4 固井工具和套管附件.docx

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4固井工具和套管附件

第四章固井工具和套管附件

如图4-1所示，固井工具和套管附件是为了高效、优质地完成固井注水泥工序所必需的部件。

固井工具主要有地面工具（水泥头、循环头等）、井下工具（SSR胶塞组平衡阀、内管注水泥插入头等）和特殊专用工具之分；套管附件主要包括浮鞋、浮箍、扶正器等。

第一节地面工具

1、水泥头

水泥头是注水泥施工过程的井口联接装置，用于联接套管（或钻杆）和注水泥管汇；水泥头还用来安装胶塞，通过胶塞释放挡销机构控制胶塞的释放，并根据胶塞释放指示销判断胶塞是否释放。

1.1、水泥头结构及工作原理

1）、套管水泥头

套管水泥头由顶盖、本体、释放挡销、释放指示销、胶塞腔、套管联接短节和阀门管汇等部分组成，如图4-2所示。

释放下胶塞时，旋转退出释放下挡销，下胶塞在重力和泵送液体推动下离开下胶塞所在内腔（释放指示销有显示），并沿套管内壁被驱替至套管浮箍上。

同样地，释放上胶塞时，旋转退出释放上挡销，上胶塞在重力和顶替液的推动下，离开上胶塞所在内腔（释放指示销有显示），驱替水泥浆并清刮套管内壁直到与下胶塞重合、碰压为止。

2）、钻杆水泥头

钻杆水泥头由提升短节、本体、旋转轴承机构、挡销机构、释放指示销、胶塞腔、钻杆联接短节和阀门管汇等部分组成，如图4-3所示。

钻杆水泥头主要用于使用SSR胶塞固井的半潜式钻井平台，提升短节用来方便顶驱提升钻杆水泥头及其下部连接的套管送入管柱，而旋转轴承机构可以防止水泥头与钻杆连接的丝扣发生脱扣。

释放SSR底塞时，旋转下挡销机构的手轮使下挡销从钻杆底塞内腔收回，钻杆底塞便在泵送液体推动下离开底塞所在内腔（释放指示销有显示），沿钻杆内壁落到SSR底塞座上，在泵压的作用下剪切释放SSR底塞。

同样地，释放SSR顶塞时，旋转上档销机构的手轮使上挡销从钻杆顶塞内腔收回，在顶替液的推动下离开顶塞所在内腔（释放指示销有显示），沿钻杆内壁落到SSR顶塞座上，在泵压的作用下剪切释放SSR顶塞。

3）、尾管水泥头

尾管水泥头由提升短节、本体、旋转轴承机构、钻杆塞挡销机构、投球机构、钻杆联接短节和阀门管汇等部分组成，如图4-4所示。

尾管水泥头主要用于尾管固井，提升短节和旋转轴承机构的作用同钻杆水泥头的对应机构相同。

坐挂尾管悬挂器时，旋转投球机构的手柄，顶杆便将球从投球机构内腔顶出，球在重力和泵送液体的推动下，沿钻杆内腔落到悬挂器球座上，在泵压的作用下使尾管悬挂器实现坐挂。

释放尾管胶塞时，旋转钻杆塞挡销机构的手柄，使挡销从钻杆塞内腔收回，钻杆塞便在泵送液体的推动下离开钻杆塞所在内腔，沿钻杆内壁落到尾管胶塞座上，在泵压的作用下剪切释放尾管胶塞。

1.2、水泥头的常见故障与不良影响

1）、水泥头联接短节的丝扣损坏

因水泥头联接短节与管柱连接时错扣或在运输搬运中碰伤丝扣，造成水泥头无法与固井管柱相连接。

使用前应检查、清洗干净丝扣，涂上丝扣油或黄油并戴上护丝。

2）、密封圈损坏

由于密封圈老化或组装时刮伤，可能引起固井过程中刺漏。

使用前应检查密封圈并清洗干净，涂上少许丝扣油或黄油。

3）、水泥头管汇通道变窄、阀门开启困难

由于固井后未冲洗干净残留水泥，可能带来固井泵泵压过高、泵送排量低、固井管线蹩漏、设备高负荷运转等不良影响。

固井前应检查、清理水泥头管汇及阀门的残留水泥；检查阀门开关是否灵活。

4）、水泥头管汇阀门压力试不起来

阀门密封或阀芯损坏，造成固井时地面管线无法试压，未能达到固井过程中对地面管线的安全要求。

5）、挡销机构或投球装置进退不灵活

机构缺乏润滑或密封损坏，可造成无法正常退挡销或投球，影响固井作业进行。

对于套管水泥头，挡销过紧，在投胶塞时，由于投胶塞动作慢，胶塞在套管内强大吸力作用下，有可能斜卡在水泥头内，又由于胶塞周围有空隙，所以在替泥浆时，胶塞没有下去，不易被发现，造成替空事故。

使用前应从挡销黄油嘴上注入黄油保证挡销进退自如，并在水泥头内腔挡销表面涂抹适当的润滑油。

6）、胶塞释放指示销不灵

有水泥固死腔内活动杆，造成无法判断胶塞是否真正释放。

使用前应检查指示销活动是否灵活，清理水泥头内腔活动杆处充填物，润滑活动轴。

2、循环头

循环头是在下套管或尾管中途连接于下入套管或尾管柱上建立循环的井口工具，如图4-5所示。

2.1、循环头工作原理

当套/尾管下入中途或下入套/尾管过程中遇阻时，将循环头下端的套管扣或分体短节连接于套管顶部，循环头上端的接头连接于钻台至泥浆泵的管线上，建立泥浆循环。

2.2、循环头的常见故障与不良影响

循环头的丝扣损坏或快速接头连接部位被碰变形、锈蚀，可能引起循环头与套管连接错扣和无法连接。

使用前应检查快速接头连接部位或连接丝扣是否完好，清洗干净，涂上丝扣油或黄油并戴好护丝。

第二节井下工具

1、SSR胶塞组平衡阀

SSR胶塞组平衡阀（简称平衡阀）是为了保证SSR胶塞组（SubSeaReleasePlugSet）在固井前易于连接和固井过程中安全、有效释放的工具。

1.1、平衡阀的结构

我们通常使用的WeatherfordSSR胶塞组平衡阀，其结构如图4-6所示。

1.2、平衡阀的工作原理

平衡阀的工作原理如图4-7所示。

固井前平衡阀通过转换接头与SSR胶塞组在地面上接好后一起装入套管内，并在轴承、芯轴短节等部件的保护下使得SSR胶塞组与平衡阀转换接头间的连接不易脱扣。

此外，由于剪切释放SSR胶塞底塞时会产生一定的高压，该压力会沿套管壁窜入SSR胶塞顶塞上部，如果装有平衡阀，当该压力大于管内压力时，便推动平衡阀上的单向阀，打开连接平衡阀内外的通孔，释放掉该压力；如果没有平衡阀，当SSR胶塞底塞释放时产生的瞬间高压窜入SSR胶塞顶塞上部，同时，SSR胶塞底塞下行使得SSR胶塞顶塞底部形成低压，因此，在上下压力差的作用下造成SSR胶塞顶塞提前释放，造成固井事故。

1.3、平衡阀常见故障与不良影响

1）、平衡阀与SSR胶塞组的连接丝扣脱扣

平衡阀与SSR胶塞组的连接丝扣脱扣的原因：

A、平衡阀轴承机构失灵。

B、平衡阀与SSR胶塞组组装时，丝扣没上紧。

平衡阀与SSR胶塞组的连接丝扣脱扣的不良影响为：

造成SSR胶塞组提前释放。

2）、平衡阀单向阀失灵

平衡阀单向阀失灵的原因主要有：

A、单向阀上的弹簧失效。

B、单向阀腔内有水泥充填。

C、密封圈损坏。

平衡阀单向阀失灵的不良影响为：

造成SSR胶塞组的顶塞提前释放。

2、内管注水泥插入头

内管注水泥插入头是自升式钻井平台（或导管架）钻井过程中用于30″、20″表层套管固井作业的工具。

2.1、内管注水泥插入头的结构及工作原理

如图4-8所示，内管注水泥插入头主要由插入头、密封圈和钻杆连接扣等部分组成。

当30″或20″表层套管下到设计井深后，在钻柱底部连接内管注水泥插入头，下钻并插入与之配合的套管鞋密封插座内，便可准备固井。

2.2、内管注水泥插入头常见故障与不良影响

常见故障：

内管注水泥插入头上的密封圈老化、损伤或脱落；浮鞋密封插座损坏

不良影响：

A、会造成密封失效，循环时发生漏失。

B、固井过程中水泥浆会泄漏入套管内固死内管柱。

C、无法进行固井，甚至需要重新起下套管更换浮鞋。

因此，作业前应认真检查内管注水泥插入头密封圈和浮鞋密封插座的状况是否良好；在内管注水泥插入头上方第一、第三根钻柱上接箍处安装钻杆扶正器；内管注水泥插入头应缓慢插入浮鞋密封插座，避免损坏密封。

第三节特殊专用工具

1、RTTS封隔器

RTTS（RetrievableTreatmentTestSqueeze）封隔器是一个多用途井下工具，其主要功能是临时封隔钻杆与套管的环形空间。

可用于挤水泥、临时弃井（与风暴阀一起使用）、套管试压和压裂酸化等作业。

1.1、RTTS封隔器的结构

RTTS封隔器主要由带有J型槽的摩擦块、卡瓦总成、密封胶筒和水力锚等部件组成，如图4-9所示。

各部件的主要功能如下：

J型槽：

实现封隔器的坐挂和锁紧卡瓦；

卡瓦：

咬紧套管，起到支撑封隔器、使胶筒受压膨胀；

胶筒：

封隔器的膨胀密封件，是实现封隔器作用的关键部件；

水力锚：

锁紧封隔器上部，防止封隔器胶筒解封。

当封隔器底部有压力产生时，相当于给工具和密封胶筒一个向上推力，使胶筒受压重力减低。

如果没有水力锚装置，当底部压力增加到足够大时，将顶开封隔器产生解封。

但是，液压传递使封隔器上部的水力锚张开后，推动压力越高，水力锚的受力越大，锁紧力也越大。

1.2、RTTS封隔器的工作原理

1）、RTTS封隔器坐挂前，心轴销钉锁于J型槽的顶部，摩擦块无法推动卡瓦张开，坐挂机构呈收缩状，如图4-10所示。

2）、图4-11所示，RTTS封隔器坐挂时，首先上提心轴使销钉离开锁紧位置，然后旋转心轴使销钉滑至J型槽的直槽后下放管柱，在摩擦块与套管壁产生摩擦力的支撑下推动卡瓦张开咬紧套管壁，RTTS封隔器实现坐挂。

由于卡瓦张开支撑住卡瓦锥体，卡瓦锥体便给胶筒一个向上的作用力，而封隔器上下钻具的重量通过顶鞋给胶筒一个向下的作用力，胶筒在上、下力的作用下受压膨胀，RTTS封隔器实现坐封。

3）、水力锚工作原理：

如图4-12所示，封隔器坐封后，当泥浆密度低于地层流体压力时，封隔器胶筒下方压力便会升高，当高于封隔器胶筒上部环空压力时，封隔器底部环空压力便会通过液压通道，传递作用于水力锚活塞卡瓦，水力锚活塞卡瓦在胶筒上下压差的作用下被顶开后咬紧套管壁，产生一个锁紧力，防止了封隔器胶筒因受压减小而自动解封。

1.3、RTTS封隔器常见故障与不良影响

1）、RTTS封隔器无法坐挂

RTTS封隔器无法坐挂的原因：

A、摩擦块不起作用，可能由于弹簧片锈蚀、断裂或弹力不够引起。

B、卡瓦不能撑开或咬不住套管内壁，由于机械卡瓦部分有异物卡住或沉砂充填。

C、卡瓦齿松脱或损伤严重。

RTTS封隔器无法坐挂的不良影响：

RTTS封隔器无法坐封，影响正常作业。

2）RTTS封隔器坐封后试压不合格

RTTS封隔器坐封后试压不合格的原因：

A、封隔器胶筒失效，胶筒可能老化、刮伤。

B、胶筒上作用的压力不足，胶筒未完全膨胀与套管壁密封。

C、封隔器水力锚活塞上的密封圈、液压内筒与心轴间的密封圈损坏。

RTTS封隔器坐封后试压不合格的不良影响：

RTTS封隔器坐封失败，造成下一步作业无法进行，需重新起下钻查明原因。

3）、封隔器无法解卡

封隔器无法解卡的原因：

A、水力锚不能收回。

B、封隔器解封后无停留直接起钻，胶筒未完全收缩引起拉裂后卡住卡瓦。

C、套管损坏卡住卡瓦。

封隔器无法解卡的不良影响：

如发生此现象，后果极其严重，可能造成井眼报废等恶性事故。

4）、封隔器卡瓦脱落入井

封隔器卡瓦脱落入井的原因：

A、卡瓦卡箍内六角螺钉没上紧或漏上。

B、卡瓦锥体上卡瓦限位槽变形。

封隔器卡瓦脱落入井的不良影响：

造成井下落鱼打捞事故；RTTS封隔器可能无法正常坐挂。

2、SSC风暴阀

SSC风暴阀（Sub-SurfaceControlValve）是用来封隔钻具内流体压力的井下工具。

通常SSC风暴阀与RTTS封隔器配合使用（如图4-13所示），可经济、省时地临时弃井。

2.1、SSC风暴阀的结构

SSC风暴阀主要由回接短节、插入心管、回接筒、阀体、滑套阀和堵头等部件组成，如图4-14所示，其主要部件功能如下：

回接短节：

连接插入心管，用来脱手和回收SSC风暴阀。

插入心管：

用于开、关滑套阀。

滑阀机构：

包括滑套阀、阀体及其密封等元件，在插入心管作用下，实现滑套阀、阀体上阀孔的关闭和连通。

堵头：

SSC风暴阀的安全装置。

如果井内存有高压，当插入心管无法打开滑套阀释放管内压力使RTTS封隔器的水力锚解封时，便通过地面加压剪断SSC风暴阀堵头的剪切销钉，释放掉管内压力，从而解封RTTS封隔器水力锚，然后起出SSC风暴阀和RTTS封隔器。

2.2、SSC风暴阀的工作原理