河南油田高效定点取换套技术

冉津津 （中石化河南石油工程公司井下作业分公司，河南 桐柏 474780）

河南油田高效定点取换套技术

冉津津 （中石化河南石油工程公司井下作业分公司，河南 桐柏 474780）

使用倒扣法取换套管时，由于倒扣不准常使实际取换套深度大于设计深度。这不仅造成浪费还降低了取换套的施工效率，为此研究高效定点取换套技术。通过套管加重、精确倒扣和倒扣诊断3种方法来实现定点取换套，并对倒扣诊断法中存在的伸长量变化问题展开研究，找到了使用现场测量和保留一定长度套管的方法来解决伸长量变化问题。在取换套施工过程中使用套管加重、精确倒扣和倒扣诊断3种方法可确保定点取换套的成功，显著提高取换套的施工效率，具有一定的应用价值。

取换套；套管；倒扣；伸长量；中和点

河南油田主要使用倒扣法进行取换套，由于倒开点控制不准确，为防止倒扣出套铣管而丢鱼头，套铣管下入深度一般比设计取换套深度深100m以上，这不仅延长了施工周期，还增加了卡钻风险。使用定点取换套技术［1］，虽提高了取换套准确度，但仍缺少一套完善的倒扣方法作为技术支持，倒扣出套铣管的风险依然存在。研究定点取换套的倒扣技术，对提高取换套施工效率是很有必要的。

1 定点取换套倒扣技术研究

1.1 套管加重法

套管加重法就是利用配重管柱的重量，对设计取换套点以下的套管进行加重。加重后，套管接箍处丝扣承受的压力增加，摩擦力加大，将更难以被倒开，因此可防止套管从设计取换套点以下倒开。

如图1所示，在尾管保鱼［2］基础之上，对尾管进行配重 （使用钻铤或加重钻杆），使尾管重量达到100～150kN。配合使用高承压找漏、丢手封隔器，找完漏以后在设计取换套点以下1／2～2／3套管长度处进行坐挂丢手。另外，坐挂后投球封堵内空间，防止泥浆进入坐挂点以下，可缩短后期替浆时间。

图1 套管加重管柱组合

1.2 精确倒扣法

由于套管的结构与油管相似，引入解卡打捞定点倒扣技术［3］的精确倒扣法是可行的。该方法对管柱所受的浮力进行分析，并结合实际对各影响因素进行了处理，可对倒扣拉力进行精确计算，能将中和点准确控制在设计取套深度处，从而大大提高倒扣成功率。

精确倒扣法可准确计算套管所受的浮力，如图2所示 （图中只保留公扣端，接箍及其以下套管省略），套管相连时，丝扣形成密封。阴影部分大圆环面积为套管的横截面积，圆环1的面积 （丝扣所在的横截面积）上无法受到水压力作用不产生浮力，此时套管所受的浮力由圆环2的面积受水压力作用而产生。以往在计算倒扣拉力时，将管柱视作下端无连接的自由管柱，自由管柱所受的浮力为排开水的重力，而实际管柱下端相连密封，所受浮力变小，将排开水的重力作为浮力来计算是错误的，这也是实际倒扣拉力计算不准、无法将中和点准确控制在设计取套深度的主要原因。而精确倒扣法对实际管柱的浮力做了正确的描述，精确计算了倒扣拉力，从而能将中和点准确控制在设计取套深度处。图2的作用在于区分自由管柱与实际管柱所受浮力的区别，有助于理解精确倒扣法的正确性。

如图3所示，定点取换套的倒扣方式与一般倒扣方式不同，要先将倒扣工具下至取换套点以上1／3～2／3套管长度处捞住套管再倒扣，因此在计算倒扣拉力时还要将下入倒扣工具的管柱重量计算在内。由于与坐挂点之间仅有一个套管接箍 （即设计取换套点），因此只允许从这个接箍的上部或下部丝扣处倒开。使用精确倒扣法计算倒扣拉力及其具体过程见参考文献 ［3］。

图2 套管所受浮力分析

图3 定点倒扣示意图

1.3 倒扣诊断法

使用以上两种方法，可基本实现定点取换套，但一些意外情况发生时仍存在从坐挂点以下倒开的可能。为此，套铣管仍要下到坐挂点以下足够深度 （50～80m），此时对施工效率的提高不明显。

倒扣诊断法是在倒扣过程中，套管被倒开前就能判断出是否失败的方法，若失败只需上扣、紧扣即可补救，因此可确保倒扣的成功。其原理为倒扣时套管丝扣退出增加了套管长度，使上部套管伸长量变小；同时，这部分丝扣露出来还增加了泥浆作用面积，使套管所受浮力变大，因此倒扣时指重计读数将变小。指重计读数变化和伸长量变小导致的变化量公式如下：

式中：ΔF为指重计读数变化，kN；ΔF1为倒开点以上套管的伸长量变小导致拉力变小的变化量，kN；Δλ1为倒开点以上套管的伸长量变化量，cm；ΔF2为浮力变大导致拉力变小的变化量，kN；E为套管的弹性模量，GPa；A为套管的横截面积，cm2；H为设计取套点所在深度，m。

套管丝扣露出长度计算公式如下：

式中：Δλ2为套管丝扣露出长度，cm；L为丝扣总长度，cm；ω为倒扣转速，r／s；t为倒扣时间，s；N为公扣端丝扣的总扣数。

根据套管公扣端结构及几何关系，可得：

式中：D1、D2分别为最大丝扣直径和最小丝扣直径，cm；DL为露出部分丝扣最小直径，cm；K为倒开套管总圈数；ρ为泥浆密度，kg／m3；ΔA为露出丝扣增加的水作用面积，cm2。

选取适当的转速和时间 （即倒扣圈数）并根据式 （7）计算出指重计的变化量，就可对倒扣进行即时的诊断。若实际倒扣时指重计的变化量满足计算值，则倒扣取得成功；若不满足，由于坐挂点以上仅有一处倒开点，可判断倒开点在坐挂点以下，在套管加重作用下指重计变化量会明显小于计算值，应及时停止倒扣并上扣、紧扣，避免倒扣失败。

2 存在问题

套管加重法的实施过程及其配套工具已经比较成熟，基本不存在技术问题；精确倒扣法已经在解卡打捞中成功运用，并且套管结构和油管相似，技术问题已经基本解决，因此这里只对倒扣诊断法存在的问题进行分析研究。

2.1 伸长量变化计算不准

坐挂点以下套管在自身重量和配重管柱的双重作用下，受压发生位移和变形并在井眼内重新分布［4］，若在上部施加较小压力，很难再产生位移和变形。因此倒扣时产生的伸长量变化都只能向上传递，很容易认为伸长量变化等于套管丝扣露出部分的长度，即Δλ1＝Δλ2，有：

以5 1/2in套管为例，先不考虑割套和打捞管柱，假设在井口直接进行倒扣，泥浆密度取水的密度。查数据表［5］得：L＝8.8cm，N＝27，K＝15，D1＝139.7mm，D2＝131.8mm。计算数据如表1所示。

表1 5 1/2in套管特定深度倒扣诊断计算表

表1中数据可发现，ΔF1的一些计算值过大，甚至已经超过了套管液重，使ΔF的值不符合实际，因此取Δλ1＝Δλ2存在问题。

2.2 中和点上移

使用精确倒扣法可将中和点控制在设计取换套深度，中和点以上套管在自身重力下处于自由拉伸状态。例如倒扣12圈时Δλ2＝39.11mm，而400m套管的自由拉伸量仅为26.08mm，按此推算指重计读数将为零，这显然与实际不符。其原因在于倒扣时套管所受的拉力变小使中和点上移 （与浮力变化无关），上移这段距离的套管不再受拉力，会因自身重量将一部分伸长量变化转变为自身的位移和变形量，阻碍了伸长量变化向上传递。再加上摩擦力的阻碍，共同削弱了伸长量变化对套管所受拉力的减小作用，如图4所示。

图4 中和点上移的影响

3 处理方法

套铣时为防止套管在套铣管中弯曲自锁，一般每套铣进尺200m［2］后下割刀割取一次套管。因此通常在倒扣打捞前设计取换套点以上的大部分套管已被割套取完，仅保留几米长度为打捞倒扣所用。

3.1 现场测量法

由于剩余几米长度的套管重量和浮力变化可忽略不计，因此主要考虑伸长量变化对打捞管柱的影响。以2 7/8 in内平式反扣钻杆 （参数见文献 ［5］）倒扣12圈为例，根据式 （8）计算ΔF1值，结果如表2所示。

表2 反扣钻杆ΔF1计算值

图5 伸长量变化现场测量过程简图

根据表2中的数据，为测量Δλ1做以下操作：①下放管柱，G2＜ΔF1时下放至指重计读数为零；G2＞ΔF1时下放至指重计读数小于G2－ΔF1，让管柱所处的状态在井筒中分布充分，与中和点上移管柱变化后的状态相当。②上提管柱，G2＜ΔF1时不上提，G2＞ΔF1时上提至拉力为G2－ΔF1，并做标记点A，此时管柱与倒扣时阻碍伸长量传递的状态相当。③继续上提管柱至拉力大于G2。④下放管柱至拉力为G2，并做标记点B，如图5中（a）所示。此时AB为没有摩擦阻碍（设摩擦阻碍伸长量变化的大小为Δλf，cm）时的伸长量变化量Δλ′1，而Δλ1＝Δλ′1－Δλf。⑤ 上提管柱至拉力大于G2，并做标记点A0。⑥ 继续上提，G2＜ΔF1时拉力增量为G2；G2＞ΔF1时拉力增量为ΔF1。⑦下放管柱至第⑤步上提后的拉力，并做标记点B0，由于摩擦力反向，A0无法回到原位，因此A0B0＝Δλf，如图5中（b）所示。综上可得Δλ1＝Δλ′1－Δλf＝AB－A0B0。

3.2 保留套管法

为避免中和点上移，可在设计取换套点以上适当保留一定长度的套管。当ΔF1＜G1（套管液重）时，打捞管柱始终处于拉伸状态，中和点不会上移，并且Δλ1＝Δλ2，此时可以用式（9）进行计算。令ΔF1＝G1，可以计算出保留套管的最小长度，计算结果如表3所示。

表3 保留套管最小长度计算表

由表3可以看出，H越小保留长度Lc就越大，到一定程度时Lc将大于H，此时已经无法实现。令Lc＝H＝Hmin，由ΔF1＝G1可计算得最小适用深度Hmin。以倒扣12圈为例，计算得Hmin＝261.67m（以上计算中泥浆密度均取水的密度为例计算而得），又由于井口已经有8～15m的套管被割去（使方钻杆能下入），因此Hmin可取270m。当H小于270m时，应使用现场测量法来获得Δλ1；当H大于270m时，应使用保留套管法进行计算。另外，倒扣圈数越少，Hmin取值越小，保留套管法的适用范围就越大，现场使用时可根据具体情况优选倒扣参数。

定点取换套技术确保实现后，在提高取换套施工效率方面主要有以下几点优势：①套铣管只需下到坐挂点即可，大大缩短了套铣深度和时间。②定点取换套本身可最大限度节约套管材料。③替浆时只需替出坐挂点以上井段的泥浆，大大缩短了替浆时间。④以上三点同时还减轻了现场施工人员的劳动强度。⑤设计取套深度附近存在拐点或处于复杂地层时，可使用套管对扣器并随封隔器一起丢手，可大大提高套管对扣成功率。

4 结论

1）套管加重法通过加重坐挂点以下套管，能有效避免从坐挂点以下倒开。

2）精确倒扣法能将中和点准确控制在设计取套换深度，提高倒扣成功率。

3）倒扣诊断法能在套管被倒开前进行有效判断，可避免倒扣失败，确保定点取换套成功。

4）确保定点取换套成功，可显著提高取换套的施工效率。

［1］张成江 .定点倒扣法取套技术研究与应用 ［J］.复杂油气藏，2010，3（4）：78～81.

［2］胡博仲 .油水井大修工艺技术 ［M］.北京：石油工业出版社，1998.

［3］冉津津，邱流湘，刘涛，等 .解卡打捞定点倒扣技术研究与应用 ［J］.石油天然气学报 （江汉石油学院学报），2013，35（6）：1～4.

［4］李钦道，张娟，邹波，等 .直井油管柱螺旋弯曲研究 ［J］.钻采工艺，2012，35（6）：61～66.

［5］吴奇 .井下作业工程师手册 ［M］.北京：石油工业出版社，2002.

［编辑］ 黄鹂

Taking Out and Replacing Casings by Using Efficient Fixed Point Technology in Henan Oilfield

RAN Jin-jin （Author' s Address：Downhole Operation Branch，Henan Petroleum Engineering Company，SINOPEC，Nanyang 474780，Henan，China）

When backoff method was used to take out and replace casing strings，because of its calculation was not accurate the depth of casing replacement was more than that of design.This not only wasted time，but also reduced the efficiency of the operation.Therefore the technology for fixed-point taking and replacing casing strings was studied.The casing strings were taken and replaced at fixed point through the methods of casing weigthing，accurate casing backoff and its diagnosis and the issue of elongation change in casing backoff diagnosis was discussed.The method that uses field measurement data and reserving a certain length of casing is proposed to solve problem of elongation change.In the casing replacement，the three methods can ensure a successful operation and obviously improve the operation efficiency，it is valuable for application.

taking out and replacing casing；casing；backoff；elongation；neutral point

TE283

A

1000-9752（2014）04-0098-05

2013-09-24

冉津津 （1986-），男，2011年西南石油大学毕业，工程师，从事油井大修技术研究工作。