水平井及大位移井液压扶正器的研制与应用.pdf

第8 期 ． 1 1 ． 水平井及大位移井液压扶正器的研制与应用 彭志刚，魏新芳 ，徐鑫 ，余金 陵，张磊 胜利石油管理局钻井工 艺研 究院 。 山东 东营 2 5 7 0 1 7 [ 摘要]针对水平井及大位移管柱受重力效应影响，造成套管不居中，封隔器胶筒受力不均，密封性能下降，不能长期有效 分隔水平及大位移井层段，特别是对固井质量不合格的低渗透和页岩油气藏无法进行压裂改造的问题，研制了液压扶正器。 通过地面模拟试验，现场试验及应用，该工具坐封扶正时能确保水平及大位移井管柱处于居中位置，保证了封隔器的密封性 能，在水平井及大位移井中使用液压套管扶正器，可减少套管磨损，使套管居中，有效分隔目的层，提高顶替效率，改善固 井质量 。 [ 关键词]水平井；大位移井；液压扶正器；研制；应用 随着石油钻井技 术的发展，水平井和大位移 井 已成 为石油勘探 中增储上产的主要研究方 向， 提高水平井和大位移井 的完井技术尤为重要。 在大斜度井和水平井 中，套 管下入的阻力很 大 ，管柱往往 需要往 下冲才 能到达 井底 。因此 由 扶正器摩擦井壁 引起 的较 高下入 阻力必须考虑 。 如果斜井段或水平位 移很长 ，那 么这种 摩擦 阻力 就可能成 为一个严重 间题 ；同时，套管柱 由于下 部重量 的影 响，套管在井 眼中偏心严 重。因此 ， 选择合适 的套管扶正器 ，必须解 决好 高复位 力和 低移动力间的矛盾 。 水平井管柱在水平段 因受重力效应影 Ⅱ 向【 ， 管柱在径 向分力 的作用下 ，引起封 隔器胶筒受力 不均 ，使封隔器 的密封性 能下 降，导致 目的层段 不能有效分隔 ，使分段注水 、分段压裂 、机械找 水堵水等工艺管柱不 能实现设计 目的。扶正器 的 使用提高 了套管在井 眼中扶正居 中度 ，不仅解决 了上述 问题还有利于提高顶替效率 ，保证 固井质 量 。水平井液压扶正器 即是为此研制 的一种水平 井管柱配套工具 。 水平井 、大位 移井对扶正器的技术要求有 1 较 高的复位 力和较低 的启动 力； 2 较低 的摩擦 因数和较 高 的耐 冲击 强度 ； 3 允许套 管柱旋转 。常规 的弹性扶正器随着水平位移 的增 加 ，扶正效果越来越差 ，采用特殊 的扶 正器是非 常必要的。 大位移井集 中了水平井、深井 的绝大部分技 术难点 ，能否安全顺利地下入套管是 固井 的重要 前提条件 。选用合适 的套管扶正器 以下简称扶 正器 不仅能使套管顺利下入 ，而且 能提 高固井 质量 。为此 。研制开发 了水平井及大位移井使用 的新型液压式套管扶正器 。 1 套管串力学分析模型的建立 基 于 以下四个方面的考虑 ，建立 了套 管串力 学分析模型，如 图1 所示。 1 取整体套管 串为研究对象 ，能够考虑扶 正器间套管 串的相互作用力和变形 。 2 考虑 了套管 串 包括扶正器与井壁之 间的初始间 隙和接触摩 擦状态，其 中接触状态是 通过套管 串的力平衡 由间隙元模拟得 到，而不是 人为给定。 3 变形前 ，套管串轴线的空间结构为一条 不 同曲率的空间螺旋线，能够更合理地考虑井眼 曲率的影响。 4 通过调整 间隙元刚度 能够有效地模拟扶 正器的线性和非线性刚度。 图1 套管串力学分析模型示意图 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●● ● ● ● ● ●● ●_ ● ● ●● ●● ● ●● ● ●⋯⋯‘● ● ●● ●- ● ● ●● ● ● - ● ● - ● ●● ● ●● ●⋯● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ⋯⋯● ● ● ● ● ●● ● -● ● ●● ●● 作者简介 彭志刚 1 9 7 6 一，男，江苏泰州人，2 0 0 4 年毕 业于 西南 石油 大 学油气 井工 程专 业 ，博 士 ，高级 工程 师现 任 胜利 油 田钻 井工 艺研 究院副 总 师 ，所长 。主 要从事 油气 田化 学 处理 剂的研 究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ． 1 2 一 ■ 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 2 年第1 5 卷 基于 以下 四个方面的因素确定应 变与刚度 的 关系 1 根据套管 串结构、测斜数据 、井径和工 艺参数，经力学分析可给 出任 意井深处套管与井 壁 的接触摩擦状态 、轴 向力 、弯 曲应 力、 内外压 力、居 中度等结果。 2 根据整体管串柱力学分析求得的广义 内 力和接触摩擦 状态，可 以求得管 串柱的摩阻力、 累计摩阻力和轴 向力分布状态 ，完成管 串柱摩阻 力分析与评价 ，并进一步计 算管串柱本体应力 ， 从而完成井下管串柱本体的强度评价。 3 根据求得的套管居 中度和测得的胶接指 数 ，可 以建立不同油 田套管 串居 中度与胶接指数 关系数据库 。利用套管居 中度与胶接指数关系数 据库 ，根据求得的套管串居 中度 ，可 以模拟预测 出待固井的胶接指数。 4 根据套管 串与井壁的接触状态 ，可以确 定出弹性扶正器、刚性扶正器的合理安放位置。 麟 G 啦 O 9 t _- i 0 i 图2 间隙元应变和刚度关系 研究表 明，套管居中度要达到6 7 ％以上 ，才能 获得 良好 的顶替效率。 居中度计算公式 靥漩 1 0 0％ t j t j c 式 中 Dw一 井 眼直径 ，mm；Dc 一 套管 外 径，m r tl l wI r 套管与井眼的窄边间隙，m lT 1 ． 2液压扶正器的结构及工作原理 水平井液压扶正器 主要 由液压机构 、锁紧机 构 、扶正机构和释放机构组成 。液压机构主要 由 上接头 、中心管 、锥体活塞、缸套 、启动剪钉 以 及密封圈组成 。扶正机构 由锥体活塞、扶正块 、 弹 簧和 扶 正套等 组成 。锁 紧机 构 由中心 管 、锁 簧和锥体活塞等组成 。释放机 构由上接头 、中心 管、释放销钉 、释放卡簧、释放剪钉 、剪钉环 以 及挡环等组成。 将 水平 井 液压 扶 正器 连接 在封 隔 器上 端 或 下端 ，下入水平井 内设计位 置。通过油管施加液 压，水平井液压扶正器的液压机构启动 ，当压力 达到设定值 时，释放推动块挤压扶 正片 ，在推动 块和扶 正片顶 帽的作用下 ，扶正片膨胀变形 ，达 到扶正套管的 目的。扶正水平井管柱 。当油管 内 压力大于8 MP a 时，启动剪钉被剪断，锥体活塞在 液压力作用下下移 ，推动锁簧下行 ，将扶正块推 出扶 正在套管之上 。推动块 上带有止退结构 ，防 止推动块回退，保证扶正片的膨胀效果。 同时扶正块与扶正套之 间的压簧被压缩而储 存能量，当释放扶正力时 ，起到复位 的作用 。这 时锁簧与中心管上 的细螺纹进行斜面锁 紧。当液 压力消除后锥 体活塞与扶 正块都无法收回 ，起到 长期有效扶正居中水平井管柱的 目的。 3液压扶正器特点 1 液压扶正器扶 正能力强 。经计算 ，单个 扶 正器扶正力 7 ． 8 k N[ - 8 ] ，地面试验 结果表明，该 扶 正器单个使用可 以对2 ～3 根套管起 到明显 的扶 正效果，有效地减少 了下入数量 ，避免了局部刚 性过大造成下入困难的问题 。 2 液 压 扶 正 器 张 开 后 外 径 可 以 达 到 3 0 0 3 3 0 mm，而且扶正片承压能力强 ，能够有效 地支撑井壁。 3 液压扶正器张开后，扶正片可 以对水泥 浆产生扰流效应 ，有助于提高顶替效率。 4 该液压扶正器在整个下套管过程 中扶正 片不张开，最大外径仅为1 8 5 mm，没有使整个管 串外径 明显变大 ，避免 了下套管过程 中因外径 尺 寸大造 成的遇 阻甚至卡钻 的危险，保证了施工 安 全，有利于现场应用。 4地面试验及应用 为尽快投入现场应用，液压扶正器研制成功 后 ，进行 了地面试验 。经 多次地面试验后定型 。 地面试验 的数据见表 1 。可 以看 出，水平井液压扶 正器 的工作性能 良好 ，启动扶正机构后无渗漏 ， 扶正性能 良好 ，达 到了设计 的技术指标 ，满足现 场试验 的参数要求，该工具可 以进行先导性现场 应用。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 期 彭志刚等水平井及大位移井液压扶正器的研制与应用 ． 3一 图3 液压扶正器地面试验时膨胀前后对比 表1 液压扶正器地面试验数据 试验次数 开启压力／ M P a 憋通压力／ M P a 居中度／ ％ l 1 1 ． 5 1 5 ． 6 8 3 2 1 2 ． O 1 6 ． O 8 6 3 l 2 ． 2 1 6 ． 4 8 7 4 1 1 ． 6 1 5 ． 8 8 4 将液 压 扶 正器 按 工程 设 计 的位 置 ，与 无 接 箍套 管连接起 来，下到设计位 置，联接好 井 口打 压 ，当压力达 到1 2 MP a 扶 正器 张开，扶 正套管， 继 续打压至1 6 MP a ，压 力开关打开，正常循环固 井 。采 用 声波 变 密度 测 固井质 量 ， 资料 显示 第 一 界面全优 率达 到 1 0 0 ％，第二 界面全 优率达 到 8 6 ％，应用 效果 良好 。该液压扶正器在胜利 油 田 Y6 6 一 P 7 、高4 2 4 ． 平2 0 井上应用后 ，取得 了良好固 井效果。在 大位移井、水平 井中，液压 套管扶正 器 不 仅 能使套 管顺 利 下入 ，而 且 能提 高 顶替 效 率，确保在管 外形成均匀 的起 良好封 隔作 用的水 泥环 。水平井液压扶正器使水平井管柱不受重力 效应 影 响 ，保 证 封 隔器在 井 下密 封 工作 性 能 良 好 ，实现有效 分隔 目的层段 。水平井液压 扶正器 适用 于水平井 、斜 井及 大位 移井的分段压 裂、分 段注 水、机械 找水堵水等 工艺施工 。应用前景广 阔 。 ◆参考文献 【 l 】刘 瑞 文． 现代 完 井技 术[ M】 ． 北 京 石油 工业 出版 社 ， 201 0 ． 【 2 ]张国仿． 提高水平井固井质量工艺技术[ J ] ． 江汉石油职工 大学学报，2 0 0 2 ， 3 6 0 6 2 ． 【 3 ]张明昌．固井工艺技术[ M】 ． 北京中国石化出版社， 2 0 0 7 ． [ 4 ]张勇． 水平井管柱液压扶正器的研制与初步应用[ J ] ． 特种 油气藏 ，2 0 1 1 ，l 8 5 l 1 1 一 l 1 3 ． [ 5 ]舒 中选 ，陈德东 ，郑 严 ，李 静芬 ． 常用 套管 扶 正器扶 正力及其变形关系的探讨[ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 3 ， 5 8 2 8 4 ． [ 6 ]付建红，黄贵生，杨志彬，徐璧华． 水平井套管扶正 器合理安放位置计算[ J ] ． 西南石油大学学报，2 0 0 8 ， 6 8 9 - 9 1 ． [ 7 】 王春浦，李秀竹，王丰君等． 1 0 1 ． 6 mm套管液压扶正器 的研制与应用[ J 】 ． 石油机械，2 0 0 4 ，3 2 9 5 3 - 5 4 ． 【 8 ] 魏涛． 油气井固井质量测井评价[ M】 ． 北京石油工业出 版 社，2 0 1 0 ． 基金项 目 国家科技重大专项 “ 低渗油气田完井关键技术” 编号 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 2 ． 0 0 6 部分研究成果。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m