大位移水平井旋转自导式套管浮鞋的研制及应用

李社坤 周战云 任文亮 秦克明 侯平

中石化中原石油工程有限公司固井公司

大位移水平井旋转自导式套管浮鞋的研制及应用

李社坤 周战云 任文亮 秦克明 侯平

中石化中原石油工程有限公司固井公司

为了提高浮鞋引导能力，解决大位移水平井套管下入困难的问题，研制了一种旋转自导式浮鞋。利用偏头引鞋增强引导能力，利用双向螺旋槽实现自动调整引导状态，利用弹浮式回压密封结构来实现回压坐封。该工具引导机构可沿轴线360°自由旋转，耐温可达180 ℃，耐回压能力可达50 MPa，引导机构自动复位后偏转角度都在10°以内。室内试验及现场应用表明：旋转自导式浮鞋具有较强的自导向能力和反向承压能力，能够引导套管在井眼轨迹曲折的水平井眼内顺利下行，在固井作业后可靠坐封。由于页岩气井的开发多为大位移水平井，因此，可广泛应用于各类页岩气水平井下套管及固井施工作业。

大位移；水平井；旋转自导；浮鞋；固井；现场应用

页岩气在全球范围内分布广泛，开发潜力巨大，随着页岩气在全国范围内的深入开发，水平井钻完井技术得到更广泛的应用，特别是大位移水平井的日益增多，对于页岩气的开采起到积极的促进作用［1-3］。大位移水平井因水平段过长导致完井时套管在井眼内摩阻加大、井眼轨迹蜿蜒曲折使套管柱下端易卡阻，通常套管难以顺利下放到位。目前主要可采取2种措施：一是采用滚轮扶正器、套管漂浮技术［4］以减小套管摩擦阻力；二是在提高下套管引导能力方面采用套管“抬头”技术，即在常规引鞋上部加装1只整体刚性扶正器，使引鞋尽量在井眼内保持居中状态［5］，以使套管更易于通过狗腿度较大的井段，但是由于引鞋外部的刚性扶正器增大了套管下端的外径，遇到缩径井段时不易通过，无形中增加了下套管遇阻的风险；另外还可以采用一种偏头浮鞋［6-8］，该种浮鞋具有坡度较大的引导面，当下套管遇阻时，可通过反复“上提+下放”的方式来通过遇阻井段，但由于其偏头引鞋不具有自动调整引导状态的功能，即使经过多次“上提+下放”操作，也不易调整至最佳引导状态，使用时操作较为不便；其次，该种浮鞋的弹簧式回压坐封结构可靠性相对较差，因其密封面固定，经流体长时间冲刷容易损坏，现场应用情况也表明其可靠率相对较低。

因此，针对上述不足，研制一种能够自动调整最佳引导状态，并且具有较高回压坐封可靠性的引导工具，对于确保大位移水平井套管顺利下放到位将有着积极的意义。

1 旋转自导式套管浮鞋的研制

Development of rotary self-guidance casing float shoe

1.1 结构

Structure

为提高引导工具的引导能力，研制了旋转自导式浮鞋，组成部分主要包括壳体、引导机构、回压密封机构3部分。回压密封机构位于壳体内部，二者之间通过螺纹相连，引导机构（偏头引鞋）位于壳体下部，二者之间通过两道滚珠槽及滚珠相连，具体结构见图1。

图1 旋转自导式浮鞋结构Fig.1 Structure of rotary self-guidance float shoe

（1）壳体的主要功能是将回压密封机构和引导机构整合在一起，同时通过它与套管连接。因此其结构设计为管状结构，上端设有连接螺纹以便于连接套管，下端内壁设有环形凹槽，以便于通过滚珠与引导结构相连。

（2）引导机构的主要功能是提供较强的导引力、提供自动调整最佳引导状态的能力，提供液流通道，能够与壳体连接且具有较小的旋转摩擦力。因此引导机构设计为圆柱状结构，其下端相对设有副引导面（小球面）和主引导面（大球面），主引导面的半径为副引导面半径的两倍，当主引导面正对所接触的井壁时，其引导通过能力要强于副引导面。上述结构能够确保其引导能力不低于常规的半球式引鞋。

为使引导机构（偏头引鞋）具有自动调整最佳引导状态的能力，在其外壁对称设置数条左旋螺旋槽和右旋螺旋槽；下套管时井壁摩擦力可使偏头引鞋向发生旋转，直到两种旋向的螺旋槽同时接触井壁时方停止转动，此时主引导面朝向所接触的井壁，处于最佳引导状态。为了使螺旋槽能够提供较为合理的摩擦旋转力矩，其螺旋角设置为±（15°～ 45°）。

为使引导机构（偏头引鞋）既能与壳体可靠相连，又能便于旋转，在其上部外壁设置2道滚珠槽，然后通过多个滚珠与壳体下部相连。引导机构（偏头引鞋）的结构见图2。

图2 引导机构结构Fig.2 Structure of guide mechanism

（3）回压密封机构的主要功能是确保液流只能单向导通、密封可靠和耐回压。因此，设计的回压密封机构主要由阀座、阀球、球托、球篮和弹簧等零件构成，阀座为圆板状结构，外圆面设置螺纹，其中心开有通孔，通孔下端设内锥面，内锥面与阀球配合可实现单向密封，球篮与阀座通过螺纹联接，其内依次容纳阀球、球托和弹簧，弹簧弹力通过球托作用于阀球，使其与阀座下端内锥面紧密接触。由于阀球在液力冲击下可任意转动，且弹簧可缓冲液力冲击，由此可避免阀球因剧烈撞击而损坏；此外，阀球可在弹簧或返流单独或共同作用下完成坐封，功能可靠性大大提高。为提高阀球的耐温耐压能力，其芯部材质采用胶木、碳纤维、玻璃钢或铝合金，其外表裹覆耐高温氟橡胶，由此也可进一步提高密封效果，回压密封机构结构见图3。

图3 回压密封机构结构Fig.3 Structure of backpressure sealing mechanism

1.2 工作原理

Working principle

使用该工具时，将壳体上部的内螺纹旋接于套管柱下端后进行下套管作业。下套管过程中，偏头引鞋侧壁上螺旋槽与井壁摩擦会产生不同旋向的力矩，该力矩会使引鞋向相应的方向旋转，直到左旋螺旋槽与右旋螺旋槽同时与井壁发生接触，不同旋向的力矩相互抵消，偏头引鞋方停止转动；此时，偏头引鞋下端引导能力较强的大球面始终朝向所接触的井壁，使得即使遇到较大的曲折井段也能顺利通过，由此增强了引导能力，确保套管能够顺利下入。

1.3 技术参数

Technical parameter

针对Ø139.7 mm套管设计的旋转自导式浮鞋性能参数见表1。

表1 旋转自导式套管浮鞋技术参数Table 1 Technical parameters of rotary self-guidance casing float shoe

1.4 结构特点

Structural characteristic（1）内部结构功能可靠，液流通道畅通，液流阻力较小；（2）具有可沿轴线360°自由旋转的偏头引鞋，下套管过程中可自动调整导向方位，提高套管柱通过能力，防止套管在曲折井段遇阻；（3）耐温可高达180 ℃，其反向承压能力可达50 MPa；（4）内部回压装置采用功能可靠性较高的弹浮式结构，一次坐封成功率高；（5）引导能力强，特别适用于井眼轨迹不规则井段套管的下入引导。

2 室内评价试验

Laboratory evaluation test

为了验证旋转自导式浮鞋的综合性能能否满足设计要求，对其耐冲蚀能力、反向承压能力、自导向能力等进行了室内评价试验。

2.1 耐冲蚀性能试验

Erosion resistance test

耐冲蚀性能试验（也称寿命试验）的主要目的在于评价浮鞋在规定排量液体长时间冲蚀过程中保持反向坐封的能力，SY/T 5618—2009《套管用浮箍、浮鞋》中要求Ø139.7 mm规格的排量不小于2.0 m3/min，冲刷时间不少于24 h。为了评价旋转自导式浮鞋的耐冲蚀性能，将1只加工好的旋转自导式浮鞋（规格：FXIII-XZ 5-1/2LTC10.54P110）样品置入浮箍浮鞋耐冲蚀性能实验装置中（如图4所示），试验介质为清水，升温时间150 min，循环排量2 m3/min，初始温度27 ℃，循环温度82 ℃，分别经过24 h、48 h、72 h的冲蚀试验，浮鞋内部构件阀球、弹簧、阀座密封面等结构未见任何损坏。用同样方法对相同规格常规的弹簧式和浮球式浮鞋进行试验，阀芯在48 h时已发生明显磨损或损坏，反向坐封能力部分丧失。试验结果表明，旋转自导式浮鞋的耐冲蚀能力不仅满足标准SY/T 5618—2009的技术要求，而且优于其他类型的浮鞋。

图4 旋转自导式浮鞋耐冲蚀性能实验装置Fig.4 Experimental apparatus for testing the erosion resistance of rotary self-guidance float shoe

2.2 反向承压能力试验

Reverse pressure bearing capacity test

反向承压能力试验的主要目的是评价浮鞋回压密封强度能否满足现场使用要求，SY/T 5618—2009中规定Ⅲ型浮鞋反向承压试验压力不小于30 MPa，稳压时间不少于5 min［9］。为了充分评价旋转自导式浮鞋的反向承压能力，确定进行更高压力级别的试验，分别在25 MPa、35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa的压力下分别稳压5 min，累计稳压时间不小于25 min。试验方案确定后，将旋转自导式浮鞋反向承压部件通过短节与试压泵相连，通过试压控制系统设置好试压程序后开启试压系统进行测试，在设定的压力值下分别稳压5 min，压降均小于0.5 MPa，试压结果见图5；卸压后拆下浮箍内部构件，除阀球与阀座接触处有明显压痕外，未发现其他损坏情况。试验结果表明：旋转自导式浮鞋的反向承压能力远大于标准SY/T 5618—2009中对Ⅲ型浮鞋反向承压标准（30 MPa）的要求［9］，能够满足高压固井作业的要求。

图5 旋转自导式浮鞋反向承压试压曲线Fig.5 Reverse pressure bearing test curve of rotary self-guidance float shoe

2.3 自导向能力试验

Self-guidance capacity test

为验证旋转自导式浮鞋是否具有自动调整最佳引导状态的能力，根据其工作状态研究设计了试验方案，为了便于观察试验结果，采用轴向半剖的Ø244.5 mm的套管模拟井眼，然后将旋转自导式浮鞋（规格：FXIII-XZ 5-1/2LTC10.54P110）置入模拟井眼内（模拟井眼内径220 mm，引鞋外径154 mm，模拟井眼长度为5 m，内壁电焊多个凸点模拟粗糙的井壁），将壳体相对于模拟井壁周向固定，防止轴向移动过程中发生相对转动；为便于确定偏头引鞋初始偏转角度和复位后的偏转角度，在引鞋及壳体上刻画刻度线，通过量取刻线间弧长计算偏转角度；然后将偏头引鞋导向面转向模拟井眼侧壁，确定引鞋初始偏转角度后，轴向移动旋转自导式浮鞋以模拟下套管过程，观察偏头引鞋自动旋转导向情况，测量引鞋复位后偏转角度，模拟结果见表2。

通过试验观察，旋转自导式浮鞋在移动过程中能够自动调整并保持引导方位，使引导能力较强的引导面最终始终保持朝向所接触的井壁；根据表2数据可知，在不同初始偏转角度的情况下移动浮鞋，最后偏头引鞋总能够复位至最佳引导状态，且复位后其偏转角度都在10°以内。试验结果表明，旋转自导式浮鞋具有自动调整最佳引导状态的能力。

表2 旋转自导式浮鞋自导向能力试验结果Table 2 Self-guidance capacity test results of rotary selfguidance float shoe

3 现场应用

Field application

旋转自导式浮鞋研制成功后，先后在延长油矿云页平2井等3口页岩气水平井进行了成功应用，取得了良好效果。以云页平1-1井为例，该井位于延安市延长县张家滩镇上余佛村南约400 m处，是陕西延长油矿在鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部部署的一口页岩气水平井探井，该井设计井深和完钻井深均为4 180 m，井底位移1 927 m，完钻垂深2 455 m，最大井斜93°，最大狗腿度5.09 （°）/30 m，套管下深4174 m，套管直径139.7 mm。

该井固井施工存在以下技术难点：（1）最大井斜达到93°，井眼轨迹曲折，最大狗腿度5.09 （°）/30 m，下套管遇阻风险较大；（2）位垂比较大，水平段套管下入摩阻较大，套管不易下放到位；（3）固井施工压力较高，对浮箍浮鞋可靠性要求较高。

3.1.1 井眼准备 （1）用标准钻头通井，排量不小于1.8 m3/min，循环不低于2周；阻卡井段划眼；（2）固井前钻井液黏度调整到80 s以内。

3.1.2 技术措施 （1）为防止套管柱下端遇阻，确保回压坐封可靠，采用引导及回压能力较强的旋转自导式浮鞋。（2）针对水平井下套管摩阻大的问题，在2100 ～3 500 m井段每2根套管安装1只刚性扶正器，在3 500～4 170 m井段每2根套管间隔安装1只滚轮扶正器。（3）下套管中途遇阻时，接循环头边循环边进行下套管作业，上提下放吨位不超过工具和钻井设备能力的80%［10-11］。

根据技术措施确定套管串结构（自下而上）：Ø139.7 mm旋转自导式浮鞋+Ø139.7 mm套管×1根+Ø139.7 mm浮箍+Ø139.7 mm套管×1根+Ø139.7 mm浮箍+Ø139.7 mm长圆套管串+短套管（2 683.08～2 693.83 m）+Ø139.7 mm长圆套管串+Ø139.7 mm联顶节。

下套管作业历时24.5 h，作业过程中共下入扶正器145个，灌钻井液19次，整个作业过程顺利。

固井施工作业过程中，地面施工连续正常，替浆过程压力为0～14MPa，碰压22 MPa，水泥浆返出地面，泄压无回流，表明浮箍浮鞋密封良好。

该井施工情况表明：旋转自导式浮鞋引导能力较好，下套管过程未发生下钻时遇到的阻卡情况，回压坐封功能可靠，避免了憋压候凝带来的不良影响。

4 结论

Conclusions

（1）旋转自导式浮鞋可自动调整最佳引导状态，具有较强的自导向能力，可承受较高的反向回压，具有较强的耐冲蚀性能和较强的功能可靠性。

（2）室内试验和现场应用表明，旋转自导式浮鞋能够引导水平井套管顺利下入，回压坐封功能可靠，可广泛应用于井眼轨迹曲折的大斜度井、水平井、高压井的固井施工作业。

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（修改稿收到日期 2017-02-08）

〔编辑 薛改珍〕

Development of rotary self-guidance casing float shoe and its application in extended-reach horizontal wells

LI Shekun,ZHOU Zhanyun,REN Wenliang,QIN Keming,HOU Ping
Cementing Company,SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd.,Puyang457001,He’nan,China

A kind of rotary self-guidance float shoe was researched and developed to improve the guidance capacity of float shoes so as to deal with the difficult casing job in extended-reach horizontal wells.An offset guide shoe is used to reinforce the guiding capacity,a bi-directional spiral groove is used to adjust the guiding state automatically and an elastic-floating backpressure sealing structure is used for the realization of backpressure setting.The guidance mechanism of this tool can rotate freely along the axial line by 360°,and it can resist the temperature of 180 ℃ and backpressure of 50 MPa.After the guidance mechanism resets automatically,its angle of deflection is within 10°.It is indicated from laboratory experiments and field application that this rotary self-guidance float shoe is stronger in terms of self-guidance capacity and reverse pressure bearing capacity.By virtue of this tool,casing job can be implemented smoothly in horizontal wells whose hole trajectory is zigzag and the setting after the cementing is reliable.Shale gas wells are mostly in the form of extended-reach horizontal wells,so this tool can be extensively applied to casing job and cementing operation in various shale-gas horizontal wells.

extended reach; horizontal well; rotary self-guidance; float shoe; cementing; field application

李社坤，周战云，任文亮，秦克明，侯平.大位移水平井旋转自导式套管浮鞋的研制及应用［J］.石油钻采工艺，2017，39（3）：323-327.

TE925.2

：B

1000–7393（2017 ）03–0323–05DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.013

: LI Shekun,ZHOU Zhanyun,REN Wenliang,QIN Keming,HOU Ping.Development of rotary self-guidance casing float shoe and its application in extended-reach horizontal wells［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 323-327.

李社坤（1966-），1988年毕业于西南石油大学钻井工程专业，现从事固井技术研究工作。通讯地址：（457001）河南省濮阳市华龙区石化路100号中原固井公司。电话：0393-4882276。E-mail：Lishekun1@126.com

周战云（1969-），1993年毕业于河北承德石油高等技术专科学校机械制造工艺与设备专业，现从事固井工具技术研究工作。通讯地址：（457001）河南省濮阳市华龙区石化路100号中原固井公司。电话：0393-4883033。E-mail：13839276555@163.com