鄭曉志， 谷 磊， 馬蘭榮， 張國安

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

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可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器性能研究及現(xiàn)場試驗

鄭曉志， 谷 磊， 馬蘭榮， 張國安

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工藝不同于常規(guī)懸掛器,現(xiàn)場試驗難度大。為解決該問題，分析了φ177.8 mm×φ139.7 mm可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器及各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)整機(jī)地面膨脹試驗、懸掛性能測試、模擬入井試驗等試驗結(jié)果，確定了懸掛性能參數(shù)、膨脹性能參數(shù)和施工參數(shù)，并制定了現(xiàn)場施工工藝?？尚D(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器在GSS-036LR井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，成功完成固井作業(yè)，膨脹壓力小于20 MPa，膨脹施工作業(yè)排量小于0.2 m3/min。研究表明，研制的可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)、膨脹坐掛和丟手功能，施工工藝可滿足現(xiàn)場施工需求。

尾管懸掛器；旋轉(zhuǎn)；膨脹；開窗側(cè)鉆；現(xiàn)場試驗；GSS-036LR井

開窗側(cè)鉆井、小間隙井尾管固井后通常還需要進(jìn)行下一開次鉆進(jìn)。常規(guī)懸掛器由于本體外壁存在液缸、卡瓦等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致懸掛器本體內(nèi)徑較小，可能影響鉆具下入。相對于常規(guī)懸掛器，可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器通過金屬本體膨脹與套管間形成足夠大的摩擦力而懸掛尾管[1-2]，由于沒有卡瓦、液缸等機(jī)構(gòu)，外露零件少、結(jié)構(gòu)得到簡化，膨脹后可獲得較大的內(nèi)通徑，便于后續(xù)鉆具下入，適合在開窗側(cè)鉆井、小間隙井中應(yīng)用?？尚D(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器在尾管下入、注水泥和頂替過程中能夠旋轉(zhuǎn)管串，可顯著提高環(huán)空頂替效率及固井質(zhì)量，并有效解決尾管下入遇阻問題，因此可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器近年來得到較快發(fā)展和應(yīng)用[3-6]。但是，可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場試驗難度大，施工工藝不同于常規(guī)懸掛器。為此，筆者采用整機(jī)地面試驗、模擬入井試驗和現(xiàn)場入井試驗的方法，對φ177.8 mm×φ139.7 mm可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器開展了性能試驗研究，并制定了現(xiàn)場施工工藝，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

φ177.8 mm×φ139.7 mm可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器由提拉短節(jié)、多級液缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、膨脹機(jī)構(gòu)、膨脹本體機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)丟手機(jī)構(gòu)組成，提拉短節(jié)、尾管短節(jié)分別與鉆具、尾管串連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，多級液缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)為動力單元，通過憋壓產(chǎn)生推力，傳遞到膨脹機(jī)構(gòu)驅(qū)動本體膨脹；旋轉(zhuǎn)丟手機(jī)構(gòu)集成了旋轉(zhuǎn)、丟手功能，尾管下入和固井過程中旋轉(zhuǎn)丟手機(jī)構(gòu)將鉆具扭矩傳遞給尾管使其轉(zhuǎn)動，膨脹結(jié)束后丟手機(jī)構(gòu)采用機(jī)械丟手方式完成送入鉆具與本體及尾管串的分離。

圖1 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of rotary expandable liner hanger

可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的工作原理如圖2所示。尾管串入井到位后泵送鉆桿膠塞，鉆桿膠塞與尾管膠塞復(fù)合后運行至碰壓座碰壓，送入工具管內(nèi)憋壓產(chǎn)生推力，驅(qū)動膨脹錐在本體內(nèi)運動使本體發(fā)生塑性變形、膨脹。膨脹結(jié)束后，提出送入工具。本體膨脹后緊貼于上層套管內(nèi)壁，并與其產(chǎn)生足夠大的摩擦力懸掛尾管串。與常規(guī)懸掛器相比，坐掛后的可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器內(nèi)通徑較大，后續(xù)鉆具更容易通過[6]。

圖2 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器工作原理Fig.2 Operation principles of the rotary expandable liner hanger

1.2 液缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)

可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器采用多級液缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生推力，多個液缸串聯(lián)可使其產(chǎn)生的推力疊加。單級液缸的工作原理為：中心管內(nèi)液體壓力增加時，通過傳壓孔A將壓力傳遞給擋圈和活塞；擋圈、活塞的內(nèi)壁和外壁分別通過密封圈與液缸密封，形成高壓區(qū)；活塞右端與前液缸連接，通過傳壓孔B與環(huán)空連通，形成低壓區(qū)；擋圈左端與后液缸配合，通過后液缸上的傳壓孔C與環(huán)孔連通，也形成低壓區(qū)；因此，中心管內(nèi)壓力增加使擋圈、活塞兩端產(chǎn)生壓差，擋圈向左運動、活塞將向右運動，由于中心管臺階阻止擋圈向左運動，而活塞能夠向右運動使液缸產(chǎn)生推力(見圖3)。3個單級液缸串聯(lián)后所產(chǎn)生的推力為25.4 kN/MPa。

圖3 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器單級液缸的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of single-stage liquid cylinder for the rotary expandable liner hanger

1.3 膨脹機(jī)構(gòu)與膨脹本體機(jī)構(gòu)

可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的膨脹機(jī)構(gòu)與膨脹本體機(jī)構(gòu)如圖4所示。膨脹機(jī)構(gòu)由膨脹錐座和膨脹錐組成，膨脹本體機(jī)構(gòu)包括膨脹本體和支撐套，膨脹本體外壁的硫化橡膠與本體同時膨脹，膨脹后夾在本體與上層套管之間，增大本體與套管之間的摩擦力，本體左端內(nèi)壁與膨脹錐配合，右端與尾管套筒連接，多級液缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的推力由傳壓筒傳遞給膨脹錐座，膨脹錐座帶動膨脹錐沿中心管運動使膨脹本體發(fā)生膨脹，依靠橡膠與上層套管內(nèi)壁之間的摩擦力來懸掛尾管。

圖4 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器膨脹機(jī)構(gòu)與膨脹本體機(jī)構(gòu)Fig.4 Expansion mechanism and body of the rotary expandable liner hanger

1.4 旋轉(zhuǎn)丟手機(jī)構(gòu)

可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的旋轉(zhuǎn)丟手機(jī)構(gòu)(如圖5所示)由連接套筒、傳動鍵、扭矩套筒、尾管套筒等組成，扭矩套筒與中心管連接，尾管套筒前端與膨脹本體連接，后端通過尾管短節(jié)連接尾管，旋轉(zhuǎn)丟手機(jī)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)和丟手2個功能。旋轉(zhuǎn)功能依靠扭矩套筒上的傳動鍵與尾管套筒內(nèi)壁的凹槽配合實現(xiàn)。傳動鍵裝配在扭矩套筒上的鍵槽內(nèi)，底端有彈簧，傳動鍵可彈入尾管套筒內(nèi)壁凹槽內(nèi)，扭矩套旋轉(zhuǎn)時通過傳動鍵帶動尾管套筒轉(zhuǎn)動[7-8]。丟手功能由中心管卡簧槽、花瓣套筒和下接頭等機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，丟手方式為機(jī)械下壓式丟手，先下壓一定距離再上提鉆具實現(xiàn)丟手[9-12]。

圖5 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器旋轉(zhuǎn)丟手機(jī)構(gòu)Fig.5 Spinning and releasing mechanism of the rotary expandable liner hanger

2 性能試驗

2.1 地面膨脹試驗

為了解可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的膨脹性能，進(jìn)行了地面膨脹試驗。將提拉短節(jié)與壓力泵連接，尾管短節(jié)與接頭連接，通過壓力泵增加中心管壓力使液缸產(chǎn)生推力驅(qū)動本體膨脹，使膨脹本體在φ177.8 mm套管內(nèi)膨脹。膨脹本體在套管內(nèi)膨脹過程中的壓力曲線見圖6。

由圖6可知，最大壓力為16.0 MPa，該壓力是啟動壓力，超過該壓力后啟動剪釘就會被剪斷，膨脹錐開始在本體內(nèi)運動，隨后壓力降至8.5 MPa左右，本體開始膨脹，膨脹過程中壓力發(fā)生波動，膨脹錐經(jīng)過橡膠位置時壓力略微升高，由于液壓泵排量較小(僅為0.000 2 m3/min)，因此膨脹過程持續(xù)20 min，最后壓力升至約13 MPa后瞬間下降，表明本體膨脹完成。地面膨脹試驗說明，可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器能夠順利實現(xiàn)本體膨脹[13]。

圖6 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器地面膨脹試驗壓力曲線Fig.6 Pressure curves of ground expansion experiment of the rotary expandable liner hanger

2.2 懸掛性能測試

為進(jìn)一步了解可旋轉(zhuǎn)膨脹懸掛器的懸掛性能，進(jìn)行了懸掛性能測試。采用壓力試驗機(jī)測試本體與套管間的摩擦力(即懸掛力)，即本體與套管發(fā)生位移的最小力，試驗加載曲線如圖7所示。

圖7 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器懸掛力加載曲線Fig.7 Loading curve of hanging forces

由圖7可知，初始加載100 kN，此后每穩(wěn)定約200 s后載荷增加100 kN，最終加載至500 kN，本體與套管未發(fā)生位移；然后卸載，結(jié)束測試。試驗結(jié)果表明，該懸掛器的懸掛力超過設(shè)計指標(biāo)400 kN，懸掛性能優(yōu)異。

2.3 施工工藝流程

可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的施工工藝為：

1) 井筒準(zhǔn)備，下入φ177.8 mm套管刮管器對上層套管進(jìn)行刮管、沖洗，確保可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器坐掛位置套管內(nèi)壁清潔。

2) 排列管串，計算尾管重量、回縮距，管串結(jié)構(gòu)通常為浮鞋+2根套管+浮箍+2根套管+碰壓座+套管串+可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器+送入鉆具+鉆桿水泥頭。

3) 下套管，使用通徑規(guī)對入井套管和接頭進(jìn)行通徑，按照管串要求下尾管并及時灌漿，下完附件后通過上提下放檢查浮箍、浮鞋是否正常，套管下完后灌滿鉆井液并核對套管數(shù)量。

4) 連接可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器，膨脹本體內(nèi)部灌注機(jī)油，入井過程中需防止懸掛器通過防噴器時受損。

5) 循環(huán)，尾管串到位后，在井口坐卡瓦，通過上提下放確定膨脹本體避開上層套管接箍并記錄懸重，開泵循環(huán)，泵壓不超過10 MPa，循環(huán)穩(wěn)定后可提高泵壓，但是要注意防漏。

6) 固井施工，按固井設(shè)計注入前置液、水泥漿，至鉆桿膠塞與尾管膠塞復(fù)合前兩者之間有1 m3水泥漿時，將排量降至0.8 m3/min左右，觀察壓力變化，膠塞復(fù)合過程中壓力上升，此時進(jìn)行替漿量校核并繼續(xù)泵送，復(fù)合后的膠塞與碰壓座碰壓前兩者之間有1 m3水泥漿時，將排量降至0.2 m3/min，并注意觀察壓力。

7) 膨脹丟手，碰壓后繼續(xù)以0.2 m3/min的排量憋壓至17 MPa左右剪斷啟動剪釘，壓力下降，繼續(xù)憋壓使壓力上升并穩(wěn)定在10 MPa左右，膨脹本體開始膨脹，膨脹過程中膨脹錐經(jīng)過橡膠時壓力會波動(變化幅度1～3 MPa)，臨近膨脹結(jié)束時壓力升高5 MPa左右后瞬間降低，表明膨脹完成，停泵。

8) 丟手，下壓鉆具(下壓距離為回縮距)，該過程中懸重不變，根據(jù)現(xiàn)場情況再下壓一定重量驗證是否坐掛，隨后上提送入鉆具驗證是否丟手，完成丟手后起鉆，提出送入鉆具[14]。

2.4 模擬入井試驗

對可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器進(jìn)行模擬入井試驗，以驗證該懸掛器的膨脹、坐掛和丟手功能。試驗井為水平井，井深1 445.00 m，垂深1 137.00 m，入井管串結(jié)構(gòu)如圖8所示，膨脹懸掛器在φ177.8 mm套管(壁厚10.36 mm)內(nèi)坐掛，坐掛位置在井深936.00 m處，尾管總重量50 kN。

圖8 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器入井試驗管串結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of the pipe string deployed for downhole experiments

可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器到位后進(jìn)行替漿作業(yè)，膨脹過程中的壓力曲線如圖9所示。以0.5 m3/min的排量泵送鉆桿膠塞，壓力在1 MPa內(nèi)波動，鉆桿膠塞與尾管膠塞之間有3 m3水泥漿時，將排量隆至0.2 m3/min，繼續(xù)泵送，壓力突然升至5 MPa后下降，判斷鉆桿膠塞與尾管復(fù)合，膠塞復(fù)合后排量降至0.1 m3/min繼續(xù)泵送復(fù)合膠塞；壓力突然持續(xù)增升高，判斷膠塞碰壓，壓力升至15 MPa后降低，判斷啟動剪釘被剪斷本體開始膨脹，膨脹過程持續(xù)50 s，壓力6～7 MPa，隨后壓力瞬間降低，替漿總量超過計算值且繼續(xù)替漿壓力不再增加，判斷膨脹完成；釋放懸重、驗證坐掛后，釋放全部鉆具，指重表顯示為0 kN，即測試懸掛力310 kN；最后完成丟手作業(yè)，提出送入鉆具，由于排量遠(yuǎn)高于地面膨脹試驗排量，本體膨脹時間較短。入井試驗表明，可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器懸掛力可達(dá)310 kN，膨脹過程中排量0.1 m3/min，具備現(xiàn)場應(yīng)用條件。

圖9 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器入井試驗膨脹壓力曲線Fig.9 Expansion curve of downhole experiments

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗井概況

在完成模擬入井試驗的基礎(chǔ)上，在GSS-036LR井進(jìn)行了可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器現(xiàn)場試驗。GSS-036LR井是一口煤層氣開窗側(cè)鉆井，側(cè)鉆點(井深500.00 m)位于φ177.8 mm套管內(nèi)，實際完鉆井深870.00 m，下入φ139.7 mm無接箍尾管，裸眼段長約370.00 m，使用φ177.8 mm×φ139.7 mm可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器,在φ177.8 mm套管內(nèi)懸掛φ139.7 mm尾管，膨脹懸掛器坐掛位置在井深451.65 m處。該井井身結(jié)構(gòu)及開窗側(cè)鉆位置如圖10所示。

圖10 GSS-036LR井井身結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of the Well GSS-036LR

管串結(jié)構(gòu)為：浮鞋(下深868.00 m)+尾管(下深867.11 m)+尾管(下深857.16 m)+浮箍(下深847.20 m)+尾管(下深846.90 m)+碰壓座(下深844.99 m)+尾管(下深844.77 m)+可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器(下深451.65 m)+φ88.9 mm鉆具(下深444.25 m)。

GSS-036LR井雖然井深較淺，但仍存在以下施工難點：1)該井經(jīng)過3年的生產(chǎn)，φ177.8 mm套管內(nèi)壁發(fā)生了腐蝕，增大了懸掛器的坐掛難度；2)新井眼側(cè)鉆點附近方位調(diào)整較大，最大井斜角達(dá)到62.2°，下入時可能遇阻。為順利完成尾管固井，采取了相應(yīng)的技術(shù)措施：1)進(jìn)行多次通井，使尾管容易下入；2)對懸掛器坐掛位置處的上層套管進(jìn)行刮管，去除套管內(nèi)壁銹蝕、水泥、毛刺等雜物，提高膨脹坐掛的成功率；3)正常下入尾管遇阻時，改為旋轉(zhuǎn)方式下入。

3.2 現(xiàn)場施工

首先下入管串，管串在井深835.00 m處遇阻嚴(yán)重，利用可旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器使尾管旋轉(zhuǎn)下至預(yù)定位置，然后以0.5 m3/min的排量循環(huán)3 h，循環(huán)壓力3 MPa，連接管線，試壓30 MPa；然后進(jìn)行替漿及膨脹坐掛，以排量0.4 m3/min泵送膠塞，壓力在2～4 MPa內(nèi)波動，壓力突然升至6 MPa后下降，判斷膠塞復(fù)合；復(fù)合后將排量降至0.2 m3/min繼續(xù)泵送膠塞，壓力突然持續(xù)升高，判斷膠塞碰壓，壓力升至15.2 MPa降低，判斷啟動剪釘被剪斷、膨脹本體開始膨脹，壓力在10 MPa左右波動，升至12 MPa后瞬間降低，判斷膨脹完成，通過泄流孔循環(huán)出懸掛器位置的水泥漿；釋放懸重、驗證丟手，先釋放尾管重量80 kN后再釋放鉆具重量100 kN，懸掛器承載180 kN，判斷丟手后循環(huán)出懸掛器位置的水泥漿，最后提出送入鉆具，完成整個可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的固井施工。

GSS-036LR井固井作業(yè)從尾管下入到送入鉆具從井內(nèi)起出，歷時24 h，最終成功完成尾管固井施工，旋轉(zhuǎn)、膨脹、坐掛、丟手均一次性成功，懸掛器承載180 kN；尾管下入過程中遇阻嚴(yán)重，通過旋轉(zhuǎn)解阻，累計旋轉(zhuǎn)時間達(dá)到70 min，最大扭矩3 000 N·m；膨脹過程中膠塞復(fù)合、啟動膨脹、膨脹結(jié)束壓力變化明顯，完全實現(xiàn)了預(yù)期功能。

4 結(jié) 論

1) 采用地面整機(jī)試驗、模擬入井試驗和現(xiàn)場試驗等研究方法，測試了可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的各項性能參數(shù)，為后續(xù)研究提供了重要依據(jù)。

2) 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器采用的多級液缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)，能夠以較低的壓力 (20 MPa內(nèi))使膨脹本體膨脹完成坐掛，降低了對現(xiàn)場施工條件的要求，提高了操作的安全性。

3) 可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠通過旋轉(zhuǎn)管串解決尾管下入遇阻問題，懸掛器坐掛后懸掛力達(dá)到500 kN，可滿足開窗側(cè)鉆井的尾管懸掛需求，所制定的現(xiàn)場施工工藝和不高于0.2 m3/min的施工排量能夠滿足現(xiàn)場施工要求。

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[編輯 令文學(xué)]

Performance and Field Tests of Rotary Expandable Liner Hanger

ZHENG Xiaozhi，GU Lei，MA Lanrong，ZHANG Guoan

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China)

Because structures are now more complex than in conventional hangers, rotary expandable liner hangers may involve higher difficulties in field tests and different operational procedures. To solve relevant problems, the structures and operational principles ofφ177.8 mm×φ139.7 mm rotary expandable liner hangers and their key components were studied. Through tests of overall expansion on surface, hanging performances and simulated downhole operations, suspension, expansion and other properties of such liner hangers could be clarified together with relevant operational parameters. In addition, on-site application techniques were highlighted. On-site applications were made for the rotary expandable liner hanger in the Well GSS-036LR resulting in successful cementing operations with expansion pressures lower than 20 MPa and discharging rates below 0.2 m3/min in expansion operations. Research results showed that the newly developed rotary expandable liner hanger may be used successfully for rotation, expansion and liner setting, releasing and other operations， operation techniques can fully meet on-site demands.

liner hanger; rotation; expansion; sidetrack drilling; field test; Well GSS-036LR

2015-11-22；改回日期：2016-04-14。

鄭曉志(1962—)，男，遼寧盤山人，1988年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)采油專業(yè)，2007年獲中國石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事井筒固完井工具及工藝技術(shù)研發(fā)和管理工作。E-mail：zxz@shelfoil.com。

中國石化科技攻關(guān)項目“可旋轉(zhuǎn)膨脹尾管懸掛器的研制”(編號：P13144)部分研究內(nèi)容。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201603010

TE925+.2

A

1001-0890(2016)03-0055-06