水平井专用多功能套管鞋的研制与应用

郭 宇

(中石油长城钻探工程技术研究院)

水平井的突出特点是井眼穿过油层的长度长，可有效增大油气层的裸露面积，从而使油井的单井产量高，实现少井高产，增加可采储量，提高油藏最终采收率和油田开发经济效益，是油田开发的热点技术之一[1]。随着水平井、大位移井在国内外的广泛应用，水平井、大位移井的位移量在不断增大，简单的裸眼完井已不能满足工程需要[2]。与直井相比，水平井固井主要面临套管柱下入困难、水泥浆顶替效率差、管柱居中度低等不利因素，导致其固井成功率低且费用高[3]。目前国内通常采用的解决方法是在水平段加入一定数量的不同类型的刚性扶正器[4]和液压式扶正器[5]或者采用漂浮下套管技术[6]等。但是这些技术措施功能单一，效果有限，有时甚至会互相矛盾，如刚性扶正器和液压式扶正器在水平段使用的主要目的是改善套管居中效果，提高顶替效率，但是如果使用数量过多则会增加套管串下入难度[7]，而漂浮下套管也仅仅是对套管串的下入起作用，对提高环空顶替效率没有意义。

另外，水平井固井中使用的常规套管鞋也存在一定的弊端：①由于水平段套管串严重贴向井壁下端导致半球圆弧状引导头与井壁之间接触摩擦力成倍增加，因此常规套管鞋的引导功能失效；②由于常规套管鞋浮箍短节的密封接触面都是完全暴露在流体冲蚀之中的，从而导致单流阀失效率极高。

因此，为了更全面化地解决水平井固井中出现的问题，长城钻探工程院技术人员从水平井下套管、注替效率、碰压关井三个方面入手展开研究，研制出了一套能够显著改善水平井固井质量的多功能套管鞋。该工具有益于注水泥前套管串的下入、注水泥中注替效率的提高和注水泥后碰压关井的可靠。

图1 水平井专用多功能套管鞋结构图

1滑套 2固定座 3凡尔座 4凡尔杆 5分流底座 6分流板 7旋转叶片 8集成电机 9承托底座 10固定套 11偏心旋转头

一、多功能套管鞋的结构原理

如图1所示，水平井专用多功能套管鞋主要由三大模块构成：自旋转下套管模块、旋流振动固井模块和碰压关井模块。其中自旋转下套管模块主要利用偏心旋转头在受力不均下可以自由旋转的工作原理引导套管柱顺利下入；旋流振动固井模块利用压力波的周期变化产生振动波的工作原理来提高水平段的顶替效率；而碰压关井模块则是利用滑套原理来实现碰压后套管的硬关井。该工具的主要技术参数及技术指标见表1、表2。下面分别就该工具的各个模块的结构原理做具体说明。

表1 水平井专用多功能套管鞋的主要参数

表2 水平井专用多功能套管鞋的主要技术指标

1. 自旋转下套管模块

自旋转下套管模块主要由偏心旋转头和固定套等组成。其中偏心旋转头可以自由旋转，由于其特殊偏心角的设计可以实现其遇阻时受力的不均衡性，进而在阻力的反作用下发生旋转作用，以最适宜的角度越过障碍物。该偏心旋转头由特殊复合材料制成，能够有效地保证其强度和韧度，同时降低其与固定套之间的旋转阻力，确保其顺利穿越障碍物。

2. 旋流振动固井模块

旋流振动固井模块主要由分流板、旋转叶片、集成电机和承托底座等组成。其中旋转叶片在集成电机的带动下做一定周期的旋转运动，一方面给管内液体增加一定的动能，并形成旋流效应，通过壳体上的循环孔进入管外。另一方面，随着旋转叶片的运动，分流板会产生周期性压力波，引起管柱径向振动，从而提高顶替效率，避免微间隙的产生。

3. 碰压关井模块

碰压关井模块主要由滑套、固定座、凡尔座、凡尔杆和分流底座等组成。其中凡尔座、凡尔杆和分流底座主要用来实现反向截流和正向引流的功能，防止流体倒返。而滑套和固定座主要用于碰压关井，当固井胶塞下行至滑套上端面时产生碰压，推动滑套下行关闭固定座上的循环孔实现井底永久性关井。

二、多功能套管鞋的技术特点

1. 引导头自旋转技术有助于水平井套管顺利下入

套管柱的下入主要靠管柱自重的下放和套管鞋的引导。然而，水平井由于其特殊的井眼轨迹，在下套管过程中，套管对井壁的侧压力很大，从而大大增加了下套管摩擦阻力。一旦管柱在下入过程中遇阻，常规套管鞋的引导作用就失效了，无法继续下入管柱[8]。若水平井套管鞋使用多功能套管鞋的话，在管柱下入至造斜段和水平段时，偏心旋转头会随着其所受阻力的合力方向持续旋转并引导管柱穿越高阻力区继续深入井底。

2.振动固井技术有助于提高水平井注水泥顶替效率

提高注水泥顶替效率的最好方法是活动套管和紊流顶替。然而，在实际施工中活动套管因种种困难难以实施。对于水平井更是如此，特别是水平段的管柱在自重作业下形成宽边和窄边，循环泥浆、注水泥和替浆时窄边处的钻井液不能参与进来，这样水平段的固井质量就很难提高[9]。若水平井套管鞋使用多功能套管鞋的话，所有管内流体在循环出管外之前都会在套管鞋处形成振动产生波。波可以把能量作用于介质中，破坏介质的颗粒间以及分子间的结构，改变其原有的物理及化学性能，干预一些反应过程。这样一来，窄边处的钻井液就会被较完全的顶替出去。特别是结合旋流发生器或者旋流刚性扶正器的使用，多功能套管鞋可以显著提高水平段注水泥顶替效率，提高固井质量。

3.滑套技术有助于确保水平井固井关井成功率

水平井注水泥结束后，管柱底部的浮箍浮鞋必须密封可靠，确保井底关闭彻底。然而，据现场反馈，每年有一定数量的井因使用普通的弹簧式浮箍浮鞋常常因其密封不严造成水平段水泥塞过长及水平段封固质量差，对水平井固井质量造成较大的不良影响，特别是后期还需要组织小油管、磨鞋、小螺杆等工具钻塞，耗费大量人力物力，造成资源浪费[10]。若水平井套管鞋使用多功能套管鞋的话，碰压之后套管鞋内部的滑套随之下行就可以彻底关闭井底，防止水泥倒返。因为多功能套管鞋碰压关井采用的是滑套原理，起密封作用的部件不参与到流体循环之中，可以很大程度上避免循环流体对密封部件的冲蚀损坏(浮箍浮鞋密封失效的主要原因)，因此，滑套下行后多功能套管鞋就可以实现水平井固井过程中硬关井，彻底避免留水泥塞影响后期作业。

三、多功能套管鞋的使用方法

在现场应用时，多功能套管鞋的安装和操作按照以下步骤进行：

(1)将该工具联接至套管串底部。

(2)在套管串进入斜井段或水平段时，减缓下放速度。

(3)若发生管串遇阻，可以试上提起管串1～2 m，然后继续下入。

(4)在下入过程中若再次遇到障碍物，可以重复按照(3)来操作。

(5)将管串下入至预定位置后，开泵小排量顶通。

(6)循环两周，管内泥浆经工具处获得振动波旋流至环空。

(7)注水泥，水泥浆经工具处获得振动波旋流至环空。

(8)替浆，工具流道在开合之间产生压力波使得管串径向振动，提高顶替效率。

(9)投胶塞。

(10)胶塞下行至工具上端面碰压，剪断关闭套销钉，滑套下行实现硬关井，防止水泥浆倒返。

四、多功能套管鞋的现场应用

2015年以来，水平井专用多功能套管鞋累计在辽河油田、长庆油田和大庆油田应用了百余口水平井，工具可靠性达到了100%，特别是对于水平段套管的旋转下入、振动旋流提高水平段顶替效率以及碰压后彻底关井防止水泥浆倒返等方面有显著效果，有效地解决了水平井套管难以下入、水平段固井质量差和水平井固井留塞影响后期作业等问题，保证了水平井作业的高效实施。

沈268井是辽河油田分公司的一口开发水平井。该井设计井深3 941 m，完钻井深3 913 m，套管下深3 910.69 m，设计阻位3 902.62 m。该井采用多功能套管鞋实现可旋转下套管，下套管完成后循环排量1.8 m3/min，泵压为7.5 MPa。施工按正常程序注入水泥浆120 m3，清水顶替过程中压力由0 MPa上升至10 MPa。碰压后继续打压使压力由10 MPa上升至13 MPa，确保多功能套管鞋内部的滑套下行关闭井底，稳压后压力未降，放回水断流。固井后测井结果显示人工井底为3 902 m，说明碰压后井底关井可靠，同时防止了水平段注水泥后水泥浆倒流引起窜槽和微间隙。如表3所示为沈268井固井质量评价结果，该结果表明该井水平段封固质量为优质，这也充分证明了多功能套管鞋的振动固井模块在提高水平段顶替效率提高固井质量方面效果显著。

表3 沈268井固井质量评价结果

五、结论

(1)水平井专用多功能套管鞋由自旋转下套管模块、旋流振动固井模块和碰压关井模块构成，其中自旋转下套管模块用于解决水平井完井注水泥前的套管柱难以下入的问题，旋流振动固井模块用于解决水平井注水泥中的水平段顶替效率低，固井质量差的问题，而碰压关井模块用于解决水平井注水泥后的碰压关井问题。

(2)水平井专用多功能套管鞋应用于百余口水平井中，试验成功率100%，有效地解决了水平井套管难以下入、水平段固井质量差和水平井固井留塞影响后期作业等问题，保证了水平井作业的高效实施。充分说明该工具结构稳定、性能可靠，具有良好的推广应用前景。

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