水平井筛管完井提拉预应力工具的研制

马庆涛，张建国，马明新，张海平

稠油热采井开发中，由于注蒸汽过程中套管串受热伸长，后期生产过程中普遍存在套筛管损坏[1]和井口抬升[2]，目前普遍采用提拉预应力[3]作业来缓解套管串热应力。通过在固井注水泥前或注水泥后对井内套管串施加一定的预拉力，减小或抵消注蒸汽受热时热应力造成的套管伸长，减少套管柱受热膨胀应力破损，防止注蒸汽井口抬升，增加生产井寿命，该措施在直斜井中得到了较好的应用效果。然而，由于疏松砂岩稠油油藏储层胶结、易出砂[4]，大多采用水平井筛管完井开发，目前国内外未有相关与水平井筛管完井相配合的提拉预应力工具[5–7]。本文介绍了一种水平井筛管完井提拉预应力工具，采用水平井筛管上部固井段提拉预应力完井、下部筛管段采用热应力补偿器补偿热应力[8]的完井方法，对热采水平井完井管串进行提拉预应力作业，可有效防止套管应力损坏、缓解井口抬升。

1 工具结构设计及工艺参数

1.1 工作原理及结构特点

（1）工作原理。提拉预应力工具结构如图1所示。提拉预应力工具连接于套管底部，工具下到预定位置后，开泵循环钻井液，待井下正常，从井口投球（盲板的话，直接套管内打压），球自由下落，当球落到球座时，通过套管内利用钻井液打压；当液柱压力达到设定压力，销钉被剪断，液缸推动活塞，活塞启动杆连带提拉爪打开，提拉爪慢慢吃入地层，直至支撑杆顶住提拉爪，提拉爪吃入地层后可进行提拉预应力作业。

图1 提拉预应力工具结构

（2）结构特点。①采用6只提拉爪均匀分布，利于套管居中；②套管内打压提拉爪撑开，泄压后自动复位；③工具内径与套管一致，不影响后续作业；④提拉爪对地层的吃入力与套管的提拉力成正比，提拉力越大，提拉爪趋向张开角度越大，吃入地层越深；⑤提拉预应力工具内空心设计、内外不互通，适用于水平井提拉预应力。

1.2 性能参数

提拉预应力工具性能参数如表1。

1.3 完井管串及施工工艺

（1）完井管串推荐结构：引鞋+筛管串+球座或盲板+提拉预应力工具（斜井段）+管外封隔器+分级箍+套管串至井口（图2）。

（2）施工工艺。①按设计要求连接提拉预应力工具与套管串组合，保证完井管串的顺利下入；②下完套管后，按照设计要求投球，待球到位球座；③打压至7～9 MPa，胀封提拉预应力工具，同时进行提拉套管预应力，达到设计提拉力后套管串坐封井口；④打压至12～14 MPa，胀封管外封隔器；⑤打压至16～18 MPa，打开分级箍，进行固井作业。

表1 提拉预应力工具性能参数

图2 完井管串推荐结构

2 室内试验

2.1 工具抗拉力室内压力试验

试验目的：检验提拉预应力工具所能承受压力的能力。

试验设备：YE-200A压力试验机1台（额定负荷大于200 t、升高大于1 500 mm），压力套1个。

试验方法：将提拉预应力工具外部套上一根两段平整、长度1 000 mm、外径339.7 mm、壁厚10.92 mm的压力套，使其下端座于打开的提拉预应力工具上面，然后移至压力试验机打开的上下盘之间，采用逐渐加压的方法测定锚爪能够承受的最大压力，预计施加最大压力载荷100 t。试验过程中施加压力要缓慢得当，过程中随时关注压力表显示及波动。

试验结果：当提拉预应力工具所受压力达到100 t时，提拉爪形态保持良好，无明显变形。

2.2 地面支撑性试验

试验目的：验证提拉预应力工具开启提拉爪动作的可靠性。

试验方案：将提拉预应力工具按照以下试验管串连接，通过高压泵打压的方式，胀封提拉预应力工具，观察提拉爪的支撑离地形态（图3）。

图3 地面支撑性试验管串

试验过程：按照以上管串结构连接试验工具；套管两端装试压接头，逐步升压至8 MPa，达到提拉预应力工具剪钉剪断压力，剪钉剪断，同时锚爪支撑套管离开地面，泄压，试验结束。

试验结果：压力升压至8 MPa，剪断剪钉，同时锚爪支撑套管完全离开地面，工具各结构件无一损坏。

3 现场试验

为了解决稠油热采水平井注蒸汽后热应力难题，缓解后期注汽套管损坏，在P601–P1井成功进行了工具预应力完井现场试验，实现了套管预应力伸长，减少后期注汽过程中套管串受热伸长，减少井口抬升程度。

（1）井身结构见表2。完井管柱结构见图4。

表2 P601-P1井井身结构

图4 P601-P1井完井管柱结构

（2）提拉预应力计算。假设提拉预应力工具以上管柱长度600 m，套管钢级P110，套管规格Ф177.8 mm×9.19 mm，注蒸汽温度350℃，水泥返至地面。计算的预应力值为28.5 t，套管伸长量为20 cm。

（3）提拉预应力工艺。管柱下放到距井底3 m后，按正循环方式连接管线，用固井车小排量打压，试压5 MPa，继续打压至9 MPa，胀封提拉预应力工具，稳压3分钟，以3 m为限、每次0.5 m为单位上提管柱，上提过程中若指重表显示悬重持续增加，表明提拉预应力工具锚定地层，开始提拉预应力15～20 t（悬重显示增加15～20 t），提拉预应力之后卸下多余短节，座好吊卡，继续下一道工序；若上提3 m，指重表显示仍无明显持续的变化，则表明提拉预应力工具未锚定地层，继续下一道工序。

（4）配套完井工艺。井口打压至 12 MPa、14 MPa，各稳压3~5分钟，胀封套管外封隔器，然后继续升高压力至18～20 MPa，打开分级箍，实现正循环。待泥浆循环畅通后，大排量循环泥浆，直至泥浆性能满足固井要求。

（5）试验结果。P601–P1井预应力完井现场试验表明，研制出的Φ177.8 mm规格水平井用提拉预应力工具与筛管完井工艺相配套，可明显吃入地层，产生有效提拉力，满足热采水平井的提拉预应力作业要求。

4 结论

（1）该水平井筛管完井用提拉预应力工具有6只提拉爪均匀分布，工具内径与套管一致，内空心设计不互通，可支撑套管完全离地，安全提拉力达100 t，可满足水平井提拉预应力作业要求。

（2） 现场试验表明，提拉预应力工具可明显吃入地层，产生有效提拉力，提拉作业和固井施工顺利，可满足水平井筛管完井作业要求。

参考文献

[1] 赵洪山. 稠油热采井套管柱损坏机理及预防措施研究[D]. 山东东营：中国石油大学，2007.

[2] 黄志云. 稠油热采井井口抬升问题防治措施[J]. 石化技术，2016，23（1）：85–86.

[3] 孙景涛，窦同伟，孙所栋，等. 刘官庄油田热采井预应力完井技术研究与应用[J]. 中国化工贸易，2015，7（25）：19–20.

[4] 田刚，唐洪明，王春华，等. 疏松砂岩稠油油藏适度出砂开采方式研究[J]. 新疆石油地质，2007，28（2）：197–199.

[5] 张强，陈治，李丁，等. 新型可钻式预应力固井地锚设计与研究[J]. 石油机械，2015，（8）：83–86.

[6] 施连海，刘湘基，杨帆，等. 套管双级地锚在稠油热采井中的应用[J]. 石油机械，2010，38（10）：61–62.

[7] 路志武，刘中国，刘帅，等. 旋转地锚在克拉玛依油田热采井的应用[J]. 化工管理，2016，（26）：135–136.

[8] 孙迎春，贾耀惠. 热应力补偿器在超稠油开发中的应用[J]. 特种油气藏，2002，9（6）：51–53.