頂部驅(qū)動(dòng)液壓尾管懸掛器研制與現(xiàn)場試驗(yàn)

張 瑞

中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

近年來，深層、超深層油氣資源正成為勘探開發(fā)的主陣地，并相繼在新疆、四川等地區(qū)陸續(xù)取得突破[1- 2]。隨著井深的不斷增加，井溫超過200 ℃，鉆井液密度超過2.0 g/cm3的情況日益增多，尾管懸掛器作為深層鉆井完井關(guān)鍵工具面臨新的挑戰(zhàn)[3- 7]。特別是，高溫高壓環(huán)境極易造成尾管懸掛器液壓機(jī)構(gòu)密封失效，從而導(dǎo)致坐掛或固井失敗等故障。另外，生產(chǎn)套管懸掛回接工藝，作為一種新型的全通徑完井方式，正在大牛地氣田和長慶油田等致密低滲油氣藏開發(fā)中應(yīng)用[8- 10]，但隨著改造規(guī)模和施工壓力的不斷增加(60～90 MPa)，對尾管懸掛固井工具的整體密封性能也提出了更高的要求。

傳統(tǒng)液壓尾管懸掛器的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(液缸)多設(shè)置在尾管懸掛器本體外部，本體上設(shè)計(jì)傳壓孔，通過管內(nèi)憋壓，液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)卡瓦上行并漲開實(shí)現(xiàn)坐掛，并隨尾管懸掛器長期留在井內(nèi)[11- 14]。由于環(huán)空間隙和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，導(dǎo)致尾管懸掛器的耐壓能力受限(<70 MPa)；同時(shí)，液壓機(jī)構(gòu)的橡膠密封件在高溫高壓等環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)老化，使其成為尾管懸掛器耐溫耐壓能力提升的瓶頸。Weatherford、Drillquip等國外公司通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和升級，相繼研制了無液缸全密封型尾管懸掛器單元[15]，通過將液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至送入工具上，并在固井后隨送入工具回收，徹底消除了尾管懸掛器潛在的泄露風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和耐壓薄弱點(diǎn)。

本文開展了頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)的?244.5 mm×?177.8 mm工具在四川和陜西地區(qū)的4口井現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用，為尾管懸掛器的耐溫耐壓能力提升提供了一個(gè)新的方案。

1 技術(shù)原理

1.1 構(gòu)成及原理

頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器主要由回接筒、懸掛機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、塞帽和機(jī)械丟手機(jī)構(gòu)等部件組成，如圖1所示。其中，液壓活塞連接塞帽，塞帽在組裝后位于回接筒上端；機(jī)械丟手機(jī)構(gòu)與懸掛機(jī)構(gòu)螺紋連接，并承受管串載荷。與傳統(tǒng)液壓尾管懸掛器不同的是液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于可回收送入工具之中。

圖1 整體式尾管懸掛器結(jié)構(gòu)組成示意圖

頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器工作原理為當(dāng)尾管下入到設(shè)計(jì)深度后，投球憋壓至8～10 MPa，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)下行，帶動(dòng)塞帽下壓回接筒及懸掛機(jī)構(gòu)外部零件，從尾管懸掛器頂部自上而下的漲開卡瓦，實(shí)現(xiàn)尾管懸掛器坐掛；然后，正轉(zhuǎn)送入工具，實(shí)現(xiàn)其與懸掛機(jī)構(gòu)的丟手，并在固井結(jié)束后起出并回收送入工具。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

常規(guī)的液缸尾管懸掛器通常將液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(液缸)設(shè)計(jì)在尾管懸掛器本體外部，如圖2a所示，本體設(shè)置傳壓孔，通過管內(nèi)憋壓驅(qū)動(dòng)卡瓦沿錐套上行，自下而上地實(shí)現(xiàn)尾管懸掛器的坐掛，液缸將長期留在井內(nèi)。由于尾管環(huán)空需要有足夠的過流面積，導(dǎo)致液缸的耐壓能力受限，遠(yuǎn)小于尾管的抗內(nèi)壓能力，如?244.5 mm×?177.8 mm常規(guī)液壓尾管懸掛器液缸抗內(nèi)壓強(qiáng)度僅為57.4 MPa，壁厚為10.36 mm、鋼級P110的?177.8 mm套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度為77.2 MPa，兩者相差19.8 MPa。同時(shí)，液壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有橡膠密封件，其在高溫高壓等環(huán)境下易出現(xiàn)老化，密封性能受到影響，長期留于井內(nèi)將存在泄露風(fēng)險(xiǎn)，從而影響井筒的長期密封可靠性。

頂部驅(qū)動(dòng)的尾管懸掛器將液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至送入工具上，通過下壓錐套，從尾管頂部自上而下漲開卡瓦實(shí)現(xiàn)尾管懸掛器坐掛，固井結(jié)束后，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨送入工具回收，留在井下的尾管懸掛器部件上不帶傳壓孔和密封件，如圖2b所示。頂部驅(qū)動(dòng)的尾管懸掛器后期僅本體承受管內(nèi)壓力，其抗內(nèi)壓能力可達(dá)到同規(guī)格套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，從而大幅提高尾管懸掛器的耐壓能力，不僅滿足壓裂作業(yè)等高壓施工需求，還提高了井筒長期密封的可靠性。

圖2 尾管懸掛器坐掛方式對比圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

?244.5 mm×?177.8 mm頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器工具最大外徑為215 mm，上層套管壁厚適用于10.03～11.99 mm，?177.8 mm尾管壁厚適用于10.36～12.65 mm，尾管懸掛器本體最小內(nèi)徑最大值可達(dá)157.1 mm。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)壓力與常規(guī)尾管懸掛器一致，為8～10 MPa；在其憋壓10 MPa時(shí)，可產(chǎn)生的液壓驅(qū)動(dòng)力為30～50 kN；坐掛后承載能力可達(dá)1 800 kN，抗內(nèi)壓強(qiáng)度可達(dá)80.3 MPa，整體密封能力為70 MPa，均高于常規(guī)液壓尾管懸掛器。主要性能參數(shù)見表1。

表1 ?244.5mm×?177.8(139.7)mm頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器主要性能參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 懸掛機(jī)構(gòu)

液壓尾管懸掛器實(shí)現(xiàn)坐掛，首先是通過液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的液壓力F驅(qū)動(dòng)卡瓦與錐套發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，從而促使卡瓦沿徑向漲開，在卡瓦與上層套管接觸后實(shí)現(xiàn)初始坐掛,然后，從井口釋放懸重，此時(shí)尾管重量F0通過本體傳遞到錐套上，繼續(xù)產(chǎn)生沿錐套斜面方向的楔緊力F＇，最終實(shí)現(xiàn)尾管的可靠懸掛。常規(guī)懸掛機(jī)構(gòu)的錐套相對本體是固定不動(dòng)的，一般采用螺紋或端面限位實(shí)現(xiàn)本體和錐套間的載荷傳遞；頂部驅(qū)動(dòng)的尾管懸掛器的懸掛機(jī)構(gòu)首先在液壓力F的作用下，錐套相對與本體下行，從而使卡瓦漲開實(shí)現(xiàn)初始坐掛，然后，尾管重量F0再通過本體傳遞至錐套繼續(xù)產(chǎn)生楔緊力F＇，最終實(shí)現(xiàn)尾管的可靠懸掛，如圖3所示。因此，保證本體與錐套間既能夠發(fā)生初始坐掛所需的相對運(yùn)動(dòng)，又能夠傳遞尾管載荷是頂部驅(qū)動(dòng)的尾管懸掛器懸掛機(jī)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵。

圖3 頂部驅(qū)動(dòng)尾管懸掛機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 高承載卡簧

頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器采用C型鋸齒卡簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)本體與錐套間的連接，見圖4a。該卡簧內(nèi)表面采用直角鋸齒螺紋，與本體外表面的同規(guī)格螺紋配合，實(shí)現(xiàn)卡簧和錐套相對于本體的單向移動(dòng)；卡簧外表面設(shè)計(jì)兩組臺階斜面，與錐套內(nèi)部卡簧槽的兩組斜面配合實(shí)現(xiàn)鎖定。工作原理為在液壓驅(qū)動(dòng)力F的作用下，錐套推動(dòng)卡簧，卡簧在鋸齒螺紋斜面的作用下沿徑向漲開，從而相對本體下行，最終驅(qū)動(dòng)卡瓦漲開實(shí)現(xiàn)初始坐掛；然后，當(dāng)尾管懸重F0作用在本體上時(shí)，本體螺紋與卡簧直角面接觸，并與卡簧槽斜面接觸后實(shí)現(xiàn)鎖定，從而繼續(xù)帶動(dòng)錐套下行完成尾管懸掛器的完全坐掛，如圖4b所示。因此，該鋸齒卡簧的鎖定力成為決定尾管懸掛器承載能力的關(guān)鍵。

圖4 C型鋸齒卡簧和工作原理圖

2.3 卡簧鎖定力分析

結(jié)合鋸齒卡簧的結(jié)構(gòu)原理可以看出，其鎖定力與卡簧材料的強(qiáng)度σ、寬度l、鋸齒螺紋仰角α、螺距S和卡簧厚度δ等參數(shù)相關(guān)。由于卡簧相對本體運(yùn)動(dòng)時(shí)需要徑向漲開，而增加卡簧厚度、螺距、仰角均會(huì)使卡簧運(yùn)動(dòng)阻力增加。為了既保證有足夠的鎖定力，又能夠盡量降低運(yùn)動(dòng)阻力，卡簧材料選用低合金鋼，其屈服強(qiáng)度達(dá)到758 MPa，既保證了足夠的強(qiáng)度，又具有較好的彈韌性。同時(shí)，通過有限元分析，優(yōu)化得到了卡簧的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)卡簧長l為35 mm、厚度δ為2.5 mm、鋸齒螺紋螺距S為2 mm、仰角α為30°時(shí)，并對錐套施加1 800 kN軸向鎖定載荷，卡簧的應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5可以看出，卡簧的最大應(yīng)力位于鋸齒螺紋處，僅為412 MPa，小于卡簧材料的屈服強(qiáng)度。而該參數(shù)的鋸齒卡簧的運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)力僅為320 N，遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所能提供的50 000 N驅(qū)動(dòng)力。

3 地面性能測試

3.1 坐掛與承載能力測試

3.1.1 坐掛行為測試

將整體組裝好的尾管懸掛器水平放置，并在懸掛機(jī)構(gòu)位置套上內(nèi)徑為220.5 mm的機(jī)加工套管；尾管懸掛器送入工具兩端連接封頭，憋壓至9.5 MPa，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)并實(shí)現(xiàn)了尾管懸掛器初始坐掛；繼續(xù)憋壓至12 MPa，穩(wěn)壓2 min后泄壓，正轉(zhuǎn)送入工具30圈，與懸掛機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械丟手，并取出送入工具和液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件。

3.1.2 承載能力測試

將剩余部件水平放置于350 t拉壓試驗(yàn)機(jī)上，固定外層套管，對本體施加拉伸載荷，模擬尾管懸掛器實(shí)際坐掛狀態(tài)，驗(yàn)證頂部驅(qū)動(dòng)整體式尾管懸掛器的承載能力。

如圖6所示，當(dāng)對本體分別加載100 kN、300 kN、 5 00 kN、7 00 kN、1 000 kN、1 200 kN、1 500 kN、1 800 kN載荷時(shí)，懸掛機(jī)構(gòu)坐掛穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的滑移現(xiàn)象，說明新型的尾管懸掛器坐掛與承載性能良好，承載能力高達(dá)1 800 kN。

圖6 頂部驅(qū)動(dòng)液壓尾管懸掛器承載能力測試曲線圖

3.2 坐掛可靠性測試

為驗(yàn)證新型坐掛方式的可靠性，首先對不同內(nèi)徑的套管進(jìn)行坐掛性能驗(yàn)證測試。選取了3種內(nèi)徑的P110鋼級?244.5 mm套管進(jìn)行了坐掛性能驗(yàn)證測試，如表2所示，在內(nèi)徑分別為220.5 mm、222.4 mm和224 mm的套管內(nèi)均成功實(shí)現(xiàn)坐掛，并在載荷為900 kN時(shí)，未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，說明該坐掛方式具有良好的套管壁厚適用性。其中，1號、2號套管為自制套管，機(jī)加工，內(nèi)表面粗糙度12.5；3號套管為在戶外暴露了1年；4號為在戶外暴露了1年后并經(jīng)過酸洗，去除腐蝕產(chǎn)物后套管內(nèi)壁凹凸不平；5號、6號套管分別在清水內(nèi)浸泡腐蝕60 d和180 d，模擬套管在井筒環(huán)境內(nèi)長時(shí)間腐蝕后的狀態(tài)。試驗(yàn)表明，頂部驅(qū)動(dòng)坐掛方式的液壓尾管懸掛器具有良好的壁厚適應(yīng)性，適應(yīng)各種環(huán)境下的套管，套管內(nèi)表面腐蝕狀態(tài)對坐掛性能影響較小。

表2 頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器在不同?244.5 mm套管內(nèi)坐掛情況表

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

?244.5 mm×?177.8 mm頂部驅(qū)動(dòng)液壓尾管懸掛器分別在四川地區(qū)的XP22- 2HF、DF9和陜西地區(qū)YB047-H03、YB007-H03等4口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)井基本條件見表3，最大應(yīng)用井深達(dá)到3 500 m；尾管最長1 546 m；工具下深2 410 m。4口井均實(shí)現(xiàn)了尾管懸掛器的坐掛，并成功實(shí)現(xiàn)了送入工具和液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的回收，該尾管懸掛器具有良好的現(xiàn)場應(yīng)用性能。

表3 頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器現(xiàn)場應(yīng)用情況

其中，YB047-H03井是部署在陜西省延安市寶塔區(qū)蟠龍鎮(zhèn)的一口開發(fā)井，三開中完井深3 376 m，尾管懸掛器坐掛位置為2 325 m，鉆井液密度1.38 g/cm3，?244.5 mm套管壁厚11.99 mm，內(nèi)徑220.5 mm，?177.8 mm尾管長度為1 056 m，送入鉆具為壁厚9.19 mm的?127 mm鉆桿。當(dāng)尾管送入到位后，頂通壓力2 MPa，逐漸提排量至1.2 m3/min，壓力4.6 MPa，累計(jì)循環(huán)約2 h后，井下正常，上提下放判斷尾管懸掛器未發(fā)生提前坐掛故障。隨后投入?45 mm憋壓球，憋壓至11 MPa，穩(wěn)壓2 min后，下放鉆具，緩慢釋放懸重，懸重由995.98 kN下降至554.69 kN，如圖7所示，累計(jì)下降約440 kN，此時(shí)大鉤高度由5.4 m下降至4.07 m，累計(jì)下降了1.33 m，與2 325 m鉆具的理論回縮距1.32 m基本一致，證明該尾管懸掛器坐掛成功。隨后，重新將懸重調(diào)整至819.2 kN，再此緩慢釋放懸重至555.8 kN，此時(shí)大鉤高度下降了0.77 m，與鉆具的理論回縮距0.78 m基本一致，再此驗(yàn)證尾管懸掛器坐掛成功。憋壓至15 MPa，憋通球座重新建立循環(huán)后，正轉(zhuǎn)鉆具30圈，上提0.5 m，懸重保持840 kN不變，下放懸重保持820 kN不變，判斷丟手成功，送入工具和液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)成功回收，順利完成本次懸掛套管固井作業(yè)。

圖7 YB047-H03尾管懸掛器坐掛施工曲線圖

5 結(jié)論與建議

(1)頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器將液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至送入工具上，通過驅(qū)動(dòng)回接筒和錐套下行的方式自上而下實(shí)現(xiàn)尾管懸掛器的坐掛；在固井結(jié)束后，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨送入工具回收，留在井下的尾管懸掛器部件無密封薄弱點(diǎn)，大幅提高尾管懸掛器的耐壓和長期密封性能。

(2)研制的?244.5 mm×?177.8 mm頂部驅(qū)動(dòng)的液壓尾管懸掛器承載能力達(dá)到1 800 kN，整體密封能力達(dá)70 MPa，適用的上層套管壁厚為10.03～11.99 mm，且套管內(nèi)表面腐蝕狀態(tài)對其坐掛性能影響較小。

(3)前期現(xiàn)場試驗(yàn)顯示工具下深在2 410 m、井溫90℃的環(huán)境能適應(yīng)，建議繼續(xù)進(jìn)行整體耐壓性能提升和高比重鉆井液環(huán)境下的可靠性等技術(shù)研究，并在超深井和高溫高壓井開展現(xiàn)場試驗(yàn)。