多級徑向渦輪水力驅動套管鞋在海上油田的應用

張新平 劉曉民 華澤君 薛憲波 黃杰 關皓綸

摘要：為解決大斜度井、水平井井段套管下入困難、下不到位的難題，同時提高井眼質量與固井效率，研制出一種多級徑向渦輪水力驅動套管鞋。該工具由定子總成、轉子總成以及軸承系統三大模塊組成，定子與轉子互相配合，利用水力驅動，通過多級專用的徑向渦輪增大驅動扭矩，配合外側鑲嵌有合金齒的螺旋筋條，增強耐磨、修整井眼和擴眼的能力。該工具長度為傳統渦輪結構套管鞋的1/3～1/5，結構簡單可靠，尺寸緊湊，通過狗腿度能力強，輸出扭矩可達傳統劃眼工具的5～10倍。多口現場案例井作業表明，該工具可保障復雜井段套管安全下入到位，大幅減少固井過程中的非生產作業時間和通井時間。

關鍵詞：套管鞋；徑向渦輪；水力驅動；下套管

中圖分類號：TE952文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.010

隨著水平井、頁巖氣井、大位移井等各種復雜結構井數量逐漸增多［1-3］，下套管作業面臨的挑戰也日益增加。如鉆遇復雜地層，井眼縮徑、井壁坍塌、摩阻大［4-7］等多種因素可能會造成下入套管困難，嚴重增加作業時間和成本。

下套管作為固井作業的一個關鍵性環節［8-9］，如果下入不到預定深度，則無法順利完成固井，進而影響目的層油氣資源的開采。為了保證套管順利下入到目標深度，通常采用通井作業，或通過井口的機械動力旋轉套管［10-11］來實現劃眼，進而順利通過由于縮徑［12］、坍塌等原因造成的困難井段，但該方法需動用額外的設備，占用鉆井作業時間，具有較大的局限性。此外，由于套管施加扭矩過大易發生變形［13-14］，受到套管螺紋或者地面設備的扭矩限制［15］，往往不能實現套管旋轉。而常規套管鞋輔助下套管時，存在驅動扭矩不足的問題，因此遇到坍縮、摩擦阻力較大等復雜井段時，容易遇阻或需多次下入。

第53卷第2期張新平，等：多級徑向渦輪水力驅動套管鞋在海上油田的應用石油礦場機械2024年3月 一次性下入套管到預定井深，對后續的固、完井作業起到十分重要的作用。因此，為解決常規套管鞋扭矩不足的問題，提高固完井作業效率，本文從套管鞋結構設計展開研究，研制出多功能多級徑向渦輪水力驅動套管鞋，該工具設計了一種特有的徑向渦輪節結構，增大套管鞋的驅動扭矩，從而保障套管在裸眼井段的順利下入。

1技術分析

多級徑向渦輪水力驅動套管鞋通過水力驅動套管鞋轉動，進行劃眼，可有效改善井下流態，促進套管通過狗腿度大、縮徑、臺肩等裸眼井段，降低套管下不到位的風險，尤其適合在大斜度井、水平井等存在下套管困難的井。

1.1工具結構

多級徑向渦輪水力驅動套管鞋的整體結構如圖1所示，套管鞋內部主要包括定子及轉子結構，其裝配示意圖如圖2所示。

定子總成主要由上旋流定子、下旋流定子以及芯軸等組成。定子總成上部與套管相連接，上旋流定子與下旋流定子分別通過特殊的八棱柱結構固定在芯軸外側，當液體從上旋流定子流過時，形成旋流驅動轉子轉動，產生動力扭矩。套管與定子固定連接，套管鞋工作時不會發生轉動，避免了套管本身產生額外的扭矩。

圖1多級徑向渦輪水力驅動套管鞋整體結構圖

圖2定子、轉子裝配示意圖

轉子總成由上旋流轉子、下旋流轉子、劃眼引鞋頭等組成。上旋流轉子轉動產生扭矩，可與下旋流轉子產生的扭矩進行疊加，為套管鞋提供較高的扭轉驅動力，由于不同井段下套管所需的扭轉力不同，兩級轉子產生的扭矩可能不足以支撐套管鞋順利穿過阻礙井段，因此可根據井下實際狀況，優化轉子數量。

1.2工作原理

下套管遇阻時，開泵循環，液體通過上部套管內部流入芯軸的旁通孔，然后分別流經上、下旋流定子形成旋流，并帶動雙級轉子旋轉，產生疊加扭矩，最后液體通過第二級斜孔進入劃眼引鞋頭內腔，并通過第三級斜孔流出。套管鞋通過水力進行驅動，旋流帶動轉子旋轉，進而實現工具旋轉。當劃眼作業時，液體分別流經多個定、轉子組合，產生的疊加扭矩增強了工具驅動力，從而提高劃眼作業效率。

旋轉套管鞋使用時，為了能夠有效實現劃眼，需具備足夠的扭矩，因此至少設置為一個下旋流轉子和下旋流定子，使旋流轉子和定子形成兩級或者多級轉動結構，扭矩與級數成比例增加，從而提供足夠的扭轉驅動，有效實現劃眼。根據井下摩阻和工況，優化調整定轉子級數，防止旋轉套管鞋因扭轉力不足空轉，既擴展了旋轉套管鞋的使用范圍，又提高了工具的實用性。

1.3技術參數

多級徑向渦輪水力套管鞋的工具尺寸和結構參數如表1所示，可用于177.8 mm和244.5 mm兩種尺寸的套管進行劃眼操作，且工具本體與引鞋外徑相同，可最大限度提高劃眼效率。

分別對兩種尺寸多級徑向渦輪水力驅動套管鞋工具的壓降與扭矩性能參數進行測試，測試結果如圖3～4所示。工具壓降與排量近似成拋物線關系，相同測試排量下，177.8 mm套管鞋壓降高于244.5 mm套管鞋，當測試排量為37.8 L/s，177.8 mm套管鞋壓降為3 MPa。相同測試排量下，177.8 mm套管鞋扭矩近似等于244.5 mm套管鞋，但177.8 mm套管鞋的啟動排量（工具出現扭矩的排量）低于244.5 mm套管鞋，244.5 mm套管鞋的啟動排量僅約為6.3 L/s，而177.8 mm套管鞋的啟動排量為3.78 L/s。

2工具特點

2.1結構特點

本工具創新性地采用了徑向渦輪以及扭矩增強結構，能夠實現多級扭矩疊加，且工具結構簡單可靠，長度為傳統渦輪結構的1/3～1/5，增強了大狗腿井段的可通過性，工具內部設置有2～6個可調水眼，通過改變水眼數量可以調整工具啟動排量（0.3～1.0 m3/min）?？辙D時無軸向載荷，僅當水力驅動時，受到來自于水力反作用力的軸向載荷，有利于提高壽命。下套管過程中，工具遇阻憋停后，能快速反應，啟動液體流動，開泵循環即可轉動，及時進行劃眼作業，優于傳統劃眼浮鞋。

此外，套管鞋引鞋設有6個45°水眼，液體可快速從此處流出，優化井眼清潔和碎屑清除，改變流態，從而提高固井質量。針對不同地層和井眼，多級套管鞋可以改變引鞋結構，將引鞋頭更換為適合當前井下劃眼作業的引鞋結構，244.5mm套管鞋芯軸材質采用易鉆的鋁合金材質。

2.2工具優勢

1）多種引鞋結構，能有效避免側鉆出井眼。

井下地層結構較為復雜，對于松軟地層，傳統劃眼工具可能會側鉆出額外新井眼，而本工具引鞋頭前端為光面，無切削功能，不會在劃眼作業中鉆出新井眼，降低了劃眼的攻擊性，且可以通過增加偏心引鞋的長度，提高劃眼作業的效率。

針對中硬地層及穩定性較好的地層，可將PDC、聚晶、硬質合金等與套管鞋配合使用，提高引鞋硬度，防止在硬地層劃眼造成破壞，延長工具壽命。

2）徑向渦輪結構，高效利用水功率。

圖5所示為套管鞋的徑向渦輪結構，其單位長度可產生傳統劃眼工具5～10倍的渦輪扭矩，大扭矩保證了劃眼作業的正常進行，既提高了劃眼作業效率，又節約成本，且扭矩不會施加于套管上，可有效保護套管。徑向渦輪結構為軸對稱結構，徑向受力平衡，無多余載荷對工具產生沖擊，也不會產生軸向載荷。

3）適用于多種井段。

本工具能夠通過縮徑、坍塌、臺肩、沉沙等復雜井段，并進行劃眼作業，可降低固井竄槽風險，提高固井質量。此外，井下常有各種雜質，套管鞋的全金屬材料具有耐腐蝕能力，提高劃眼作業成功率，并且在沖沙、磨銑等修井作業中，套管鞋也能發揮作用。

2.3施工流程

該工具現場應用時，安裝及作業要求按如下進行：

1）引鞋上端連接套管提升接頭。

2）用啟動絞車提升動力引鞋到鉆臺。

3）將動力引鞋放入井口，坐掛卡瓦，安裝安全卡瓦。

4）參考鉆完井設計，動力引鞋上部連接浮箍，并連接一根套管，按照相關標準緊扣。

5）按照頂驅輔助下套管的步驟，將密封膠筒插入套管內，上提管柱到與引鞋連接的套管接箍的下端位于鉆臺面，開泵循環，確保動力引鞋可正常旋轉。

6）當下套管遇阻時，連接井口循環系統，開泵循環，先上提釋放鉆壓，然后慢慢下放通過遇阻段。

3現場應用

1）渤海某大位移水平井。

渤海油田某井井眼尺寸為311.2 mm，下入套管尺寸為244.5 mm，裸眼井段1 820～3 958 m，井眼軌跡復雜，水平位移長達3 116 m，水垂比2.34，該井屬于典型的復雜軌跡大位移水平井，是渤海區域下套管難度較大的井。套管一次性下入到位風險較大，因此選用多級徑向渦輪水力驅動套管鞋，套管下至3 926 m，遇阻400 kN ，至井深3 926.8 m，懸重全壓上仍不能通過，隨后啟動該工具，當排量從1.8 m3/min增加到2.2 m3/min，該工具扭矩和排量呈指數關系，套管鞋扭矩增加約50%，順利引導套管通過遇阻點并下入至設計深度。

2）美國德克薩斯州某井。

井眼尺寸為215.9 mm，下入套管尺寸為177.8 mm，裸眼井段為1 997.05～2 263.14 m（6 552～7 425 ft）。該井段井壁穩定性差，下套管到指定位置風險極高，且需要高扭矩完成下套管作業，為避免旋轉套管，采用多級徑向渦輪水力驅動套管鞋輔助套管下放指定井段，作業10 h，順利完成套管的成功下入，未發生套管變形等狀況。

3）美國墨西哥灣某油井。

井眼尺寸為311.2 mm，下入的套管尺寸為244.5 mm，裸眼井段為5 148.68 m～5 708.29 m（16 892～18 728 ft）。該井段鄰井存在不穩定頁巖且井眼軌跡復雜，正常下入套管十分困難，傳統下放方式可能會引發井段坍塌的風險。采用多級徑向渦輪水力驅動套管鞋，6次啟動該工具，循環時間4 h，套管順利下至設計井深，達到技術要求，節省44 h下套管前的通井時間。

4結論

1）多級徑向渦輪水力驅動套管鞋可高效地進行輔助下套管作業，相較于傳統的套管引鞋，該工具利用多級定、轉子結構產生的疊加扭矩增強工具驅動力，從而提高劃眼作業效率。

2）多級徑向渦輪水力驅動套管鞋可根據地層軟硬程度，對工具引鞋進行優化調整，能有效避免側鉆出井眼，適用于井壁穩定性差、井眼軌跡復雜、大位移水平井等復雜井段。

3）現場應用表明，多功能套管鞋具有結構穩定、性能可靠的優勢，可通過多次劃眼、持續循環、改變排量增加扭矩等方式順利引導套管進入預定深度，能顯著提高一次性下套管成功率，具有廣闊的應用前景。

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