滕學(xué)清，楊向同，朱金智，呂拴錄，楊成新

(1.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系 北京 102249)

0 引 言

套管在固井過(guò)程中發(fā)生失效事故之后，如果后續(xù)施工處理不當(dāng)，輕則導(dǎo)致側(cè)鉆，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，重則導(dǎo)致全井報(bào)廢。由于套管在固井過(guò)程中的失效形式多種多樣[1-9]，這就要求處理事故采取的方式和工具各不相同，有時(shí)不得不依據(jù)事故情況自己設(shè)計(jì)工具。由于處理事故時(shí)間緊急，往往對(duì)工具設(shè)計(jì)缺乏周密考慮，采用臨時(shí)設(shè)計(jì)的工具很難快速有效地處理事故。但是關(guān)于套管在固井過(guò)程中發(fā)生失效事故的處理方面的文章并不多。因此，應(yīng)積累這方面的經(jīng)驗(yàn)，以便于油田在處理固井事故時(shí)進(jìn)行參考。

2017年8月4日，HT2井在固井注水泥之后替漿過(guò)程中，339.72 mm P110 BC分級(jí)箍外螺紋接頭與339.72 mm×12.19 mm 110 BC套管內(nèi)螺紋接頭連接位置脫扣，脫扣的外螺紋形貌如圖1所示。該井二開中完井深2 840.33 m，二開套管柱下深2 839.30 m。本文對(duì)事故情況進(jìn)行了調(diào)查研究，及時(shí)提出了事故處理技術(shù)方案和建議，并對(duì)事故進(jìn)行了有效技術(shù)處理。

圖1 脫扣的339.72 mm P110 BC分級(jí)箍外螺紋接頭形貌

1 事故技術(shù)處理

1.1 技術(shù)處理方案

考慮到套管分級(jí)箍發(fā)生脫扣事故之后懸掛在氣動(dòng)卡盤上的套管柱會(huì)受到異常載荷，很可能發(fā)生變形損壞。為了保證重新入井的套管柱質(zhì)量，將起出的1 198.89 m套管全部更換為新套管，不再使用分級(jí)箍，其中最下部準(zhǔn)備與落魚魚頂配合的短套管接頭采用1：16的錐管接頭與鋁合金組合的引錐，這就容易將引錐插入魚頂339.72 mm 偏梯形內(nèi)螺紋接頭里，使339.72 mm錐管接頭與落魚偏梯形內(nèi)螺紋接頭形成插入式密封，然后進(jìn)行二級(jí)固井。

1.2 引錐設(shè)計(jì)

1.2.1 引錐小端直徑計(jì)算

在魚頂完全靠在井壁一側(cè)的極限情況下，引錐小端直徑X=W+Q-B，錐直徑計(jì)算示意圖如圖2所示，按照不同井眼直徑引錐小端直徑計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 引錐直徑計(jì)算示意圖

表1 引錐小端直徑計(jì)算 mm

1.2.2 引錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到引錐主要承受壓縮載荷和彎曲載荷[10-11]，將339.72 mm×12.19 mm短套管接箍一側(cè)保留，另一端加工成與落魚套管接箍?jī)?nèi)螺紋接頭錐度相同(1∶16)的錐管接頭，作為引錐的上半部分，以保證與落魚的339.72 mm×12.19 mm套管接箍?jī)?nèi)螺紋錐面配合；保持原套管通徑不變，以保證后續(xù)正常鉆進(jìn)。引錐下半部分主要起引導(dǎo)作用，采用鋁合金制作，以便于后續(xù)鉆磨，引錐下半部分鋁合金棒材力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 引錐下半部分鋁合金棒材力學(xué)性能

由于在處理事故過(guò)程中要保證泥漿循環(huán)，引錐設(shè)計(jì)了水眼?？紤]到鋁合金強(qiáng)度比套管強(qiáng)度(套管最小屈服強(qiáng)度為758 MPa)低(表2)，引錐下半部分為薄弱環(huán)節(jié)，引錐上下部分采用臺(tái)肩式圓柱螺紋連接，引錐下半部分采用厚壁。臺(tái)肩具有一定的抗壓縮能力，厚壁能提高其抗彎曲強(qiáng)度。鑒于引錐下半部分鋁合金重量很輕，對(duì)其螺紋連接強(qiáng)度要求不高，采用圓柱細(xì)扣螺紋連接可以保證其連接強(qiáng)度。引錐結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 引錐結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 引錐驗(yàn)收及配合試驗(yàn)

引錐實(shí)物形貌如圖4所示。對(duì)成品引錐進(jìn)行了檢查驗(yàn)收，驗(yàn)收結(jié)果合格。

圖4 引錐外觀形貌

為了驗(yàn)證引錐在井下與套管接箍?jī)?nèi)螺紋錐面配合的可行性，將引錐與339.72 mm偏梯形螺紋套管接箍?jī)?nèi)螺紋接頭進(jìn)行了插入配合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果完全符合要求，引錐與339.72 mm偏梯形螺紋套管接箍?jī)?nèi)螺紋接頭配合連接后的外觀形貌如圖5所示。

圖5 引錐與339.72 mm偏梯形螺紋套管接箍?jī)?nèi)螺紋接頭配合

1.3 事故處理過(guò)程及結(jié)果

8月11日1∶30下套管完，2∶30循環(huán)、試插順利。排量14 L/s，泵壓從1.1 MPa上升至1.6 MPa，懸重從124 t下降至123 t。4∶00上提管柱，坐吊卡，環(huán)空試擠。排量32 L/s，泵壓4.1 MPa，泵入19.4 m3，停泵泵壓降為0，回吐0.2 m3。12∶00插入引錐工具，下壓10 t，打壓1 MPa不降；14∶00反擠密度1.88～1.90 g/cm3水泥漿115 m3。20∶00坐套管卡瓦，坐掛噸位50 t。事故處理完畢。

2 失效預(yù)防

2.1 落魚套管柱受力分析及套管磨損預(yù)防

套管發(fā)生脫扣事故之后落魚的套管柱會(huì)自然彎曲，當(dāng)落魚套管柱掉到頂?shù)讜r(shí)受到異常載荷，很可能進(jìn)一步發(fā)生變形損壞，其變形損壞程度與落魚套管受力有關(guān)。落魚套管柱在泥漿中下落的過(guò)程中，一方面要受到套管外環(huán)空流體阻力的影響，另一方面要受到泥漿的浮力的影響。下面對(duì)套管柱落魚過(guò)程中受力情況予以分析。

2.1.1 套管外環(huán)空流體阻力的影響

套管柱浮箍位置設(shè)計(jì)有單流閥，落魚套管柱在下落過(guò)程中排出的泥漿必須從套管外環(huán)空排出，套管柱外環(huán)空截面越大，泥漿排出越快，落魚套管柱下落的阻力越?。环粗?，套管柱外環(huán)空截面越小，泥漿排出越慢，落魚套管柱下落的阻力越大。該井套管套管柱截面積和環(huán)空截面積計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，排出泥漿的落魚套管柱截面積為906 mm2，環(huán)空截面積為558 mm2，后者為前者的61.6%(阻力系數(shù))。

表3 套管和環(huán)空截面積計(jì)算結(jié)果

注：套管柱截面積為套管外徑包圍的截面積。

2.1.2 在泥漿中落魚到達(dá)井底的速度及動(dòng)能

該井井深為2 840.33 m，套管下深為2 839.30 m，脫扣時(shí)浮鞋距離井底1.03 m。

依據(jù)自由落體計(jì)算公式V=(2gh)1/2，在泥漿中自由落體公式如下：

V=(2gρh)1/2

(1)

式(1)中：

V為套管柱浮鞋落到井底時(shí)的速度；

g為重力加速度，g=9.8 m/s2

ρ為浮力系數(shù)，ρ=0.8

h為套管柱浮鞋距離井底的距離，h=1.03 m；

代入(1)式得：

V=8.08 m/s。

依據(jù)動(dòng)能計(jì)算公式：

Ek=1/2MV2

(2)

式(2)中：

Ek為套管柱落魚掉到井底時(shí)的動(dòng)能；

M為落魚套管柱質(zhì)量，M=(2839.300-1198.894)×107.15×0.80=140 616 kg；

V為套管柱浮鞋落到井底時(shí)的速度，V=8.08 m/s；

代入(2)式得：

Ek=4 590 156 J。

在不考慮套管柱外環(huán)空阻力的的條件下，落魚在泥漿中下落到達(dá)井底時(shí)速度達(dá)到8.08 m/s，落魚套管柱掉到井底時(shí)動(dòng)能達(dá)到4 590 156 J。

在考慮套管柱外環(huán)空阻力的的條件下，按照61.6%的阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果，落魚在泥漿中下落到達(dá)井底時(shí)速度達(dá)到4.98 m/s，落魚套管柱掉到井底時(shí)動(dòng)能達(dá)到1 743 667 J。

2.2 預(yù)防套管磨損

如上所述，落魚套管柱以如此快的速度和如此大的能量落到井底，估計(jì)落魚套管柱可能會(huì)有變形和損傷。在后續(xù)鉆水泥塞和鉆井過(guò)程中應(yīng)采用必要的預(yù)防措施，防止磨損套管。

2.3 更改套管柱扣型

和田2井為探井，原井身設(shè)計(jì)是按照高壓氣井考慮的。該井二開技術(shù)套管采用339.72 mm 偏梯形螺紋接頭套管，雖然其連接強(qiáng)度與管體相同，但密封能力達(dá)不到管體的抗內(nèi)壓強(qiáng)度。在套管柱脫扣位置采用插入連接之后，其接頭連接強(qiáng)度和密封性能幾乎為零。另外，如上所述，落魚部分的套管柱已經(jīng)發(fā)生變形損傷，套管柱各項(xiàng)性能指標(biāo)會(huì)有不同程度降低。為了保證井身質(zhì)量，建議將原套管設(shè)計(jì)三開和四開采用偏梯形螺紋接頭套管更改為采用氣密封特殊螺紋接頭套管。

3 結(jié) 論

1)依據(jù)落魚狀況設(shè)計(jì)了引錐，及時(shí)處理了分級(jí)箍脫扣事故。

2)脫扣套管柱落魚后會(huì)受異常載荷發(fā)生變形損傷，建議在后續(xù)鉆水泥塞和鉆井過(guò)程中采取措施，防止套管磨損。

3)套管柱脫扣位置插入式配合接頭連接強(qiáng)度和密封性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，建議三開和四開采用氣密封特殊螺紋接頭套管。