玻璃钢套管在苏拉特盆地煤层气井的应用

丛 科，李晓刚，刘英伟，苗 杰

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

引言

澳大利亚苏拉特（Surat）盆地的区块北部具有丰富的煤层气资源，由于与X-star煤矿公司的矿权重合，基于矿权管理协议，防止煤的开采过程中出现火花而产生燃爆事故，在该区块的表层以下不允许有铁质套管。与常规的钢制套管相比，非金属材质的玻璃钢套管既能保证自身强度满足施工要求,且在采煤过程中不会产生电火花和摩擦火花，提高了后期采煤的安全性。但是相对于普通钢管，玻璃钢套管在抗内压，抗拉以及抗扭都存在着很大局限性，给煤层气钻完井设计及施工带来了很大挑战，玻璃钢套管的外观见图1。

图1 玻璃钢套管的外观图

煤层气是与煤层矿藏伴生的天然气资源，主要以烷烃类为主，是非常规能源的一种，近年来，国内山西、四川等地发现了众多煤层气矿藏资源，海外的澳大利亚苏拉特（Surat）盆地等地区，也发现了众多煤层气资源。玻璃钢也被称作玻璃纤维缠绕夹砂管，主要以环氧树脂及其余的有机材料作为基体，是近年来新兴的工程材料，和常规钢制设备、钢管相比，玻璃钢套管具有无静电、耐磨损、抗腐蚀、硬度高的特点，和常规不锈钢材质较软的问题相比，玻璃钢套管材质较硬，不易磨损，广泛用于造纸、城市给排水、化工、石油等工程领域。

国内外目前常用的玻璃钢套管主要有以下几种：

1）FRE套管，强化环氧树脂玻璃纤维套管，主要是通过混入的石英和玻璃来强化；

2）GRE套管，强化环氧树脂玻璃套管，已经应用于常规油井；

3）FRP套管，玻璃纤维强化塑料套管，采用聚酯树脂，耐腐蚀，常用于化学工业。

玻璃纤维复合材料的变化多样性主要是因为聚酯系列以及加工工艺的不同。不同的聚酯体系决定了不同的机械性能（强度）和化学性能（防腐），但这些性能都与温度密切相关。昆士兰煤层气公司目前将GRE套管定位首选主要是因为GRE具有针对碳水化合物的独有的聚酯体系，而且已经成熟应用于油气行业（在西澳的常规油气井中有成功的应用）。为了适应苏拉特盆地煤层气井的设计要求，供货商对GRE套管也做了一些适应性的改造。

1 玻璃钢套管串设计

1.1 7寸玻璃钢套管抗内压级别选择

行业普遍对套管性能采用安全系数进行套管校核及井身结构设计，在之前的作业中采用0.8的安全系数，这样的套管设计偏保守。根据苏拉特盆地之前的作业方式，套管所承受的最大压力为1 250 psi，之前的作业7寸生产套管需要选择最小抗内压1 750 psi等级的管材。

在实际作业中，根据API 15HR-High pressure Fibreglass line标准进行分析。

1）随机抽取18个相同的套管样本进行环向及轴向压力测试；每跟套管都施加不同的内压；

2）测试时间持续超过6 000 h；

3）根据测试结果，将失效点按照应力（Y轴）与时间（X轴）记录；

4）将这些失效点连接，制定线性回归曲线，推测到175 000 h（20年）的套管最小失效应力；

5）玻璃钢套管抗内压等于在最小失效应力的基础上再采用0.67的安全系数。

6）根据以上分析，结合苏拉特盆地生产周期及年限，最终选择7寸玻璃钢套管强度1 250 psi，来替代之前的1 750 psi级别套管，这样对比下来套管成本降低超过30%以上。

1.2 玻璃钢套管扣型选择

套管接箍的强度直接影响了整个套管串的强度，由于GRE套管材质和加工工艺的原因，其母接箍和本体是一个整体所以强度较高。但通常扣型为非API的，性能较差。因此改进后的扣型称之为SPH，是常规Buttress扣的一种变形。设计为4扣/英寸，并且通过丝扣和密封圈实现双密封。密封圈放置在公扣的顶端，与母扣的末端丝扣形成第一道密封。丝扣的咬合为第二道密封。GRE套管使用专用的丝扣油，这种丝扣油含有聚四氟乙烯及其它聚合物颗粒。一方面能润滑丝扣防止上扣时的损伤另一方面通过这些聚合物颗粒填充丝扣间的空隙使丝扣连接更紧密从而提高整体强度（见图2）。

图2 玻璃钢套管扣型

1.3 玻璃钢预射孔套管设计

由于生产的需要，煤层段的套管为预射孔式生产套管。GRE套管的价格远高于普通套管，尤其是割缝管，价格更高。所以如果100 m以下都换用普通预射孔套管就能在一定程度上降低成本。但经过计算这样的组合在下套管过程中的轴向载荷将超出GRE套管的安全值。对于GRE套管，因为强度的原因，只能在本体上割缝来代替圆孔，见图3。

图3 玻璃钢套管割缝管

每根套管上的割缝分为28个单元，每个单元分为2组（2组之间相隔180°）每组有5条割缝，每条割缝长91 mm，宽10 mm。平均每根套管共有280条割缝，占套管总表面积的4.3%。GRE套管的脆性很高，受不了冲撞，所以在运输、储存时要格外小心。GRE套管通常都是6根一捆，分上下2排，每根之间都用缓冲材料隔开。下套管时使用双吊卡，其吊卡也为特制。因为上扣扭矩很小，有不能经受冲击力，所以上扣采用链钳，手动上扣。

这些地区的煤层气井也需要下入PCP（progressive cavity pump）进行生产。目前所使用的PCP的定子部分是通过一个锚定系统固定在套管内壁，以承受转子旋转时产生的反扭矩，保证PCP的正常运行。同样，GRE套管不能承受这样的扭矩，因此目前的方案是，最底端的4根套管选用普通的预射孔套管。

1.4 玻璃钢套管井身结构设计

由于玻璃钢套管接箍并非API标准尺寸，玻璃钢套管的接箍直径太大，远大于本体直径，使得井身结构受到很大的限制，井身结构一般选用非常规尺寸，不能和常规井一样采用通用的钻头和井口设备，增加了成本也加大了后勤供应的难度。这对后续钻井工期费用，钻完井工具选择等都带来了挑战。因为都是成熟区块的钻井作业地质情况和井控风险都很清楚，所以由生产管柱的尺寸反推套管尺寸，再决定钻头尺寸，具体见表1。

表1 玻璃钢套管井井身结构

由于玻璃钢套管井井身结构同普通煤层气井井身结构的不同，我们可以采用变扣、变径短节等形式，完成玻璃刚套管与常规井口设备的对接，同时由于玻璃钢套管的破裂压力、失效压力、抗拉特性与常规井口设备存在差异，在设计时，我们需要应用Solidworks Simulation、Ansys等有限元工程分析软件，对玻璃套管的强度，尤其是在大狗腿度、大斜度井的特殊工况下玻璃套管的强度进行校核，使其安全系数达到1.5或以上等级。

2 玻璃钢套管井作业固井工具选择

普通煤层气井的固井工具选用管外封隔器与液压分级箍配合使用，固井期间最大碰压压力达到2 200 psi，而普通玻璃钢套管的抗内压仅有1 250～1 750 psi，这对我们现场作业，固井工具的选择，提出了新的要求。

由于受玻璃钢套管抗内压强度的限制，所使用的管外封隔器和分级箍都是通过机械的方式来实现功能转换。在套管下到位后，用特制的C型补心组合开关工具。开关工具主要由上、下试压皮碗，负荷显示器和开关滑套所组成。管外封隔器的座封所需的压力密闭在上、下皮碗之间，传不到玻璃钢套管；分级箍的开关是通过开关滑套的下移和上移来实现，所以很好的解决了玻璃钢套管的承压问题。机械式分级箍的工作原理如图4所示。

图4 机械分级箍工作原理示意图

3 玻璃钢套管井口选择

普通煤层气井井口采用快速扣连接下入方式，避免了隔套管，下卡瓦时间，并且表层固井无需等待过长的凝固时间，缩短作业的时间周期。而在玻璃钢套管井中，由于套管尺寸限制，只能采用分体式井口。

在下入表层套管过程中，存在一个问题，防喷器组和套管头的重量远远大于GRE套管的轴向载荷。最好的解决办法就是通过普通套管将井口装置的重量分散到方井口。因此选用井口基盘与承重卡瓦的组合。下套管前，将32”×125/8”的井口基盘平置与导管之上（事先将导管割的与方井口底部平齐）。103/4”套管要预先配长，从方井口底部以下3 m至井口是普通炭钢套管＋联顶节的组合。套管到位后，固井，当顶替结束时，立即将承重卡瓦放在基盘中，下放套管重量。

4 玻璃钢套管井扭矩锚的考虑

普通煤层气井采用螺杆泵完井方式，为了防止生产过程中螺杆泵突然倒转产生的反扭矩，一般在油管管窜下部采用扭矩锚。在采用钢管套筒作业的油井上，完井过程中要安装一个扭矩锚，以防井下泵组扭矩上升和失速时油管连接处松脱，造成设备落井等油田作业事故，需要大修作业。而玻璃钢套管外壳组合抗扭矩（mut）强度很低，不能承受在这种情况下可能出现的井下泵组扭矩、或油管连接处松脱造成的对套管外壳应力的影响。因此，为了保证PCP的正常运行目前有两种方案。第一是采用扭矩锚，在最底端的4根套管选用普通的预射孔套管。第二种方案是采用高扭矩的油管，通过在油管中预安装高扭矩环，可以大幅度提高油管的抗扭能力，降低生产过程中的倒扣风险。

5 结语

文章介绍了玻璃钢套管在苏拉特盆地的煤层气井作业中的改进以及应用。为防止煤的开采过程中出现火花而产生燃爆事故，在该区块的表层以下不允许有铁质套管。与常规的钢制套管相比,非金属材质的玻璃钢套管既能保证自身强度满足施工要求,且在采煤过程中不会产生电火花和摩擦火花,提高了后期采煤的安全性。Surat盆地某作业者在煤层气开发过程中采用玻璃钢套管（Glass Reinforced Epoxy）来完成钻完井作业，该项目共有27口煤层气井中应用了玻璃钢套管。玻璃钢套管不像炭钢套管那样具有高强度、抗冲击、耐弯曲，其突出特点就是脆性高，承受不了较大的冲击，而且耐压程度也比较低。因此使用GRE套管作为煤层气井的套管具有很多困难。