超深井超深井尾管懸掛器技術綜述

超深井超深井尾管懸掛器技術綜述

尾管懸浮液作為鉆頭的重要工具，受到了鉆井行業(yè)的高度重視。近幾年,隨著以美國BAKER-HUGHES、WEATHERFORD、TIW公司為代表的研發(fā)者相繼推出集旋轉(zhuǎn)、液壓丟手、多塞、管外封隔于一體的多功能組合式尾管懸掛器和新型可膨脹式尾管懸掛器,把尾管懸掛器技術推向新的階段。國內(nèi)自上世紀七十年代開始研制尾管懸掛器,經(jīng)過幾十年的努力,尾管懸掛器技術日趨成熟。伴隨著深井、超深井鉆井不斷增多,尾管懸掛器自主研發(fā)得到了空前的發(fā)展,技術水平不斷提高,規(guī)格類型不斷推陳出新,為國內(nèi)的石油勘探開發(fā)事業(yè)做出了積極貢獻。當前,國內(nèi)深井超深井鉆井方興未艾,要使尾管懸掛器適應深井超深井鉆井常常遇到的特殊的井身結(jié)構以及大位移井、小環(huán)空間隙井、有腐蝕介質(zhì)井、高壓氣井、高溫井等復雜的井下條件,急需解決尾管懸掛器一些關鍵性的技術問題,因此,必須針對國內(nèi)石油鉆井的實際對尾管懸掛器技術發(fā)展問題進行戰(zhàn)略性的思考。1尾管懸掛器國內(nèi)技術發(fā)展現(xiàn)狀當前,國內(nèi)尾管懸掛器技術已由過去的引進、消化、吸收發(fā)展到以自主研發(fā)為主階段。國內(nèi)尾管懸掛器技術經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段:20世紀七八十年代為發(fā)展初期。當時,隨著尾管懸掛器技術從國外的引入,國內(nèi)如四川、華北等許多油田的科研機構相繼開展了該技術的研究,以軌道管機械式和普通的液壓式為主導的尾管懸掛器在一些油田得到了應用。1985年誕生了國內(nèi)第1個尾管懸掛器行業(yè)標準(SY5083—85),成為尾管懸掛器設計、生產(chǎn)、制造和檢驗的指南。但當時受材料、制造技術等綜合因素的影響,尾管懸掛器的懸掛能力、抗溫能力還較有限,坐掛成功率也不太高,因而應用范圍受到了一定限制。90年代進入發(fā)展中期,這期間,隨著消化、吸收,對該技術的自主研發(fā)力量得到了加強,制造技術有了提高,懸掛器性能和質(zhì)量趨于穩(wěn)定,明顯的進步包括:規(guī)格型號逐漸齊全;送入工具可回收且重復使用;可實現(xiàn)無負荷倒扣;密封機構耐壓能力達30MPa以上;回接裝置更加可靠。發(fā)展了如液壓機械雙作用結(jié)構,隨位自動脫掛丟手系統(tǒng)等。進入21世紀以來,尾管懸掛器技術進入了快速發(fā)展期。為適應鉆井技術發(fā)展需求,國內(nèi)相關機構進一步加大了對技術研發(fā)的投入,形成了穩(wěn)定的專業(yè)化研發(fā)隊伍。伴隨著國內(nèi)一些新材料技術和裝備制造技術的突破,一些具有自主知識產(chǎn)權的新型尾管懸掛器相繼誕生。最具代表性的包括:超大尺寸尾管懸掛器、封隔式尾管懸掛器及其回接裝置、水平井尾管懸掛系統(tǒng)、防腐型尾管懸掛器、尾管懸掛完井系統(tǒng)等。目前,國產(chǎn)尾管懸掛器的型號已從過去簡單的液壓式、機械式發(fā)展到組合式、功能多樣化,規(guī)格尺寸更加完善,見表1。最新的尾管懸掛器行業(yè)標準——《尾管懸掛器及尾管回接裝置(SY/T5083—2005)》對尾管懸掛器的技術性能作了嚴格的規(guī)定,進一步提高了尾管懸掛器的整體設計制造水平。而另一個石油行業(yè)標準——《特殊作業(yè)規(guī)程第二部分:特殊固井(SY/T5374.3—2006)》,對尾管注水泥的要求和作業(yè)程序作了嚴格規(guī)定,進一步提高了尾管懸掛器的應用水平。國內(nèi)主要油田尾管固井大多使用國產(chǎn)尾管懸掛器,并在使用中創(chuàng)造了一批紀錄(見表2)。一些重點井,包括井深達8408m的亞洲第1口深井——塔深1井、東部油田第一深井——勝科1井使用的也為國內(nèi)產(chǎn)品,說明國產(chǎn)尾管懸掛器性能和質(zhì)量得到了國內(nèi)鉆井界的認可和接受。事實上,國內(nèi)知名品牌尾管懸掛器的使用成功率已經(jīng)可以和國外任何一個品牌相媲美。國產(chǎn)尾管懸掛器已經(jīng)從滿足“掛得住、倒得開、封得嚴、(送入工具)提得出”的基本要求,向不斷適應復雜的井下條件、有利于提高固井質(zhì)量方面快速發(fā)展。2地層井深、井深地層結(jié)構近年來,國內(nèi)明顯加大了深井鉆井的力度,開展了復雜地質(zhì)條件下深井鉆井技術的攻關,深井鉆井施工能力進一步加強,鉆井速度逐年提高,鉆井周期明顯縮短,深井鉆井數(shù)量逐年增大。以中石化為例,近三年僅設計井深超過7000m的井就有9口。2007年完成的深井超深井鉆井從2005年的170口上升到212口。這些深井主要集中在新疆的塔河地區(qū)和川東北部地區(qū),平均井深達5500~5700m。這些井絕大多數(shù)采用了懸掛尾管井身結(jié)構。但是,深井超深井鉆井面臨一些問題使尾管懸掛器技術發(fā)展遇到新的挑戰(zhàn)。2.1大港油田板深32井勝科1井完井井深7026m,井底溫度達235℃,是目前國內(nèi)井底溫度最高的井。大港油田板深32井懸掛器位置溫度就達200℃。井溫高對尾管懸掛器抗溫性能主要是密封元件的抗溫性能提出了新的要求。2.2井井壓力體系復雜國內(nèi)許多地區(qū)海相地層鉆井存在各項壓力異性,橫向可比性差。一些井(主要是探井)不確定的地質(zhì)因素較多,地質(zhì)設計與實鉆差異較大;一些井(包括生產(chǎn)井)地層壓力體系復雜,一口井縱向可能有幾個甚至十幾個壓力體系,壓力窗口窄,常常出現(xiàn)噴、漏、塌、卡等同時發(fā)生的嚴重復雜情況,威脅鉆井安全。為此,許多地區(qū)采用了非常規(guī)井身結(jié)構,降低了工程風險,要求尾管懸掛器必須與新的井身結(jié)構系列相匹配,但受幾何空間的限制其結(jié)構設計難度更大。2.3塔河油田ss.8尾管懸重超200k尾管規(guī)格出現(xiàn)大型化。許多地區(qū)常常下入?273.1、?244.5尾管,懸重超2000kN。塔河油田?177.8尾管常常超過1700~2000m;川東北部地區(qū)許多井?177.8尾管長超過2000m。尾管懸掛器必須具有足夠的懸掛能力。2.4ph和2ds四川盆地80%以上氣田不同程度含H2S。普光氣田的H2S含量達到180g/m3,CO2含量達到80g/m3。位于重慶開縣的羅家寨氣田的H2S含量達到150g/m3,CO2含量達到100g/m3。H2S和CO2共存與單獨存在條件下均對金屬材料存在開裂和電化學腐蝕現(xiàn)象。如何優(yōu)選抗腐蝕的材料是一個新的課題。2.5尾管懸掛器的未來2007年中石油共施工水平井806口,中石化共施工397口。水平井尾管固井難點在于:須借助推力和旋轉(zhuǎn)才能使尾管到位;投球不易就位;卡瓦易受損壞;卡瓦推桿不能給卡瓦傳遞足夠大的上行力,且各卡瓦的向上位移不同步。因此,深井超深井鉆井對未來尾管懸掛器的要求是懸掛負荷更大,抗溫能力更高,功能更多,能適應不同的井身結(jié)構和復雜的井內(nèi)介質(zhì)。必須集中力量對一些關鍵技術進行重點攻關。3通過總結(jié)北海管懸掛技術的發(fā)展趨勢和關鍵3.1過流面積不斷擴尾管懸掛器必須具有足夠的過流面積方能保證施工安全,否則,會引起漏失、水泥返高不夠、環(huán)空氣侵等復雜情況的發(fā)生。這方面國內(nèi)執(zhí)行的“坐掛后卡瓦處過流面與上層套管和尾管接箍之間的過流面積之比不小于35%”的標準,與國外有一定差距。一方面,懸掛器本體過流面積比套管環(huán)空小;另一方面,坐掛后由于卡瓦的運移,過流面積進一步減小了,增加了尾管作業(yè)風險。要增大過流斷面面積,應突破傳統(tǒng)思維,進行創(chuàng)新性設計,改變常規(guī)的液缸、錐體結(jié)構形式?？梢钥紤]進行以下嘗試:(1)將卡瓦與錐體設計成不完全接觸,保持坐掛后卡瓦與錐體之間仍有循環(huán)通道。(2)完全省去液缸,將本體外徑設計與套管外徑一致,而卡瓦靠本體上幾個獨立的小活塞機構激發(fā)。過流斷面面積的增加不僅可避免復雜情況的發(fā)生,而且可適應不同的井身結(jié)構,有助于鉆井向廣度深度發(fā)展。3.2液壓丟失工具的應用常規(guī)尾管懸掛器多為右旋丟手,所以下尾管遇阻只能一面上下活動一面開泵循環(huán),但受坐掛剪釘壓力所限,循環(huán)效果往往并不明顯。而水平井、大位移井如果不轉(zhuǎn)動尾管,將尾管下到設計井深是困難的。要實現(xiàn)下尾管過程中轉(zhuǎn)動不受限制,理想的辦法是將丟手裝置設計為液壓丟手機構。但這一技術國內(nèi)還沒有真正掌握。液壓丟手工具的技術關鍵在于解決好兩大環(huán)節(jié):(1)液缸—球座—丟手銷釘剪切壓力的精確控制;(2)(萬一液壓丟手失效)緊急丟手裝置的可靠性。液壓丟手工具要比坐掛機構更為復雜,但作為送入工具的組成部分,它的優(yōu)越性在于可以重復使用。所以,該技術一旦取得突破,推廣應用前景廣闊。3.3防腐型尾管懸掛器的研制關于預防H2S和CO2對管材的腐蝕,已有一些成果,國內(nèi)也自主研發(fā)了一些防腐性管材(如27CrMo27Vs、2Cr13)。但對于H2S和CO2共存條件下的腐蝕,研究還不多。應盡快開展這種條件下腐蝕機理的研究,掌握不同H2S和CO2含量在不同溫度條件下與腐蝕速率之間的關系及其相互影響的變化規(guī)律,為防腐型尾管懸掛器的選材提供可靠的依據(jù)。同時要制定防腐型材料的相關標準,確保這種材料的各項機械性能。如果材料上不取得突破,尾管懸掛器的防腐只是一句空話。3.4旋轉(zhuǎn)軸承技術旋轉(zhuǎn)尾管可以提高頂替效率,這方面國內(nèi)進行過嘗試,但主要限于使用國外產(chǎn)品。使尾管旋轉(zhuǎn)的關鍵技術是軸承。在高溫高壓和鉆井液環(huán)境下,軸承經(jīng)常會發(fā)生過熱使扭矩增大而失效。國外旋轉(zhuǎn)軸承已由過去的滾珠軸承、滾柱軸承,發(fā)展到聚四氟乙烯材料制成的密封滑動軸承。這種軸承國內(nèi)尚屬空白,應盡快組織相關單位聯(lián)合攻關。3.5密封套的力學性能尾管懸掛器的抗溫能力關鍵在于密封元件的抗溫能力,而密封元件的關鍵部件是送入工具的密封套,因為密封套要在高溫條件下承受長時間的往復運動和旋轉(zhuǎn)運動。國產(chǎn)常規(guī)丁腈橡膠密封件的抗溫能力為120℃,而國外密封件的抗溫能力常達204℃,特殊材料的橡膠件抗溫更強。這方面國內(nèi)存在明顯差距,而且,密封件的拉伸強度也須提高。如果密封件的抗溫問題不解決,尾管懸掛器的應用范圍終將受到極大限制。3.6送球器的改進除要解決尾管的到位問題外,水平井、大位移井還要確保憋壓球的到位和下鉆過程中卡瓦—推桿不受損害。關于投球問題,國內(nèi)發(fā)明了送球器,這是一個創(chuàng)新,但似乎應該拓寬思路,如考慮將憋壓裝置設計在送入工具上。關于防止卡瓦—推桿損傷的最佳方案筆者認為在于將卡瓦設計成內(nèi)藏式,即將卡瓦固定在本體的凹槽內(nèi),在下鉆過程中卡瓦的外徑明顯小于本體外徑。同時,應適當增加活塞面積,以提高卡瓦的上推力,克服坐掛時管壁對卡瓦運移的影響。4尾管懸掛器的優(yōu)點如果說以上分析的幾項關鍵技術是點的話,尾管懸掛器的綜合技術性能則是面,由點及面才能提高尾管懸掛器的整體發(fā)展水平。筆者建議,未來幾年重點開展以下新型尾管懸掛器技術的攻關。(1)發(fā)展多功能組合式尾管懸掛器。尾管懸掛器應注重開發(fā)它的多功能性,同時保證它的性能的可靠性。這就是一套尾管懸掛器同時具備多個功能以適應復雜的井下環(huán)境和條件:①懸掛能力強,過流面積大;②密封件抗高溫;③液壓丟手—下尾管過程中可上提、下放、轉(zhuǎn)動套管,實現(xiàn)快速下鉆;④注水泥過程中可旋轉(zhuǎn)套管以提高頂替效率;⑤四塞系統(tǒng)防止鉆井液—水泥漿污染;⑥注水泥后可坐封封隔器,在環(huán)空形成永久密封;⑦鉆除方便,可節(jié)省大量時間和費用。(2)研制開發(fā)可膨脹式尾管懸掛器?？膳蛎浭轿补軕覓炱饕话阒饕蓭в卸嗉壔钊鸵簤簛G手裝置的送入工具、帶有卡瓦和封隔元件的懸掛器本體、帶有膨脹器的回接筒組成。當尾管下到設計井深后