筛管液压丢手装置的研制与应用

孙文俊　侯乃贺　李富平　李建业

（中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州　253005）

筛管液压丢手装置的研制与应用

孙文俊侯乃贺李富平李建业

（中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州253005）

长北气田采用双分支水平井技术配合裸眼完井进行天然气开发，为预防钻遇泥岩层和煤层坍塌的问题，在水平裸眼段内下入预钻孔筛管以支撑井壁。由于井眼环境复杂，长北气田的水平井作业存在着长筛管下入困难、短筛管重量轻不易顺利丢手、常规丢手工具遇阻时无法旋转解阻、常规球座施工后需另外下钻钻除等技术难题。研制了筛管液压丢手装置，该装置具备旋转功能，允许筛管串在下入过程中采取旋转的方式通过阻点；具有两种丢手方式，既可通过液压方式丢手，也可通过机械方式丢手；设计了可提出式球座机构，在施工后可随着送入工具整体提出，无需下钻钻除。该筛管液压丢手装置通过了一系列地面性能实验，并在长北气田CB23-2井和CB23-3井两口水平分支井进行了应用，完成了4趟筛管下入作业，成功解决了现场难题。

液压丢手；可提出式球座；裸眼完井；预钻孔筛管；长北气田

长北气田位于陕西省榆林北部和内蒙古自治区境内，是中国石油与壳牌公司合作的大型石油天然气开发项目，多采用双分支水平井技术配合裸眼完井进行天然气开采。由于长北气田地下煤层丰富，在长裸眼水平井钻进过程中经常钻遇煤层或泥岩层，存在缩径和井壁不稳定等潜在风险。现场一般采用在易坍塌裸眼井段下入预钻孔筛管的方法来实现对井壁的支撑。但长北气田由于水平裸眼段存在泥岩层或煤层，极易造成长筛管串下入困难，因此要求丢手装置具备旋转功能；设计的筛管串长度出于成本考虑，仅略长于易坍塌井段长度，往往只有100~300 m，容易出现丢手困难；常规球座在实现憋压后不能形成全通径，需另外下钻钻除；丢手位置在水平裸眼井段，井内岩屑及沉砂等介质易对丢手装置产生影响，造成无法正常丢手（常规机械丢手采用正转方式丢手，下入过程遇阻无法旋转［1-2］；常规液压丢手对井筒环境敏感，易发生提前丢手或无法丢手［3］）。通过对国内外丢手工具的调研，研发了筛管液压丢手装置［4-6］，实现了不同长度筛管串的送入和丢手作业。

1　筛管液压丢手装置

1.1设计要点

在筛管下入过程中，筛管液压丢手装置可采取旋转方式使筛管串通过遇阻点；具有液压和机械两种丢手方式，其中液压丢手作为首选丢手方式，机械丢手作为备用手段，提高丢手可靠性；具有可提出式球座结构，避免常规球座在施工后需另外下钻钻除的问题，缩短建井周期，节省作业成本；具备保护装置，防止在管串下入过程和循环过程中井内杂质进入丢手装置内部，影响丢手可靠性。

1.2装置结构

筛管液压丢手装置由液压丢手单元、保护单元和可提出式球座单元等三大部分组成。其中液压丢手单元由上接头、芯轴、扭矩套、锁定环、双面卡簧、花瓣套筒、液缸、液压丢手剪钉、机械丢手剪钉、下接头和扭矩接头等组成；保护单元由防砂帽和保护筒组成；可提出式球座单元由连接筒、球座外壳、球座和球座端环等组成，如图1所示。本装置的上接头与送入钻具相连，扭矩接头与筛管串相连。丢手后，保护筒和扭矩接头与筛管串留在井内，装置其余部分全部提出。除可提出式球座单元以外的其余提出部件统称为送入工具。

1.3工作原理

筛管液压丢手装置可实现筛管串下入过程中的旋转、液压丢手或机械丢手，并能在憋通球座后将可提出式球座单元整体与送入工具一起提出。

（1）下入过程旋转。下入过程中若出现管串遇阻，且通过上提下放无法通过遇阻点，可通过旋转钻具，带动上接头、扭矩套和扭矩接头间的扭矩齿进行扭矩传递，驱动与扭矩接头连接的尾管串进行旋转，从而减小管串下入摩阻或改变管串下入角度，以顺利通过遇阻点。

图1　筛管液压丢手装置

（2）液压丢手。钻具送入到位后，将钻具下压一定吨位，钻具带动上接头、扭矩套、芯轴及与芯轴连接的锁定环、液缸和下接头一起下行，从而完全压缩扭矩套与扭矩接头之间的轴向间隙，此时花瓣套筒的弹性爪在扭矩接头凹槽内下行至凹槽下端面。投憋压球并泵送到位，憋压球与球座配合，憋压，剪断液压丢手剪钉，液缸上行，推动花瓣套筒和双面卡簧上行，花瓣套筒的弹性爪从扭矩接头凹槽内脱出，实现丢手。液缸继续上行，双面卡簧与锁定环咬合，从而防止花瓣套筒的弹性爪再次进入扭矩接头凹槽内。

（3）机械丢手。若液压丢手不成功，则可采取机械丢手。通过反转钻具，剪断机械丢手剪钉，此时上接头和扭矩套间可相对运动。下压钻具，使上接头扭矩齿与扭矩套的扭矩槽接触；继续下压，完全压缩扭矩套与扭矩接头之间的轴向间隙，上接头带动芯轴、锁定环、液缸和下接头下行。此时下接头失去对花瓣套筒弹性爪的支撑，锁定环与双面卡簧咬合。上提钻具，上接头带动芯轴、锁定环、双面卡簧和花瓣套筒上行，将花瓣套筒的弹性爪从扭矩接头凹槽内拔出，从而实现丢手。

（4）丢手后球座提出。继续进行管内憋压，剪断球座剪钉，球座下行，并坐落在球座端环上。起钻时，可提出式球座单元与送入工具一起提出。丢手装置技术装置见表1。

表1　筛管液压丢手装置技术参数

2　室内性能实验

2.1实验装置

设计Ø127 mm钻杆扣打压接头、Ø88.9 mm油管扣堵头、Ø127 mm钻杆扣拉伸接头、Ø139.7 mm套管扣拉伸接头，选择拉伸实验机、电动试压泵、上扣机等实验装置。具体实验项目及实验设备见表2。

表2　实验项目及实验设备

2.2实验过程及指标

（1）整体密封性能实验。组装一套筛管液压丢手装置，将液压丢手剪钉更换成高压无法剪切的钢钉，卸下可提出式球座单元，用Ø127 mm钻杆扣打压接头连接该装置的上接头，用Ø88.9 mm油管扣堵头连接该装置连接筒下端的Ø88.9 mm油管扣。用电动试压泵连接Ø127 mm钻杆扣打压接头，打压30MPa，稳压15 min，压力不下降为合格。

（2）承载实验。重新组装一套筛管液压丢手装置，用Ø127 mm钻杆扣拉伸接头连接该装置的上接头，用Ø139.7 mm套管扣拉伸接头连接在该装置的扭矩接头，将两个拉伸接头分别固定在拉伸实验机的两端。最大拉伸力 1 000 kN，扭矩接头与送入工具无位移为合格。

（3）液压丢手实验。完成上一实验后，将液压丢手钢钉更换成铜质剪钉，将Ø139.7 mm套管扣拉伸接头连接在扭矩接头下端，将拉伸接头固定在拉伸实验机上。用电动试压泵打压至压力突降继而趋于稳定，记录此压力突降前最高压力数值，该值在11~12 MPa为合格。上提上接头，送入工具脱离扭矩接头为合格。

（4）球座剪切实验。完成上一实验后，卸掉Ø88.9 mm油管扣堵头，将Ø36 mm憋压球放入球座内，将可提出式球座单元连接到连接筒下端的Ø88.9mm油管扣。用电动试压泵打压至压力突然释放，记录最高压力值，该值在21~23 MPa为合格。

（5）机械丢手实验。完成上一实验后，卸掉连接在筛管液压丢手装置两端的拉伸接头，用上扣机的两个卡盘分别卡紧该装置的上接头和扭矩接头。将上扣机反转，进行机械丢手剪钉的剪切扭矩测定。记录扭矩突然释放前的最大数值，该值在2800~3200 N·m为合格。下压上接头后再上提，送入工具脱离扭矩接头为合格。

2.3实验结果

对筛管液压丢手装置进行整体密封实验，打压30 MPa，稳压15 min无压降，达到整体密封性能要求；对筛管液压丢手装置进行拉伸承载实验，成功拉伸至 1 000 kN，达到设计要求；对液压丢手功能进行实验，打压11.4 MPa液压丢手剪钉剪断，上提上接头，送入工具与扭矩接头成功脱离；对球座进行剪切实验，打压21.4 MPa球座剪钉剪断，达到设计要求；对机械丢手进行实验，反转扭矩2 982 N·m剪钉剪断，下压后再上提上接头，送入工具与扭矩接头成功脱离。

3　施工工艺

3.1前期准备

在进行管串下入施工前，使用原钻具进行通井作业。通井过程中，对于可能遇阻点进行反复划眼，确保井内无明显遇阻点，通井至井底后，充分循环清洗井眼。用原钻具通井过程中，需采用不同的转速进行井内的旋转扭矩测试，以对管串下入过程中的旋转扭矩进行预测和对比。测试位置分别为拟下入筛管串的井底位置和丢手位置，并分别记录旋转测试点的上提和下放悬重。

3.2管串下入

连接引鞋及筛管串。连接液压丢手装置时，先将上接头与送入钻具连接，再将扭矩接头下端与筛管串连接。连接好液压丢手装置后，在保护筒内灌满保护油，从而起到润滑部件和防止井内杂质进入装置内部的作用。工具连接完毕后进行称重，并进行循环顶通。筛管串送入过程中操作要平稳，并注意观察遇阻情况，如遇阻或多次上提、下放均无法顺利通过，则将管串提起一段距离后进行试旋转，并采用边旋转边下放的方式通过遇阻点，旋转过程中必须参考通井过程中的测试扭矩，严格控制旋转扭矩，避免对筛管产生破坏。

3.3丢手作业

管串送入到位后，顶替循环，顶通泵压不得大于6 MPa，循环时间10~20 min，循环后上下活动管串，测试悬重；如条件允许进行整体管串旋转，并记录旋转扭矩。保持液压丢手装置处于受压状态，投憋压球，并采用0.5~0.8 m3/min排量泵送，待憋压球到位后缓慢升压至13 MPa，并稳压2 min，卸压后缓慢上提钻具，观察是否完成丢手；同时在上提2 m后可进行试旋转，采用与丢手前相同的转速，对比丢手前后扭矩变化，判断是否完成丢手。如未丢手，再次使液压丢手装置处于受压状态，逐次提高2 MPa压力，重复液压丢手操作。

若液压丢手失效，可采用机械丢手。寻找液压丢手装置的中和点位置，反转管串，使反转扭矩达到4 000 N·m，上下小幅度活动管串使扭矩传递至机械丢手剪钉处，下放小段距离后上提管串，观察悬重变化情况，判断是否丢手。如未完成机械丢手，则逐渐增大并且反转扭矩。丢手完成后，继续开泵憋通球座。起钻，球座单元与送入工具一起提出，保证筛管内全通径，避免下钻钻除。

4　现场应用

2014年7月—11月，筛管液压丢手装置在长北气田CB23-2井和CB23-3井两口水平分支井进行了现场应用，在4个水平分支井眼内成功完成了4次Ø139.7 mm筛管串的下入及丢手作业，并创造了长北项目该规格筛管串最长1 491.95 m和最短124.83 m的下入及丢手记录，应用效果良好。具体应用情况见表3。

表3　长北气田筛管液压丢手装置应用情况

5　结论与建议

（1）长北气田CB23-2井和CB23-3井的4趟筛管下入作业的成功实施，证明筛管液压丢手装置能够有效实现不同长度筛管串在长裸眼水平段的送入、液压丢手和球座憋通后随送入工具的顺利起出。

（2）下入长筛管串时，由于井筒对管串摩擦力较大，可通过对比丢手前后的上提、下放悬重来进行丢手判断；下入短筛管串时，由于井筒对管串摩擦力较小，在对比丢手前后悬重的同时，还可对比旋转扭矩的变化来进行辅助判断。

（3）筛管液压丢手装置在CB23-2井使用时，筛管串长达1 491.95 m，由于筛管扣型为偏梯扣，抗扭能力不高，因此在丢手判断时没有测试旋转扭矩；若该井出现管串下入极其困难的情况，低抗扭扣型将严重制约工具的旋转解阻功能，建议在今后下入长筛管串时优先采用高抗扭扣型。

［1］张金龙，阮臣良，郭朝辉，等. 旋转尾管固井关键技术分析［J］. 石油机械，2011，39（5）：88-91．

［2］阮臣良，马兰荣，孙文俊. 国外旋转尾管悬挂器丢手工具分析 ［J］. 石油机械，2009，37（9）：166-168．

［3］李玉海．球挂式液压丢手工具研制［J］．石油矿场机械，2012，41（2）：71-73．

［4］HYATT C R, PARTIN M H . Liner rotation and proper planning improve primary cementing success ［J］.SPE 12607,1984.

［5］E:期刊20160915新建文件夹廖前华，于小龙，刘禹铭，等. 新型导向液压丢手工具的研制及应用［J］. 石油机械，2011，39（3）：45-46．

［6］赵峨松，陈娟琪. 小井眼筛管悬挂器的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2012，34（3）：119-120．

（修改稿收到日期2015-04-15）

〔编辑李春燕〕

Development and application of hydraulic releasing device for screen pipe

SUN Wenjun, HOU Naihe, LI Fuping, LI Jianye
（Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co. Ltd., SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering, Dezhou 253005, China）

Natural gas in Changbei Gasfield is developed using dual branch horizontal wells in cooperation with open hole completion. In order to prevent wellbore collapse when drilling mudstone layer and coal bed, the pre-bored screen pipe is run to the horizontal open hole section to support the wellbore side wall. Due to complexity of wellbore conditions, a number of technical difficulties have been met in horizontal well operations in Changbei Gasfield such as difficulties in running long screen pipe, that short screen pipe is too light to effect smooth release, that conventional release tools cannot be freed by rotation at tight hole, and that the conventional ball seat needs to be drilled out by tripping in separately, etc. A hydraulic releasing device for screen pipe has been developed, which has rotation function, allowing the screen pipe to pass the tight hole by rotating when it is run. There are two release methods: hydraulic releasing and mechanical release. The designed retrievable ball seat mechanism can be lifted out as a whole with the running tool after the job is finished and does not need to be drilled out. This hydraulic releasing device for screen pipe has passed a series of surface performance experiments and utilized in two horizontal branch wells CB23-2 and CB23-3 in Changbei Gasfield; four runs of screen pipe were conducted, which successfully addressed the field difficulties.

hydraulic releasing; retrievable ball seat; open hole completion; pre-bored screen pipe; Changbei Gasfield

TE931

B

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0118 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.027

中国石油化工股份有限公司2014年度科技部项目“双防旋转尾管悬挂器的研制”（编号：P14113）。

孙文俊，1982年生。2004年毕业于长江大学，现主要从事石油固完井工具的研发与技术服务工作。电话：0534-2670123。E-mail： swj@shelfoil.com。

引用格式：孙文俊，侯乃贺，李富平，等.筛管液压丢手装置的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（3）：118-121.