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旋振自导式套管引鞋的研制及应用
李社坤, 周战云, 郭子文, 侯平, 董宁宁     
中石化中原石油工程有限公司固井公司
摘要: 针对大斜度井下套管易阻卡的问题,研发了旋振自导式套管引鞋。在分析该工具结构及工作原理的基础上,借助SolidWorks软件模拟了工具在工作状态下的液体流态,并对主要零部件的强度进行了分析;设计加工了旋转性能试验装置,对工具的旋转性能和振动性能进行了试验。同时以焦页82-1HF井为例,对工具进行了现场应用。分析结果表明:旋振自导式套管引鞋能够在液力作用下实现旋转及振动功能,能够在循环过程中清除大斜度井及水平井井眼下部的岩屑床。旋振自导式套管引鞋解决了下套管过程中的遇阻问题,建议进一步对工具进行系列化,并在大斜度井及水平井中大力推广应用。
关键词: 套管     遇阻     套管引鞋     自导式     振动机构     岩屑床    
Development and Application of Rotary Vibrating Self-guide Casing Shoe
Li Shekun, Zhou Zhanyun, Guo Ziwen, Hou Ping, Dong Ningning     
Cementing Company, Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co., Ltd
Abstract: To address the pipe stuck problem of the casing running in highly deviated well, a rotary vibrating self-guide casing shoe is developed. Based on the understanding of the structure and working principle of the tool, the fluid flow in the tool under working condition is simulated by using SolidWorks software. The strengths of the main components are analyzed. The rotating performance test device is designed and machined to test the rotating and vibrating performance. The tool was applied in Well Jiaoye 82-1HF. The field application results show that the rotary vibrating self-guide casing shoe can allow rotating and vibrating under hydraulic force, and can clean the cutting bed in the lower part of the highly deviated well and horizontal well during the mud circulation. The tool could address the problem of pipe stuck during casing running. Series of the tools are recommended to be developed and applied in the highly deviated well and horizontal well.
Keywords: casing    pipe stuck    casing shoe    self-guide    vibration mechanism    cutting bed    

0 引言

目前页岩气井均是以水平井形式完钻[1-4],而在页岩气水平井钻井过程中,岩屑极易在造斜段沉积形成岩屑床[2-4],清除存在较大困难,特别是在井眼直径较大的情况下,即使采用较大排量洗井也不易将岩屑冲散并携出[2]。在采用常规的套管引鞋(浮鞋)作为引导工具进行下套管作业时[5-9],由于引鞋(浮鞋)无法有效驱散岩屑床,堆积的岩屑往往会对套管柱下端造成阻碍作用,容易发生下套管遇阻现象[10-11],严重影响下套管作业的顺利进行。

川东北地区是中石化集团天然气增储上产的重点区域,是实现常规天然气和深层页岩气商业化大开发的重要阵地[1-2]。涪陵焦石坝地区二期工程已大量部署井位,宜宾地区也在大规模地部署井位进行勘探开发。未来我国将会在南方开展大规模的页岩气开发工作[3]。因此,研制一种可在下套管过程中疏散岩屑床的引导工具,对于预防下套管遇阻、提高工程效率、缩短完井周期、降低完井成本及加速页岩气开发步伐均有着积极意义。

1 设计思路

对于驱除岩屑床,拟采取的技术方案是:设计一种依靠液力驱动并具有旋转及振动功能的引鞋,并通过振动疏松岩屑床,通过引鞋旋转搅动悬浮岩屑,然后通过钻井液的循环作用将悬浮的岩屑带出井筒。因此,旋振工具的总体设计包括3个部分:工具壳体、旋转引鞋和振动机构。工具壳体主要用于连接旋转机构、容纳振动机构,同时将工具与套管连接,因此可将其设计为管状结构,一端设置套管螺纹用以连接套管,另一端设置转动连接结构以连接旋转机构,内部设置固定结构用以固定振动机构。旋转引鞋主要依靠外力实现旋转,同时还需具有引导功能,因此将其下部设计成半球状或圆锥状结构,内部设置循环通道,上部设置转动连接结构,与工具本体相连。振动机构的主要功能是实现振动,因此可将其固定于本体内部,通过外力使之实现振动。

2 技术分析

按照设计思路,设计的旋振自导式引鞋主要由壳体、旋转引导机构和旋转振动机构3部分组成,其具体结构如图 1所示。

图 1 旋振自导式套管引鞋结构图 Fig.1 Structural schematic of the rotary vibrating self-guide casing shoe 1—振子座;2—偏心振子;3—振轴套;4—滚珠;5—叶轮;6—振轴;7—壳体;8—旋转引鞋。

2.1 结构 2.1.1 壳体

壳体的主要作用是固定旋转引鞋和振动机构,同时可与套管相连,因此将其设计成管状结构,上端设置套管内螺纹,用以与套管相连;下端内壁设置2道滚珠槽,通过滚珠与旋转引鞋相连;侧壁设置4个固定销钉孔,用于固定振动机构。其材质选择35CrMo钢,以确保足够的机械强度。其最大外径设计为与对应的套管接箍外径相同。

2.1.2 旋转引导机构

旋转引导机构主要包括旋转引鞋和滚珠。旋转引鞋的主要作用是依靠液力喷射的反作用力产生旋转,通过旋转驱散岩屑床;同时还要提供引导功能,防止下套管遇阻。因此将其设计成管状结构,下部设计成半球状结构以提供引导功能;其外壁设置6条螺旋棱,在旋转过程中可驱散岩屑床;螺旋棱侧壁开设切向射流孔,通过该孔喷射高速流体产生的反作用力可推动引鞋旋转;旋转引鞋上部外壁设置2道滚珠槽,通过滚珠可与壳体滚动相连;引鞋底部开设轴向通孔,通过该孔可喷射液体冲击岩屑床。为了防止引鞋接触井壁阻碍转动,其最大外径略小于壳体外径;为了在固井后能够容易钻除,旋转引鞋材质选择可钻性较好的铝合金。图 2为旋转引鞋结构示意图。

图 2 旋转引鞋结构示意图 Fig.2 Structural schematic of rotary casing shoe

2.1.3 旋转振动机构

旋转振动机构主要由偏心振子、叶轮、振轴、振轴套及振子座构成,如图 3所示。

图 3 旋转振动机构结构示意图 Fig.3 Structural schematic of the rotary vibrating mechanism

偏心振子的主要功能是在其旋转时产生振动,因此将其设计成圆盘状鼓形结构,其中心开设六方轴孔,其一侧开设2个扇形偏心配重孔,使重心偏离其中心,这样可使其在转动时产生振动,进而带动整个工具产生振动。为使其具有良好的可钻性,偏心振子的材质选择黄铜。

叶轮的主要作用是将高速流体的动能转化为高速转动,然后将转动传递给偏心振子,因此将其设计成球冠形放射状结构,其中心开设六方孔,用以穿设六方形的振子轴。叶轮数量为2个,分别设于偏心振子两侧。为使其具有良好的可钻性,叶轮材质选择铝合金。

振轴的主要作用是固定偏心振子和叶轮。为了便于传递旋转运动,振轴的形状设计为六方形,其两侧开设卡簧槽,用以安装卡簧固定偏心振子和叶轮,振轴的材质选择铝合金。

振轴套的作用是将振轴两端固定在振子套上,同时具有滑动轴承的作用,因此将其设计套状结构,为减小摩擦因数,其材质选择聚四氟乙烯塑料。

振子座作为旋转振动机构的主要零件,其主要作用是固定偏心振子、叶轮、振轴和轴套,同时引导液流冲击叶轮产生高速转动,因此将其设计为筒状结构。其侧壁开设2个轴套孔以安装轴套,其顶部正对叶轮的位置开设2个轴向射流孔,用以引导液流冲击叶轮产生转动,其材质选择铝合金。振子座位于壳体内部,二者之间通过定位销钉固定相连。为确保最小过流面积满足使用要求,其顶部的2个射流孔直径设计为40 mm,可确保最小过流当量直径大于55 mm。

2.2 工作原理

使用时,将旋振自导式引鞋安装于套管柱下端后进行下套管作业。当套管下端到达岩屑床附近时,可通过套管柱上端一边泵注并循环钻井液,一边下放套管;此时钻井液首先通过振子套上端的射流孔冲击叶轮使其带动振子快速旋转,由于振子上的减重孔使振子的重心偏离其轴线,其快速旋转必然产生强烈振动,振动通过振轴、振轴套及振子套传递给壳体,在振动作用下,岩屑床可迅速被疏松;当钻井液通过引鞋螺旋棱上的旋流孔高速射出时,旋转引鞋可在液流的反冲力作用下快速旋转,此时螺旋棱的旋转可拨动沉积的岩屑,同时液流由旋流孔喷出并射向岩屑床,二者同时作用可迅速冲散岩屑床,随后悬浮的岩屑在循环液流的作用下被携出井眼,由此可迅速驱除岩屑床,消除套管下放阻力。

2.3 性能特点

(1) 旋振自导式套管引鞋下部设有可在液力喷射作用下高速旋转的引鞋,可通过旋转搅动岩屑使之松动;切向高速射出的液流也可冲击岩屑床使之悬浮,更利于钻井液携出。

(2) 旋振自导式套管引鞋内部设有旋转振动机构,可通过振动使岩屑床松动,以此可减小套管经过岩屑床的阻力,同时为液力悬浮岩屑创造条件。

(3) 旋振自导式套管引鞋内部零件均由铝合金或黄铜等易钻材料制成,钻除容易。

(4) 旋振自导式套管引鞋特别适用于岩屑容易沉积的大斜度井及水平井的下套管作业。

2.4 技术参数

旋振自导式套管引鞋技术参数如下:最大外径270 mm,最大长度850 mm,转速60~80 r/min,振动频率20~40 Hz,循环压耗0.5 MPa,质量102 kg,适用井径311 mm,轴向射流孔直径40 mm,切向射流孔直径20 mm。

3 仿真模拟分析 3.1 流态仿真

为了验证旋振自导式套管引鞋在工作状态下的液体流态是否满足设计要求,采用SolidWorks Flow simulation 2016进行了仿真模拟。

3.1.1 分析模型

采用SolidWorks软件建立了分析模型。模型主要分为2部分,一部分是工具装配体,另一部分是井筒模型。工具模型位于井筒模型内部,二者同轴。工具最大外径设置为244.5 mm,井筒内径设置为444.5 mm。流体入口处设在工具上端面,流体出口处设在环空上端面,最小壁面厚度设为0.01 m。

3.1.2 网格划分

由于网格划分是否合理直接影响计算分析的精度,将基础网格尺寸设为X=14 mm,Y=38 mm,Z=14 mm,细化生成的网格数为42 960,流体网格数也为42 960,最大细化级别为3。

3.1.3 边界条件

入口体积流量设定为0.03 m3/s,流动矢量方向平行于轴线,环境温度为293.2 K,环境压力设定为10 MPa,边界层类型为湍流。

运行该算例后计算很快达到收敛条件,迭代次数303。仿真分析结果见图 4图 5

图 4 叶轮附近流态模拟结果 Fig.4 Simulation result of the flow near the impeller

图 5 旋转引鞋流态模拟结果 Fig.5 Simulation result of the flow state of the rotary casing shoe

图 4可知,叶轮上方射流孔处流速为14~17 m/s,射流正对叶轮一侧的叶片。该流速能够对叶轮产生强烈的冲击,冲击力大于500 N,可提供足够的动力使叶轮高速旋转。通过粗略估算,其旋转振动频率在30~50 Hz之间。

图 5可知,旋转引鞋切向射流孔处流速为7~8 m/s。按照动量守恒定律计算,该流速条件下对旋转引鞋产生的旋转扭矩大于30 N·m,该扭矩足以使旋转引鞋产生高速旋转。

3.2 强度仿真

为了验证旋转自导式套管引鞋在使用条件下主要零部件的受力情况,建立了工具各零件模型,采用SolidWorks simulation软件进行强度分析。

3.2.1 分析模型

由于在工作条件下工具的主要受力在旋转引鞋及壳体连接处,所以建立了基于壳体和旋转引鞋的应力分析模型,零件接触类型为无穿透。材质属性方面,设置壳体材质为35CrMo,抗拉强度为985 MPa,泊松比为0.28,弹性模量为210 GPa。旋转引鞋材质为1060-H18,抗拉强度为130 MPa,泊松比为0.33,弹性模量为69 GPa。连接旋转引鞋与壳体的滚珠材质为黄铜,抗拉强度为478 MPa,泊松比为0.33,弹性模量为100 GPa。

3.2.2 网格划分

网格类型为实体网格,所用网格器为基于曲率的网格,雅可比点为4点。为了提高模拟精度,对于易产生应力集中的部位进行网格细化,最大单元为54.984 9 mm,最小单元为10.997 0 mm,划分的节点总数152 282,生成的单元总数92 617。最后形成的有限元分析网格图见图 6

图 6 旋振自导式套管引鞋有限元分析网格图 Fig.6 Mesh generation of the rotary vibrating self-guide casing shoe for finite element analysis

3.2.3 模拟条件

由于工具循环压耗设计为小于0.5 MPa,设置受力条件为0.5 MPa,压力方向垂直于选择面;解算器类型选择FFEPlus,软弹簧、惯性卸除、大型位移及摩擦等选项均关闭,不兼容接合选项设为自动,计算自由实体力选项打开。

设置以上内容后进行算例解算,计算很快达到收敛条件,分析结果见图 7图 8

图 7 旋振自导式套管引鞋应力云图 Fig.7 Stress distribution of the rotary vibrating self-guide casing shoe

图 8 旋振自导式套管引鞋安全系数云图 Fig.8 Safety factor distribution of the rotary vibrating self-guide casing shoe

图 7可知,旋振自导式套管引鞋在使用条件下最大应力为2.4 MPa,位置在壳体与旋转引鞋的滚珠连接处。由于滚珠的材质为黄铜,屈服强度为239.0 MPa左右,远大于其最大应力,所以满足使用要求。

图 8可知,旋转自导式套管引鞋在使用条件下最小安全系数为20左右,位于旋转引鞋切向射流孔壁处。分析结果表明其安全系数满足使用要求。

4 性能试验 4.1 旋转性能试验

为了试验旋振自导式套管引鞋的旋转功能,设计加工了旋转性能试验装置,其结构见图 9

图 9 旋转性能试验装置 Fig.9 Rotating performance test device 1—循环帽;2—旋振引鞋;3—循环罐。

该装置由循环罐、循环帽、进液口和出液口组成。试验时,将旋振引鞋安装于循环罐下部的套管螺纹上,然后将泵车出水管连接于进液口,泵车上水口与试验装置出液口相连,由此形成一个循环通路,通过泵车泵注液体。采用激光转速仪可测量不同循环排量下旋转引鞋的转速,通过测振仪可测量旋转引鞋的振动频率。试验时排量大约为0.7 m3/min,通过激光转速仪测量旋转引鞋的转速为70 r/min左右,通过调整循环排量,旋转引鞋的转速与排量基本成正比关系。

4.2 振动性能试验

通过泵车向试验装置循环泵注清水,泵注排量大约为0.7 m3/min,用手触摸旋振引鞋外壁,能够感受到明显的振动,采用测振仪测量其振动频率在22 Hz左右波动,当提升排量时,振动频率也随之上升,这说明在循环条件下旋振自导式套管引鞋能够产生振动。

5 使用注意事项

(1) 下套管前应通井,尽可能清除岩屑床沉砂,防止岩屑床过厚影响套管通过。

(2) 按照常规程序将旋振自导式套管引鞋本体安装于套管柱底部并旋紧。安装时避免磕碰旋转引鞋部位,防止造成变形影响正常转动。

(3) 按照常规要求下放套管柱,套管柱内严禁落物;当套管柱下端下至可能存在岩屑床井段时,控制下放速度,注意悬重变化,判断套管柱下端遇阻情况。

(4) 当确定下套管阻力较大时,应在套管柱上端转接方钻杆,然后在开泵顶通并大排量循环的条件下缓慢下放套管柱,建议循环排量大于2 m3/min,下放速度小于2 m/min,在确认接入下一根套管下入深度处的岩屑全被携出后,上提管柱并转接下一根套管。

(5) 套管柱下至设计深度后,应顶通并保持大排量(大于2 m3/min)循环2周以上,确保井内沉砂被全部携出后方可进行后续作业,防止岩屑再次沉积而造成井底堵塞。

6 现场应用

焦页82-1HF井是涪陵地区一口页岩气开发井,井型为水平井。该井于2017年12月11日中完,中完井深3 360 m,Ø244.5 mm技术套管下深3 360 m,最大井斜30.60°,由于下钻时钻头多次在造斜段(岩屑沉积段)遇阻,为了防止下套管过程中套管在岩屑床处阻卡,确定使用旋振自导式套管引鞋。

使用时,将旋振自导式套管引鞋安装于套管柱底部(见图 10),安装时螺纹涂抹螺纹胶,随后按照常规要求进行下套管作业。该井整个下套管过程比较顺利,在下至最大井斜的部分井段采用边循环边下放的方式,未发生阻卡现象,该井段耗时50 min左右,最后顺利将套管下放至设计井深。

图 10 旋振自导式套管引鞋现场应用 Fig.10 Field application of rotary vibration self-guide casing shoes

7 结论及建议

(1) 旋振自导式套管引鞋能够在液力作用下实现旋转及振动功能,能够在循环过程中清除大斜度井及水平井井眼下部的岩屑床,可防止下套管过程遇阻。

(2) 现场试验结果表明,旋振自导式套管引鞋能够解决套管下放过程中的遇阻问题。

(3) 建议进一步将旋振自导式套管引鞋进行系列化,并在大斜度井及水平井中大力推广应用。

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李社坤, 周战云, 郭子文, 侯平, 董宁宁
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http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.10.002

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收稿日期: 2018-04-23

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