0 引言
目前疏松砂岩油藏水平井或大斜度井普遍采用以“液压式双级箍+管外封隔器+盲板”为管柱组合的筛管完井工艺[1]。该完井工艺常发生双级箍提前开孔，致使套管内部无法有效憋压，管外封隔器不能正常胀封，导致水泥浆与钻井液置换沉入筛管段，造成筛管完井作业失败，严重时甚至造成施工井的报废[2-3]。
目前预防双级箍提前开孔的措施大多表现在约束现场操作上，通过控制套管下放速度并及时向管内灌浆，尽可能地减小激动压力。这些措施严重影响施工进度，不利于提质增效，也未能从根本上解决双级箍提前开孔的问题[4]。鉴于此，中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司进行了双级箍提前开孔的机理分析，研发了一套双级箍防提前打开装置。该装置用于实现套管快速下入和自动灌浆功能，为筛管顶注的工艺实施提供了技术保证。
1 液压式双级箍提前打开机理分析 1.1 筛管顶注完井工艺筛管顶注完井工艺采用“引鞋+筛管+套管+盲板+套管+管外封隔器+液压式双级箍+套管”的管柱组合，通过套管内憋压，坐封管外封隔器，将封隔器坐封到井壁上，封隔筛管和套管之间的环空，使封隔器上、下的液体无法连通置换，保证筛管畅通。通过管内加压，剪断双级箍滑套剪钉，打开循环通孔。通过循环通道完成注入水泥和顶替钻井液作业，利用钻井液将水泥浆顶替至双级箍打开塞座碰压，关闭循环通孔。候凝并钻除管内盲板、双级箍内套以及水泥塞[5-6]。
1.2 双级箍提前打开的机理分析 1.2.1 水击压力的影响液压式双级箍循环孔的打开动作是指在管内外压差作用下剪断滑套剪钉，使滑套下移，本体和滑套上的循环孔对正，建立循环通道。筛管顶注管柱组合中因盲板的存在，使得管内外钻井液不贯通，在管柱下入过程中，如遇急刹，管内钻井液流速瞬时发生变化，管内压力急剧变化，形成水击压力。钻井液流速急剧变化，实质上是动能与压能之间的相互转换[7-8]。管内钻井液由于惯性维持原来的运动状态，流速的突然变化导致对盲板形成压力，此时液体的压缩性和管壁的弹性对管内的压力变化起暂时缓冲作用。以井内近盲板处一段管路中压力变化为例，当管内液体突然停止时，液体流速的瞬时变化引起水击压力，水击压力引起的盲板处压力变化如图 1所示。
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| 图 1 水击压力引起的盲板处压力变化 Fig.1 Pressure change at the blind plate caused by water hammer pressure |
图 1中p为套管静止时管内盲板处压力；p+Δp为套管下放时盲板处的瞬时压力，v0为钻井液初始速度，v为钻井液接触盲板时的瞬时速度。
1.2.2 抽吸压力的影响在管内与环空不贯通的情况下，上提套管瞬时或下放套管刹住瞬时，由于液体流动的惯性，在盲板下端瞬时产生真空，形成抽吸。上提管柱，液体为填补套管运动的空间，由环空向盲板处流动[9]。此时环空液柱压力下降，与套管内液柱形成压差，等同于管内正向憋压，引起剪钉疲劳，在下套管反复提拉过程中会造成双级箍提前打开。抽吸压力引起的盲板处压力变化如图 2所示。
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| 图 2 抽吸压力引起的盲板处压力变化 Fig.2 Pressure change at the blind plate caused by swabbing pressure |
图 2中p-psw为套管上提时盲板处压力，psw为静止时环空盲板处反向压力，此时的Δp+p为上提时管内盲板正向压力。
1.2.3 水击压力与抽吸压力的复合作用当管串出现猛刹或猛提的情况时，套管内和环空同时产生水击压力和抽吸压力。管串上提，套管向上运动产生瞬时速度，管内液体发生向下的相对运动，产生水击压力。环空液体产生向下的相对运动，盲板下方形成抽真空，产生抽吸压力。两种压力均形成正向压差，此时套管内产生的压差是水击压力和抽吸压力相叠加的结果[8-9]，如图 3所示。如果压差达到双级箍打开压力或接近打开压力，在下套管反复提拉过程中会造成双级箍提前打开，或是反复憋压使得剪钉疲劳，造成低压打开，导致无法胀封管外封隔器。
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| 图 3 猛刹、猛提时套管内外产生的水击压力和抽吸压力 Fig.3 Water hammer pressure and swabbing pressure generated inside and outside the casing during sudden stop and pulling |
1.3 复合作用力的模拟计算
某油田X井采用筛管顶注完井工艺，三开ø215.9 mm(8 
建立直径30 mm的双级箍短节外环空和内筒的物理模型，对模型进行局部网格划分。由于模型是空间自由曲面的复杂实体，为了提高求解精度和效率，面网格划分采用四边形Quad网格，拐角和交接处采用三角形Tri网格，体网格采用Tet/Hybrid模式的TGrid划分[10]。通孔部位采用局部细网格划分，网格尺寸设置较小(size选取1)，其他可适当调大(size选取5)。网格个数大致控制在200万以内，即可满足计算精度要求，本次划分150万个网格。
1.3.2 数值计算设定数值模拟的边界条件，在双级箍短节环空入口断面设定入口压力为10.2 MPa(模拟1 000 m井、内外压差0.2 MPa)。出口压力设定为10 MPa。对于底座、内壁以及管道壁面的速度和紊流动能设定，均采用固壁无滑移边界条件。针对不可压缩流体流动的求解方法，采用SIMPLE算法。由于管内结构变化比较大，内部流体运动属于紊流运动范畴，计算模型选用k-ε模型[10]。双级箍防提前打开装置数值计算模型如图 4所示。
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| 图 4 防提前打开装置模型及钻井液瞬时速度 Fig.4 Numerical calculation model for anti-premature opening device |
1.3.3 计算分析
复合作用压力是送放管柱产生的水击压力和抽吸压力之和，即Δp+psw，模拟计算出复合作用压力与瞬时速度的关系，如图 5所示。
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| 图 5 下套管时复合作用压力与瞬时速度的关系曲线 Fig.5 Relation of the composite pressure and instantaneous velocity during casing running |
由图 5可以看出：瞬时速度为1.0 m/s时，复合作用压力为3.9 MPa；瞬时速度为2.0 m/s时，复合作用压力为11.9 MPa；瞬时速度为3.0 m/s时，复合作用压力为23.9 MPa，此时复合作用压力超过打开压力17.0 MPa，双级箍会提前打开。
盲板的存在使得双级箍管内、外不连通，在管柱上、下活动时形成的水击压力和抽吸压力的复合作用力持续给双级箍内套施加作用力。当复合作用力大于双级箍打开压力时，剪钉内套剪断，双级箍内套下移，循环孔打开，建立循环通道。即便复合作用力未达到双级箍打开压力，反复冲击作用会造成剪钉疲劳，致使双级箍打开压力降低，易发生双级箍提前打开[9]。因此，管柱上下活动形成的水击压力和抽吸压力的复合作用力是双级箍循环孔提前打开的主要原因。
2 装置的结构设计与地面试验保持管内、外贯通是解决双级箍提前打开的关键所在。为消除管柱上、下活动时双级箍位置的水击压力和抽吸压力，常规预防双级箍提前打开的方法有提高内套剪钉剪切值、控制下放速度、严禁猛提猛放和及时灌浆等。考虑到施工安全，剪钉值不可能无限制提高，且现场操作不确定因素过多，使得常规方法应用效果不理想。鉴于此，德州大陆架石油工程技术有限公司研发了一套双级箍防提前打开装置，用于消除水击压力和抽吸压力，从根本上解决双级箍提前打开的技术难题。
2.1 结构设计双级箍防提前打开装置主要由球座、剪钉、循环通孔、内套、卡簧、挡板和下接头等组成，如图 6所示。
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| 1—憋压球；2—球座；3—剪钉；4—内套；5—卡簧；6—挡板；7—下接头。 图 6 双级箍防提前打开装置的结构示意图 Fig.6 Structure diagram of the anti-premature opening device for double-stage collar |
该装置连接在管外封隔器和筛管之间，尽可能靠近封隔器，在管柱下入的过程中保持套管内、外连通，通过循环通孔释放水击压力和抽吸压力，使其不受套管送放速度的影响[11-13]。由于球座和循环通孔结构的存在，管柱在整个下入过程中具有自灌浆功能，无需单独灌浆，节约施工时效。筛管送放至预定位置，向管内投憋压球。为了提高密封性能，根据球座位置井斜优选不同结构的憋压球，一般原则是井斜在45°以上选用胶木球，井斜在45°以下选用硫化铜球[14]。球到达球座位置，加压剪断内套剪钉，内套下行并在卡簧作用下锁定，循环通孔移位，阻隔管内外液体交换，完成关孔，球座以上建立管内密闭井筒。通过梯次加压完成管外封隔器坐封和液压式双级箍开孔作业[15]。
2.2 地面试验为了验证双级箍防提前打开装置的剪钉剪切、内套下行、滑动密封以及反向锁定承压等方面的性能，对该装置进行了地面样机试验，试验照片如图 7所示。该装置的设计关闭压力8 MPa，密封能力≥25 MPa，卡簧可实现永久关闭。首先检查装置的初始状态，循环通孔畅通，投入硫化铜球，连接试压封头及高压管线，注入清水加压至8 MPa，剪断剪钉，装置有轻微震动，内套下行，检查关闭循环通孔正常。继续加压至31 MPa，稳压15 min，无压降，满足现场封隔器坐封及液压式双级箍打开的压力要求。压力测试曲线如图 8所示。更换封头，反向加压20 MPa，稳压15 min，无压降，表明内套下行后卡簧锁定牢固。
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| 图 7 双级箍防提前打开装置样机试验 Fig.7 Prototype test of the anti-premature opening device for double-stage collar |
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| 图 8 双级箍防提前开孔装置压力测试曲线图 Fig.8 Pressure test curve of the anti-premature opening device for double-stage collar |
3 现场应用
双级箍防提前打开装置在5口大斜度井和水平井进行了现场应用，最大井斜90°，双级箍下深2 529~3 506 m。5口应用井套管均顺利送放到设计位置，其中X5井由于井眼不规则，下至3 150 m遇阻，经过反复上提下放、猛刹猛放处理后，顺利通过遇阻点，最高下放速度达3.8 m/s。常规下入速度按照每根45 s计算，加之下套管全程无需单独灌浆，单井下套管节省时间30%左右。投球憋压5 MPa，稳压无压降，表明球和球座的匹配及密封良好。防提前打开装置的关孔压力为8~9 MPa，管外封隔器均一次性胀封，双级箍打开压力均在18±0.5 MPa，与设计值一致。装置的使用情况见表 1。
| 井号 | 井深/m | 钻井液密度/(g·cm-3) | 井斜/(°) | 双级箍下深/m | 投球关孔压力/MPa | 双级箍打开压力/MPa | 每根下入时间/s |
| X1 | 3 362 | 1.26 | 90 | 2 990.81 | 8.0 | 18.5 | 20 |
| X2 | 3 570 | 1.31 | 69 | 3 179.52 | 8.0 | 18.3 | 15 |
| X3 | 2 995 | 1.26 | 90 | 2 529.27 | 8.0 | 18.0 | 17 |
| X4 | 3 840 | 1.32 | 75 | 3 506.60 | 9.0 | 18.5 | 20 |
| X5 | 4 210 | 1.35 | 90 | 3 480.80 | 9.0 | 18.0 | 15 |
应用井固井施工正常，钻除水泥塞和装置内附件后一次性探到井底，表明管内防提前打开装置密封以及管外封隔器胀封良好，无水泥浆渗入下部套管。通过5口井的现场应用，验证了双级箍防提前打开装置具有良好的可操作性，并在套管快速下入和自动灌浆方面具有一定的技术优势。
4 结论与建议(1) 通过对液压式双级箍提前打开的机理分析和模拟计算，得出了管柱活动形成的水击压力和抽吸压力的复合作用压力是造成双级箍提前打开的主要原因。
(2) 研发了一套双级箍防提前打开装置，完成了结构设计和地面试验，验证了方案的可行性。
(3) 通过现场应用，双级箍防提前打开装置不受下放速度的影响，实现了套管快速下入和自动灌浆功能，可在筛管顶注工艺中大规模推广应用。该装置的研制成功为石油钻完井提质增效提供了一种新的技术手段。
(4) 建议优化装置内套的可钻性及防转性能，解决内套密封圈的滑动过孔剪圈问题，以提高密封能力。
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