深水頂部驅(qū)動固井水泥頭技術(shù)現(xiàn)狀分析

于明武，閻永宏，荊 強(qiáng)，惠坤亮，孫 博

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)研究院，河北 三河 065201；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

深水頂部驅(qū)動固井水泥頭技術(shù)現(xiàn)狀分析

于明武1，閻永宏2，荊 強(qiáng)2，惠坤亮2，孫 博2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)研究院，河北 三河 065201；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

介紹了國外最新典型深水頂部驅(qū)動固井水泥頭的結(jié)構(gòu)和功能原理，分析了其技術(shù)性能、產(chǎn)品特性，并對比了國外典型產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)。分析表明，國外深水頂部驅(qū)動固井水泥頭具有高耐壓、高承載及高承扭特點(diǎn)。建議根據(jù)我國深水固井作業(yè)實際需求，合理定位產(chǎn)品性能和產(chǎn)品特性，從產(chǎn)品功能實現(xiàn)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、固井自動化和一體化技術(shù)等方向，加快深水頂部驅(qū)動固井水泥頭研制。

固井水泥頭；遠(yuǎn)程控制；現(xiàn)狀

隨著海洋鉆井技術(shù)向深水、超深水發(fā)展，固井管柱越來越長、工作壓力越來越高、操作難度越來越大、作業(yè)時安全隱患越來越多。為提高固井質(zhì)量和作業(yè)自動化，旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)和水泥頭遠(yuǎn)程控制技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，這些對深水固井作業(yè)裝備的產(chǎn)品性能、工作可靠性、安全性、自動化水平提出了更高要求。

國外Halliburton、Weatherford、Schlumberger等公司，近幾年研發(fā)了各具特點(diǎn)的深水遠(yuǎn)程控制固井水泥頭，產(chǎn)品可實現(xiàn)自動化固井，解決了海洋深水及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的固井難題，提高了固井效率與質(zhì)量，降低了開發(fā)成本和人工操作風(fēng)險，是今后深水固井水泥頭發(fā)展的方向。

1 典型產(chǎn)品

深水遠(yuǎn)程控制固井水泥頭通常指通過氣控、液控、電控等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程或無線控制，水泥頭通過頂驅(qū)帶動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)固井，能夠自動完成投膠塞、投坐封球功能的高端固井裝備。

1.1 Halliburton公司CommanderTM500/1000水泥頭[1](CTDCH水泥頭)

Halliburton公司500/1000 CTDCH水泥頭是該公司新型高端固井深水水泥頭產(chǎn)品，采用模塊化和專利快接機(jī)構(gòu)設(shè)計，可承受全部工作載荷和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)需要可增減模塊，現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)。如圖1所示。

1—控制面板；2—注入由壬；3—快接裝置；4—旋轉(zhuǎn)閥；5—控制箱；6—自動投球；7—指示器。圖1 CommanderTM 500/1000水泥頭

水泥頭本體采用雙通流道及旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，工作時將膠塞預(yù)裝在本體內(nèi)(本體偏心深孔制造工藝難度大)，膠塞在旋轉(zhuǎn)閥順序開啟后，在流體作用下依次釋放；自動投球機(jī)構(gòu)最大規(guī)格為76.2 mm(3英寸)；具有多重膠塞指示保障措施，可靠性高；動力采用便攜式氣源，系統(tǒng)整體現(xiàn)場安裝簡便，無過多管線連接，減少爬高墜落風(fēng)險，降低勞動強(qiáng)度；全程無線遠(yuǎn)程邏輯控制，確保旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正確進(jìn)行膠塞和投球投放，所有控制信息可記錄并可以下載以進(jìn)行操作分析。工作結(jié)束后，可對工具內(nèi)部進(jìn)行殘液沖洗。

1.2 Schlumberger公司的Internal bypass cement manifold[2](CMIB水泥頭)

Schlumberger公司的CMIB水泥頭具有頂部驅(qū)動特性，采用旋轉(zhuǎn)注入結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)閥和投膠塞模塊及坐封球功能化模塊化設(shè)計；工具本體采用中心通道加環(huán)空通道機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)半徑小，結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)需要可增減旋轉(zhuǎn)閥和投膠塞模塊，現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)。工作時將膠塞和投球預(yù)裝在本體內(nèi)，裝膠塞和投球無需拆卸任何部件，制造工藝性好；具有膠塞指示機(jī)構(gòu)，動作可靠；全程可以采用手動操作進(jìn)行固井作業(yè)，或加裝遠(yuǎn)程邏輯控制系統(tǒng)后，能夠控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行膠塞和投球投放。如圖2所示。

1—旋轉(zhuǎn)注入頭；2—旋轉(zhuǎn)閥；3—投球器；4—膠塞指示器。圖2 CMIB水泥頭

1.3 Weatherford公司BA-RCTDH水泥頭[3]

Weatherford公司BA-RCTDH水泥頭是滿足深水固井而研制的一種加強(qiáng)型水泥頭[4]，采用旋轉(zhuǎn)注入頭、膠塞旋轉(zhuǎn)閥、投球器3部分在一個主體上的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)緊湊。BA-RCTDH水泥頭原理與Halliburton公司CTDCH水泥頭在結(jié)構(gòu)和工作原理相似，也是采用雙通流道及旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，同樣本體偏心深孔制造工藝難度大；BA-RCTDH水泥頭工作時將膠塞預(yù)裝在本體內(nèi)，坐封球預(yù)裝到工具外側(cè)的投球器中，投膠塞和投球均通過控制箱遠(yuǎn)程操作，且均可從指示器外部觀察到，增強(qiáng)了指示可靠性，控制氣源引自鉆機(jī)氣源，動力配套方便，但現(xiàn)場接線較多。如圖3所示。

1—注入由壬；2—?dú)饴吠ǖ佬D(zhuǎn)裝置；3—旋轉(zhuǎn)閥；4—指示器；5—投球器；6—控制箱。圖3 BA-RCTDH水泥頭

1.4 Baker Hughes公司LaunchPROTM水泥頭[5](LPROTDCH水泥頭)

Baker Hughes公司LaunchPROTM水泥頭采用中心通道加環(huán)空通道機(jī)構(gòu)，采用專利瓣閥、滑套組合設(shè)計，膠塞釋放器及投球器集成度高，整體回轉(zhuǎn)半徑小，結(jié)構(gòu)緊湊，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造要求高。與其它公司不同的是膠塞和投球需要提前放置在水泥頭內(nèi)；本體內(nèi)部有一膠塞腔，膠塞腔與本體之間形成環(huán)空，膠塞置于瓣閥之上。泥漿經(jīng)注入頭進(jìn)入水泥頭內(nèi)部，通過環(huán)空進(jìn)入下部連接管柱；膠塞和坐封球亦是預(yù)裝入水泥頭的，全過程采用無線遠(yuǎn)程邏輯控制，內(nèi)置傳感器實時回饋投放信息到控制面板，按動投放膠塞按鈕，瓣閥打開，膠塞釋放。按動投球按鈕，滑套上移，坐封球順序釋放，膠塞、坐封球順序指示清晰，不僅肉眼可見，且有聲音警示；其進(jìn)口、出口及固井管線均可控，氣源來自鉆機(jī)氣源，配套方便。如圖4所示。

1—旋轉(zhuǎn)注入頭；2—膠塞容腔；3—投球裝置；4—指示裝置；5—控制面板。圖4 LaunchPROTM水泥頭

2 技術(shù)現(xiàn)狀分析

2.1 產(chǎn)品性能

產(chǎn)品性能主要表現(xiàn)在該產(chǎn)品在固井作業(yè)時可實現(xiàn)的功能及完成作業(yè)的能力。4種國外典型深水頂部驅(qū)動固井水泥頭的主要技術(shù)參數(shù)如表1。表1中額定載荷和轉(zhuǎn)矩值為工具本體承載能力，而不包括螺紋。螺紋的承載能力，按照《API SPEC―8C 鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范 第5版》中“4.3.8.3 承受提升載荷(鉆柱載荷除外)的旋轉(zhuǎn)臺肩式連接”計算。鉆桿接頭強(qiáng)度由《API RP―7G鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法 第16版》查得。以標(biāo)準(zhǔn)6FH IEU-S135的內(nèi)徑為107.95 mm鉆桿為例，上述國外公司典型的水泥頭，在公螺紋內(nèi)徑相同的情況下，水泥頭本體承載能力>水泥頭連接螺紋承載能力>鉆桿接頭承載能力。

從表1可以看出，這幾種產(chǎn)品均滿足當(dāng)前深水鉆井平臺配套的鉆井系統(tǒng)能力，具有高承載、高耐壓和高承扭的基本特征。

表1 國外典型深水頂部驅(qū)動固井水泥頭主要技術(shù)參數(shù)

注：額定載荷取API SPEC―8C的2.25安全系數(shù)。

2.2 產(chǎn)品特性[6]

上述4種國外主流深水頂部驅(qū)動固井水泥頭作為一種高端深水固井工具，與常規(guī)水泥頭相比，對產(chǎn)品的可靠性、安全性要求較高。在產(chǎn)品特性方面有許多相同之處，但又各具特點(diǎn)，如表2所示。

表2 國外典型深水頂部驅(qū)動固井水泥頭產(chǎn)品特性對比

表2(續(xù))

2.3 現(xiàn)狀分析

1) 在提高固井質(zhì)量方面。產(chǎn)品均可實現(xiàn)不停轉(zhuǎn)工作，且均可上提下放管柱，滿足復(fù)雜井段套管送入和旋轉(zhuǎn)固井工藝，可大幅提高固井質(zhì)量。

2) 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理方面。主要包括旋轉(zhuǎn)注入機(jī)構(gòu)、投膠塞和轉(zhuǎn)動閥機(jī)構(gòu)、膠塞指示機(jī)構(gòu)，都是通過操作控制面板，實現(xiàn)膠塞順序投放。但在本體流道結(jié)構(gòu)方面，主要包括采用中心通道加環(huán)空通道機(jī)構(gòu)和采用雙通流道結(jié)構(gòu)2種型式，前者制造工藝性好，結(jié)構(gòu)緊湊，后者制造要求高，本體尺寸較大。

3) 在安全和時效方面。圍繞減少鉆井時間，節(jié)約作業(yè)成本，深水頂部驅(qū)動固井水泥頭均具有遠(yuǎn)程控制能力，操作者可遠(yuǎn)離防爆1區(qū)操作。遠(yuǎn)程控制箱與水泥頭之間或為無線信號傳輸，或為有線傳輸。在固井結(jié)束后，啟動清洗功能，對工具內(nèi)部進(jìn)行清洗保養(yǎng)。

4) 在產(chǎn)品配套方面。隨著海洋深井、大位移井套管柱的安全、快速下入和固井問題日益凸顯。國外油服公司除依靠深水固井水泥頭以外，還結(jié)合頂驅(qū)套管送入工具、隨鉆擴(kuò)眼器、動力套管鞋等產(chǎn)品組合，通過提供“井身建立—套管作業(yè)—水泥漿注入”一整套解決方案，獲取巨大收益。

3 結(jié)論

1) 結(jié)合我國深水固井作業(yè)實際需求，在充分研究國外先進(jìn)技術(shù)的同時，采用集成創(chuàng)新方式，合理定位產(chǎn)品性能和產(chǎn)品特性，抓緊研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效安全固井作業(yè)保障裝備，打破國外壟斷，實現(xiàn)海洋深井、大位移井固井作業(yè)提效降本、延長井筒壽命的目的，進(jìn)而提升油服公司國際化競爭實力。

2) 從頂部驅(qū)動旋轉(zhuǎn)方式、投放膠塞方式、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，加強(qiáng)便攜式電氣控技術(shù)在控制環(huán)節(jié)應(yīng)用，實現(xiàn)膠塞投放固井管線等無線控制，簡化水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)。在滿足膠塞機(jī)械指示同時，研究燈光、聲音等在固井工具中指示應(yīng)用，提高操作舒適性及安全性[6-8]。

3) 圍繞套管送入及固井自動化、一體化技術(shù)方向發(fā)展，開展專業(yè)間技術(shù)合作，拓展深水固井水泥頭的配套能力，從套管自動送入、固井自動化、固井泥漿體系等方面進(jìn)行綜合研究，不斷提高深水固井質(zhì)量和效率。

[1] Commander 1000 Top-Drive Cementing Head [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.halliburton.com/public/cem/contents/Data_Sheets/web/H/Commander%201000%20Cementing%20Head%20with%20Remote%20Control_H08971.pdf.[2] Internal bypass cement manifold [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.slb.com/～/media/Files/completions/product_sheets/liner_hangers/cmib_topdrive_cement_manifold_ps.pdf.

[3] Big Advantage Remote-Control Top-Drive Cementing Head (BA-RCTDH) [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.weatherford.com/weatherford/groups/web/documents/weatherfordcorp/WFT096961.pdf.

[4] Weatherford Products Help Safely Run and Cement 1.8 Million-lb Casing String in GOM，Saving Operator $2 Million [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.weatherford.com/dn/WWW019308.

[5] Wireless TD Cement Head [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.bakerhughes.com/products-and-services/completions/well-completions/liner-systems-and-wellbore-isolation/surface-cementing-equipment/wireless-td-cement-head- surface.

[6] 惠坤亮，閻永宏，張宏橋，等.遠(yuǎn)程控制頂部驅(qū)動水泥頭技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].石油機(jī)械，2014，42(11)：49-51.

[7] 張金法，馬蘭榮，吳姬昊，等.國內(nèi)外水泥頭現(xiàn)狀與發(fā)展[J].石油礦場機(jī)械，2009，38(10)：24-26.

[8] 張金法，尹慧博，戴文潮.遠(yuǎn)程控制旋轉(zhuǎn)水泥頭技術(shù)現(xiàn)狀與分析[J].石油機(jī)械，2012(5):20-23.

Research on the Present Situation of Deep Water Top-drive Cementing Head

YU Mingwu1，YAN Yonghong2，JING Qiang2，HUI Kunliang2，SUN Bo2

(1.Oilfield Chemical Research Institute，COSL，Sanhe 065201，China；2.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China)

The mechanism and function principle of the latest typical deepwater top-drive cementing head are introduced in this paper.Also，the technical performance and product characteristics are analyzes to compare the advantages and disadvantages of the typical foreign products，which indicates high pressure，high loads and high torque of remote control top-drive cementing head.According to the actual needs of deepwater cementing operations in China，reasonable determined of product performance and product characteristics，from the realization of product features，remote control technology and cementing automation，integrated technology to accelerate the development of deepwater top-drive cementing head.

cementing head；remote control；present situation

1001-3482(2017)04-0012-05

2017-03-01

中國海洋石油總公司科技項目“深水固井關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”(YHB15YF007)

于明武(1978-)，男，高級工程師，主要從事海洋油氣固井工程作業(yè)研究，E-mail：yumw@cosl.com.cn。

TE

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.004