一種新型套管頭的設計與應用

劉文科

【摘要】鉆井過程中，由于所鉆地層情況的不確定性，井下時常會發生復雜情況。處理這些復雜情況時，常常需要更改井身設計結構，敞開井口更換套管頭，這給現場作業施工帶來了極大的安全隱患。因此，急需研制一種新型的套管頭。本文介紹的新型套管頭，可以同時滿足兩種井身結構，很好地解決了更改井身設計結構時存在井口敞開的安全隱患問題。該套管頭結構設計合理、抗壓和載荷能力強、安裝操作簡單方便。經過大量現場實踐表明，此套管頭能同時滿足正常作業和復雜情況作業兩種工況下對井身結構變化的要求，很好地保證了油田現場作業對安全生產的要求。文中主要介紹了該新型套管頭的組成結構、工作原理、性能特點、安裝操作方法、現場推廣應用及效果總結。

【關鍵詞】新型套管頭；井身設計結構；現場作業；安全隱患；芯軸式懸掛器

1.項目背景

隨著油田的大規模開發，注水、壓裂等增產措施的大規模應用，使地層底部的壓力發生了極大改變，導致層與層之間的壓力發生串動、地層壓力不穩定等不良后果。這種地層壓力的不確定性，給正常鉆井作業帶來了前所未有的困難和挑戰。

新疆油田公司為了節約成本，根據需要施工區塊的地質特征、巖性組成、地層壓力和地層溫度等方面考慮，在鉆井設計過程中，取消不必要的一些步驟和措施。如正常作業取消下技術套管，只有在鉆井過程中遇到因地層原因導致的復雜情況時，才改下技術套管封隔住問題井段，之后處理井底問題。要下技術套管，就必須更換井口套管頭，此時井口處于完全敞開、無法控制狀態，存在著非常嚴重的安全隱患，控制不好極易造成井噴失控事故的發生。這種作業方式不符合油田公司對安全生產的要求，同時給鉆井施工作業帶來了很多不安全因素，具有不可忽視的缺點和弊端。

為了解決以上這種不安全的問題，技術人員攻關研制了一種新型的套管頭，經過現場安裝試驗，該套管頭各項性能要求和技術指標，都很好地滿足了施工作業的要求。該套管頭主要在新疆油田公司火燒山油田和克拉瑪依油田作業八區進行了現場應用，試驗20多井次，取得了不錯的效果。

2.新型套管頭主要組成結構和基本工作原理

2.1主要組成結構 新型套管頭為一級雙掛式套管頭，主要由轉換法蘭、套管頭本體、Φ244.5mm芯軸式套管懸掛器、Φ139.7mm卡瓦式套管懸掛器、水泥漿循環通道、閘門及附件等結構部分組成。

2.2基本工作原理 新型套管頭屬于一級雙掛套管頭，可以同時滿足兩種不同工況下的下套管作業。一是在鉆井作業過程中未發生復雜情況，直接下油層套管進行完井作業時，可以用套管懸掛器與油層套管連接后懸掛于套管頭本體的第二層；二是在鉆井作業過程中發生了復雜情況，需要改下技術套管封隔住問題井段處理井底問題時，用新型套管頭中的芯軸式懸掛器與技術套管連接懸掛于套管頭本體的第一層；當井底復雜問題完成后，正常完井作業時，用新型套管頭中的卡瓦式懸掛器與油層套管連接懸掛于套管頭本體的第二層。

2.3使用新型套管頭的優點

1、該新型套管頭結構合理緊湊、操作簡單、安裝方便，安裝一次到位，節省作業時間；2、該新型套管頭實現了一級雙掛的性能要求，可以在不更換套管頭的情況滿足兩種不同工況下的作業要求；3、該新型套管頭成本低廉，可大大降低鉆井施工作業的總體成本。

3.新型套管頭的主要技術參數和室內試驗情況

3.1主要的技術參數 該套管頭垂直通經為Φ341mm，連接套管外徑Φ339.7mm，懸掛套管外徑分別為Φ139.7mm和Φ244.5mm，套管頭本體額定工作壓力為35MPa，最大額定懸掛載荷為2100kN。

3.2室內試驗情況

1、試驗內容。水壓密封試驗、結構強度試驗以及懸掛器載荷試驗。2、試驗依據。中華人民共和國國家標準《GB/T 22513-2008石油天然氣工業鉆井和采油設備井口裝置和采油樹》[1]。3、試驗條件。試驗介質：清水試驗壓力：水壓密封為35MPa，結構強度為53MPa懸掛器懸掛載荷：懸掛器在載荷試驗機模擬現場懸掛載荷，記錄套管出現被擠毀、滑脫等現象時的拉力，此時為該套管頭的最大懸掛承載能力。4、試驗結論。根據試驗結果，可以看出該新型套管頭可以滿足中華人民共和國國家標準《GB/T 22513-2008石油天然氣工業鉆井和采油設備井口裝置和采油樹》中對套管頭的要求，套管頭本體額定工作壓力為35MPa，結構強度為53MPa，最大額定懸掛載荷為2100kN。

4.新型套管頭的安裝操作方法

1、鉆井一開完鉆后，下入Φ339.7mm表層套管到設計位置，注水泥固井。將新型套管頭本體通過雙公與表層套管連接，按標準緊固扭矩，退出所有頂絲到套管頭本體壁內。2、鉆井二開完鉆后，下入Φ244.5mm技術套管至距設計位置差最后一根套管時，技術套管頂部連接懸掛器，懸掛器上部連接頂節，再連接方鉆桿柱，使套管懸掛器坐封到新型套管頭的芯軸式懸掛器上。注水泥固井、侯凝，等水泥完全凝固后，上緊芯軸式懸掛器壓銷。3、鉆井三開完鉆后，下入Φ139.7mm油層套管到設計位置后，油層套管上部連接懸掛器，懸掛器上部連接頂節，再連接方鉆桿柱，使套管懸掛器坐封到新型套管頭的卡瓦式懸掛器上。注水泥固井、候凝。等水泥完全凝固后，拆掉新型套管頭法蘭連接螺栓，上提油層套管使其產生與卡瓦的摩擦力，在距法蘭平面130mm處切割頂節完成作業。

5.新型套管頭的現場試驗和推廣

該新型套管頭先后在火燒山油田和克拉瑪依油田作業八區現場安裝使用了90多套，其中有12口井在鉆井作業施工中出現了復雜情況，改變了設計井身結構，下入了技術套管封隔住問題地層，很好地處理了井底復雜情況。新型套管頭的優越性能，在現場施工中發揮了不可替代的作用。

本文介紹的新型套管頭，可以同時滿足兩種井身結構，很好地解決了更改井身設計結構時存在井口敞開的安全隱患問題。

6.結論

本文所提到的新型套管頭，不但可以滿足正常鉆井施工作業中對井口的要求，而且還可以滿足井下發生復雜情況時鉆井施工作業對井口的要求。鉆井施工作業過程中，井下發生復雜情況時，在不需要更換井口套管頭的情況下，就可以下技術套管來封隔住問題井段處理問題，縮短了作業時間，節省了作業成本。同時，新型套管頭能夠避免因更換套管頭而導致的井口處于完全敞開、無法控制狀態，大大地降低了施工作業的安全隱患，保證了安全生產的順利進行。

參考文獻

[1]GB/T22513-2008石油天然氣工業鉆井和采油設備井口裝置和采油樹廠[S].中國國家標準化管理委員會，2008.