肖 洋，宗慶偉，李 榕，吳春林，李春林

1中國石化西南石油工程有限公司湖南鉆井分公司 2中國石油渤海鉆探工程技術(shù)研究 3中國石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司 4四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司

0 引言

川西地區(qū)陸相氣藏主產(chǎn)層有蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組和須家河組等，儲層以河道沉積巖為主，儲層深度在1 500～2 800 m，鉆井過程中井壁穩(wěn)定性差，掉塊嚴重，易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等現(xiàn)象。為提高儲層開采效率，川西中淺層儲層開發(fā)主要以二開制的水平井為主，井眼軌跡設(shè)計為大位移、高水垂比，入窗后的井眼軌跡經(jīng)常上翹；后期改造采用大規(guī)模壓裂，完井方式為全井筒套管完井。近期，隨著水平段的不斷延長，數(shù)口井出現(xiàn)套管下入困難甚至無法下放到位的現(xiàn)象。下套管遇阻的主要原因有水平段鉆遇泥巖導致裸眼段摩阻系數(shù)增大、調(diào)整后的井眼軌跡不平整、鉆井液本身摩阻系數(shù)較大和套管扶正器與地層不匹配帶來的附加阻力等[1]。傳統(tǒng)的解決方式為遇阻后竄動、快速下放產(chǎn)生的慣性力來增加套管的下行動力，高頻次的竄動下放易造成管柱斷裂故障、地層垮塌和扶正器變形，進一步惡化井眼情況。

漂浮下套管原理是通過將漂浮接箍連接在套管柱上，漂浮接箍與浮箍之間的管柱內(nèi)密閉為空氣或低密度的鉆井液，而漂浮接箍以上的套管柱內(nèi)灌滿鉆井液，通過減少漂浮段套管串自重，減少對井壁的正壓力，從而減小摩阻，降低套管下入難度。針對水垂比大于2的大位移井、水平井或超長段水平井，當套管下入懸重低于套管凈懸重的30%或存在黏吸卡鉆風險時，會用到漂浮下套管技術(shù)[2-10]。國外在1989年就開始試驗應(yīng)用了漂浮下套管，國內(nèi)對漂浮工具的研究從2009年開始并在多個油田進行了應(yīng)用[3-4，6]。

為解決該地區(qū)套管下入困難的難題、滿足管柱全通徑的使用需求，2021年在川西地區(qū)新場構(gòu)造引入了一種國產(chǎn)新型全通徑漂浮下套管技術(shù)并獲得成功，目前正在大范圍推廣。

1 下套管力學分析

1.1 軟桿模型的建立

在管柱下入過程中，對于長水平段大位移井由于管柱長度較長，受重力影響管柱基本上處于緊貼下井壁的狀態(tài)，忽略管柱的截面彎矩和剪切力影響，即管柱徑向變化為0，為“軟桿”[2]。該模型假設(shè)[7-8]：①管柱與井壁持續(xù)接觸；②管柱無剛度，忽略界面剪切力及彎矩；③管柱可以傳遞扭矩；④管柱軸線與井眼軌跡變化一致。

圖1 三維軟桿模型受力分析

管柱微元受力Ni可以分解為主法線方向Niv及副法線方向上的Nih，主法線方向?qū)?yīng)狗腿平面的側(cè)壓力，副法線方向?qū)?yīng)與狗腿平面相垂直的方向上的側(cè)壓力，下套管時受力主要考慮主法線平面，根據(jù)幾何關(guān)系則有：

Gt=qilicosγgt

(1)

Gv=qilicosγgn

(2)

(3)

(4)

式中：qi—管柱線重，N/m；li—管柱微元長度，m；γgt—重力方向與井眼軸線切線方向上的夾角，(°)；γgn—重力方向與主法線方向夾角，(°)；γ—狗腿度，(°)/30 m；μi—管柱微元與接觸面的摩阻系數(shù)，無量綱；Ti+1和Ti—分別為管柱上端和下端的軸向力，N。

1.2 漂浮下套管力學分析

要準確判斷套管能否順利下入，首先要確定井眼的實際摩阻系數(shù)，再由摩阻系數(shù)進行模擬計算確定下套管剩余大鉤載荷[9]。臨界阻力角是管柱自重沿軸向分量與阻力相平衡的點，臨界阻力角以下的井段，管柱沿軸向自重不足以克服阻力，主要與摩阻系數(shù)相關(guān)[5]，計算公式如下：

Wcosθ=μWsinθ

(5)

(6)

式中：W—套管浮重，N；θ—臨界阻力角，(°)；μ—摩阻系數(shù)，無量綱。

漂浮下套管還需考慮初始下入狀況，防止“上頂”，即浮力大于套管自重的情況，計算漂浮套管的總懸重與浮力差值Fa[6]，見式(7):

Fa=f-9.8(Soρo-Siρi)

(7)

式中：So—套管外徑截面積，m2；ρo—漂浮段套管管外液體密度，kg/m3；Si—套管內(nèi)徑截面積，m2；ρi—漂浮段套管管內(nèi)液體密度，kg/m3；f—單位長度套管的重量，N/m。

管柱屈曲以后會對井壁造成附加接觸力，進而增大下入阻力。判斷管柱是否發(fā)生屈曲成為關(guān)鍵，屈曲分為正弦屈曲和螺旋屈曲兩種，螺旋屈曲是在正弦屈曲上管柱進一步變形的結(jié)果。對于發(fā)生正弦屈曲臨界狀態(tài)管柱受到軸向力稱為臨界正弦屈曲載荷Fsin，對發(fā)生螺旋臨界狀態(tài)管柱受到軸向力稱為臨界螺旋屈曲載荷Fhel[11]，其計算如下：

(8)

(9)

式中：E—管柱的彈性模量，N/m2；I—管柱的慣性矩，m4；qm—管柱浮重，N/m；α—井斜角，(°)；r—管柱與井眼之間的環(huán)空間隙，m。

2 全通徑漂浮下套管技術(shù)研究

2.1 全通徑漂浮套管工藝技術(shù)

全通徑漂浮下套管管柱結(jié)構(gòu)自上而下包括全通徑破裂盤式漂浮接箍、常規(guī)套管接箍及浮鞋，無需其他專用附件，管柱結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 全通徑漂浮下套管管柱示意圖

全通徑破裂盤式漂浮接箍以其特殊的高強度破裂盤代替滑套充當臨時屏障，主要結(jié)構(gòu)為上接頭、下接頭、破裂盤、撞針、剪釘組成，如圖3所示。破裂盤安放在滑套之中，滑套與底座之間通過剪釘連接，底座的上端面設(shè)有撞針，滑套、破裂盤、底座安放于下接頭之中，并通過上下接頭之間的絲扣進行固定；當剪釘受力發(fā)生剪切后，滑套攜帶破裂盤下行與底座上的撞針發(fā)生碰撞，破裂盤破碎成微粒，滑套下端面與底座上端面閉合，破裂盤受撞擊破碎形成粒徑3～5 mm的小顆粒，隨鉆井液循環(huán)出套管，工具內(nèi)部形成全通徑，具體參數(shù)見表1。

圖3 全通徑漂浮接箍示意圖

表1 全通徑漂浮接箍基本參數(shù)表

2.2 漂浮下套管技術(shù)使用條件

摩擦系數(shù)μ是確定漂浮長度和預(yù)測鉤載的關(guān)鍵參數(shù)，其可以通過通井時數(shù)據(jù)反算得出或者使用鄰井下套管數(shù)據(jù)反算，通過式(4)得出管柱下入過程中井口勾載與井深曲線，改變式(4)中μ的賦值使其與記錄的真實井口勾載曲線黏合，最終所確定的μ即為下套管地層摩阻系數(shù)，其中使用通井數(shù)據(jù)反算得出的摩阻系數(shù)需要附加安全系數(shù)，工程上一般附加0.1～0.15。

為了使井口勾載最大，漂浮段往往采用不灌漿的方式，即漂浮介質(zhì)為空氣。當使用式(7)計算所得總懸重與浮力差值Fa為負時，則需要將漂浮段灌入低密度介質(zhì)或者調(diào)整鉆井液漿密度，保證漂浮段能夠正常下入。

漂浮接箍使用數(shù)量主要由漂浮接箍額定開啟壓力與液柱壓力決定，當液柱壓力超過漂浮接箍額定開啟壓力時，需要使用多支漂浮接箍分攤液柱壓力，確保管柱的下入安全。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 基本情況

川西地區(qū)在2021年共進行5口中淺水平井的全通徑漂浮下套管技術(shù)的現(xiàn)場試驗，其中，JS345HF采用了雙漂浮接箍，其余井采用單漂浮接箍，川西漂浮下套管應(yīng)用數(shù)據(jù)表如表2所示。同井場的DF501HF和DF501-1HF井身結(jié)構(gòu)類似，DF501HF井下套管前將鉀基聚磺鉆井液轉(zhuǎn)換成油基鉆井液，常規(guī)下套管到位后剩余鉤載160 kN，DF501-1HF井采用單漂浮接箍下套管，實際套管送放到位后鉤載剩余150 kN，通過對比漂浮下套管技術(shù)減阻效果與油基鉆井液相當；DF103HF井和DF503HF井純套管下入時間分別為22 h和24 h，與同地區(qū)同類型水平井相比，下入時間縮短10%。JS345HF井使用雙漂浮接箍下套管，兩支漂浮接箍分別承壓24.97 MPa和26.56 MPa，在打開最上面的漂浮接箍后下面的漂浮接箍同時開啟，井口憋壓8 MPa合計開啟壓力為34.56 MPa，與設(shè)計值相符。從這5口水平井施工情況來看，全通徑漂浮接箍開啟壓力穩(wěn)定、開啟前能夠有效承托上部管柱靜液壓力，保障套管下入到位。

表2 川西漂浮下套管應(yīng)用數(shù)據(jù)表

3.2 JS345HF井

JS345HF井為中江構(gòu)造下沙溪廟組的一口水平井，完鉆井深3 883 m，水平段長967 m，B靶比A靶海拔高44 m，鉆井液密度1.95 g/cm3。該井鉆進時在造斜井段2 490～2 690 m的下鉆摩阻陡增，進入水平段3 090 m后摩阻再次出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。三次通井后，斜井段摩阻較鉆進時摩阻減少100～200 kN，但水平段無明顯改善，2 890 m后摩阻達300～400 kN，而3 460 m以后摩阻過大無法下放，只能劃眼到底，通井鉤載記錄見圖5。

圖5 JS345HF井不同工況摩阻對比圖

通井回測顯示該井通井摩阻系數(shù)在0.35～0.40之間，則考慮安全系數(shù)后下套管摩阻預(yù)計為0.45～0.55，由式(8)和式(9)計算可知，當管柱軸向力大于109.4 kN和154.7 kN將會發(fā)生正弦屈曲和螺弦屈曲如圖6，藍線和黃線分別對應(yīng)正弦屈曲和螺弦屈曲載荷，紅線為不漂浮下套的預(yù)測載荷，黑線為實際漂浮下套管的預(yù)測載荷。

圖6 JS345HF井下套管屈曲變形對比

通過對比，采用常規(guī)下套管方式，當管柱下至井底將會在800～1 000 m發(fā)生正弦屈曲，在1 000～2 300 m發(fā)生螺旋屈曲。使用式(6)得出臨界阻力角為68°，確定漂浮長度為1 200 m。采用空氣作為漂浮介質(zhì)確保套管下到位后井口勾載最大。由式(7)可得初始下入狀況Fa值為-6.69 N/m，為了確保施工正常故降低鉆井液密度到1.90 g/cm3。施工時采用全通徑漂浮下套管技術(shù)，摩阻明顯減弱，實際造斜段摩阻僅40～100 kN，進入水平段后，套管與井眼間摩阻沒有明顯增加。下鉆至井底時井口剩余勾載487 kN，套管柱下入過程中摩阻明顯減弱小于正弦屈曲和螺弦屈曲發(fā)生條件。

4 結(jié)論

(1)漂浮下套管技術(shù)能確保長裸眼水平井套管下入到位，減少套管與下井壁間的摩阻力，降低造斜段套管屈曲變形的發(fā)生，有助于解決川西長裸眼中淺水平井套管下入的難題。新型全通徑漂浮接箍開啟壓力穩(wěn)定、破碎粒徑小、開啟后無殘留實現(xiàn)管柱全通徑的特點，方便后續(xù)改造施工。

(2)川西在開發(fā)目的層為蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組和須家河組等中淺水平井時，推薦底部漂浮接箍安裝在井斜68°附近，減少下入摩阻及管柱屈曲變形帶來的附加阻力的影響。

(3)漂浮下套管方案設(shè)計應(yīng)復核浮力與重力的關(guān)系，避免初始下漂浮套管段出現(xiàn)“上頂”現(xiàn)象。若漂浮接箍以上靜液壓力過大，則可以采取雙漂浮組合形式，分攤液柱壓力，提高下入安全性。