程進行了動力學數(shù)值模擬，并對其結構參數(shù)(定位塊角度、高度差及彈簧剛度)進行了分析和優(yōu)化。

2.1 定位塊角度的影響

進行數(shù)值模擬時，依據(jù)單一變量原則，取彈簧剛度為150 N/mm，定位塊高度差為0，定位塊角度在45°～65°。模擬結果見表1(下放力波動值取絕對值)。

表1 定位塊角度對定位器所產(chǎn)生力學波動影響的模擬結果Table 1 Simulation results for the influence of positioning block angle on the mechanical fluctuations generated by the locator

其中，下放力最大波動值與定位塊角度之間的關系如圖4所示。

圖4 下放力最大波動值與定位塊角度的關系Fig.4 Relationship between the maximum fluctuation value of the slack off force and the positioning block angle

由圖4可知，在定位器下放速度一定的條件下，隨著定位塊角度增大，定位器經(jīng)過套管接箍處的下放力最大波動值逐漸增大，顯示在測井工具中的力學波動也就越大，因而更容易判斷套管接箍位置。因此，優(yōu)選定位塊角度為65°，而且10 kN的波動幅度足以滿足觀測要求。

2.2 彈簧剛度的影響

進行數(shù)值模擬時，取定位塊角度為50°，定位塊高度差為0，彈簧剛度在為80～220 N/mm。模擬結果見表2。

表2 彈簧剛度對定位器所產(chǎn)生力學波動影響的模擬結果Table 2 Simulation results of the influence of spring stiffness on the mechanical fluctuations generated by the locator

其中，下放力最大波動值與彈簧剛度之間的關系如圖5所示。

圖5 下放力最大波動值與彈簧剛度的關系Fig.5 The relationship between the maximum fluctuation value of slack off force and the spring stiffness

由圖5可知，在保持下放周期及其他條件不變的情況下，隨著彈簧剛度增加，定位器所產(chǎn)生的下放力最大波動值呈線性增大趨勢，連續(xù)油管的下放難度也逐漸增大。因此，在保證能準確找到套管接箍位置的前提下，可選用較大的彈簧剛度。如選擇彈簧剛度為220 N/mm，則其產(chǎn)生的下放力波動幅度足以滿足觀測需求。

2.3 定位塊高度差的影響

進行數(shù)值模擬時，取定位塊角度為50°，彈簧剛度為150 N/mm，上、下定位塊的高度差為0和5 mm。模擬結果見表3。

由表3可知，定位塊有無高度差對定位器通過套管接箍時的下放力最大波動值無明顯影響。因此，進行結構設計時，可忽略上、下定位塊高度差的影響。

表3 定位塊高度差對定位器所產(chǎn)生力學波動影響的模擬結果

3 現(xiàn)場試驗

根據(jù)數(shù)值模擬分析結果，選用結構參數(shù)為定位塊角度65°、彈簧剛度220 N/mm、定位塊無高度差，加工了機械式雙定位塊套管接箍定位器樣機，并在塔河油田進行了現(xiàn)場試驗。試驗井(X井)井深約為2 500.00 m，井眼直徑為120.7 mm。測井數(shù)據(jù)顯示，該井1 520.00～1 570.00 m井段的井況較為復雜，其井眼軌跡數(shù)據(jù)見表4。在該井段，存在5處等間距排列的套管接箍，易于判斷接箍位置，具體位置分別在井深1 525.36，1 535.06，1 544.76，1 554.46和1 564.16 m處。

表4 塔河油田X井的井眼軌跡數(shù)據(jù)Table 4 Wellbore trajectory data of well X in Tahe Oilfield

在X井作業(yè)過程中，通過地面監(jiān)測系統(tǒng)得到了大鉤載荷與下放深度的關系。其中，該井1 520.00～1 570.00 m井段大鉤載荷與下放深度的關系曲線如圖6所示。由圖6可知，在井深1 528.75，1 538.45，1 548.15，1 557.55和1 567.25 m處大鉤載荷發(fā)生了較大波動，且套管接箍排列規(guī)律與由測井數(shù)據(jù)得到的結果一致。對其進行校深，得到知5處大鉤載荷發(fā)生波動的真實井深即1 525.36，1 535.06，1 544.76，1 554.46和1 564.16 m，從而實現(xiàn)了連續(xù)油管下放深度的精確定位。

圖6 塔河油田X井作業(yè)過程中的大鉤載荷Fig.6 Hook load chart during the operation of well X in Tahe Oilfield

通過現(xiàn)場試驗，證明機械式雙定位塊套管接箍定位器經(jīng)過套管接箍時能產(chǎn)生足夠大的力學波動，結合測井數(shù)據(jù)找準套管接箍位置，實現(xiàn)對目的層的定位。而且，下放過程中能有效將因振動、固體顆粒等所引起的干擾波動與經(jīng)過套管接箍所產(chǎn)生的力學波動區(qū)分開來，避免誤判，準確性高，工作性能良好。

4 結 論

1) 在分析目前常用套管接箍定位器不足的基礎上，設計了機械式雙定位塊套管接箍定位器。該定位器在進入套管接箍處時，能產(chǎn)生2次力學波動，易被測井工具檢測到，從而可提高對目的層的定位精度。

2) 通過ADAMS軟件進行動力學數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，上、下定位塊角度、彈簧剛度與下放力大小成正比，而定位塊高度差對下放力影響較小，設計機械式雙定位塊套管接箍定位器時可忽略。

3) 現(xiàn)場試驗證明，機械式雙定位塊套管接箍定位器性能可靠，能有效避免干擾帶來的誤判，彌補了目前常用套管接箍定位器的不足。