延长油田大位移水平井漂浮下套管技术优化分析

赵毅，曹晓，赵倩，马振锋，李红梅

（1.陕西延长石油集团研究院，陕西西安710065；2.中国石油川庆钻探国际工程公司厄瓜多尔分公司，四川成都610051）

延长油田大位移水平井漂浮下套管技术优化分析

赵毅1，曹晓2，赵倩1，马振锋1，李红梅1

（1.陕西延长石油集团研究院，陕西西安710065；2.中国石油川庆钻探国际工程公司厄瓜多尔分公司，四川成都610051）

大位移水平井由于水平段长、垂深浅、位垂比大、套管加压能力有限，本文通过分析漂浮下套管的技术原理与优势，对不同漂浮长度下的套管进行摩阻计算，优选出一个最佳漂浮套管长度。通过分析现场不同摩擦系数和漂浮长度情况下套管的下入能力，优化出漂浮接箍最佳安放位置，实现了套管一次性下放到位。该技术的应用可以有效的提升水平井的水平段原油的开采，为后续浅层难动用油藏的有效开发提供了一条新的途径，具有较高的技术参考价值。

大位移水平井；套管；摩阻；漂浮长度

延长油气区鄂尔多斯盆地的油气资源丰富，特别是在延长油田的东部区域，油气藏埋深较浅，单纯的依靠采用直井和定向井开发难以充分动用地层储量，浅层大位移水平井能充分利用现有的井场设施，降低开发成本，实现延长油田浅层油气藏的高效开发。浅层大位移水平井的突出特点是垂深浅、水平位移大、施工过程中钻柱和套管柱受井眼摩擦影响较大，使得套管下入产生非常大的困难，漂浮下套管技术是解决这一问题最为有效的方法之一，该技术的应用可以有效的提升水平井的水平段原油的开采，具有巨大的市场价值[1-4]。

1 漂浮下套管技术基本原理

漂浮下套管技术是将漂浮接箍和止塞箍之间剔除原始钻井液，用低密度的钻井液或者空气填充，从而增加漂浮套管的浮力，减轻管柱与井壁之间的正向压力，进而降低摩擦阻力。此外由于漂浮接箍的上半部分充满了原始钻井液，从而增加了漂浮套管受到的推力，进而使套管的下入更加顺利。

套管漂浮的组件包含：漂浮接箍、止塞箍、盲板浮鞋以及配套使用的固井胶塞等。套管漂浮在井眼内的管柱结构（见图1），整个下入过程中，通过期间封闭的低密度钻井液或者空气来实现套管的漂浮。

图1 漂浮下套管管柱示意图

假设d为套管的漂浮长度，接箍内用空气或低密度液体填充，接箍以上的套管用原始的钻井液填充。对于d长度的漂浮段，总质量Fa为漂浮段套管的质量加上管内液体的质量之和，即：

漂浮段受到的套管外液体的浮力Fb为：

漂浮段套管的质量为总质量跟浮力之差，即：

将两边同除以d即为单位长度内漂浮套管的质量：

式中：ρ0-漂浮段管外液体密度，kg/m3；ρi-漂浮段管内液体密度，kg/m3；S0-套管外径截面积，m2；Si-套管内径截面积，m2；f-套管的单位质量，N/m；Fc'-单位长度漂浮套管的质量，N/m。

可以忽略用空气填充漂浮套管内产生的质量，此时计算可得，漂浮套管的浮重明显小于常规下套管计算的质量f，假设井斜角为α，计算漂浮段垂直方向上的正压力计算如下：

由上述公式可知，Fc'跟N成正比例关系，即单位漂浮套管质量减少，正压力也随之减少，由此管柱与井壁之间的摩擦力也会变小，从而大大减少套管的螺旋屈曲，借助于漂浮接箍上半部分钻井液的重力，推动套管下入变得更加顺利。

2 漂浮下套管技术优化

合理优选漂浮长度是漂浮下套管技术的关键之处。若漂浮长度过短，则摩阻下降有限，起不到大幅降低摩阻的作用；若漂浮长度过长，会明显降低套管下放后半程的下推力，达不到漂浮下套管的目的。因此，漂浮下套管现场施工时，必须对套管的受力情况进行模拟，优选出最佳的漂浮长度[6]。

假设已完钻井的井深为H，需要漂浮的套管长度为D，对应钩载为F，计算最佳漂浮长度如下：

首先根据当前工况的基本参数，计算在没有漂浮接箍的情况下得到的井口载荷为F0。然后假设漂浮长度为D1时得到的井口载荷为F1，设定步长ΔD，依次计算出不同漂浮长度的大钩载荷Fi，当计算出Fi

实际上选择最佳漂浮长度的过程就是套管和井壁之间摩阻力大小的分析过程，假设井口载荷F和漂浮长度以及井深之间存在着一种函数关系，如下所示：

假设设计要求套管下放至井底，井口载荷最大时的漂浮长度为最佳漂浮长度：

另外，当漂浮长度增加时，受到的浮力会继续增大，但同时降低了套管下放过程的下推力，导致大钩载荷逐渐降低为零。设定大钩载荷为零时对应的漂浮长度为D最大，则有下式成立：

结合以上两公式计算出的长度就可以得到最佳漂浮套管长度。

3 X井套管漂浮计算

3.1 计算条件

3.1.1 摩阻系数套管段：FF=0.25；裸眼段：FF=0.30、0.35、0.40、0.45、0.50。

3.1.2 泥浆密度二开泥浆密度为1.07 g/cm3。

3.1.3 套管参数外径：139.7 mm；内径：121.4 mm；钢级：P110；螺纹类型：LTC。

3.1.4 漂浮长度漂浮长度分别为：800 m、1 200 m、1 500 m、1 800 m。

3.2 优化漂浮长度

（1）不同摩擦系数情况下的套管下入能力分析（见图2），在生产套管与技术套管摩擦系数一定的条件下，模拟生产套管与裸眼不同摩擦系数情况下的套管下放，分别计算出大钩载荷，分析套管下放风险（见表1）。

表1 下套管前井眼情况

图2 不同摩擦系数条件下的套管下放大钩载荷

图3 漂浮400 m长度下套管下入情况分析

从图2可以看出：若套管下放过程中摩擦系数在0.3以内，则套管能顺利下放到位，若摩擦系数超过0.3，则下放过程有可能发生螺旋屈曲，不能保证套管下放到位。考虑到浅层大位移水平井摩擦系数较常规水平井偏大，在下套管过程中应给予较大的活动余量，摩擦系数应按0.4考虑。因此，必须采取漂浮下套管的方式。

图4 漂浮500 m长度下套管下入情况分析

图5 漂浮600 m长度下套管下入情况分析

图6 漂浮700 m长度下套管下入情况分析

（2）不同漂浮长度的套管下入能力分析（见图3～图7），分别按照漂浮400 m、500 m、600 m、700 m和800 m进行漂浮设计，根据计算结构，优选出最佳漂浮长度。

从图3～图7可以看出：（1）随着漂浮长度在水平段的增加，套管下放过程中的摩阻急剧下降；（2）不断增加漂浮长度，当漂浮接箍位于斜井段时，套管下放过程中的摩阻随漂浮长度先下降后增加；（3）当漂浮长度为800 m时，套管下放至井底时的大钩载荷最大，因此，X井漂浮下套管过程中应选的最佳漂浮长度为800 m。

图7 漂浮800 m长度下套管下入情况分析

4 结语

（1）大位移水平井一般具有较长的水平段，位垂比较大，常规下套管方法难以实现套管一次性下放到位，采用套管漂浮技术能有效降低下套管过程中的摩阻，实现套管顺利下入。

（2）应用漂浮下套管的技术，采用合理的模型计算不同漂浮长度情况下套管的受力情况，优化出套管最佳漂浮长度，实现套管按照设计要求一次性下放到位。

［1］李维，李黔，等.大位移水平井下套管漂浮接箍安放位置优化分析［J］.石油钻探技术，2009，37（3）：53.

［2］陶红胜，杨全枝，于小龙，马振锋.鄂尔多斯盆地东部低浅层渗透油藏大位移水平井钻井实践［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（2）：37-40.

［3］陶红胜，王涛，于小龙，李伟，杨先伦.延长石油浅层大位移水平井固井技术［J］.石油矿场机械，2015，44（6）：18-20.

［4］邓红琳，王锦昌.超浅层大位移水平井钻完井技术［J］.特种油气藏，2014，21（3）：142-144.

［5］刘善祯.大位移水平井下套管受力分析及漂浮接箍设计［D］.东营：中国石油大学，2007：28-30.

［6］刘义岭.大斜度井套管安全下入技术研究［D］.东营：中国石油大学，2014：39-41.

［7］周延军，曾强渗，窦玉玲，姜兰其.金平1浅层大位移水平井钻井工程设计技术及应用［J］.钻采工艺，2008，31（S1）：24-27+114.

［8］唐亮.浅层水平井钻完井技术研究与应用［D］.大庆：东北石油大学，2015：8-10.

Floating casing running technology optimization analysis of large extended reach horizontal well in Yanchang oilfield

ZHAO Yi1，CAO Xiao2，ZHAO Qian1，MA Zhenfeng1，LI Hongmei1
（1.Research Institute of Shanxi Yanchang Petroleum（Group）Co.，Ltd.，Xi'an Shanxi 710065，China；2.CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited International Ltd.，Chengdu Sichuan 610051，China）

Because of the long lateral-section horizontal well，shallow vertical depth and the big ratio of horizontal extension to vertical depth，the casing pressure ability is limited.This article through analyzing the technical principles and advantages of floating casing to calculate friction of the casing under different floating length，and select a best floating casing length.By analyzing the field casing running ability that different friction coefficient and the floating length，optimize the floating collar optimal placement，and realize the casing onetime down in place.The application of this technology can effectively improve crude oil exploitation of the level section of horizontal well，provides a new way for subsequent shallow hard to use effective reservoir，and has the high technology reference value.

large extended reach horizontal well；casing；friction；floating length

TE931.2

A

1673-5285（2017）01-0097-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.027

2016－12-12

赵毅（1983-），工程师，现就职于陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，主要从事钻井工艺技术方面的研究工作，邮箱：zyklwkl@163.com。