李国成，张国兴，周阳，吴志国，张兴超，张俊松

（中国石化西南石油工程公司井下作业分公司，四川德阳618000）

·石油与钻掘工程·

油层套管保护技术在元坝投产气井中的应用

李国成*，张国兴，周阳，吴志国，张兴超，张俊松

（中国石化西南石油工程公司井下作业分公司，四川德阳618000）

元坝气田是迄今为止国内埋藏最深的海相酸性气田，井型主要采用超深水平井和大斜度定向井。在投产测试前期，扫塞、通井、刮管等井筒作业极易磨损油层套管，为后续投产作业带来严重安全隐患。通过对钻具材质规格的优选，非旋转套管保护器的使用，泥浆体系的低磨阻优化，形成了针对元坝高含硫超深投产气井的油层套管保护技术。该技术的实施对油层套保护效果显著，为该区块高含硫化氢海相井的安全投产提供了又一技术保障措施。

元坝投产；超深气井；套管保护

1　概述

四川盆地川东北地区元坝气田钻完井深度都大于7000m，其主力二叠系上统气藏高温且含H2S和CO2，腐蚀环境恶劣。为了满足该区块抗腐蚀性能要求，完井套管采用了低钢级材质，封隔器预计座封井段及以下使用高镍基合金材质［1-2］。在井筒准备工作中，扫塞、通井、刮管等工序极易磨损油层套管的，为后续完井测试作业带来严重安全隐患，严重制约了投产气井的服役寿命。针对完井投产作业油层套管保护这一棘手问题，通过钻具材质规格的优选，非旋转套管保护器的使用，泥浆体系的低磨阻优化，形成了元坝高含硫超深气井的油层套管保护技术。该技术的实施有效降低了井筒作业中油层套管磨损，为元坝气田海相气井的顺利投产提供了安全保障。

2　国内套管防磨配套技术

深井及超深井因为其作业时间长，钻扫过程中钻具对套管的磨损现象较为严重，使得套管防磨的要求较为突出。目前，国内各油田形成了一系列套管防磨配套技术［3-4］。

2.1钻杆胶皮护箍

胶皮护箍的外径大于钻杆接头的外径，在钻进的过程中，钻杆接头不和套管内壁接触，磨损作用在胶皮和套管上，由于胶皮比套管软得多，因此主要的磨损由胶皮来承受而套管不会受到磨损，同时也避免了钻杆接头的磨损。由于胶皮护箍耐磨性一般，容易老化掉块造成井下复杂情况，因而没有得到很好的推广。

2.2防磨接头

防磨接头外套与套管壁接触，而心轴与钻杆一起旋转。外套仅在套管内滑动，不随钻杆旋转，因而与套管内壁不产生相对旋转，减少了套管磨损。由于在接头处存在薄弱环节，立根长度变化，不利于现场操作，使用过程中存在硬磨损，同时过多使用会导致循环压耗过大。

2.3滚珠式保护套

滚珠式保护套是把钻杆接头与套管间的滑动磨擦去掉，变为滚动磨擦。在设计原理上它比胶皮护箍更进一层，但是由于加工和选材上存在较大的难度，加工成本高，加工质量很难稳定，且存在活动部件，使用寿命较短，一但出现滚珠脱落，会发生连锁反应，阻碍了推广应用。

2.4耐磨带

钻杆接头耐磨带是以凸起的形式熔合在钻杆接头表面，用以代替钻杆接头来和套管摩擦的材料，对钻杆接头起到了保护作用。由于耐磨带的硬度低于钻杆本身，因此，对套管起到了一定的保护作用。而耐磨带在磨损掉一部分之后，可以进行重复堆焊使用。由于是硬磨损，保护套管效果不佳，且不适用特殊材质的套管。

3　高含硫超深气井油层套管保护技术

在常规扫塞、通井、刮管等井筒处理工序的基础上，通过加入针对套管防磨优化措施，有效保护油层套管的同时满足了井筒净化的需要。

3.1井筒作业管柱的优选

为了提高油层套管在酸性环境下应力腐蚀开裂能力，元坝气田普遍采用厚壁低钢级套管与镍基合金套管组合，套管材质硬度低耐磨性差。在井筒作业中，钻具选择在满足作业强度校核的条件下尽量降低钢级，减小钻具材质硬度，降低与油层套管的硬磨损，同时有助于提升钻具防“氢脆”能力。因此，井筒作业中严禁使用S135以上高强度钢级材质钻具。根据元坝气田井深结构及井深，推荐使用上大下小的G105钢级复合结构钻具。

此外，常用钻具接头铺焊有耐磨带，对材质偏软镍基合金套管磨损较大，在元坝高含硫气井作业中应避免使用。

3.2非旋转套管保护器的运用

3.2.1工作原理［5-6］

非旋转套管保护器由3部分组成，即滑套、金属加强衬管和止推轴承环。上下止推轴承环由加强型金属销钉锁定在钻杆本体上，滑套位于两轴承环之间，能够与钻杆相对转动。

图1　非旋转套管保护器工作原理

由于保护器直径比钻杆接头外径大，钻杆接头与套管内壁不会接触。在钻井过程中，钻杆转动而滑套与套管之间仅有滑动。滑套本体采用高分子材料回弹性好，力学性能优良，因此对套管的硬磨损极小，起到了对套管的保护。

3.2.2使用方法

保护器型号由套管数据、钻杆数据和井下温度数据决定。根据井眼轨迹、井身结构、钻具组合、套管保护器设计安放方法，采用专用软件进行模拟钻井侧向力并优化，确定套管保护器的安装起始位置及数量，对于侧向力突出井段应加密安装套管减磨接头。在套管保护器安装过程中，采用刮泥器遮挡井口，防止安装工具意外掉落入井。在使用过程中，对套管保护器的磨损情况进行逐一记录，并根据磨损情况调整安放位置。

3.3泥浆体系的低摩擦优化

元坝气田井底温度高达160℃，部分泥浆处理剂在高温下会失效降解并加速套管磨损。因此，在元坝完井泥浆体系中，重点加强泥浆高温稳定性的维护，优选抗高温降滤失剂、护胶剂等处理剂。此外，在旋转作业中加入减磨剂，采用化学手段减少钻杆与套管间的硬磨损。在日常维护中，加入与泥浆体系配套润滑剂，保证泥浆的含油有效含量，提高泥浆体系润滑性。

4　高含硫超深气井油层套管保护技术现场运用

元坝10-侧1井是元坝区块实施勘探开发一体化以来第一口超深大斜度开发井，完钻井深7273m，造斜点井深6404.88m，最大井斜76.68°。该井镍基合金油层套管在井深6560～7230m，位于大斜度造斜井段并处于第一个水泥塞固封位置（6378.32～6574.0m），扫塞时偏磨套管风险极高，为该井投产作业带来严重隐患和风险。

4.1作业管具的选择

根据油层套管防磨需要，现场选用不带保径合金齿的牙轮钻头和未铺焊耐磨涂层的钻具进行前期井筒作业，防止铺焊合金伤害套管。通过对油层套管内径及钻杆抗拉校核，扫塞管柱采用G105钢级Ø88.9mm× 9.35mm+Ø101.6mm×9.65mm的钻具组合。

管柱结构（自下而上）：Ø149 mm牙轮钻头+ Ø120mm浮阀+Ø120mm钻铤60m+Ø120mm单流阀+Ø88.9mm×9.35mmG105钻杆+Ø120mm旁通阀+Ø 88.9mm×9.35mmG105钻杆+Ø 101.6mm× 9.65mmG105钻杆。

4.2非旋转套管保护器使用

4.2.1套管保护器的选型

根据钻杆数据、井下温度数据，现场选用适合Ø101.6mm和Ø88.9mm钻杆的HMK型套管保护器，其数据如下所示：

适用于钻杆尺寸：Ø101.6mm；过流面积（在7-5/8″套管内）：38.4cm2；

保护器本体外径：158mm±2mm；卡箍材质：6061-T651锻压铝合金；

卡箍外径：Ø139.7mm；本体材质：HNBR及钢合金支撑肋；

侧向力额定载荷：3000lb（13.3kN）；适用温度：175℃；

适用于钻杆尺寸：Ø88.9mm；过流面积（在7-5/8″套管内）：58.7cm2；

保护器本体外径：Ø149mm±2mm；卡箍材质：6061-T651锻压铝合金；

卡箍外径：Ø127mm；本体材质：HNBR及钢合金支撑肋；

侧向力额定载荷：3000lb（13.3kN）；适用温度：175℃；

图2　元坝10-侧1井钻具侧向力图

4.2.2套管保护器的安放设计

根据《元坝10-侧1井完井投产方案设计》中关于套管保护的要求，以及根据本井井眼轨迹、井身结构、钻具组合、套管保护器设计安放设计的方法、采用专用软件进行模拟钻井侧向力并优化，并结合甲方的要求和邻井的实施防磨经验，安装方案设计如下：

在井口0～800m，每两柱安装一套，计13套HMK400型套管保护器，在井下7000m往上安装至6600m，此井段为合金套管需重点保护，每柱安装一套，计17套HMK350型套管保护器，保护6500～7000m井段的合金套管。

4.2.3套管保护器的安装使用

现场根据套管保护器的设计安装位置计算出具体安装钻杆柱数。在安装前采用刮泥器及彩条布对井口进行遮盖，防止安装工具意外掉落入井。在保护器安装完成入井时操作时，扶正管柱防止刮卡井口。

4.3泥浆体系低摩阻优化

通过对现场泥浆体系实验筛选，选用RH220、DHD、FRH-A、FK-10及润滑油等液体润滑剂。在钻扫水泥塞作业中，加入抗磨减阻剂（减磨剂和固体润滑剂），提高泥浆体系的润滑性，降低泥浆体系的摩阻系数。

4.4扫塞套管防磨工艺措施

现场钻扫水泥塞参数控制：钻压10～40kN，转速20～40r/min。在施工中严禁在某一井深处长时间定点转动转盘，循环泥浆活动钻具时主要以上提下放为主。同时，振动筛处放磁性装置收集铁屑，监测套管磨损情况。

4.5套管防磨效果

元坝10-侧1井在钻扫水泥塞过程中泥浆返出口未收集到常见套管丝状铁屑，且铁屑量明显减少，在起钻过程中观测钻杆接头的磨损情况，钻杆接头无磨损造成的亮白色。通过上述套管保护技术措施的使用，钻杆接头和油层套管得到了有效保护。

图3　非旋转套管保护器现场安装

5　结论

（1）在元坝投产井中，井筒作业推荐选用G105钢级钻具组合。在含有镍基合金套管等特殊材质套管时，避免选用接头铺焊有耐磨涂层的钻具及带保径齿的工具。

（2）非旋转防磨保护器避免了钻杆与套管直接接触，显著降低钻具与套管的物理磨损。

（3）性能稳定的高温深井泥浆体系有助于套管防磨，并可适量加入提高润滑性能的化学处理剂。

（4）高温含硫气井作业环境复杂，油层套管防磨在理论及工艺上需要进一步研究。

［1］薛丽娜，周小虎，严焱诚，范希连，胡大梁；高温酸性气藏油层套管选材探析——以四川盆地元坝气田为例［J］.天然气工业，2013（1）.

［2］张忠铧，张春霞，陈长风，邵卫东，王琍.高酸性腐蚀气田用镍基合金油套管的开发［J］.钢管，2011（4）.

［3］韩秀明，樊建春.钻杆防磨技术的现状和发展［J］.石油矿场机械，2007（3）.

［4］仵雪飞，林元华，巫才文，施太和，李润方，林腾蛟.套管防磨措施研究进展［J］.西南石油学院学报，2004（4）.

［5］杜征鸿.深井套管非旋转防磨保护技术应用研究［J］.中国石油和化工标准与质量，2012（7）.

［6］刘晓艳，边培明，赵锦栋，谢庆繁.深井套管保护技术及应用实践［J］.钢管，2010（S1）.

TE1

B

1004-5716（2016）03-0027-04

2015-03-12

2015-03-16

李国成（1986-），男（汉族），四川内江人，助理工程师，现从事修井技术现场应用及研究工作。