循環(huán)推送下套管系統(tǒng)的研制

趙傳偉 孫家祥 蘭恭濤 吳仲華 陳勇 周志剛 劉晗

關(guān)鍵詞：大位移井；下套管；鉆井液循環(huán)；套管推送；完井

0 引言

隨著石油鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，大位移井、分支井以及叢式井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井越來越多［1-2］，如何將套管安全下到預(yù)定位置是這類井完井面臨的技術(shù)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(tǒng)，全球每年利用該系統(tǒng)下入套管井數(shù)超過1 000 口，已進入商業(yè)化階段［6］；加拿大Volant 公司研發(fā)的CRTi 和CRTe 全機械式頂驅(qū)下套管系統(tǒng)也在北美、南美、歐洲、中東及澳大利亞等地區(qū)得到應(yīng)用［7］；美國Canrig 與First Subsea 公司聯(lián)合開發(fā)出了SureGrip 頂驅(qū)下套管裝置，已在250多個大型項目中得到成功應(yīng)用，大幅度提高了下套管效率。目前，國內(nèi)總體上仍處于下套管裝置研發(fā)和試驗階段。其中，北京石油機械廠研制的頂驅(qū)下套管裝置已進入現(xiàn)場試驗階段，但尚未完全工業(yè)化應(yīng)用［8-9］。中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院結(jié)合國內(nèi)頂驅(qū)鉆機的特點，針對?139.7mm 套管研發(fā)出了循環(huán)推送下套管系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要套管鉗和灌漿設(shè)備就能實現(xiàn)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(huán)，使套管柱產(chǎn)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(zhuǎn)整個套管柱。套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置和套管推送下入裝置是該系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，直接影響該系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。采用數(shù)值模擬方法對套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置的卡瓦承載能力進行了分析。通過室內(nèi)試驗測試了套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置的鎖緊釋放機構(gòu)、抓取機構(gòu)和循環(huán)密封機構(gòu)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(xiàn)場試驗進一步驗證該系統(tǒng)工作可靠性及提高套管下入能力的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

循環(huán)推送下套管系統(tǒng)見圖1。無線扭矩儀與頂驅(qū)連接，用于監(jiān)測套管上扣扭矩。調(diào)心短節(jié)與無線扭矩儀連接，解決井口與頂驅(qū)軸線不一致的情況下，套管對扣困難問題。套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置具有自動連接套管、下套管過程中建立鉆井液循環(huán)及旋轉(zhuǎn)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(huán)時，該裝置可產(chǎn)生軸向振蕩力，使下端套管柱處于振動狀態(tài)，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(zhuǎn)，切削井壁，清除砂橋、臺階等。固井作業(yè)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(huán)空，水泥漿的流動使該裝置產(chǎn)生振動，有利于提高固井質(zhì)量。

2 關(guān)鍵裝置研制

2.1 套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置

2.1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

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

套管抓取機構(gòu)通過卡瓦承受套管軸向重力，并將軸向重力轉(zhuǎn)化成徑向夾持力，傳遞頂驅(qū)扭矩。卡瓦與卡瓦座嵌入式裝配，卡瓦座與卡瓦滑塊設(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)套管抓取。鎖緊釋放機構(gòu)具有保證套管抓取機構(gòu)可靠和釋放套管的功能。該機構(gòu)采用機械驅(qū)動方式將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為軸向移動，頂驅(qū)與上部調(diào)整接頭連接，通過頂驅(qū)正向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動調(diào)整接頭下端的螺旋凸起來推動套管抓取機構(gòu)下行鎖緊；通過頂驅(qū)反向旋轉(zhuǎn)，能夠解除套管抓取機構(gòu)的鎖緊，進而釋放套管。循環(huán)密封結(jié)構(gòu)為下套管過程中開泵循環(huán)鉆井液提供密封。采用帶金屬骨架的橡膠碗密封結(jié)構(gòu)［10］，橡膠碗外徑略大于套管內(nèi)徑，插入套管后具有液壓助封的功能。套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置適用于?139.7 mm 套管，芯軸內(nèi)徑50 mm。

該裝置采用機械機構(gòu)抓取套管接箍，無需外接液壓或電驅(qū)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(huán)旋轉(zhuǎn)套管裝置并使橡膠碗和導(dǎo)向頭插入吊起的套管內(nèi)；通過卡瓦座內(nèi)側(cè)下端的斜面撐開5 個卡瓦座及卡瓦，繼續(xù)下放該裝置至接箍接觸卡瓦座內(nèi)側(cè)上端的斜面，在重力作用下5 個卡瓦抱住套管接箍。

（2） 頂驅(qū)正轉(zhuǎn)調(diào)整接頭，使其向下頂住卡瓦座上推環(huán)，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(zhuǎn)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(qū)反轉(zhuǎn)上調(diào)整接頭，緩慢下放該裝置，手動轉(zhuǎn)動下鎖緊帽，聯(lián)動下彈性爪接頭和內(nèi)彈簧套，上頂下推環(huán)，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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(shù)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(yīng)力小于材料屈服強度2 037 MPa，滿足現(xiàn)場使用要求。卡瓦夾緊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(nèi)的特殊流道交替產(chǎn)生的周期性壓力脈沖作用在活塞和碟簧組上，進而產(chǎn)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(jié)時渦輪組旋轉(zhuǎn)，帶動動力引鞋旋轉(zhuǎn)（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(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)時還會產(chǎn)生徑向振動。旁通短節(jié)內(nèi)設(shè)置有爆破閥，若振蕩短節(jié)或動力短節(jié)堵塞，憋壓到一定壓力時爆破閥打開，液體從旁通短節(jié)直接進入井眼內(nèi)，重新建立循環(huán)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(nèi)試驗

3.1 套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置試驗

為了測試套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置的鎖緊釋放機構(gòu)、抓取機構(gòu)和循環(huán)密封機構(gòu)動作的可靠性、裝置的承載能力及密封能力，在模擬井筒內(nèi)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(shè)備及儀器包括鉆井多功能試驗機及其控制系統(tǒng)、泥漿泵、套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)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(nèi)孔設(shè)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(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器和角度傳感器等。套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)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(huán)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(jīng)過供液管線及高壓水龍帶輸送至沖管中，再經(jīng)過套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置后進入套管，套管下端為循環(huán)閥。沖管在液壓缸控制下可實現(xiàn)套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)直至扭矩達到30 kN · m，加載過程中觀察套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置是否相對于套管發(fā)生軸向和周向滑動，最后，關(guān)閉循環(huán)閥，開泵測試該裝置的密封性能。

5 次套管抓取試驗結(jié)果表明，套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)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(huán)旋轉(zhuǎn)裝置相對于套管未發(fā)生軸向和周向滑動。密封性能測試結(jié)果表明，泵壓35 MPa 時穩(wěn)壓10 min，未發(fā)生泄露。這說明該套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置可承受軸向載荷2 400 kN、扭矩30 kN · m，密封機構(gòu)可耐壓35 MPa。

3.2 套管推送下入裝置試驗

試驗?zāi)康氖菧y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(shè)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(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C，并由相應(yīng)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(jīng)測試，當排量大于10 L/s 時，動力引鞋開始旋轉(zhuǎn)。不同排量對應(yīng)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(xiàn)場試驗

2022 年6 月在福山油田Z16X 井進行了循環(huán)推送下套管系統(tǒng)應(yīng)用。Z16X 是一口預(yù)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(shù)套管下深2 200 m， ?139.7mm 油層套管下深3 628 m。該井井身結(jié)構(gòu)為5 段制：直井段、增斜段、穩(wěn)斜段（井斜50.25°）、降斜段、穩(wěn)斜段（井斜30.6°），目的層有垮塌風(fēng)險，因此，決定使用無線扭矩儀、調(diào)節(jié)短接、套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置以及套管推送下入裝置實現(xiàn)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(huán)，排量升至22 L/s，持續(xù)8 min，鉆井液密度1.49 g/cm3，最大循環(huán)壓力7.9MPa，順利通過了遇阻點，開泵循環(huán)期間套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)下入裝置與套管間密封良好，未發(fā)生泄露。

5 結(jié)論與建議

（1） 套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)套管自動連接，能夠在下套管過程中建立鉆井液循環(huán)及旋轉(zhuǎn)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(huán)壓力35 MPa。

（2） 套管推送下入裝置可產(chǎn)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(zhuǎn)循環(huán)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(xiàn)場試驗，驗證利用該套管循環(huán)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)整個套管柱來降低摩阻的可靠性。