南海番禺油田大位移井全程漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)

王志偉， 張偉國， 金 顥， 覃建宇， 王堂青， 王 磊

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

0 引言

漂浮接箍下套管技術(shù)是大位移井常用的技術(shù)，但該技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中存在著許多弊端，例如：漂浮接箍失效，井筒鉆井液進入套管柱內(nèi)，無法實現(xiàn)漂浮下入；遇阻時只能采取上下活動套管柱的方式通過遇阻點，處理手段有限；擊破漂浮接箍破裂盤瞬間，在井筒內(nèi)產(chǎn)生壓力激動，壓漏地層等。在南海東部海域大位移井作業(yè)中，曾出現(xiàn)過多起因漂浮接箍失效和下入過程中遇阻導(dǎo)致套管下入不到位的事故案例。

頂驅(qū)下套管技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它是將頂驅(qū)下套管裝置與頂驅(qū)連接，通過頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)帶動頂部驅(qū)動工具旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)套管上卸扣、旋轉(zhuǎn)套管柱的功能，游車上下運動帶動頂部驅(qū)動工具運動，實現(xiàn)上提、下放套管柱的功能，具有如下技術(shù)優(yōu)點：精確控制上扣扭矩，既可以在灌漿和循環(huán)之間自由切換，又可以在上提下放過程中旋轉(zhuǎn)套管柱，大大提高了下套管作業(yè)的成功率。筆者在過往應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將旋轉(zhuǎn)下套管和漂浮下套管的技術(shù)優(yōu)勢綜合起來，在套管柱下入全程不灌入鉆井液，套管柱漂浮在井筒鉆井液中，并借助頂部驅(qū)動工具旋轉(zhuǎn)套管柱，形成了全程漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)。在南海番禺油田6口大位移井?244.5 mm套管下入過程中開展現(xiàn)場試驗。

1 套管下入難點

番禺油田位于南海東部海域，共鉆成7口大位移井開發(fā)番禺1區(qū)(PY1)、番禺2區(qū)(PY2)、番禺3區(qū)(PY3)、番禺4區(qū)(PY4)邊際小油田[1]。典型井身結(jié)構(gòu)為：?609.6 mm隔水導(dǎo)管+?508.0 mm井眼(?473.1 mm套管)+?406.4 mm井眼(?339.7 mm套管)+?311.2 mm井眼(?244.5 mm套管)+ ?215.9 mm井眼(?177.8 mm尾管)+?152.4 mm井眼(水平段產(chǎn)層)。在這些大位移井?244.5 mm套管下入過程中，主要面臨著以下難點，具體表現(xiàn)為：

(1)套管下入深度深，裸眼段長，穩(wěn)斜角度大。在已鉆成的7口大位移井中，?244.5 mm套管下深4 434～6 114 m，裸眼段長度2 943～4 822 m，穩(wěn)斜角在67.0°～84.0°(見表1)。其中，PY1- A1H井?244.5 mm套管下入深度最深，裸眼段長度最長的一口井。

表1 南海番禺油田大位移井?311.2 mm井眼(?244.5 mm套管)數(shù)據(jù)

(2)斷層處鉆井液安全密度窗口窄，套管柱下入產(chǎn)生壓力激動，容易壓漏地層。南海番禺油田區(qū)域各層位安全密度窗口較寬，但在斷層處，安全密度窗口急劇減小[2]。番禺油田7口大位移井均鉆遇斷層，以PY1-A1H井為例，該井?311.2 mm井段在2 987 m處鉆遇斷層，水平斷距約20 m，垂直斷距約20 m，安全密度窗口由1.19～1.77 g/cm3急劇下降到斷層處的1.19～1.34 g/cm3。

(3)地層均質(zhì)性差，井壁摩阻大。南海番禺油田地層主要由泥巖、砂巖組成，其間普遍發(fā)育有灰質(zhì)硬夾層，砂巖研磨性強，灰質(zhì)硬夾層可鉆性差，鉆進時頂驅(qū)扭矩劇烈波動，多次出現(xiàn)實際鉆進扭矩高于頂驅(qū)設(shè)定扭矩，蹩停頂驅(qū)的現(xiàn)象。盡管使用油基鉆井液鉆進，井壁摩阻仍然很大，起鉆、倒劃眼、通井過程中，大鉤載荷遠遠高于設(shè)計值。

2 技術(shù)原理

當套管柱處于非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，套管柱僅受到與下入方向相反的軸向摩擦力的作用，即：

(1)

當套管柱處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，套管柱受到軸向摩擦力和徑向摩擦力的共同作用，實際摩擦力為軸向摩擦力和徑向摩擦力的矢量和，即：

(2)

式中：Fr—實際摩擦力，N；

Fa—軸向摩擦力，N；

Fc—徑向摩擦力，N。

在下入過程中，軸向下放速度、徑向旋轉(zhuǎn)速度與摩阻系數(shù)存在式(3)、式(4)、式(5)之間的關(guān)系：

(3)

(4)

(5)

式中：Vr—實際運動速度，m/s；

Va—軸向下放速度，m/s；

Vc—套管接箍處的徑向旋轉(zhuǎn)速度，m/s；

FFa—軸向摩阻系數(shù)，無量綱；

FFc—徑向摩阻系數(shù)，無量綱；

在井斜角θ=60°的穩(wěn)斜段，選取70.0 kg/m公稱重量的?244.5 mm套管，接箍外徑269.9 mm，假定非旋轉(zhuǎn)工況下軸向摩擦力為100%，分別在10 r/min、20 r/min、40 r/min、80 r/min四種旋轉(zhuǎn)速度下進行計算，得出套管柱所受軸向摩擦力與套管柱下放速度的關(guān)系曲線如圖1所示，可以看出：當套管柱下放速度越慢，旋轉(zhuǎn)速度越快，套管柱所受的軸向摩擦力減少幅度越大。

圖1 不同旋轉(zhuǎn)速度下軸向摩擦力分布圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 旋轉(zhuǎn)下套管系統(tǒng)

頂部驅(qū)動工具是整個系統(tǒng)的核心部件，通過絲扣與頂驅(qū)的下IBOP閥連接起來，頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)時，帶動頂部驅(qū)動工具的中心軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)上部套管單根與下部套管柱的上扣、卸扣以及旋轉(zhuǎn)整個套管柱等功能[3]。液壓卡盤采取液壓驅(qū)動，可遠程控制，實現(xiàn)卡瓦與套管柱的夾緊、松開功能，液壓卡盤和頂部驅(qū)動工具配有安全互鎖系統(tǒng)[4]。扭矩監(jiān)控系統(tǒng)為一套獨立的扭矩信息采集、傳輸、監(jiān)測系統(tǒng)，用于套管上扣、卸扣時的扭矩監(jiān)測。動力系統(tǒng)由電源系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，主要為整個旋轉(zhuǎn)下套管系統(tǒng)提供電力和液壓動力。遠程控制系統(tǒng)主要由遠程控制臺、信號線纜、液壓控制管線等組成，可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的遠程控制。

3.2 套管選型

在使用全程漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)設(shè)計套管柱時，要考慮以下因素：套管柱有足夠高的抗外擠強度，保證在全掏空工況下，套管柱不被擠毀；盡量減小套管柱旋轉(zhuǎn)扭矩，同時旋轉(zhuǎn)扭矩要小于套管絲扣的抗扭強度，保證套管絲扣安全；全掏空工況下，套管附件承受著巨大的內(nèi)外壓差，單流閥的有效性至關(guān)重要，決定著能否實現(xiàn)全程漂浮下入。

(1)公稱重量選型。套管柱下入時，在井筒中受到各種載荷的影響，歸納起來，可以分為三種：內(nèi)壓力、外擠壓力和軸向力，正確地分析與計算套管柱外部載荷，然后對套管柱進行強度校核，是確保套管柱安全下入的前提[5]。以PY1- A1H井為例，在套管公稱重量選擇上，根據(jù)《海洋鉆井手冊》中規(guī)定的套管強度計算方法，分別對59.6 kg/m、64.8 kg/m、70.0 kg/m三種公稱重量的?244.5 mm套管進行強度校核[6]。結(jié)果表明：70.0 kg/m套管抗內(nèi)壓、抗外擠和抗拉強度均滿足要求，其余兩種套管不滿足要求(見表2)。

表2 PY10-5-A1H井套管強度校核

(2)套管扣型優(yōu)選。旋轉(zhuǎn)下套管工況下，不僅要對套管抗拉、抗外擠和抗內(nèi)壓強度指標進行校核，套管接箍絲扣的安全性校核也是重中之重，其抗扭強度是否滿足要求決定著套管柱能否成功下入。PY1-A1H井原設(shè)計?244.5 mm套管下入深度7 020 m，在鉆井液密度1.25 g/cm3，摩阻系數(shù)為0.3，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30 r/min的工況下，旋轉(zhuǎn)扭矩已達33.7 kN·m(見圖2)，普通扣型的套管抗扭強度無法滿足要求，需使用高抗扭扣型套管。JFE BEAR扣為高抗扭扣型，?244.5 mm尺寸的該扣型套管，最佳上扣扭矩34.8 kN·m，最大上扣扭矩38.3 kN·m，滿足全程漂浮旋轉(zhuǎn)下入套管柱的要求。

圖2 PY10-5-A1H井?244.5 mm套管模擬旋轉(zhuǎn)扭矩圖

3.3 套管附件選擇

(1)偏心浮鞋。偏心浮鞋采用偏心設(shè)計理念(見圖3)，相比于常規(guī)浮鞋，在通過遇阻點時，將產(chǎn)生更小的拖曳力，且在旋轉(zhuǎn)套管柱時，啟動扭矩更小。偏心浮鞋水眼采用底部主水眼和側(cè)面輔水眼的設(shè)計，在套管柱下入到位后，即使底部主水眼堵塞，仍然可以通過側(cè)面輔水眼進行循環(huán)和固井[7]。

圖3 管串結(jié)構(gòu)圖

(2)雙閥浮箍。在套管柱全程掏空工況下，套管柱最下端的浮鞋單流閥承受著巨大的內(nèi)外壓差。按照原設(shè)計，PY1-A1H井套管鞋處承受的內(nèi)外壓差高達30.0 MPa，單流閥的有效性至關(guān)重要，選擇對應(yīng)壓力等級的雙閥浮箍，與偏心浮鞋一起，為實現(xiàn)套管柱全程漂浮下入提供三重保障。

(3)樹脂扶正器。樹脂扶正器由樹脂材料制成，樹脂材料密度低于一般金屬材料密度，耐酸、堿、鹽及其它化學物質(zhì)腐蝕，耐磨損性強，而且具有更低摩擦系數(shù)和啟動扭矩[8]，在全程漂浮旋轉(zhuǎn)下入套管柱的工況下，在減輕套管柱重量，耐酸、堿、鹽腐蝕性，耐磨損性方面，比一般的鋅、鋁、鑄鋼等金屬扶正器具有更大的技術(shù)優(yōu)勢。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 典型井例

PY2- A1H井與PY1- A1H井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡類似，?311.2 mm井段鉆遇同一套地層。PY2- A1H井?244.5 mm在下入到1 300 m時，大鉤載荷達到最大330.0 kN，下入到2 340 m時，大鉤載荷254.0 kN，與頂驅(qū)、游車和頂部驅(qū)動工具的自由懸重相當，此后，將頂驅(qū)懸重壓在套管柱上繼續(xù)下入到設(shè)計深度4 434 m，大鉤載荷238 kN(見圖4)，下入全程未旋轉(zhuǎn)套管柱。

圖4 下入載荷變化圖

PY1- A1H井?244.5 mm套管在下入到1 370 m時，大鉤載荷達到最大326.0 kN，下入到2 200 m時，大鉤載荷254.0 kN，與頂驅(qū)、游車和頂部驅(qū)動工具的自由懸重相當，此后將頂驅(qū)懸重壓在套管柱上，繼續(xù)不旋轉(zhuǎn)下入到2 930 m，大鉤載荷減小至203.0 kN。在2 930 m以20 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)套管柱，大鉤載荷從203.0 kN增加到290.0 kN，之后以20～50 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)下入套管柱，旋轉(zhuǎn)扭矩在10.8～21.7 kN·m之間變化，均小于套管絲扣上扣扭矩，在下入到設(shè)計深度6 114 m時，大鉤載荷232.0 kN(見圖4)。整個下入過程，套管遇阻時，采用旋轉(zhuǎn)、上提、下放套管柱的方式輕松通過遇阻點，全程未出現(xiàn)井漏、壓差卡套管等井下復(fù)雜情況。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

(1)扭矩監(jiān)測靈敏度高，精細化控制旋轉(zhuǎn)扭矩。頂部驅(qū)動工具扭矩傳感器模塊獨立于頂驅(qū)扭矩系統(tǒng)之外，扭矩傳感器靈敏度高，監(jiān)測套管上扣、卸扣、旋轉(zhuǎn)時的扭矩數(shù)值十分準確，且可與頂驅(qū)扭矩數(shù)值進行比對，降低扭矩信號錯誤的概率。在使用頂部驅(qū)動工具對套管上扣的6口大位移井中，套管上扣成功率較高，很少有套管絲扣損壞現(xiàn)象發(fā)生，其中，PY2- A1H井、PY3- A2H井和PY3- A3H井3口井沒有損壞一根套管。

(2)減小套管下入摩阻，減輕套管柱軸向載荷。從圖4中可以明顯看出，同區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)類似的兩口井，同等深度條件下，旋轉(zhuǎn)工況下PY1- A1H套管柱的大鉤載荷明顯高于非旋轉(zhuǎn)工況下的PY2- A1H的大鉤載荷。通過旋轉(zhuǎn)套管柱，減輕套管柱軸向載荷，減小套管下入摩阻，增大抗拉安全系數(shù)。

(3)有效避免套管遇阻、壓差卡套管等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。PY4- A1H大位移井采用常規(guī)漂浮接箍方式下入?244.5 mm套管，在下入到3 803～3 810 m、3 879～3 887 m、3 891～3 907 m、3 968～3 986 m、4 000～4 020 m、4 241～4 243 m、4 318～4 320 m和4 337～4 340 m井段時，遭遇嚴重的遇阻現(xiàn)象，現(xiàn)場僅能通過上提下放管柱嘗試通過遇阻點，其中，在遇阻最為嚴重的3 803～3 810 m井段，最大下壓超過200.0 kN才得以通過遇阻點，給下套管作業(yè)帶來了極大的風險。在采用全程漂浮旋轉(zhuǎn)方式下入套管的大位移井中，下放遇阻時，采用旋轉(zhuǎn)套管柱的方式即可通過，通過遇阻點的能力大大增強。此外，旋轉(zhuǎn)套管柱也避免了套管柱與井壁長時間靜止接觸，降低了壓差卡套管發(fā)生的機率。

(4)提高作業(yè)效率，降低綜合作業(yè)成本。對于大位移井，安全平穩(wěn)作業(yè)是首要考慮的因素，為了防止因下入速度過快造成過大的壓力激動，壓漏地層，擠毀套管，需要嚴格控制下放速度[9]。全程漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)的應(yīng)用在確保井下安全的前提下，依然保持了很高的作業(yè)效率，套管平均下入速度達到10.0根/h，而同海域采用漂浮接箍方式下套管的大位移井，平均下入速度僅為9.0根/h，作業(yè)效率提高了近11.0%。同時，由于不再使用價格昂貴的漂浮接箍，降低了綜合作業(yè)成本。

(5)設(shè)備本質(zhì)安全，從源頭控制作業(yè)風險。旋轉(zhuǎn)下套管設(shè)備自動化程度高，液壓卡盤抱合套管，全程不需要打背鉗，機械臂扶正，司鉆通過操作頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)套管進行上扣，全過程作業(yè)均由機械設(shè)備完成，實現(xiàn)了設(shè)備本質(zhì)安全，從源頭控制作業(yè)風險。

5 結(jié)論

(1)全程漂浮旋轉(zhuǎn)下套管工況下，需確保套管的抗拉、抗外擠、抗內(nèi)壓和套管接箍絲扣的抗扭強度均滿足設(shè)計要求，偏心浮鞋、樹脂扶正器等套管組件的使用，是增強套管柱通過遇阻點和實現(xiàn)套管柱旋轉(zhuǎn)的有效手段。

(2)全程漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)可以精準控制上扣扭矩，提高套管上扣成功率，減小套管下入摩阻，減輕套管柱軸向載荷，可以采取上提、下放、旋轉(zhuǎn)等多種方式處理套管柱遇阻，有效避免了井下復(fù)雜情況的發(fā)生，設(shè)備本質(zhì)安全，從源頭控制作業(yè)風險，提高作業(yè)時效，降低綜合作業(yè)成本。

(3)全程漂浮旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)在南海番禺油田大位移井中的成功應(yīng)用，為大位移井下套管作業(yè)提供了一種新的方法，也為其它油田的大位移井下套管作業(yè)提供借鑒和參考。