一种新型套管头的设计与应用

刘文科

【摘要】钻井过程中，由于所钻地层情况的不确定性，井下时常会发生复杂情况。处理这些复杂情况时，常常需要更改井身设计结构，敞开井口更换套管头，这给现场作业施工带来了极大的安全隐患。因此，急需研制一种新型的套管头。本文介绍的新型套管头，可以同时满足两种井身结构，很好地解决了更改井身设计结构时存在井口敞开的安全隐患问题。该套管头结构设计合理、抗压和载荷能力强、安装操作简单方便。经过大量现场实践表明，此套管头能同时满足正常作业和复杂情况作业两种工况下对井身结构变化的要求，很好地保证了油田现场作业对安全生产的要求。文中主要介绍了该新型套管头的组成结构、工作原理、性能特点、安装操作方法、现场推广应用及效果总结。

【关键词】新型套管头；井身设计结构；现场作业；安全隐患；芯轴式悬挂器

1.项目背景

随着油田的大规模开发，注水、压裂等增产措施的大规模应用，使地层底部的压力发生了极大改变，导致层与层之间的压力发生串动、地层压力不稳定等不良后果。这种地层压力的不确定性，给正常钻井作业带来了前所未有的困难和挑战。

新疆油田公司为了节约成本，根据需要施工区块的地质特征、岩性组成、地层压力和地层温度等方面考虑，在钻井设计过程中，取消不必要的一些步骤和措施。如正常作业取消下技术套管，只有在钻井过程中遇到因地层原因导致的复杂情况时，才改下技术套管封隔住问题井段，之后处理井底问题。要下技术套管，就必须更换井口套管头，此时井口处于完全敞开、无法控制状态，存在着非常严重的安全隐患，控制不好极易造成井喷失控事故的发生。这种作业方式不符合油田公司对安全生产的要求，同时给钻井施工作业带来了很多不安全因素，具有不可忽视的缺点和弊端。

为了解决以上这种不安全的问题，技术人员攻关研制了一种新型的套管头，经过现场安装试验，该套管头各项性能要求和技术指标，都很好地满足了施工作业的要求。该套管头主要在新疆油田公司火烧山油田和克拉玛依油田作业八区进行了现场应用，试验20多井次，取得了不错的效果。

2.新型套管头主要组成结构和基本工作原理

2.1主要组成结构 新型套管头为一级双挂式套管头，主要由转换法兰、套管头本体、Φ244.5mm芯轴式套管悬挂器、Φ139.7mm卡瓦式套管悬挂器、水泥浆循环通道、闸门及附件等结构部分组成。

2.2基本工作原理 新型套管头属于一级双挂套管头，可以同时满足两种不同工况下的下套管作业。一是在钻井作业过程中未发生复杂情况，直接下油层套管进行完井作业时，可以用套管悬挂器与油层套管连接后悬挂于套管头本体的第二层；二是在钻井作业过程中发生了复杂情况，需要改下技术套管封隔住问题井段处理井底问题时，用新型套管头中的芯轴式悬挂器与技术套管连接悬挂于套管头本体的第一层；当井底复杂问题完成后，正常完井作业时，用新型套管头中的卡瓦式悬挂器与油层套管连接悬挂于套管头本体的第二层。

2.3使用新型套管頭的优点

1、该新型套管头结构合理紧凑、操作简单、安装方便，安装一次到位，节省作业时间；2、该新型套管头实现了一级双挂的性能要求，可以在不更换套管头的情况满足两种不同工况下的作业要求；3、该新型套管头成本低廉，可大大降低钻井施工作业的总体成本。

3.新型套管头的主要技术参数和室内试验情况

3.1主要的技术参数 该套管头垂直通经为Φ341mm，连接套管外径Φ339.7mm，悬挂套管外径分别为Φ139.7mm和Φ244.5mm，套管头本体额定工作压力为35MPa，最大额定悬挂载荷为2100kN。

3.2室内试验情况

1、试验内容。水压密封试验、结构强度试验以及悬挂器载荷试验。2、试验依据。中华人民共和国国家标准《GB/T 22513-2008石油天然气工业钻井和采油设备井口装置和采油树》[1]。3、试验条件。试验介质：清水试验压力：水压密封为35MPa，结构强度为53MPa悬挂器悬挂载荷：悬挂器在载荷试验机模拟现场悬挂载荷，记录套管出现被挤毁、滑脱等现象时的拉力，此时为该套管头的最大悬挂承载能力。4、试验结论。根据试验结果，可以看出该新型套管头可以满足中华人民共和国国家标准《GB/T 22513-2008石油天然气工业钻井和采油设备井口装置和采油树》中对套管头的要求，套管头本体额定工作压力为35MPa，结构强度为53MPa，最大额定悬挂载荷为2100kN。

4.新型套管头的安装操作方法

1、钻井一开完钻后，下入Φ339.7mm表层套管到设计位置，注水泥固井。将新型套管头本体通过双公与表层套管连接，按标准紧固扭矩，退出所有顶丝到套管头本体壁内。2、钻井二开完钻后，下入Φ244.5mm技术套管至距设计位置差最后一根套管时，技术套管顶部连接悬挂器，悬挂器上部连接顶节，再连接方钻杆柱，使套管悬挂器坐封到新型套管头的芯轴式悬挂器上。注水泥固井、侯凝，等水泥完全凝固后，上紧芯轴式悬挂器压销。3、钻井三开完钻后，下入Φ139.7mm油层套管到设计位置后，油层套管上部连接悬挂器，悬挂器上部连接顶节，再连接方钻杆柱，使套管悬挂器坐封到新型套管头的卡瓦式悬挂器上。注水泥固井、候凝。等水泥完全凝固后，拆掉新型套管头法兰连接螺栓，上提油层套管使其产生与卡瓦的摩擦力，在距法兰平面130mm处切割顶节完成作业。

5.新型套管头的现场试验和推广

该新型套管头先后在火烧山油田和克拉玛依油田作业八区现场安装使用了90多套，其中有12口井在钻井作业施工中出现了复杂情况，改变了设计井身结构，下入了技术套管封隔住问题地层，很好地处理了井底复杂情况。新型套管头的优越性能，在现场施工中发挥了不可替代的作用。

本文介绍的新型套管头，可以同时满足两种井身结构，很好地解决了更改井身设计结构时存在井口敞开的安全隐患问题。

6.结论

本文所提到的新型套管头，不但可以满足正常钻井施工作业中对井口的要求，而且还可以满足井下发生复杂情况时钻井施工作业对井口的要求。钻井施工作业过程中，井下发生复杂情况时，在不需要更换井口套管头的情况下，就可以下技术套管来封隔住问题井段处理问题，缩短了作业时间，节省了作业成本。同时，新型套管头能够避免因更换套管头而导致的井口处于完全敞开、无法控制状态，大大地降低了施工作业的安全隐患，保证了安全生产的顺利进行。

参考文献

[1]GB/T22513-2008石油天然气工业钻井和采油设备井口装置和采油树厂[S].中国国家标准化管理委员会，2008.