浅析漂浮下套管技术在大位移井中的应用

罗健，刘传世，王晓强，焦永丰，贾墨

（1.中国石油技术开发有限公司，北京 100028；2.德州大陆架石油工程技术有限公司，山东 德州 253074；3.中国石油国际事业有限公司，北京 100033）

石油作为当今世界主要能源和基础原材料之一，是国家工业发展的血液。采用大位移钻井技术开发近海油田，可以使用陆地常规钻井设备和井口装置，避免使用复杂昂贵的海上钻井平台、人工岛或者海底井口装置等设备，同时与海洋环保相比更容易满足环保要求。大位移井由于井眼水平位移大，下套管时套管与井壁摩擦阻力大，下套管施工难度大。使用漂浮下套管技术能有效降低套管与井壁摩擦阻力，有助于解决大位移井套管难以下入的困难。

1 套管在大位移井中受力分析

大位移井指水平位移与垂直井深比≥2，且水平位移超过3000m的油井。在进行大位移井中套管受力分析时，本文假设套管串不旋转、只有沿井眼方向的轴向运动，井眼内壁与套管外壁完全接触、且二者为滑动摩擦，忽略套管接箍刮削井壁、钻屑及井壁坍塌等造成的机械损失（图1）。

图1 大位移井中套管串示意图

采用常规下套管方法时，通常每下入10～15根套管灌一次钻井液，或者当井口大钩悬重接近零、套管串无法继续下行时，再往套管里灌满钻井液推动套管继续下行。

在垂直段，套管受到自身和套管内钻井液向下的重力、井口大钩向上拉力、井眼内钻井液对套管的浮力，当套管受到向上力的合力小于向下力的合力时，套管沿井眼下行；在造斜段，套管在上部套管及钻井液重力等合力的作用下，受井眼轨迹限制发生弯曲，套管对井眼内壁产生正向压力及摩擦力，当套管受到的摩擦力小于其受到的推力时，套管继续下行；在稳斜段或者水平段，井眼垂深随井眼轨迹长度的变化增加幅度减小，套管和套管内钻井液的重力对推动套管前行的力随井深增加幅度减小，同时因该段井眼轴线与水平方向夹角小，在套管及钻井液自身重力的作用下，套管外表面与井眼内壁产生摩擦力随着套管下入长度的增加而不断增大，套管继续下行的困难越来越大。

对于大位移井，套管在稳斜段或者水平段受到的摩擦力对套管顺利下入井眼底部有重要影响，有效降低该段套管在下放过程中受到的井壁摩擦力，对套管顺利下入井眼底部有重要意义。

2 漂浮下套管技术工作原理

通过在套管中串联漂浮接箍，使漂浮接箍上、下套管形成临时隔断。漂浮接箍至底部浮鞋段的管串中不灌注液体或者灌注低密度液体，降低漂浮接箍以下套管串对井眼下部的压力或者使其处于漂浮状态，进而降低该段套管下入过程中受到的井壁摩擦力，降低下套管作业的难度；漂浮接箍上部套管串中正常灌注泥浆或者加重泥浆，增加套管柱的重量，以便增加套管串的轴向推力（图2）。

图2 漂浮下套管施工方案示意图

套管串下入预定井深后，小排量开泵缓慢提升泥浆输出压力，当泥浆输出压力与漂浮接箍上部净液柱的压力之和大于漂浮接箍设定打开压力时，漂浮接箍上滑套销钉剪断，上滑套在泥浆压力作用下下移，循环孔打开，泥浆进入漂浮接箍下部套管串顶替空气或者低密度液体，泥浆输出压力骤降；间歇灌注泥浆，直至泥浆灌满漂浮接箍下部套管串，缓慢建立泥浆循环，待泥浆性能满足固井施工后开始固井作业（图3）。

图3 漂浮接箍结构图

固井作业结束后，投入碰压胶塞顶替水泥浆，碰压胶塞下落到漂浮接箍上滑套后，逐渐增加钻井液压力直至下滑套销钉剪断，胶塞与上下滑套一起下移到井底，完成固井。漂浮接箍上滑套销钉的剪切力通常远大于下滑套销钉的剪切力，当上滑套的销钉剪断瞬间，上滑套在巨大的压力作用下会产生巨大冲击力，该冲击力有时会将下滑套销钉一起剪断，这种情况下投入碰压胶塞后，碰压胶塞通过漂浮接箍时将不会发生剪切下滑套销钉过程，胶塞将在井底与漂浮接箍滑套接触并产生碰压，完成固井。

下套管施工作业过程中，因为操作不当或者遇阻等原因，使套管串下放速度突然急速降低或者骤停，漂浮接箍上部钻井液因加速度的急剧变化，会对漂浮接箍本体产生瞬时动载荷，如果瞬时动载荷较大，且动载荷与漂浮接箍上部套管串中钻井液对漂浮接箍的压力之和大于漂浮接箍的打开压力时，漂浮接箍将提前打开，因此漂浮下套管作业过程中，要严格控制套管下放速度，充分考虑钻井液动载荷对漂浮接箍的影响。

3 漂浮接箍安装位置的优化

如果漂浮接箍安装位置距离套管底部距离较近，套管漂浮段距离短，对减小下套管过程中的摩擦阻力不明显；如果漂浮接箍安装位置距离套管底部较远，漂浮段距离长，在井眼垂直段和造斜段套管受到的推动套管下行的力较小，当套管下入井眼过程中受到的阻力增大到一定数值时，套管无法继续下入。优化漂浮接箍在套管串中的安装位置，可以降低下套管过程中摩擦阻力，缩短下套管时间。

漂浮接箍安装位置初始计算点选择在大位移井临界阻力角处，临界阻力角的计算公式如下：

式中：cθ为临界阻力角，°；μ为套管与井壁之间的摩擦系数。

根据井眼轨迹，寻找井斜角与临界阻力角接近的位置作为漂浮接箍在套管串上的初始安装位置，设初始安装位置井深为L，然后以某一长度ΔL为步长，通过LANDMARK软件计算漂浮接箍安放在井深L±ΔL×i（i=0,1,2,3,…）位置处井口大钩的载荷F，并根据计算结果，绘制井口大钩载荷F与漂浮接箍安放位置L±ΔL×i（i=0,1,2,3,…）的关系曲线。根据经验，当井口大钩的悬重大于静止载荷的30%时，套管可以顺利下入井眼。下套管作业时，要结合井口大钩载荷与漂浮接箍安放位置关系曲线的计算结果、现场施工经验、节约材料、缩短施工时间等因素，综合确定漂浮接箍的最终安装位置。

4 结语

本文通过套管在大位移井中受力分析和漂浮下套管技术工作原理的阐述，说明漂浮下套管技术可以有效降低大位移井下套管的摩擦阻力，减少下套管过程中遇阻遇卡等情况的发生，同时进一步提出漂浮接箍安装位置的优化方法，对大位移井下套管作业有重要实用价值。