?406.4 mm尾管懸掛技術在深水鉆井中的應用

趙蘇文　黃小龍　熊愛江　趙　德（中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳　518606）

?406.4 mm尾管懸掛技術在深水鉆井中的應用

趙蘇文黃小龍熊愛江趙德
（中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳518606）

針對深水鉆井水下井口系統的表層套管尺寸限制后續套管層次的問題，介紹了?406.4 mm超大尺寸尾管懸掛技術以及與其對應的注水泥工藝。懸掛裝置由承載環和配套的懸掛器組成，承載環最大外徑508 mm，最小內徑445.8 mm，出廠前預制在?508 mm套管上；配套的懸掛器上卡環坐入?508 mm套管承載環上的對應卡槽內，連接?406.4 mm尾管串。對作業過程中可能出現的一些問題進行了分析總結，提出了建議。該技術有助于優化井身結構，從而更好地應對復雜地層鉆井難題，對今后類似井的作業具有很好的借鑒作用。

深水鉆井；井身結構；尾管懸掛器；井口頭；防噴器

深水鉆井面臨許多特殊作業環境，如鉆井液安全密度窗口窄、鉆進過程中經常會鉆遇到淺層水流或淺層氣等復雜地層，因此在油藏埋藏深度相同的情況下，隨著水深的增加，套管層次逐漸增多，對于有鹽膏層、異常壓力層等復雜地質井，需要下入的套管層次更多。而深水鉆井通常采用水下井口工藝，為與防噴器配合，標準井口的表層套管尺寸為?508 mm或?558.8 mm，限制了后續套管層次的尺寸。由于使用海水作為鉆井液，其下入深度也受到地層壓力及井壁穩定性等的嚴格限制。常規的尾管懸掛工藝受到諸多因素的限制。一種特殊的?406.4 mm尾管懸掛技術可滿足深水鉆井上部井段增加套管層次需要，但是在使用過程中也存在一些問題。

1　常規尾管懸掛技術

1.1工藝過程

常規的小尺寸液壓尾管懸掛基本的工藝流程：下尾管串，連接尾管懸掛器總成，用鉆具送尾管串等到設計深度；開泵循環正常，投球打壓坐掛尾管懸掛器，繼續打壓剪切球座；倒開尾管懸掛器送入工具；注水泥施工作業；坐封懸掛器上封隔器，提出中心管循環出多余水泥漿。

1.2技術要求

常規小尺寸液壓尾管懸掛技術的基本要求是：掛的住、倒得開、封得嚴、提得出。坐掛機構采用球-球座-液缸的過程，其基本原理為：從井口投入憋壓球，待球坐到球座后，從井口憋壓，管內和管外形成壓差，推動活塞下行剪切液缸銷釘，帶動卡瓦沿錐體上行，并貼近上層套管內壁，此時下放管柱使卡瓦牙卡在套管內壁上，實現尾管懸掛。利用水泥返高及其隨帶的封隔器實現密封。采用機械旋轉脫手送入工具或液壓脫手起出送入工具。

2　?406.4 mm尾管懸掛技術

2.1技術難點

2.1.1設計難度大

（1）懸掛負荷增加。由于尾管尺寸增大，要求尾管懸掛器必須具有足夠的懸掛能力。

（2）幾何空間限制。過流面積影響方面：尾管懸掛器必須具有足夠的過流面積才能夠保證施工的安全，否則，會引起井漏、水泥返高不夠、環空氣侵等復雜情況發生。對于?406.4 mm大尺寸尾管，由于其本身的外徑和上層套管內徑的間隙就很小，如何保證尾管懸掛器有足夠的過流面積，對常規的傳統液壓方式尾管懸掛器提出了嚴峻挑戰。外部系統環境影響方面：隔水管內徑尺寸、BOP內徑尺寸及上層套管內徑尺寸等限制了常規液壓尾管懸掛器設計的空間需要，另外，由于后續對尾管懸掛器內徑需要，也限制了常規液壓尾管懸掛器的空間需要。

2.1.2施工工藝復雜目前常規的小尺寸液壓尾管懸掛技術工藝過程較復雜，施工環節較多，而?406.4mm尾管尺寸較大，對井況要求高，容易出現下入過程較慢、懸掛器坐掛困難、懸掛器流道較小易憋壓、懸掛器脫手困難等問題。

2.2技術要求

常規小尺寸液壓尾管懸掛技術的基本要求，對于?406.4 mm尾管懸掛技術同樣適用，但工藝過程則大不相同。Dril-Quip公司的這種?406.4 mm尾管懸掛技術，主要由承載環、尾管懸掛器及送入或安裝工具、密封總成等構成，基本原理和思路類似于海洋石油淺水鉆井的套管泥線懸掛技術。

2.2.1懸掛器及坐掛結構?406.4 mm尾管懸掛工藝的懸掛結構由兩部分組成，承載環和配套的懸掛器。承載環最大外徑為508 mm，最小內徑為445.8 mm，長度為1 228.9 mm。其在出廠前預制在?508 mm套管上。

與其配套的懸掛器上卡環坐入在?508 mm套管上承載環上的對應卡槽內，其上連接著?406.4 mm尾管串，達到懸掛尾管的目的。

2.2.2井筒密封系統類似常規深水套管頭密封原理，其密封依靠套管懸掛器上的密封總成實現。水泥漿對套管和裸眼之間間隙的有效封隔也是一種方式。

2.2.3送入工具系統類似于常規的深水套管頭、密封總成及抗磨補心送入工具原理。送入工具可以把尾管懸掛器送入到其配套的承載環上結構內。注水泥作業結束，送入工具座封密封總成后，可以倒開并起出，實現一趟作業完成整個的工藝過程。

2.2.4承載環沖洗工具由于承載環是預制在提前下入的上層?508 mm套管內上的，后續井眼鉆進過程中，可能有巖屑等堆積在此位置，因此，在下入?406.4 mm尾管前，需要先下入特殊的沖洗工具進行沖洗作業。

2.2.5配套的注水泥技術由于?406.4 mm尾管懸掛技術原理及大尺寸的上部套管固井特點和難點，與之配套使用的是內管柱法固井技術。內管柱法固井方式是深水主要的固井方式之一，其主要應用于導管或表層大尺寸套管固井中。其主要工藝過程是：在導管或表層大尺寸套管內下入鉆桿，鉆桿底部離浮鞋深度一般控制在30~50 m左右，送入鉆桿接對應的送入工具，把導管或表層大尺寸套管送到預定深度，循環井眼正常后，開始固井作業。

其工藝施工的關鍵環節為：確保導管或套管串送入工具的密封性，防止出現套管內灌水泥情況；確保送入工具順利倒開退出等。注水泥結束后，頂替時間短，對這種大尺寸套管固井，水泥漿量大的情況，保證施工的安全和注水泥質量。

3　現場施工過程及關鍵點

3.1施工過程

?406.4 mm尾管懸掛技術在南海海域某區塊進行了現場應用。該區域水深為1 450~1 546 m，最高天文潮為101 cm，最低天文潮為92 cm（相對于平均海平面）。平均氣溫26.0 ℃；極端最高氣溫35.6 ℃；極端最低氣溫9.9 ℃。表層流四季均為偏西向流，流速冬季大夏季小，中層和底層流則以東北西南向為主，底層流速明顯小于表層和中層。

該區域風向集中在0~200°，最大風速為80 km/h，平均風速為25 km/h。浪高集中在0~6 m范圍內，最大浪高為17 m，平均浪高為3 m。

該井上部井段為正常壓力系數1.0，下部存在異常壓力，預測井底壓力系數為1.30。該井使用5層套管結構設計，備用一個?215.9 mm井眼、?177.8 mm尾管。?914.4 mm導管下深1 554 m，?406.4 mm套管下深2 219 m，?406.4 mm尾管下深2 704 m，?339.7 mm套管下深3 280 m，?244.5 mm套管下到完鉆深度3 560 m。?406.4 mm尾管下在地層壓力開始增加深度，增加下部1 816.1 m井段作業窗口，確保?339.7 mm套管下到設計位置，滿足后續壓力窗口需要。

（1） ?508 mm套管上的承載環。承載環提前預制在?508 mm套管上，現場作業時，承載環實際下入頂深度為2117 m，尾管重疊段100 m左右。

（2）1 816.1 m×?508 mm井段鉆進作業。組合1 816.1 m×?508 mm井段鉆具組合，完成井段鉆進作業，處理好井眼，起鉆。

（3）下沖洗工具沖洗?508 mm套管上的承載環。一般的沖洗鉆具組合為：引鞋+適量的鉆桿+?406.4 mm沖洗工具+送入鉆桿。到位后，按照工具的操作要求，下壓113.4 kN，坐沖洗工具到位，即可以開泵沖洗?406.4 mm的承載環及其上的尾管掛懸掛結構。

（4）下?406.4 mm尾管串，內管柱、懸掛器、密封總成及送入工具。按照設計的套管表下入?406.4 mm尾管串，按照設計下入內管柱到?406.4 mm尾管內，內管柱底部距離?406.4 mm尾管浮箍35 m。連接上?406.4 mm尾管懸掛器、密封總成及送入工具，用鉆桿把尾管串送到?508 mm套管上承載環坐掛位置。

（5）坐掛?406.4 mm尾管懸掛器及注水泥作業。按照工具的操作要求，釋放尾管質量45 359 kg坐掛尾管掛到承載環上，過提13 607.7 kg驗證是否坐掛成功。另外，也可以通過逐漸釋放掉尾管串重量，對比沖洗工具的下入深度，如果深度一致，驗證尾管掛坐掛到位。按照固井設計進行循環和注水泥作業。

（6）脫手送入工具、坐封并鎖定密封總成。固井結束后，按照工具的操作要求，下壓90.718 kN，正轉5.5圈脫手尾管掛送入工具。下壓136.077 kN坐封密封總成，關防噴器組，環空加壓6.89 MPa，鎖定密封總成。循環沖洗鉆桿后，起出送入工具及送入鉆桿。

（7）懸掛效果。該井的現場實際施工情況，對比常規的液壓小尺寸尾管懸掛工藝技術，這種?406.4 mm尾管懸掛技術，施工過程簡單，穩定性及可靠性好，節約作業時間，滿足工程的需要。成功解決了深水鉆井上部井段的大尺寸尾管懸掛問題，且是一種有效方式。

3.2工藝關鍵點

（1）?508 mm套管上的承載環以及?406.4 mm尾管懸掛器是整個工藝的關鍵，具體是由尾管懸掛器上特殊的卡環機構和承載環上的卡槽實現對尾管的懸掛。所以其加工質量，加工精度至關重要。

（2）承載環機構的磨損。在后續鉆進中，當大尺寸工具通過?508 mm套管上的承載環時，應控制速度，緩慢通過，減少大尺寸工具對承載環的磨損或磕碰損壞，并配合調低頂驅轉速，減少高轉速對承載環的磨損。另外，快速鉆進到設計下套管位置，減少鉆柱旋轉等對承載環的長時間磨損。

（3）嚴格按照尾管懸掛器的坐掛要求、密封總成的坐掛及鎖定要求、送入工具的倒開要求，精細操作，準確判斷。

（4）控制水泥漿量。根據隨鉆井徑、或者循環測量井筒容積等手段，準確掌握井眼尺寸的擴大率，為水泥漿量的附加提供參考依據。其原則是，保證水泥漿不能返高到尾管懸掛器頂部，以免水泥漿對密封總成及送入工具等造成影響。

（5）設定套管口袋及尾管重疊段的合理長度，為尾管可能的坐掛失效做好備用措施。

3.3工藝過程可能的風險點

這種?406.4 mm尾管懸掛器技術，其工藝過程存在的可能風險包括：坐掛失效、送入工具的倒開困難及密封總成不能坐到位失效等。

（1）某井作業過程中，尾管懸掛器坐掛、注水泥及坐封密封總成過程均正常，在后續的環空加壓驗封及鎖定密封總成過程中，出現了尾管下行的情況。

其原因分析：?508 mm套管上的承載環結構，在井段的鉆進及下套管過程后磨損或結構破壞，或者尾管懸掛器上的卡環損壞、磨損等，導致其之間不能配套。也可能是由于其工具本身的加工精度不夠所致。

（2）在世界范圍內的深水鉆井中，這種?406.4mm尾管懸掛技術應用中，出現問題最多的環節在于懸掛器的密封總成不能坐到位，無法利用密封總成實現對環空的再次密封。根據數據統計及相關資料顯示，美國墨西哥灣的深水鉆井作業中，90%以上的井都出現?406.4 mm或?457.2 mm尾管懸掛器密封總成不能成功坐到位的情況。

出現密封總成不能成功坐到位的主要原因在于，密封總成連接在尾管懸掛器送入工具上，隨尾管懸掛器一起入井，在下入過程中、后續的開泥漿泵、注水泥作業過程中及?508 mm套管承載環上對應套管內壁不干凈等，導致后續下壓密封總成無法到位，不能實現對懸掛器外環空的有效密封。

分析尾管懸掛器結構，懸掛器外壁和?508 mm套管承載環對應位置之間間隙非常小，常規方式沖洗也僅能夠沖洗到尾管懸掛器的內壁，而要沖洗干凈密封總成的空間是比較困難的。

當出現懸掛器上的密封總成沒有實現密封懸掛器外環空時，根據地層及井的具體情況及需要，可以通過在懸掛器位置擠注水泥方式，實現密封目的。除此之外，還可以考慮投鉛印，通過其內部構造，判斷密封總成的實際坐封位置情況后，下PBL旁通閥方式，對懸掛器及密封總成處進行清洗后，嘗試坐封密封總成到位。

（3） ?508 mm套管上的承載環深度選擇。承載環深度選擇，即尾管懸掛器重疊段長度問題，除了考慮常規的標準和因素外，還需要考慮以下特殊情況。

根據深水井的作業方式，?508 mm套管下完后，需要下入BOP組及隔水管系統開始建立循環，當鉆穿?508 mm套管鞋，需要進行地層承壓試驗，由于可能的套管固井質量不好情況，導致需要對管鞋處進行擠水泥提高承壓作業。在這種情況下，如果承載環位置太靠近?508 mm套管鞋，則存在水泥對承載環的影響，為了避免這種情況出現，盡量增加承載環和?508 mm套管鞋之間的距離，美國墨西哥灣海域一般為121.9~152.4 mm。

4　結論

（1） ?406.4 mm尾管懸掛工藝操作類似于深水的水下井口操作過程，相較常規小尺寸液壓尾管懸掛技術，整個工藝過程較簡單，穩定性較好，且其對應的注水泥工藝較簡單，風險較小。

（2）該技術有助于優化井身結構，更好地應對復雜地層。在深水鉆井中，除了可以在?508 mm套管上懸掛?406.4 mm尾管外，還可以在?558.8 mm套管上同時懸掛?457.2 mm和?406.4 mm兩層尾管。

（3）作業過程中，要從多方面和多角度考慮減少對?508 mm套管內承載環結構的可能磨損，或套管懸掛器上卡環的可能磨損，避免由此導致的懸掛失效情況發生。包括優化井身結構，盡量減少尾管段井眼長度，提高作業效率、降低頂驅轉速、大尺寸鉆具起下通過時放慢速度及加強工具本身的加工精度等措施，改進卡環式懸掛結構及其他類似的懸掛結構。

（4）控制水泥漿量，避免水泥漿返到套管懸掛器及送入工具以上位置。

（5）下尾管、尾管懸掛器及送入工具前，專門下一趟沖洗工具組合對?508 mm套管內的承載環結構進行沖洗，對后續作業很有幫助。

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（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯薛改珍〕

Application of ?406.4 mm liner hanger technology in deepwater drilling

ZHAO Suwen, HUANG Xiaolong, XIONG Aijiang, ZHAO De
（Engineering Technology Company of CNOOC Energy Technology & Services Limited, Shenzhen 518606, China）

To solve the subsequent casing levels limited by surface casing size in the subsea wellhead system for deepwater drilling, a ?406.4 mm oversized liner hanger technology and corresponding cementing process are introduced. The hanger device is composed of carrier bar and supporting hanger. The maximum outside diameter of the ring is 508 mm and the minimum inner diameter is 445.8 mm. It is prefabricated on a ?508 mm casing before delivery from factory; the snap ring of the supporting hanger is seated into the corresponding slot of the ?508 mm casing carrier ring to connect the ?406.4 mm liner string. Some problems that may arise during the operation are analyzed and summarized, and suggestions are provided. This technology is helpful to optimize the wellbore configuration and better address the complex formation. It also provides a good reference for similar wells’ operations in the future.

deepwater drilling; wellbore configuration; liner hanger; wellhead; blowout preventer

TE256

B

1000 – 7393（2015） 01 – 0103 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.026

“十二五”國家科技重大專項“南海北部陸坡（荔灣3-1及周邊）深水油氣田鉆采風險評估及采氣關鍵技術研究”（編號：2011ZX05056-001-03）；國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

趙蘇文，1982年生。2005年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，主要從事鉆井監督和鉆井工藝技術的研究工作，中級工程師。電話：0755-26023856。E-mail：zhaosw@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：趙蘇文，黃小龍，熊愛江，等. ?406.4 mm尾管懸掛技術在深水鉆井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：103-106.