新型双合叶浮球式自灌浆浮箍设计及应用

毕雪亮，李 钢，王 鹏，逯广东，韩福伟

（1.东北石油大学，黑龙江 大庆163318；2.渤海钻探工程有限公司 第三钻井公司，天津300280）①

浮箍是套管串及固井过程的重要工具，要求结构和性能稳定，在保证固井工作质量中起着关键作用。浮箍安装在引鞋上，在下套管的过程中，常规非自灌浆浮箍的回压阀会关闭，管内的液柱处于真空状态；要使管内外的压力保持平衡，只能人工地向管内灌入泥浆，所以必须事先停止下套管作业。但在复杂井中，这种做法可能导致套管被卡等事故，费时且费力。为此，相关技术人员研制了各种自动灌浆浮箍。但在实际使用过程中，发现自动灌浆浮箍的结构和加工工艺比较复杂，且成本较高，因为浮箍的外壳内部镶有衬套等结构，所以浮箍的内径小于套管内径，导致泥浆通过时阻力大、流量小、浮箍重力比较大［1］。在注水泥后，反向回压的密封性能不可靠，容易造成水泥浆返回井内，水泥塞过高，外部环空不能完全封隔，严重影响固井质量。为改善这些情况，本文对自动灌浆浮箍的结构和工艺进行了改进。改进后的浮箍结构和加工工艺较简单，不需要镶入衬套，不仅降低了生产成本，也方便了现场使用，降低了工人的劳动强度，双阀盖合叶关闭时两道密封确保了套管内的钻井液不进入环形空间，同时使得水泥浆不能倒流至套管内，保证了固井质量。

1 结构

浮箍安装在引鞋以上1～2根套管的单根上，它的作用是在下套管过程中可掏空一定量的钻井液，在浮力的作用下，可使套管串悬浮，以便减轻套管串的重力［2］。另外，自灌浆浮箍可以缩短套管下入井内的时间，同时在固井注水泥时使套管外的水泥浆不会倒流入套管内，保证注水泥浆的质量。结构如图1所示［3］。其中，左右阀盖互相配合，可以阻止水泥浆倒流，达到反向密封作用。浮箍本身通过自动灌浆进行循环洗井，调整钻井液性能。固井后浮箍内部铝制承托环等结构具有良好的可钻性。

图1 双合叶浮球式自灌浆浮箍结构示意

2 工作原理

在下套管过程中，泥浆通过塑料挡管内部孔道进入套管内，进而完成自动灌浆，当套管下入井下指定位置时，向井内投入铜球，此时开泵循环泥浆，当铜球到达塑料挡管时，蹩压（压力表中压力有升高变化），塑料挡管蹩掉时，双阀盖合叶关闭（灌浆速度与塑料挡管内径有关，内径大则灌浆速度快，可根据实际情况改变塑料挡管大小）。该浮箍的一个作用是通过自动灌浆使得钻井液对套管的浮力减轻、阻力降低，套管内液柱压力与环空液柱压力互相平衡，从而使套管能够迅速地下入井下［4］；另一个作用是当浮箍左右两侧的双阀盖关闭时，能起到单流阀的作用，防止水泥浆倒流至套管内。

3 主要技术特点

1） 双合叶浮球式自灌浆浮箍采用既可自灌又能密封的原理，实现了浮箍在特殊井型时缩短套管的下入时间及形成良好的密封。

2） 该浮箍主要用于引导套管柱顺利入井，调整下套管时套管柱所受的浮力，在固井时准确控制套管内水泥塞高度，从而确保固井质量［5］。

3） 双合叶浮球式自灌浆浮箍采用左右阀末端及浮球充满氢气的方式来增加浮力，另外左右阀均装有弹簧，方便打开和关闭浮箍，打开时只需增加泵压，关闭时缓慢释放压力并由弹簧和浮球同时关闭浮箍。

4） 根据不同井型及井壁是否稳定，可调整浮箍内部的塑料挡管直径来控制自灌浆速度。

4 主要技术参数

双合叶浮球式自灌浆浮箍的主要技术参数如表1［6］。

表1 双合叶浮球式自灌浆浮箍主要技术参数

5 关键技术及制造难点

5.1 材料及螺纹的选择

该浮箍随固井工具组合连续在井下工作，工况相对恶劣，受力变化较大。依据该浮箍的使用和性能要求，对国内外同类浮箍的材料特性进行了系统的研究，提出了既要实现浮箍在井下的密封作用又要满足后续钻进时浮箍的可钻性，所以选择了浮箍外部本体为钢制材料，内部用水泥或铝填充，在使用前对其进行无损探伤检测，以确保各零部件的密封性能。针对特殊固井工具可以设计特殊锥螺纹或台肩螺纹与此连接，提高了螺纹的连接强度和零件的互换性。在特殊螺纹的加工及材料选择方面难度较大，主要考虑地层温度高或钻遇腐蚀性气体可能导致浮箍的失效。

5.2 左右阀盖及浮球结构

为确保密封的可靠性，采用特殊设计密封结构和材料，左阀盖及浮球大部分为铝制材料［7］，末端用氢气进行填充，左阀盖末端也使用氢气进行填充，主要是为了增加左右阀盖关闭后的浮力，使其密封可靠，能更好地阻止水泥浆倒灌至套管内。阀盖末端采用密封氢气的方式增加浮箍的浮力，对密封端的制造有一定难度，一定要密封好，否则将减弱使用效果。另外，在使用前要对其进行密封检测确保其密封性能良好。

6 使用方法

6.1 在钻具组合的安装位置

在固井作业中，浮箍在引鞋之上同时连接于套管，典型的套管串组合：引鞋＋套管鞋＋旋流短节＋浮箍＋短套管＋扶正器＋套管。浮箍连接在套管柱末端向上20～30m 处［8］。

6.2 操作方法

根据现场实际使用情况，正确安装浮箍，根据固井工艺技术组装好套管串，下入井内，控制合理下放速度，防止钻井液回流速度过大影响井壁稳定。操作步骤：

1） 按常规方法下放套管串，此时双合叶浮球式自灌浆浮箍通过自动灌浆功能够循环钻井液，调整钻井液性能同时加快下套管的速度。当套管继续下行至井眼指定部位时，将铜球投入套管内，铜球通过自重和循环钻井液的压力不断下行，当铜球下行至塑料挡管端口处时，会堵塞流动出口（端口）。

2） 继续加大泵压在套管内形成蹩压，当管内压力逐渐增大直至将塑料挡管蹩掉，浮箍内部左阀盖和右阀盖及左右阀盖弹簧由倾斜的初始状态到平行的关闭状态，即恢复到单流阀状态。

3） 准备注入水泥浆固井。水泥浆由套管内部注入至端口处，通过压力的作用使得左右阀盖打开，水泥浆通过浮箍由套管内流向套管外部的环形空间，水泥浆不断上升至工程要求的指定位置，碰压，水泥浆注入完毕，套管外部的环形空间压力高于套管内压力，促使浮箍内左右阀盖再次回到关闭状态，将套管内与套管外封隔，水泥浆只能停留在套管外的环形空间，不能倒流至套管内部。此时固井结束，等待水泥浆的候凝。

7 现场应用

双合叶浮球式自灌浆浮箍在吉林油田现场推广使用。该井为预探水平井，应用最大井深3 280.33 m，最大井斜83°。经应用证明，该浮箍在下套管中途循环钻井液不影响自动灌浆性能，同时在固井结束后密封效果良好，耐腐蚀性强，套管内无水泥浆侵入，保证了水泥浆在候凝时完全充满环空。

8 结论

1） 双合叶浮球式自灌浆浮箍可用于直井、水平井、定向井、套管开窗侧钻井等多种钻井、固井作业，使用范围较广。

2） 该浮箍在下放套管时可以自灌浆，减轻了钻井液对套管的浮力，减少了套管下入过程中井眼环空泥浆上返速度，并减少了套管在下放时卡钻的几率，实现了下套管的连续施工，利于井壁稳定。配合固井工具的使用，易安装易钻取，使用安全可靠。

3） 此浮箍主要应用于固井，同时也可应用于钻井中，能够减少压力波动，防止井漏发生［9］。

4） 自灌浆浮箍降低了井队人员的劳动强度，节省了下套管的时间，提高了固井质量，降低了钻井的直接成本。

［1］应保庆.自动灌浮箍现场应用及评价［J］.石油钻探技术，1996，24（2）：1－32.

［2］杭忠俊，顾业成.浮球式自灌钻井液浮箍［J］.石油矿场机械，1994，23（6）：19－22.

［3］张明昌.固井工艺技术［M］.北京：中国石化出版社，2007：33－35.

［4］袁进平，蔡俊林，庄晓谦等.新型固井工具研制［J］.石油钻采工艺，2002，25（2）：67－68.

［5］刘运楼，李福德，刘伟.浮箍井下工作环境与失效分析［J］.天然气工业，2006，26（12）：94－96.

［6］赵金洲，张桂林.钻井工程技术手册：固井［M］.北京：中国石化出版社，2005：658－660.

［7］姜向东，朱和明，孙文俊.易钻浮箍浮鞋的研制及应用［J］.石油钻采工艺，2012，34（5）：107－109.

［8］陈平.钻井与完井工程［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［9］张世文.自动灌浆浮箍浮鞋设计［J］.科技信息，2009（23）：43－44.