扭矩环在国内海上油田的首次应用

谢荣斌 崔国杰 陈松茂 张 涛 夏天成

1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300452; 2. 中海油田服务股份有限公司, 天津 300452

0 前言

大位移井是钻井行业难题,作业风险高[1],尤其下Φ 177.8 mm尾管作业难度大。一旦出现阻卡,处理手段有限,发生尾管下不到位的概率很高[2]。直到近几年随着旋转下尾管技术不断趋于成熟,才使得尾管下入成功率得到较大提高[3]。而普通套管扣的抗扭强度难以满足旋转下尾管作业要求,石油行业一般使用的都是高抗扭套管,但高抗扭套管费用昂贵,大幅度增加了作业成本。为此,提出使用“扭矩环+普通套管”代替高抗扭套管的新思路。

扭矩环是一种能显著提高常规套管扣抗扭强度的工具,早在2010年,国外威德福石油公司就在印尼FG-8井中开始将扭矩环配合旋转下尾管技术而使用,并取得了成功[4]。截止目前,国内海上各大油田还未使用过。2016年,渤海垦利某油田布置了三口大位移井,平均井深超过4 500 m,Φ 215.9 mm井眼超过900 m,且该区块地质构造复杂[5],地层容易坍塌,井壁稳定性差,井下复杂情况多,Φ 177.8 mm尾管作业下入难度特别大[6]。为此,采用旋转下尾管技术,引入扭矩环,解决了常规套管扣无法满足旋转下尾管技术的难题,首次在国内海上油田取得应用成功。

1 扭矩环的结构特点及工作原理

1.1 结构特点

扭矩环结构见图1,为一个圆环状的止动环,由API系列L-80材质的钢材加工而成。其主要性能参数见表1。

图1 扭矩环结构示意图

1.2 工作原理

同规格情况下常规API系列螺纹的连接扭矩是Bear、Vam等特殊扣的一半左右,见表2。连接扭矩过大会导致API螺纹失效的主要原因是母扣管体胀大而出现滑扣[7]。扭矩环就是安装在套管接箍两端公扣间隙处,当丝扣连接达到规定扭矩后,接箍两端的公扣与扭矩环相接触,从而起到金属密封螺纹止动台阶的作用[8],可阻止螺纹进一步旋入,防止接箍胀大导致螺纹滑脱。它不仅增强了BTC扣型的上扣扭矩,提高了抗扭强度,而且也增强了密封能力,实现在大斜度井或大位移井中的套管或尾管的旋转下入[9]。

表1 适合Φ177.8mm尾管(磅级43.15kg/m,L80材质,BTC扣型)扭矩环的主要参数

磅级/(kg·m-1)内径/mm外径/mm高度/m43.15158.4170.622.5最大上扣扭矩/(kN·m)最大抗压/t最大抗内压/MPa最大抗外压/MPa35.4306.656.2848.41

表2 不同螺纹扣型扭矩对比

扣型规格最小上扣扭矩/(kN·m)推荐上扣扭矩/(kN·m)最大上扣扭矩/(kN·m)BTCΦ 177.8 mm43.15(kg·m-1) L 808.109.4511.20VamΦ 177.8 mm43.15(kg·m-1) L 8018.1620.0521.94BearΦ 177.8 mm43.15(kg·m-1) L 8021.7523.3825.02

使用扭矩环时,可提前用专用工具将扭矩环安装在Φ 177.8 mm尾管内。安装完之后的配合示意图见图2,扭矩环距离双母接箍端面115.8 mm,尾管△符号距离公扣端面114.5 mm,见图2～3,当扭矩上至△符号,再继续上扣时,扭矩环就会起到止动的作用,限制公扣继续前进,从而提高BTC扣的上扣扭矩及抗扭强度[10]。具体数据见表3。

图2 △符号距离公扣端面示意图

图3 扭矩环距离双母接箍端面示意图

2 扭矩环实验测试及使用优势

2.1 实验测试

在实验室,准备带BTC双母接箍的Φ 177.8 mm短套管至少两根,Φ 177.8 mm、43.15 kg/m、L 80扭矩环若干,上扣机[11](能显示并记录上扣扭矩曲线);游标卡尺、卷尺、通径规等工具。然后用上扣机给带有扭矩环的套管上扣,提升扭矩至33.75 kN·m,见图4。

表3 扭矩环与BTC尾管配合使用相关数据

尾管外径/mm尾管内径/mm壁厚/mm△距离公扣端面高度/mm177.8157.0710.36114.5双母接箍外径/mm双母接箍通径/mm双母接箍长度/mm母接箍端面至扭矩环高度/mm194.46153.9254.8115.8参数接箍最大抗拉载荷/t最小上扣扭矩/(kN·m)推荐上扣扭矩/(kN·m)最大上扣扭矩/(kN·m)数据338.3815.5925.4535.4

a)连接两根套管

b)用上扣机给套管上扣图4 实验室测试扭矩环

经地面试验测试结果证明:设置合适的扭矩环,API系列BTC扣型螺纹的抗扭能力能够达到同规格气密封螺纹的抗扭能力[12]。以安装止动环的Φ 177.8 mm套管为例,其抗扭强度可达到33.80 kN·m,较不安装扭矩环的螺纹最大紧扣扭矩11.20 kN·m提高2.01倍,并且反复拆卸多次,螺纹外观没有磨损,见图5～6。

2.2 使用优势

1)安装简易,不影响作业时效。扭矩环在现场使用过程中,可以不占用井口,提前在甲板完成安装,提高作业效率,见图7。

3)减少采办流程,缩短供货周期。目前,使用高抗扭套管的采办流程是现场根据作业需要做好计划,然后通知采办部门,采办部门委托厂家进行加工,加工完成之后运送到码头仓库,装船送往现场。采办流程繁琐且周期长,容易造成因物料供应不及时而影响现场作业的问题。而扭矩环则只需要现场通知厂家准备好后,随固井配件一起送往现场即可。

图5 不安装扭矩环的最大上扣扭矩值

图6 安装扭矩环后最大上扣扭矩值

a)专用工具侧面图

b)专用工具正面图

3 扭矩环在海上油田的首次应用

2016年,垦利某油田布置了三口大位移井,平均井深超过4 500 m,Φ 215.9 mm井眼长度均超过900 m,且该区域深层沙河街组煤层发育[13],煤矸石容易掉块,井壁稳定性差[14-17],Φ 177.8 mm尾管作业难度大,决定采用旋转下尾管技术[18-19],为降低作业成本,引入了扭矩环,代替价格昂贵的高抗扭尾管,三口井尾管均下至设计位置,见表4。

该三口井下Φ 177.8 mm尾管作业过程中,A 1井出现了三个遇阻点,遇阻超过10 t,提活尾管后,依然通不过,决定旋转下入,设置顶驱蹩停扭矩为28 kN·m,顶驱转速10～15 r/min,排量400～500 L/min,控制大钩下放速度0.05 m/s以内,扭矩波动在22～25 kN·m,泵压2.5～3 MPa,通过遇阻点。A 2井由于煤层较多,下入过程中连续出现遇阻情况,旋转下入了3 h,最高扭矩上涨至30 kN·m见图8,接近扭矩环的试验最高扭矩值33.75 kN·m,为安全考虑,起出了尾管,通井之后,再次下入尾管,顺利下至设计位置。A 3井下入过程中,遇阻均未超过10 t,未旋转管串,下入至设计位置。

表4 垦利某油田三口大位移井尾管下入情况统计

井名完钻井深/m水平位移/m最大井斜角/(°)尾管长度/m旋转情况下入情况A 14 7423 924.6770.42935旋转解阻3段下至设计位置A 24 7883 930.1573.06981旋转3 h下至设计位置A 34 2263 310.37661 005正常下入下至设计位置

图8 A 2井旋转下尾管录井曲线图

“扭矩环+普通套管”代替高抗扭套管在垦利某油田大位移井作业中成功实施,不仅缩短了采办周期、提高了作业效率,而且井下安全得到了保障,应用效果显著。据统计，在这三口大位移井作业过程中由于该技术的应用,共节省费用约180万元,取得良好的经济效益,见表5。

表5 使用“扭矩环+普通套管”节省套管费用统计

井名完钻井深/m尾管长度/m尾管根数/根节约成本/万元A 14 7429358857.6A 24 7889819460.04A 34 2261 0059661.31

4 结论

1)“扭矩环+普通套管”可以替代高抗扭套管使用在旋转下尾管作业中,可有效节省作业成本。

2)随着渤海油田持续发展,调整加密井增加,大位移井将越来越多,扭矩环为渤海油田今后大位移井作业提供了重要技术手段和安全保障,也为降本增效开发做出贡献,具有良好的应用前景,值得进一步推广应用。