摘要:某井?１７７．８mm偏梯形螺纹接头套管发生脱扣事故,通过分析下套管、固井注水泥及钻塞过程和井下返出的套管残片的理化检验结果找出了套管脱扣的原因.结果表明:该套管接箍工厂上扣端脱扣发生于固井水泥凝固期间;造斜井段全角变化率过大、井眼不规则、套管引鞋下面没有预留口袋使得套管承受异常载荷出现松动,最终发生脱扣失效.
关键词:固井;套管;脱扣;全角变化率
中图分类号:TE９３１文献标志码:B文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００６１Ｇ０３
某井采用扭矩仪下套管,现场端接头上扣使用的螺纹脂型号为TOPＧ１７０４,摩擦因数为１．０８,上扣控制的最佳扭矩为１６０００Nm,上扣扭矩曲线正常.套管工厂端接头上扣采用的螺纹脂型号为BESTOLIFEＧ２０００,摩擦因数为０．９,最佳控制扭矩为１２０００Nm.该井三开钻进至７７６４m处完钻后出现了?１７７．８mm偏梯形螺纹接头套管脱扣现象.为查明套管脱扣的原因,笔者对施工情况进行了梳理,并对失效套管进行了检验和分析.
１施工概况
该井在下尾管之前的通井过程中多次在造斜井段遇阻,井眼轨迹见图１,具体施工情况为:２０１７年１２月３１日开始下长度为１７７．８０mm的尾管,下套管期间灌浆量、返出量与下入套管体积相符.下尾管至井深７４２４．６m(井斜７５°)开始遇阻,下入过程共遇阻１１次,遇阻期间悬重最小变化量为２２９kN,最大变化量为１８０４kN.２０１８年１月３日正常下尾管至井深７７６４m.下完套管循环期间发生漏失,密度为１．２６gcm－３的钻井液累计循环漏失７８．５m３.固井注密度为１．９０gcm－３的水泥浆２０m３后出口失返,固井注水泥期间累计漏失固井流体１３５m３,替浆到量未碰压.固井期间最大泵压为２８MPa,排量为０．８~１．２m３min－１,共注入水泥浆等液体１０４m３,替浆５３．５m３,固井注水泥期间未发现套管脱扣的异常情况.２０１８年１月１０日采用１５２．４０mmHJ５１７G三牙轮钻塞至７４２３．４０m,扭矩从４．１kNm增加至１７．８kNm,上提钻具悬质量２１８t.改变参数后钻塞无明显进尺,循环起钻,随后井下返出套管外螺纹残片(图２),可见套管接头工厂上扣端脱扣.
２理化检验
该批套管理化检验分析结果表明:套管的化学成分符合用户要求;套管的屈服强度为８０９MPa,抗拉强度为９２７MPa,断后伸长率为２５％,硬度为２５．７~２８．３HRC,－１０℃冲击吸收能量为１５３J,其力学性能符合用户要求;套管晶粒度为８．０级,显微组织为回火索氏体.该批套管到货商检时未发现质量问题.
３套管脱扣失效分析
３．１套管失效位置
依据钻塞遇阻之后井下返出的套管外螺纹残片判断,套管工厂上扣端接头脱扣.钻塞钻头首次遇阻位置井深为７４２３．４０m,这说明钻头在该井深位置与工厂端发生脱扣的外螺纹接头发生异常摩擦干涉,但由于测井遇阻,没有检测到套管损坏位置.通过对套管失效位置的钻塞深度、下套管深度和测井深度的分析,认为３６号接箍工厂上扣端脱扣.
３．２套管脱扣时间
该井２０１８年１月３日下尾管作业正常,说明在下套管过程中套管没有脱扣.
１月３日晚固井作业完成,固井注水泥期间未发现套管脱扣的异常情况.
１月１０日该井钻水泥塞在井深７４２３．４０m位置钻到套管接头工厂端脱扣的外螺纹接头遇阻.这说明在固井注水泥后、钻水泥塞之前的水泥凝固期间套管发生脱扣.
３．３套管脱扣原因分析
３．３．１钻塞钻头对套管脱扣的影响
钻塞钻头尺寸偏大容易磨损套管.该井钻水泥塞采用?１５２．４０mm的牙轮钻头,１１０BC套管内径为１５７．０８mm,通径为１５３．９０mm,钻头外径比套管内径小４．６８mm,比套管通径小１．５０mm.因此,可以排除由于钻头外径偏大将套管磨损导致脱扣的可能性,即套管脱扣与钻塞钻头尺寸无关.另外,套管在钻塞之前已经脱扣,因此钻塞钻具组合及工艺参数对套管脱扣的影响可以不予考虑.
３．３．２套管受力分析
(１)套管自重
套管脱扣位置钻塞井深为７４２３．４０m,落鱼长度为３４０．６０m,按照直井计算落鱼质量仅为１４４．１kN,加上遇阻增加的最大附加载荷１８０４kN,套管承受的最大拉伸载荷仅为套管抗拉强度的４７．２％.实际套管脱扣位置至套管鞋位置位于造斜井段,加之套管鞋以下的口袋深度为０,套管所受的拉伸载荷更小,套管不可能因拉伸过载脱扣.研究表明[１],规格为?１７７．８mm×８．０５mm的L８０BC套管按照API(美国石油学会)公差上限(上扣至△顶点位置)、公差下限(上扣至距△底边位置５．０８mm)和手紧(接箍端面距△底边１２．７mm)上扣后拉伸载荷分别达到了API标准值的１．２８,１．２７和１．２７倍.这进一步说明套管过载拉伸脱扣的可能性不存在,套管脱扣可能是在出现倒扣之后才发生的.
(２)水泥凝固过程对套管受力的影响
导致套管脱扣的载荷也与固井过程中的温度载荷有关.水泥环凝固过程中温度变化过程可分为３个阶段:第一阶段为注水泥结束后,地层向井眼环空放热(吸热),此时深部地层主要是井眼从地层中吸热升温,浅部地层与之相反,同时地层与套管之间也会发生热交换;第二阶段为水泥自发水化凝固放热升温,水泥凝固时的放热现象使得水泥环及套管内流体与附近井壁岩石温度升高,套管也会升温伸长从而承受压缩载荷;第三阶段为温度递减阶段,这一阶段水泥虽然存在水化放热,但放出的热量不能与周围物体吸收的热量维持平衡,温度逐渐接近地层温度[２],套管也随之降温缩短而承受拉伸载荷.
(３)井眼口袋深度对套管受力的影响
若套管下井之后浮鞋距井底的口袋深度过小,下部套管容易承受压缩和弯曲载荷.该井实际口袋长度为０,远小于设计的口袋长度(２．０m),这不但阻碍了套管柱受热伸长,增加其承受的压缩和弯曲载荷,而且导致套管柱中性点上移,使套管接头具备了倒扣和脱扣的条件.
(４)井眼轨迹对套管受力的影响
在造斜井段,套管在下井过程中和下入后容易受到异常载荷.该井造斜点井深６７７５m,在井深６９０５．０６~７０７５．０３m的造斜井段,全角变化率为６．５５６~７．３５３°(３０m)－１,超过了不大于６°(３０m)－１的设计要求.套管脱扣位置钻塞井深为７４２３．４０m,位于造斜井段,在套管下井过程、注水泥过程和水泥凝固过程中,套管失效位置必然受到异常载荷的影响.
３．３．３上扣扭矩对套管脱扣的影响
套管脱扣一般发生在套管柱最薄弱的接头位置.在一定扭矩范围内,套管接头上扣扭矩与卸扣扭矩成正比.上扣扭矩越大,卸扣扭矩越大;上扣扭矩越小,卸扣扭矩越小.螺纹脂摩擦因数越大,所需卸扣扭矩越大;反之,螺纹脂摩擦因数越小,所需卸扣扭矩越小.同一根套管接箍两端的接头受力情况差别很小,其中上扣扭矩偏小的接头容易发生倒扣和脱扣.
当套管在井下受到异常扭转载荷卸扣时,由于套管接头工厂端上扣扭矩(１２０００Nm)仅为现场端上扣扭矩(１６０００Nm)的７５％,螺纹脂摩擦因数(０．９)仅有现场端上扣所用螺纹脂摩擦因数(１．０８)的８３％,所以对于同一个接箍两端的接头,工厂上扣端接头更容易卸扣,而套管接头卸扣到一定程度之后就会发生脱扣.
３．３．４导致套管接头松动的载荷来源
(１)井眼全角变化率大导致套管柱承受异常卸扣扭矩井斜越大,井眼全角变化率越大,套管柱与井壁之间摩擦干涉的可能性越大.全角变化率增加时,套管与井壁接触力增大,会限制套管的下入及轴向载荷沿套管的传递,导致套管柱承受异常扭矩,在极端情况下甚至导致卸扣,例如在全角变化率较大的井眼起下钻过程中,经常出现钻柱自行转动的现象[３].该井在下套管和之前的通井过程中多次在造斜井段遇阻且全角变化率过高,增大了套管柱承受异常卸扣扭转载荷的可能性.
(２)下套管遇阻使套管柱承受异常卸扣扭矩
该井在下套管遇阻期间最大悬重变化值达１８０４kN,遇阻位置均在套管脱扣位置之下,每次遇阻悬质量变化使得套管柱承受了交变载荷,即异常拉伸、压缩和扭转载荷[４Ｇ５].
(３)固井注水泥过程中管柱振动导致接头松动管柱螺纹接头在振动载荷作用下容易发生松动[６Ｇ７].该井在固井过程中泵压为０~２８MPa,排量为０．８~１．２m３min－１,共注入水泥浆等液体１０４m３,替浆５３．５m３,难以避免会产生振动载荷而导致管柱接头从薄弱环节发生松动.
４结论及建议
(１)在固井水泥凝固期间该套管接箍工厂上扣端接头脱扣;造斜井段全角变化率过大、井眼不规则、套管引鞋下面没有预留口袋导致套管承受异常载荷是其发生脱扣的原因.
(２)建议严格控制工厂上扣环节,工厂端上扣扭矩应稍大于现场端上扣扭矩,上扣位置一般略超过△底边位置;保证井眼质量,防止下套管遇阻.
参考文献:
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册56卷2期(pp:61-63)