大位移水平井下套管漂浮接箍安放位置優(yōu)化分析李維;李黔【摘要】大位移水平井由于水平段長、垂深淺、水垂比大、套管加壓能力有限，易因為粘卡造成套管不能順利下到位，給固井作業(yè)帶來了困難.預測了大位移水平井采用常規(guī)下套管工藝的摩阻載荷，分析了漂浮下套管的技術原理與優(yōu)勢，計算了漂浮接箍安放在井深不同位置處的摩阻載荷，對摩阻載荷隨井深的變化趨勢進行了分析，結(jié)果表明，運用漂浮下套管技術能夠保證大位移水平井套管的安全下入，漂浮接箍的初始安放位置選擇在臨界阻力角處，且經(jīng)過優(yōu)化分析，當漂浮接箍安放在最優(yōu)化井深處時,摩阻載荷最小，漂浮下套管的技術優(yōu)勢得到了最大程度的發(fā)揮.【期刊名稱】《石油鉆探技術》【年(卷)，期】2009(037)003【總頁數(shù)】4頁(P53-56)【關鍵詞】下套管;漂浮接箍;水平井;摩擦【作者】李維;李黔【作者單位】西南石油大學，石油工程學院，四川，成都,610500;西南石油大學，石油工程學院，四川，成都,610500【正文語種】中文【中圖分類】TE256+.2自水平井和大位移井問世以來，如何保證水平井、大位移井尤其是大位移水平井套管的安全下入，一直是固井科研人員研究的熱門課題。漂浮下套管技術是解決這一問題最為有效的方法之一[1]。該技術通過在套管串結(jié)構(gòu)中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍與套管鞋中間套管內(nèi)封閉的空氣或低密度鉆井液的浮力作用，來減小套管下入過程中井壁對套管的摩阻，以達到套管安全下入的目的。但對于漂浮接箍在套管串結(jié)構(gòu)中安放位置的研究和分析，尤其是如何安放漂浮接箍，才能最大限度地發(fā)揮漂浮下套管技術的優(yōu)勢，國內(nèi)外研究甚少。因此，優(yōu)化分析漂浮接箍的安放位置，對于運用漂浮下套管技術解決長水平段水平井套管下入的問題，有著重要的實際意義。1基本數(shù)據(jù)某大位移水平井的井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。三開采用中241.3mm鉆頭鉆至井深1927.62m，中177.8mm油層套管下至井深1924.00m處，水泥返至地面。圖1大位移水平井井身結(jié)構(gòu)大位移水平井井眼軌道參數(shù)見表1。水平段長度達到1153.23m，而最大垂深僅為598.00m,造斜段井眼狗腿度最大達到20°/100m,水平段較長。因此，在油層套管下入過程中，由于水平段較長以及井眼粘卡等井眼條件所帶來的高摩阻造成油層套管下入困難，能否安全下入到位決定了完井作業(yè)的成敗。圖2所示為該大位移水平井采用常規(guī)工藝下套管的井口載荷分布規(guī)律。從圖2可看出，隨著套管下入深度的增加，井口載荷先增大后減??；在井深650m處，井口載荷達到最大，隨著套管的進一步下入，井口載荷隨之減小，并基本呈線性遞減變化規(guī)律；在套管下至井深1269m處時，井口載荷為0，此時，利用套管自重下入達到極限，再向井眼深處下入套管出現(xiàn)困難，此時需要額外的井口加壓裝置來輔助套管下至預定井深，并且隨著下入深度的增加，需要加壓裝置提供的下壓力增大，要使套管下至設計井深1924m處，需要井口加壓裝置提供203.76kN的軸向載荷。表1大位移水平井軌道參數(shù)井深/m井斜/(°)方位/(°)垂深/m水平位移/m南北/m東西/m狗腿度/(°)-(100m)-1工具面/(°)000000000310.810180310.8100000697.2677.29180590.27223.45-223.450200774.3991.17180598.0030000-3000001801897.6291.1718057500142300-1423000001927.6291.17180574.391452.99-1452.99000圖2常規(guī)下套管工藝井口載荷預測通過計算分析可知，筆者所述大位移水平井采用常規(guī)下套管工藝無法順利將套管下至設計井深，需要額外的井口加壓裝置才能保證套管順利下到位，而目前采用井口加壓裝置下套管技術工序復雜，進度慢，且成本較高，因此需要新的下套管工藝技術來滿足這一亟需改變的現(xiàn)狀。國內(nèi)外在大量研究和試驗的基礎上認為：漂浮下套管技術是目前解決大位移水平井下套管困難最為有效的方法之一。2漂浮接箍初始安放位置計算漂浮下套管的核心問題是漂浮接箍的選擇以及漂浮長度的確定。目前，不同公司生產(chǎn)的套管漂浮組件，其工作原理因內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同而有所不同。漂浮長度的確定主要依據(jù)井眼軌跡、鉆井液體系和性能、井眼質(zhì)量(集中反映為套管和裸眼之間的摩擦系數(shù))等因素來確定［1］。漂浮下套管的管串結(jié)構(gòu)為：引鞋+短套管1根+套管1根+浮箍+套管串+漂浮接箍+套管串。其中：在引鞋后加入1根短套管主要是為了確保套管〃抬頭”，降低大位移水平井下套管摩阻，漂浮接箍以下套管內(nèi)封閉空氣，使水平段的套管盡可能輕，垂直段的套管盡可能重，使套管柱在鉆井液中處于“漂浮”狀態(tài)，因而減小了其下入阻力。在確定漂浮下套管管串結(jié)構(gòu)后，需要計算漂浮接箍的安放位置，使漂浮下套管時的摩阻最小，在確定漂浮下套管時漂浮接箍的安放位置時，采用試算法來進行優(yōu)化分析。而比較準確的選擇漂浮接箍的初始安放位置，能夠大大簡化漂浮接箍安放位置優(yōu)化分析的工作量。在大位移水平井下套管過程中，垂直井段套管可以依靠自身重力克服井壁的不規(guī)則和井眼形狀改變所帶來的摩阻載荷，當套管進入造斜井段后，由于套管自身的剛度以及和井壁的摩擦，套管受到摩阻力的作用，向下運動的趨勢減弱，在臨界阻力角處，套管處于平衡狀態(tài)，此時套管再往井眼深處下放，需要外界力的作用。漂浮接箍安放位置初始計算點就選擇在大位移水平井臨界阻力角處。根據(jù)式(1)，在臨界阻力角處，套管單元在井內(nèi)只受重力和阻力作用，具有不再向下滑動的趨勢；根據(jù)式(2)，臨界阻力角僅為井內(nèi)套管與井壁摩擦系數(shù)的函數(shù)［3］。因此，在進行漂浮下套管漂浮接箍安放位置優(yōu)化分析時，將井眼內(nèi)該處作為初始計算點。Wcos0c=pWsin0c(1)0c=tan-1(1/p)(2)式中，W為套管自重，N；ec為臨界阻力角,(°)外為套管與井壁的摩擦系數(shù)。根據(jù)筆者所述大位移水平井的實際井眼情況，通過計算其臨界阻力角，選擇井深664m作為漂浮接箍安放位置的初始計算點。3漂浮接箍安放位置優(yōu)化分析3.1漂浮接箍安放在井深664m漂浮接箍初始安放位置選擇在井深664m時，漂浮下套管過程中井口載荷隨井深的變化趨勢如圖3所示。隨著套管下入深度的增加，套管在直井段時，主要受套管自重的影響，井口載荷增大。當套管進入造斜井段時，彎曲井眼所帶來的摩阻將使井口載荷減小，此時套管下入變得越來越困難，但由于運用了漂浮下套管技術，即使在井口載荷最小時，仍然大于0,套管依然可以依靠自重順利下入。當漂浮套管段進入水平段后，由于套管柱內(nèi)部封閉空氣，因而受鉆井液浮力作用，摩阻降低，井口載荷隨之增大，并且漂浮套管柱進入水平段長度的增加，其漂浮作用更加明顯，井口載荷也顯著增大。當漂浮套管段全部進入水平段時，井口載荷達到最大。此后，隨著套管柱的進一步下入，漂浮接箍上部套管柱由于灌注鉆井液，造斜段的摩阻增大，因此，井口載荷略有減小。圖3漂浮接箍在井深664m時井口載荷隨井深的變化從整個漂浮下套管過程中井口載荷隨套管下入深度的變化趨勢可以看出，運用漂浮下套管技術可以明顯改變常規(guī)下套管工藝不能將套管下到位的困難，但將漂浮接箍安放在井深664m處時，整個漂浮下套管過程井口載荷最低僅為1.94kN，安全系數(shù)較低，如果遇到井底復雜情況，有可能導致下入困難，因此需要優(yōu)化漂浮接箍的安放位置。3.2漂浮接箍安放在井深774m漂浮接箍安放在井深774m處時，漂浮下套管過程井口載荷隨井深的變化趨勢與漂浮接箍安放在井深664m處時相同，只是隨著安放位置的下移，進入水平段井眼沒有封閉空氣段的套管柱長度增加，因此在套管漂浮下入后期，井眼對套管柱的粘卡效應增強，摩阻載荷增加，井口載荷下降趨勢更明顯（如圖4所示），但從整個漂浮下套管過程井口載荷的變化趨勢可以看出，井口載荷的最低值卻提高到10kN，與漂浮接箍安放在井深664m處相比，井口載荷余量更大，對于套管的安全下入更為有利。圖4漂浮接箍在井深774m時井口載荷隨井深的變化3.3漂浮接箍安放在井深884m當漂浮浮箍安放在井深884m處時，漂浮下套管過程井口載荷隨井深的變化趨勢與漂浮接箍安放在井深664和774m兩個位置處相同，隨著漂浮接箍安放位置的再次下移，進入水平井段未封閉空氣套管柱的長度增加，在套管漂浮下入后期，摩阻也相應增大，井口載荷進一步降低（如圖5所示），但整個漂浮下套管過程中井口載荷的最低值卻提高到20kN，與漂浮接箍安放在井深664和774m處相比，井口載荷余量更大，更有利于套管的順利下入，漂浮下套管的技術優(yōu)勢也得到進一步發(fā)揮。圖5漂浮接箍在井深884m時井口載荷隨井深的變化3.4漂浮接箍安放在井深984m當漂浮接箍的安放位置再次下移到井深984m處時，雖然井口載荷隨井深的變化趨勢與漂浮接箍安放在管串結(jié)構(gòu)上部三個位置相同，但由于安放位置過于靠近套管鞋，未漂浮套管柱進入水平段的長度過長，導致最后下入過程的摩阻載荷太大，因此，整個漂浮下套管過程的井口載荷最低值降至1.11kN（如圖6所示），與漂浮接箍安放在井深664、774和884m三個位置相比，不利于套管的安全下入，也不利于漂浮下套管技術的優(yōu)勢發(fā)揮，因此需要重新選擇漂浮接箍的安放位置，并與已計算結(jié)果進行比較、分析，以發(fā)揮漂浮下套管的技術優(yōu)勢，確保套管順利下入。圖5漂浮接箍在井深984m時井口載荷隨井深的變化從漂浮接箍安放在套管串結(jié)構(gòu)不同位置處的計算結(jié)果與分析可知，漂浮接箍安放位置的優(yōu)化分析是非常必要的，對于套管柱的安全下入與漂浮下套管技術優(yōu)勢的最大限度發(fā)揮有著重要的指導意義。4結(jié)論1）大位移水平井由于水平段長、垂深淺、套管下入過程中摩阻力大，應用常規(guī)下套管工藝往往不能將套管下到位，漂浮下套管技術可以解決這一技術難題。2）漂浮接箍安放位置的不同使應用漂浮下套管技術下入套管的難易程度不同，在臨界阻力角處，套管處于平衡狀態(tài)，漂浮接箍安放位置初始計算點選擇在臨界阻力角處。3）通過試算優(yōu)化分析漂浮接箍的安放位置，使漂浮下套管過程中的摩阻最小，漂浮下套管技術發(fā)