循環推送下套管系統的研制

趙傳偉 孫家祥 蘭恭濤 吳仲華 陳勇 周志剛 劉晗

關鍵詞：大位移井；下套管；鉆井液循環；套管推送；完井

0 引言

隨著石油鉆井技術的不斷發展，大位移井、分支井以及叢式井等復雜結構井越來越多［1-2］，如何將套管安全下到預定位置是這類井完井面臨的技術難題之一［3-4］。國外多家公司進行了提高套管下入能力和安全性研究［5］。TESCO 公司研制了CasingDrive System?系統，全球每年利用該系統下入套管井數超過1 000 口，已進入商業化階段［6］；加拿大Volant 公司研發的CRTi 和CRTe 全機械式頂驅下套管系統也在北美、南美、歐洲、中東及澳大利亞等地區得到應用［7］；美國Canrig 與First Subsea 公司聯合開發出了SureGrip 頂驅下套管裝置，已在250多個大型項目中得到成功應用，大幅度提高了下套管效率。目前，國內總體上仍處于下套管裝置研發和試驗階段。其中，北京石油機械廠研制的頂驅下套管裝置已進入現場試驗階段，但尚未完全工業化應用［8-9］。中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院結合國內頂驅鉆機的特點，針對?139.7mm 套管研發出了循環推送下套管系統，該系統不需要套管鉗和灌漿設備就能實現套管自動連接，邊下套管邊灌漿。下套管過程中遇阻，可建立鉆井液循環，使套管柱產生軸向振蕩，降低套管下入摩阻，同時切削井壁，清除砂橋、臺階等；也可配套高抗扭套管使用，旋轉整個套管柱。套管循環旋轉裝置和套管推送下入裝置是該系統的關鍵裝置，直接影響該系統工作的可靠性和穩定性。采用數值模擬方法對套管循環旋轉裝置的卡瓦承載能力進行了分析。通過室內試驗測試了套管循環旋轉裝置的鎖緊釋放機構、抓取機構和循環密封機構的可靠性以及裝置的承載能力、密封性能；測試了套管推送下入裝置的壓降及振蕩力。最后，通過現場試驗進一步驗證該系統工作可靠性及提高套管下入能力的有效性。

1 系統結構與工作原理

循環推送下套管系統見圖1。無線扭矩儀與頂驅連接，用于監測套管上扣扭矩。調心短節與無線扭矩儀連接，解決井口與頂驅軸線不一致的情況下，套管對扣困難問題。套管循環旋轉裝置具有自動連接套管、下套管過程中建立鉆井液循環及旋轉套管柱功能。套管推送下入裝置位于套管柱末端，套管下入過程中，建立鉆井液循環時，該裝置可產生軸向振蕩力，使下端套管柱處于振動狀態，可有效降低套管柱與井壁之間的摩阻，同時套管末端引鞋可旋轉，切削井壁，清除砂橋、臺階等。固井作業時，水泥漿通過浮箍進入套管推送下入裝置，從該裝置末端引鞋返至井眼環空，水泥漿的流動使該裝置產生振動，有利于提高固井質量。

2 關鍵裝置研制

2.1 套管循環旋轉裝置

2.1.1 結構與工作原理

套管循環旋轉裝置主要由鎖緊釋放機構（包括顯示盤、上外殼、軸承、卡瓦座上推環、調整接頭及軸承套）、套管抓取機構（包括卡瓦座、卡瓦滑塊、卡瓦及卡瓦外筒）、循環密封機構（包括心軸、擋圈、橡膠碗、導向頭及內彈簧套） 組成，見圖2。

套管抓取機構通過卡瓦承受套管軸向重力，并將軸向重力轉化成徑向夾持力，傳遞頂驅扭矩?？ㄍ吲c卡瓦座嵌入式裝配，卡瓦座與卡瓦滑塊設計為斜面接觸，當卡瓦受到沿軸向向下的摩擦力時，會帶動卡瓦座下行，在斜面擠壓下，將軸向力轉換成徑向夾持力，夾持力沿徑向推動卡瓦夾緊套管接箍，實現套管抓取。鎖緊釋放機構具有保證套管抓取機構可靠和釋放套管的功能。該機構采用機械驅動方式將旋轉運動轉換為軸向移動，頂驅與上部調整接頭連接，通過頂驅正向旋轉驅動調整接頭下端的螺旋凸起來推動套管抓取機構下行鎖緊；通過頂驅反向旋轉，能夠解除套管抓取機構的鎖緊，進而釋放套管。循環密封結構為下套管過程中開泵循環鉆井液提供密封。采用帶金屬骨架的橡膠碗密封結構［10］，橡膠碗外徑略大于套管內徑，插入套管后具有液壓助封的功能。套管循環旋轉裝置適用于?139.7 mm 套管，芯軸內徑50 mm。

該裝置采用機械機構抓取套管接箍，無需外接液壓或電驅動力源，連接套管的工作過程如下。

（1） 吊卡吊起整根套管（帶接箍），并使其對正下方井口套管，下放循環旋轉套管裝置并使橡膠碗和導向頭插入吊起的套管內；通過卡瓦座內側下端的斜面撐開5 個卡瓦座及卡瓦，繼續下放該裝置至接箍接觸卡瓦座內側上端的斜面，在重力作用下5 個卡瓦抱住套管接箍。

（2） 頂驅正轉調整接頭，使其向下頂住卡瓦座上推環，推動5 個卡瓦座下移，通過卡瓦座與卡瓦滑塊的斜面使5 個卡瓦夾緊接箍。

（3） 旋轉該裝置帶動夾緊的套管旋入坐在井口的套管接箍，松開井口卡瓦，下放套管柱，至井口位置時，再將套管柱坐在井口卡瓦上。

（4） 頂驅反轉上調整接頭，緩慢下放該裝置，手動轉動下鎖緊帽，聯動下彈性爪接頭和內彈簧套，上頂下推環，帶動卡瓦上移，卡瓦牙松開夾緊的接箍，打開吊卡，將橡膠碗和導向頭從套管中抽出。

（5） 手動下鎖緊帽，卡瓦在重力作用下下移，至此完成單根套管接入。

2.1.2 卡瓦承載能力計算

夾持套管柱所需力會隨著井深增加而增大，有可能會導致卡瓦牙破壞。為確保安全施工，需要對卡瓦最大承載能力進行計算。采用有限元分析軟件對該裝置的卡瓦進行應力分析與計算［11-13］。該裝置共有5 個卡瓦，每個卡瓦沿軸向有172 排，沿周向有37 列，共6 364 個卡瓦牙，單個卡瓦牙結構如圖3 所示。為了提高計算效率，對模型進行了簡化：每個卡瓦僅有172 排1 列卡瓦牙。套管接箍外徑為153.7 mm，長度為203 mm。

接箍彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，切線模量為6 100 MPa，屈服強度為552 MPa。由于卡瓦牙經過滲碳處理，因此卡瓦牙滲碳層和本體材料屬性要分別定義?？ㄍ弑倔w彈性模量為207 GPa，泊松比為0.25，切線模量為6 100 MPa，屈服強度為835 MPa； 卡瓦表面滲碳層深度為0.7 mm， 表面硬度為HRC60，可求得滲碳層屈服強度為2 037MPa［14-15］。將卡瓦牙與接箍之間的接觸定義為有摩擦的接觸，摩擦因數取0.15［16］。計算工況條件為：扭矩30 kN · m，軸向載荷2 400 kN。

不同鋼級接箍條件下卡瓦牙和接箍受力及卡瓦牙咬入接箍深度見表1，可以看出，卡瓦牙在軸向載荷2 400 kN 和扭矩30 kN · m 作用下，最大應力小于材料屈服強度2 037 MPa，滿足現場使用要求?？ㄍ邐A緊N80 鋼級接箍受力情況如圖4 所示。

2.2 套管推送下入裝置

套管推送下入裝置如圖5 所示，其工作原理：當液體流過振蕩腔時，振蕩腔內的特殊流道交替產生的周期性壓力脈沖作用在活塞和碟簧組上，進而產生周期性軸向振動，變套管柱與井壁之間的靜摩擦力為動摩擦力。液體進入動力短節時渦輪組旋轉，帶動動力引鞋旋轉（鑲有PDC 切削齒），可切削井壁，清除砂橋、臺階等。由于動力引鞋為偏心結構，旋轉時還會產生徑向振動。旁通短節內設置有爆破閥，若振蕩短節或動力短節堵塞，憋壓到一定壓力時爆破閥打開，液體從旁通短節直接進入井眼內，重新建立循環通道。該裝置適用于?139.7 mm 套管，本體外徑172 mm、最大外徑203 mm、總長2.45 m。

3 室內試驗

3.1 套管循環旋轉裝置試驗

為了測試套管循環旋轉裝置的鎖緊釋放機構、抓取機構和循環密封機構動作的可靠性、裝置的承載能力及密封能力，在模擬井筒內開展了套管抓取試驗、承載試驗及耐壓試驗。試驗流程如圖6 所示，主要實驗設備及儀器包括鉆井多功能試驗機及其控制系統、泥漿泵、套管循環旋轉裝置、?139.7 mm 套管（鋼級P110、壁厚10.54 mm、長2 m）、?153.7 mm接箍（鋼級P110、內孔設有承扭的臺肩面）、模擬井筒、水箱、壓力傳感及流量傳感器。鉆井多功能試驗機上安裝了壓力傳感器、扭矩轉速傳感器、位移傳感器和角度傳感器等。套管循環旋轉裝置上端與多功能實驗機的沖管連接，?139.7 mm 套管上端與?153.7 mm 接箍連接，下端與循環閥連接，?139.7mm 套管用夾持裝置固定在井口。泥漿泵將水箱中的清水經過供液管線及高壓水龍帶輸送至沖管中，再經過套管循環旋轉裝置后進入套管，套管下端為循環閥。沖管在液壓缸控制下可實現套管循環旋轉裝置的旋轉、加壓、上提及下放等功能。

先進行套管抓取試驗，采用夾持裝置固定套管，控制沖管緩慢上提，直至軸向載荷達到2 400 kN，再控制沖管順時針緩慢旋轉直至扭矩達到30 kN · m，加載過程中觀察套管循環旋轉裝置是否相對于套管發生軸向和周向滑動，最后，關閉循環閥，開泵測試該裝置的密封性能。

5 次套管抓取試驗結果表明，套管循環旋轉裝置抓取套管牢固安全，成功率100%。當軸向載荷為2 400 kN 且扭矩達到30 kN · m 時，套管循環旋轉裝置相對于套管未發生軸向和周向滑動。密封性能測試結果表明，泵壓35 MPa 時穩壓10 min，未發生泄露。這說明該套管循環旋轉裝置可承受軸向載荷2 400 kN、扭矩30 kN · m，密封機構可耐壓35 MPa。

3.2 套管推送下入裝置試驗

試驗目的是測試套管推送下入裝置的振蕩力和壓耗，試驗流程如圖7 所示。主要試驗設備及儀器包括鉆井泥漿泵、套管推送下入裝置、壓力傳感器、電磁流量傳感器、水箱、閥門。壓力數據可通過數據采集系統傳輸到計算機，并由相應的終端軟件顯示。泥漿泵將水箱中的清水泵送至套管推送下入裝置中，并由該裝置末端動力引鞋的水眼排出。

經測試，當排量大于10 L/s 時，動力引鞋開始旋轉。不同排量對應的壓降和振蕩力見表2，可以看出，隨著排量增加，該裝置壓降和振蕩力逐漸增大。當排量為15～30 L/s 時，振蕩力26.4～48.3 kN，振蕩效果較好。

4 現場試驗

2022 年6 月在福山油田Z16X 井進行了循環推送下套管系統應用。Z16X 是一口預探井（定向井），完鉆井深3 628 m， ?339.7 mm 表層套管下深200m， ?244.5 mm 技術套管下深2 200 m， ?139.7mm 油層套管下深3 628 m。該井井身結構為5 段制：直井段、增斜段、穩斜段（井斜50.25°）、降斜段、穩斜段（井斜30.6°），目的層有垮塌風險，因此，決定使用無線扭矩儀、調節短接、套管循環旋轉裝置以及套管推送下入裝置實現套管安全下入。

7 日17：00 至8 日12：20 完成了?139.7 mm 套管下入工作，下入深度3 628.09 m。期間，順利完成了所有套管上扣、緊扣工作，但套管下到3 199 m 時遇阻180 kN，開泵建立循環，排量升至22 L/s，持續8 min，鉆井液密度1.49 g/cm3，最大循環壓力7.9MPa，順利通過了遇阻點，開泵循環期間套管循環旋轉下入裝置與套管間密封良好，未發生泄露。

5 結論與建議

（1） 套管循環旋轉裝置能夠實現套管自動連接，能夠在下套管過程中建立鉆井液循環及旋轉套管柱；適用于?139.7 mm 套管，額定軸向載荷2 400kN，工作扭矩30 kN · m，最大循環壓力35 MPa。

（2） 套管推送下入裝置可產生周期性軸向振蕩力，有效降低套管下入摩阻，其動力引鞋可切削井壁，清除砂橋、臺階等，適用排量15～30 L/s，振蕩力26.4～48.3 kN，振蕩頻率5.1～7.8 Hz。

（3） 套管旋轉循環裝置和套管推送下入裝置配合使用，能夠有效提高套管下入安全性，建議下一步對配套使用的具有較強承扭能力套管扣的套管進行現場試驗，驗證利用該套管循環旋轉裝置旋轉整個套管柱來降低摩阻的可靠性。