高性能弹浮式套管浮箍的研制及在页岩气井的应用
高性能弹浮式套管浮箍的研制及在页岩气井的应用
周战云;李社坤;秦克明;郭继刚
【摘 要】在页岩气水平井固井中,现有套管浮箍可靠性低,常因浮箍失效对固井质量造成不良影响。为解决该问题,分析了浮箍失效的具体原因,确定了提高浮箍可靠性的结构改进技术方案,通过仿真模拟分析了该方案的可行性,并在室内模拟试验和分析其综合性能的基础上,研制了高性能弹浮式套管浮箍。室内试验表明,研制的浮箍可耐压60 MPa,耐温180℃,在2.0 m3/min 排量下冲蚀72 h 无损伤。该套管浮箍在涪陵页岩气田焦石坝区块的200多口页岩气水平井中进行了应用,应用结果表明,弹浮式浮箍耐高压、耐高温、耐冲蚀、可靠性高(一次坐封可靠率达100%)。研究认为,该浮箍可广泛应用于各类套管外大压差井、水平井、高温深井和复杂井的固井作业。%Existing float collars exhibit low reliability in cementing operations of horizontal wells for shale gas development.Consequently,the failure of floating collars for casing may frequently induce nega-tive impacts on quality of cementing operations.To solve these problems,a review was conducted of the root causes for failures of float collars together with technical solutions to enhance reliability of such col-lars.The feasibility of such solutions had
been analyzed through simulation tests.On bases of combination of lab test results and assessments of overall performances,high-performance elastic-floating type float collars were developed.Laboratory test results showed that the newly developed float collar might endure pressures up to 60 MPa with resistance to temperature 180 ℃.In addition,these collars might experience no damage for 72 h under displacement erosion rate of 2.0 m3/min.High performance elastic floating float collars were applied in more than 200 shale gas horizontal wells in the Jiaoshiba Block of the Fuling Shale Gas Field with outstanding resistance to high pressures,high temperatures,erosion and excellent reliabili-ty,with a one-time setting success rate up to 100%.Research results suggested that these float collars may be widely used in cementing operations in wells with significant differential pressures,horizontal wells, high-temperature deep wells and wells under complicated conditions.
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2016(044)004
【总页数】5页(P77-81)
【关键词】浮箍;页岩气;水平井;固井;涪陵页岩气田
【作 者】周战云;李社坤;秦克明;郭继刚
【作者单位】中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001;中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001;中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001;中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001
【正文语种】中 文
【中图分类】TE925+.2
压裂是页岩气开采的主体技术[1-2]，为了减轻压裂作业对套管外水泥环胶结质量的不良影响，采取的重要技术措施之一是增大套管外挤应力[3-4]。该技术措施需要增大套管内外压差而采用清水替浆，固井施工反向回压较高(最高可达40 MPa左右)，而常规的套管浮箍已不能满足技术要求，特别是在替浆压力较高的情况下如果浮箍失效而采取憋压候凝措施，不仅会
对固井质量造成不利影响，而且因为井口处于高压状态而不利于固井施工安全。因此，提高套管浮箍的可靠性，对于确保页岩气井固井质量、保障固井施工安全、促进页岩气的顺利开发均有重要意义。
目前国内外常用的套管浮箍按其回压装置的工作方式可分为浮球式、弹簧式和舌板式3种，均有各自的适用范围和使用条件[5-8]。浮球式浮箍通常用于直井及井斜角较小的井，主要依靠浮力及返流推动浮球完成坐封，其坐封成功率较高，但耐回压能力有限，可靠性随循环时间增长及井底温度增高而降低。弹簧式浮箍通常用于大斜度井及水平井，因密封半球多为金属材质，耐回压能力及抗温性能均较高；但因半球密封面固定，易被流体长时间冲刷而破坏，弹簧也容易在此过程中失效，因此其可靠性相对较低。舌板式浮箍结构相对比较简单，过流通道开阔，耐回压能力及耐温性能与弹簧式相当，但同样因依靠弹簧复位、密封面单一、且被液流直接冲刷，导致其可靠性低于浮球式浮箍。
为提高套管浮箍的可靠性，避免因浮箍失效对固井质量造成不良影响，笔者分析了浮箍失效的具体原因，确定了改进浮箍结构的技术方案，并在仿真模拟分析该方案可行性、室内模拟试验分析其综合性能的基础上，研制了一种高性能弹浮式套管浮箍，并进行了现场应用。
针对常规浮箍存在的问题，笔者确定了新型浮箍的研制思路：优选浮箍阀座材质提高其机械性能，对其结构进行优化设计，以提高其应用的可靠性；优选并采用具有高强度、耐高温性能的球形坐封部件(阀球)，提高其耐高压、抗冲蚀及耐高温的能力；采用大直径的强制复位弹簧部件，一方面缓冲液流对球形坐封部件(阀球)的冲击，防止坐封部件(阀球)与球篮剧烈撞击而损坏，另一方面还可依靠弹力强制复位坐封，提高浮箍在水平状态下坐封的可靠性。
1.1　结构
高性能弹浮式套管浮箍主要由壳体、阀座、阀球、球篮、弹簧和球托组成[9]，其结构如图1所示。壳体为管状结构，上、下两端设有连接螺纹；阀座固定于壳体内上部，其中心开有通孔，通孔下部设内锥面；球篮为桶状结构，其侧壁开有通槽或通孔，其上部与阀座下部相连；阀球为圆球状结构，位于阀座下部内锥面与球托上端面之间，芯部由高强度、耐高温材料制成，外表包裹耐高温橡胶，以此提高其承压能力和耐温性能；球托为盘状结构，在球篮内位于阀球与弹簧之间；弹簧位于球篮内部，其两端限位于球托下部及球篮底部之间。
阀座与壳体之间通过螺纹相连，二者之间设有密封圈；球篮与阀座之间通过螺纹相连，二者之间设有销钉；球托中心开有通孔，其上端面为内锥面结构或与阀球形状对应的凹面结构；
球篮侧壁通槽或通孔的数量≥4个；球篮底部开有中心通孔；弹簧可为圆柱状结构或圆锥状结构，其最大外径接近并小于球篮侧壁内径。
1.2　工作原理
在应用高性能弹浮式套管浮箍时，将壳体上部通过内螺纹旋接于套管柱下部，然后进行下套管作业，下完套管后进行钻井液循环及注水泥作业时，液流推动阀球、球托向下移动，弹簧被压缩，此时壳体内部可建立液流通道；由于弹簧的最大外径接近并小于球篮侧壁内径，所以可选用弹力较大的弹簧，以防止在使用中被过度压缩而损坏；阀球及球托重量较轻，且二者有弹簧支撑，可缓冲液流冲击，防止在使用时因对球篮底部撞击力较大而造成其损坏；阀球在液流冲击下能够在阀座与球托之间任意转动，坐封密封口可随机遍布整个阀球表面，所以不易被冲蚀损坏。另外，即使弹簧在特殊情况下意外损坏，阀球仍可在返流推动下与阀座实现坐封，确保浮箍功能的可靠性。
在确定了高性能弹浮式套管浮箍的结构和各零部件的材质(壳体及阀座均由35CrMo合金钢加工而成，阀球芯部材质为胶木，外部包裹耐高温氟橡胶)之后，采用Soildworks内嵌仿真模拟模块对浮箍结构的机械性能进行了有限元分析。
2.1　零部件静应力分析
由于现场最高工作压力为40 MPa左右，承压固井工具安全系数一般取1.5倍，因此设定仿真模拟压力为60 MPa，在该工作压力下的静应力分析结果如图2所示。
由图2可知，各零部件的最大应力均小于材料屈服强度(35CrMo的抗拉强度为980 MPa，屈服强度为835 MPa，胶木抗压强度为210 MPa )，未出现明显的应力集中，结构设计合理，能够满足最大工作压力的要求。
2.2　各零部件安全系数分析
60 MPa工作压力下的安全系数分析结果如图3所示。
由图3可知，各零部件在最大受力情况下的最小安全系数为1.5，未发生失效情况，能够满足要求。
2.3　浮箍内部流态模拟分析
文献[5]要求φ139.7 mm浮箍的寿命试验排量不小于2.0 m3/min，因此设定流量为2.0 m3/min，
则浮箍内部流态模拟分析结果如图4所示。dnf狱岩石武器
由图4可知：流体最大流速在阀座中心孔处，约为9～15 m/s；阀球周围流体流速有所降低，为4～8 m/s。分析得知：浮箍过流面积最小的部位为阀座中心孔处，流体对浮箍内部的冲蚀部位主要为耐冲蚀性能较好的阀座中心孔处；由于阀球在脉动流体的冲击作用下能够自由旋转，流体对阀球的冲蚀作用大大减弱，且阀球外表面的橡胶具有较好的耐磨性，因此该流速下流体尚不足以对阀球造成明显损坏。
为了验证高性能弹浮式套管浮箍的综合性能，对其耐冲蚀性能、正向承压性能、反向承压性能和耐高温性能等进行了室内试验。
3.1　耐冲蚀性能试验
耐冲蚀性能试验(也称寿命试验)的主要目的是评价浮箍在规定排量液体长时间冲蚀过程中保持反向坐封的能力。文献[5]要求φ139.7 mm浮箍的排量不小于2.0 m3/min，冲刷时间不少于24 h。将一只加工好的弹浮式浮箍(规格为FGV-STQ140/139.7 mm/10.54/LC/P110)样品置入浮箍浮鞋耐冲蚀性能试验装置中，加入适量重晶石粉的清水，调整循环冲刷排量为2.0 m3/mi
n，经过累计36 h的冲蚀后停止试验。将浮箍内部构件卸开后观察，阀球、弹簧、阀座密封面等未见任何损坏。可见，高性能弹浮式套管浮箍的耐冲蚀性能能够满足文献[5]的技术要求。

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