机械式套管接箍定位器的研制及应用

2018-03-21赵晓伟海显莲

石油化工应用 2018年2期

姜勇，刘锐，赵晓伟，海显莲

（1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安 710021；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710021；3.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西西安 710200）

连续油管是卷绕在卷筒上拉直后直接下井的长油管。连续油管作业机被业内誉为“万能作业机”，目前已广泛应用于油气田钻井、完井、修井、测井等作业，在油气田勘探与开发中发挥越来越重要的作用。一般人们采用使用轮式测量器来测量下入井中的连续油管长度。轮式测量器的滚轮沿着连续油管的外表面转动并测量其长度，当滚轮磨损后，将在滚轮上产生沟槽。即使一个像一张纸厚的浅槽，在1 000 m深的井中也会产生2 m左右的误差，对于排液等不需要精确定位的施工，这种误差可以满足要求。对于一些需要精确定位的施工，如多薄层压裂，误差太大，可能会导致施工层位的变化。所以开发出连续油管精确定位的方法，对发展连续油管技术的应用推广具有重要意义[1]。

1 国内外连续油管校深方法的应用

国内外目前主要有三种连续油管井下校深方法：（1）人工井底校深法；（2）机械式套管接箍定位器（MCCL）校深法；（3）无线套管接箍定位器（WCCL）校深法。

1.1 人工井底校深法[2]

先下常规油管到施工井的井底，通过磁定位，反复测定短套管定位接箍的位置，确定实际井底的深度；在进行连续油管施工时，再将连续油管下入井底，反复确定下入连续油管的深度，再以井底为参照点，上提连续油管到施工目的层位，进行连续油管压裂施工。

1.2 机械式套管接箍定位器（MCCL）法

机械式套管接箍定位器在本体上安装有弹性卡块，弹性卡块采用上下不同角度的倒角设计方案，使其在下井时能平稳通过套管接箍，在上提时机械式套管接箍定位器的卡块会进入到套管接箍缝隙，若要把其从接箍内拉出，因其上的卡块角度改变了摩擦阻力的方向，连续油管要增加大于拉力十几倍的摩擦力，才能使卡块压缩弹簧收缩变形，卡块脱出套管接箍；通过连续油管轴向受力变化的记录曲线，与测井曲线进行对比，达到连续油管测定井内接箍的工艺技术要求，实现连续油管在井内的定位。

1.3 无线套管接箍定位器（WCCL）法[3]

定位器以电池作动力，通过工具在井筒移动过程中向地面传送的压力脉冲信号，可以指出套管接箍、油管接箍的位置，不需要利用电缆提供电力或传输数据。无线套管接箍定位器的剖面。

无线套管接箍定位器的线圈和磁铁装置，与有线套管定位器相似，检测与接箍金属相关的物理量的变化。当定位器通过一个接箍时，线圈和磁铁装置产生一个小的电压脉冲。如果脉冲足够大，超过工具设定的临界值，处理系统就把该脉冲认作一个接箍，并接通工具中的电磁阀的电池动力；在工具移动过程中，始终有不可压缩的流体泵送流过工具。一旦处理系统接通电磁阀的电池动力，即启动一个滑动活塞将工具关闭，使流体通道封闭三秒钟。三秒结束后，电磁阀的电池动力被切断，工具流体通道重新打开。

三类连续油管校深方法的优、缺点对比表（见表1），由表1可知，人工井底校深法虽不需要研发井下工具，但是工序复杂，定位精度难以保证；无线套管接箍定位器法虽可实现精确定位，但是该技术被哈里伯顿公司垄断，成本较高；机械式套管接箍定位器法不但可以实现精确定位的目的，而且研发难度较小，成本较低，鉴于此，本文提出了机械式套管接箍定位器研究思路。

2 技术分析

2.1 结构

机械式套管接箍定位器结构（见图1），本体内120度相位对称分布三个定位卡块，卡块安装在本体内的槽内，定位卡块两端分别由2个卡块压板限位，卡块可以在径向上一定范围内伸缩。2个螺钉分别将2个卡块压板固定在本体上。弹簧位于本体与卡块内的圆孔内，定位状态下（卡块进入套管接箍缝隙）弹簧是扩张的，过套管时，卡块受挤压，压缩弹簧，使之收缩，顺利通过套管。

表1 三类连续油管校深方法的优、缺点对比表

图1 机械式套管接箍定位器示意图

2.2 工作原理

定位卡块上下采用不同倒角斜度，由于卡块下端采用小倒角，使得连续油管带着机械式套管接箍定位器可平滑下入到短套管接箍位置以下；然后缓慢上提连续油管，当机械式套管接箍定位器定位卡块遇到接箍缝隙时，会自动扩张进入到接箍缝隙内，由于卡块上端采用大倒角，若要把其从接箍内拉出，因其上的卡块角度改变了摩擦阻力的方向，连续油管要增加大于非接箍处十几倍的摩擦力，才能使卡块压缩弹簧收缩变形，卡块脱出套管接箍。在短套管附近，通过上提连续油管，记录其轴向悬重变化的曲线（见图2），通过曲线上峰值的距离，找到短套管位置，并且与测井提供短套管附近实际接箍数据进行对比，校准短套管位置，然后以短套管位置为基础上下移动连续油管一定距离到目的层，进行连续油管下一步施工，如射孔、压裂等。

2.3 主要技术指标

总长890 mm，自由外径130 mm，刚体外径114 mm，最小内径35 mm，工作压力70 MPa，定位滑脱力（过接箍增加力）2.0 t～3.0 t，适用于 Ф139.7 mm（51/2"套管）。

2.4 技术创新点

（1）机械式套管接箍定位器解决了井下连续油管精确定位的需求，使得利用连续油管进行多薄层油气井特种作业成为可能。

（2）定位卡块上下采用不同倒角斜度，使得起、下钻过程中不存在卡钻风险。

3 室内实验

3.1 实验目的

验证提供的机械式套管接箍定位器定位是否满足要求（定位滑脱力2.0 t～3.0 t），为现场实验提供室内研究技术支持。

3.2 实验装置

实验设备包括井下工具加载加扭装置、50 m室内实验井等（见图3），实验介质为水。

3.3 实验过程

在室内实验井内预先下入2根11.5 m的51/2"套管+1根4 m的51/2"套管短节+2根11.5 m的51/2"套管，然后通过27/8"油管连接机械式套管接箍定位器下入51/2"套管中，从地面监控系统观察悬重变化情况。

油管下达井底后，上提管柱，此时悬重显示为1.2 t，上提11.5 m后，悬重突然增加至4.0 t，继续上提后恢复至1.2 t，增加值为2.8 t，证明已到达第一个套管接箍；后继续上提11.5 m后，悬重增加2.6 t后恢复，证明到达第二个套管接箍，又上提4 m后，悬重增加2.8 t后恢复，证明已到达短套管上接箍位置，反复实验，悬重增加都在 2.4 t～2.9 t。

图2 定位过程中轴向悬重变化曲线

图3 实验工装示意图

3.4 实验结果

经反复实验，机械式套管接箍定位器定位可靠，定位滑脱力均保持在2.0 t～3.0 t，达到设计要求。

4 现场实验

2017年5月，在长庆油田苏X井进行了机械式套管接箍定位器现场实验，具体工艺描述为：连续油管水力喷射+Y241封隔器+环空压裂。实验管柱（见图4），短套管位置：2 935.05 m～2 938.55 m，人工井底位置：3 009.27 m，射孔段为 2 896.0 m、2 964.0 m、2 981.0 m，射孔段2 964.0 m和2 981.0 m层间隔只有17 m，气层厚度分别为2.6 m，5.0 m，3.4 m，气层厚度最薄为2.6 m。以短套管作为基准，进行精确射孔、填砂作业。

图4 机械式套管接箍定位器应用管柱示意图

定位方法为：以连续油管自带的轮式测量器显示的数据为参考，找出短套管位置，然后根据测井提供的套管接箍实际数据，校准短套管位置，并进行标记（苏X井短套管附近的实际套管接箍位置为2 962.05 m、2 950.35 m、2 938.55 m、2 935.05 m、2 923.25 m）。定位过程为：首先下连续油管至短套管以下20 m左右，然后上提连续油管，在连续油管轮式测量器显示值为2 954.56 m处，连续油管悬重增加2.7 t，判断到达套管接箍位置；上提连续油管，在轮式测量器显示值为2 942.76 m处，连续油管悬重增加2.8 t，判断到达下一个套管接箍位置；上提连续油管至轮式测量器显示值为2 939.26 m处，连续油管悬重增加2.7 t；上提连续油管至轮式测量器显示值为2 927.46 m处，连续油管悬重增加2.6 t。综上找到的四个套管接箍位置分别为 2 954.56 m、2 942.76 m、2 939.26 m、2 927.46 m，其中间距分别为11.8 m、3.5 m、11.8 m，由于3.5 m与提供的短套管长度一致，所以初步判断2 939.26 m、2 942.76 m分别为短套管的上、下接箍位置；根据测井提供的短套管附近套管接箍的实际数据，2 939.26 m、2 942.76 m与2 938.55 m、2 935.05 m接近，所以将其校准为2 938.55 m、2 935.05 m，并在连续油管上进行标记，然后反复起下连续油管核对位置，都在标记点±0.01 m范围内，定位滑脱力（过接箍悬重增加值）都在2.0 t～3.0 t，定位成功，找到短套管位置为 2 935.05 m～2 938.55 m。

基于短套管的位置，精确找到了射孔段位置2 896.0 m、2 964.0 m、2 981.0 m，顺利完成了三段连续油管水力喷射+Y241封隔器+环空压裂工艺的施工。在此次作业过程中，最高工作压力70 MPa。机械式套管接箍定位器在对射孔段定位的过程中，反复起、下钻数量超过30次，该定位器始终可靠定位，定位滑脱力在 2.0 t～3.0 t，定位性能稳定。

截至2017年12月,机械式套管接箍定位器共实验6口井，用于6口连续油管水力喷射+Y241封隔器+环空压裂工艺射孔段的定位。目前最大下入深度3 120 m，最高工作压力70 MPa，现场实验应用均一次性成功，定位准确。