頂驅下套管驅動工具現(xiàn)狀與發(fā)展建議

梁 政，張力文，蔣發(fā)光，李雙雙

（西南石油大學 石油天然氣裝備教育部重點實驗室，成都610500）①

傳統(tǒng)下套管技術采用人工輔助下套管方式，吊卡提起套管單根，安裝對扣保護套，利用套管鉗旋緊套管，最后向套管內注漿。這種傳統(tǒng)下套管方式使得套管柱在井內靜止時間長，易引起粘卡、縮徑等事故，若遇下放受阻的情況，需接方鉆桿才能建立循環(huán)。

20世紀后期，國內開始在轉盤鉆井的基礎上研發(fā)出自動灌漿 循 環(huán) 裝 置［1］、簡 易 套 管 鉆 井 技 術［2－3］，但這些裝備和技術應對井下事故能力低，完井周期長。20 世紀 90 年 代，Weatherford、TESCO、BJ Services Company等石油公司開始研發(fā)頂驅下套管作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在下套管的同時保證泥漿循環(huán)，受阻后還能鉆開卡鉆巖層，降低事故風險，縮短完井周期。

1 技術分析

1.1 結構組成

頂驅下套管作業(yè)系統(tǒng)管串為：頂驅＋頂驅下套管驅動工具＋套管（套管接頭中裝有聯(lián)接扭矩環(huán)）＋旋轉扶正器＋防磨帶＋擴眼器＋引鞋［4］。頂驅下套管驅動工具在整個下套管系統(tǒng)中最為關鍵，其結構如圖1所示，按功能可分為動力總成、連接總成、限位總成、卡瓦總成以及密封導向總成5部分。

圖1 頂驅下套管驅動工具（內插式）結構

動力總成主要由心軸、活塞、彈簧、活塞缸等組成，主要完成卡瓦的撐開與收縮作業(yè)；連接總成用于連接動力總成與卡瓦總成，實現(xiàn)傳遞力和力矩的功能；卡瓦總成主要由卡瓦心軸與卡瓦組成，完成卡緊套管的功能；密封導向總成中，導向頭完成引導頂驅下套管驅動工具進入套管，密封皮碗用于防止注入泥漿時泥漿回返。

1.2 工作原理

①抓管鉗抓取單根套管，提升至井口懸掛的套管接頭處與其對接，驅動工具在導向頭的輔助下插入單根套管至限位卡環(huán)處；②活塞下行使卡瓦與卡瓦心軸相對滑動，迫使卡瓦卡緊套管同時壓縮彈簧；③頂驅帶動頂驅下套管驅動工具旋轉，使卡緊的單根套管與井口懸掛的套管對接上扣；④下放套管并開啟泥漿循環(huán)系統(tǒng)［5］，套管下放到位后液缸泄壓，卡瓦在彈簧反向推動力的作用下上行，解除卡瓦卡緊狀態(tài)，完成單次下套管作業(yè)，同時為下放下一根套管做好準備。

1.3 特點

1） 可對套管進行循環(huán)、下推和旋轉運動，減少因粘卡、縮徑等導致的停產(chǎn)事故。

2） 配備多個安全聯(lián)鎖裝置，可以防止套管墜落等事故，提高作業(yè)效率和安全性。

3） 不需要常規(guī)下套管作業(yè)所需的套管鉗、吊卡等配套設備，減少了相關作業(yè)人數(shù)，也大幅提高了下套管作業(yè)的可靠性和安全性。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對頂驅下套管驅動工具的研究比國內早很多，例如 Tesco、Weatherford 、Canrig、BJ Tubular Services等公司已經(jīng)生產(chǎn)出系列化的頂驅下套管驅動工具，可進行114.3～508.0mm（4～20英寸）套管的下套管作業(yè)。雖然各個公司生產(chǎn)的頂驅下套管驅動工具各部分功能相同，但結構和性能上存在差異，現(xiàn)從動力總成、限位總成、卡瓦總成3方面進行比較分析。

2.1 動力總成

21 世 紀 初 期，BJ Services Company 公 司 和Weatherford公司采用徑向推動卡瓦抱緊套管的技術［6－7］（工具結構如圖2所示），當套管到達指定位置時，活塞推動卡瓦徑向運動，卡瓦在液壓力作用下抱緊套管。其缺點在于套管重力必須完全靠動力產(chǎn)生的摩擦力來平衡，隨著套管質量的增加，所需的摩擦力越來越大，這種方式不僅能耗高而且安全性能低。隨后，Weatherford、Tesco公司開始推出軸向下壓卡瓦抱緊套管的技術（工具結構如圖3所示），活塞沿軸向下移，卡瓦相對于外殼內錐面滑移，同時擠壓抱緊套管，只要錐面的背錐角與套管外表面摩擦因數(shù)、殼體內錐面摩擦因數(shù)滿足一定條件，即可保證卡瓦抱緊套管。下壓式套管驅動工具的特點在于殼體與卡瓦座相互擠壓，套管的支持力由殼體提供，大幅降低了能耗，提高了頂驅下套管驅動工具的可行性和安全性。

圖2 徑向式下套管工具

圖3 軸向式下套管工具

卡瓦軸向移動的推動方式有彈簧、齒輪、活塞3種［8］。圖4為彈簧式動力總成，電動機沿箭頭方向旋轉時，心軸上的環(huán)形法蘭將推動彈簧下行，使卡瓦卡住套管；當電動機反向旋轉時，叉桿與外殼迫使彈簧上行擠壓環(huán)形法蘭，卡瓦上行使卡瓦收回。圖5為齒輪式動力總成，小齒輪、大齒輪帶動螺母旋轉，從而實現(xiàn)與螺桿相連的卡瓦撐開和收回。圖6為活塞式動力總成，活塞在液壓力的作用下可上下滑動，實現(xiàn)與活塞相連的卡瓦卡緊和松開套管。這3種方式中，彈簧式與齒輪式應用較少，主要在于它們需要一個獨立的動力控制系統(tǒng)，而且傳動過程中所用零件較多，容易失效且增加后期維護的難度。另外，齒輪式動力總成中的卡瓦會隨轉子一起轉動，加大卡瓦內錐面與心軸外錐面間的磨損?；钊綉酶鼮閺V泛，其可以借用已經(jīng)成熟的液缸技術，因此活塞推動式通用性強、承載能力強、速度快、可靠性高。

圖4 彈簧式動力總成

圖5 齒輪式動力總成

圖6 活塞式動力總成

2.2 限位總成

頂驅下套管驅動工具準備卡緊套管時，其進入深度很難控制，需要限位總成輔助控制驅動工具的進入深度。從目前各公司的產(chǎn)品來看，限位總成可分為3類：①Tesco公司采用的擋板減振限位，如圖1所示；②Weatherford公司的結構限位，如圖7所示；③Weatherford公司最新設計的送管控位機構，如圖8所示。擋板減振限位方式是在頂驅下套管驅動工具的適當位置加入限位擋環(huán)，當套管接觸到限位擋環(huán)時則表明頂驅下套管驅動工具已到達既定位置。結構限位是利用抓管鉗上的花鍵槽插入頂驅下套管驅動工具液缸外殼上的花鍵槽來限定套管位置，為了方便抓管鉗花鍵槽的導入，液缸外殼的花鍵槽下端開有燕尾口。送管控位機構則利用滾輪將套管送入頂驅下套管驅動工具的既定位置，能更方便、準確地控制套管的送入位置。在3種限位總成中，擋板減振方式最為簡單，但其控制性能差，容易帶給系統(tǒng)大的振動；結構限位雖可避免大的振動，但長時間使用會帶來結構的磨損，再加上雜質填充其中，在使用一段時間后容易出現(xiàn)不能準確定位的情況；送管控位的控制能力最強、準確性最高，但它需要額外增加送入機構。

圖7 結構限位

圖8 送管控位機構

2.3 卡瓦總成

卡瓦總成決定了頂驅下套管驅動工具的承載能力，其中卡瓦是承受載荷的關鍵。目前 Weatherford、Tesco等公司均采用傳統(tǒng)的三角形卡瓦齒（如圖9所示），只是齒的相關參數(shù)、布齒方式等不同。采用三角形卡瓦齒不僅容易損傷套管，還限制了卡瓦的最大承載能力。Canrig公司設計出如圖10所示球形卡瓦齒，將卡瓦與套管的接觸方式由傳統(tǒng)的點對面的接觸轉變?yōu)槊鎸γ娴慕佑|，增加了卡瓦與套管的接觸面積，降低了卡瓦齒對套管的損傷程度。通過試驗測得：球形卡瓦相比傳統(tǒng)卡瓦在環(huán)向應變上降低了200%～400%，極大地提高了卡瓦的承載能力，克服了頂驅下套管工具在提升套管時的載荷上限（＞6 804kN）［9］。

圖9 三角形齒卡瓦

圖10 球形齒卡瓦

3 國內現(xiàn)狀與建議

雖然國外已有多家公司擁有成熟的頂驅下套管驅動工具，并在全球很多油田成功運用，但國內在這方面研究甚少。大慶油田和吉林油田在依托轉盤鉆井情況下，對下套管設備進行改造或進行簡易套管鉆井設備研發(fā)。對于頂驅鉆井，目前只有北京石油機械廠和寶雞石油機械有限責任公司開始研發(fā)相關產(chǎn)品。其中，北京石油機械廠已自主研制了頂驅下套管驅動工具（如圖11所示），它是通過驅動活塞上下運動來驅動卡瓦的復位和張開，該裝置在四川門西001－H3氣井套管回接過程中成功應用［10］；寶雞石油機械有限責任公司也與西南石油大學合作，設計出一種新型的頂驅下套管裝置及其配套抓管、對管與監(jiān)測控制系統(tǒng)，尚處于試制階段。

圖11 北石頂驅下套管驅動工具結構

從功能上看，國內現(xiàn)有的頂驅下套管驅動工具具有了國外先進套管送入系統(tǒng)的基本功能，但其利用吊環(huán)、吊卡來進行套管的抓取，系統(tǒng)性不強，還不能達到整個下入系統(tǒng)自動化的程度。與國外的頂驅下套管驅動工具相比，國內的技術還存在差距，應該在分析研究國外先進技術的基礎上，開展頂驅下套管配套系統(tǒng)的深化研究。建議開展以下工作：

1） 監(jiān)測功能設計。監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對套管驅動工具的扭矩、拉力、轉速、位置的監(jiān)控，并可完成作業(yè)過程的參數(shù)、圖像采集和存儲與監(jiān)控的工作，為頂驅下套管驅動工具和套管操作工藝的優(yōu)化及事故處理提供依據(jù)。

2） 驅動與控制系統(tǒng)的創(chuàng)新性設計。該部分可通過液壓缸、控制器來實現(xiàn)，主要提供套管驅動工具的動力與控制。目前頂驅與下套管系統(tǒng)均是單獨設計，動力與監(jiān)測控制系統(tǒng)均完全獨立，導致系統(tǒng)結構復雜、操作不便，2套裝置配合不好還可能發(fā)生相應的事故。建議將頂驅與下套管驅動裝置的液壓動力與控制系統(tǒng)綜合考慮，簡化整個系統(tǒng)的結構，提高系統(tǒng)的協(xié)調操作控制能力。

3） 卡瓦牙和密封皮碗的優(yōu)化設計?？ㄍ哐罌Q定了卡瓦工作壽命以及卡瓦對套管的損傷程度，同時也限制了頂驅下套管工具的承載能力，所以需對卡瓦與套管的接觸方式、牙板的齒形、材料及表面處理等方面做更為詳盡的研究，以便在保證套管不被損傷的情況下，增大下套管工具的承載能力。皮碗是保證鉆井液循環(huán)和固井試壓的關鍵，但下套管工況較復雜，易導致膠筒硬度、強度和彈性、抗裂等性能下降，所以需要從膠筒結構、材料配方與成型工藝、力學性能分析等方面進行研究，以提高密封導向總成的性能，提升頂驅下套管工具的可靠性。

4 結語

國外的頂驅下套管工具已有成熟的系列化產(chǎn)品；國內已有廠家生產(chǎn)出部分型號的頂驅下套管產(chǎn)品，但尚未形成系列化。因此，可以通過科研機構與油田部門、高等院校合作的方式，在消化吸收國外技術的基礎上，自主研發(fā)下套管系統(tǒng)的關鍵部件，例如動力機構、執(zhí)行機構以及控制、監(jiān)測系統(tǒng)等，進一步研究頂驅下套管系統(tǒng)在海洋平臺上的力學行為，使其能應用于海洋鉆井領域。

［1］田富林，母全杰，鄭永生，等.套管作業(yè)自動灌漿循環(huán)裝置：中國，ZL 200420150961.2［P］.2006－06－21.

［2］馮 來，王 輝，王 力.簡易套管鉆井技術及專用配套工具研究［J］.石油鉆探技術，2007，35（5）：25－28.

［3］王海娟，張曉東，張 毅，等.淺析套管鉆井技術［J］.石油礦場機械，2010，39（10）：25－28.

［4］肖紹嵩.新型套管下入系統(tǒng)的結構組成［J］.石油礦場機械，2004，33（5）：80－82.

［5］馬認琦，郭巧合，趙建剛.TESCO套管鉆井技術［J］.石油礦場機械，2006，35（2）：81－83.

［6］David Shahin.Method And Apparatus For Drilling With Casing：USA，US7140445B2［P］.2006－11－28.

［7］Bernd－Georg Pietras.Casing feeder：USA，US7669662B2［P］.2010－03－02.

［8］Bernd－Georg Pietras，Thomas F.Bailey.Casing running and drilling system：USA，7513300B2［P］.2009－04－07.

［9］Justin Jarski.Development of ball－and－pocket gripping technology to overcome slip handing limitations ［G］.SPE，2011.

［10］張國田.北京石油機械廠頂驅下套管裝置成功應用［N］.中國石油報，2010－06－02（2）.