頂驅(qū)下套管技術(shù)在東海的運(yùn)用效果研究

孫乾坤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)上海分公司，上海 200335)

1 概述

深度開(kāi)發(fā)深層氣藏及依托現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施滾動(dòng)擴(kuò)邊是東海海域增儲(chǔ)上產(chǎn)的主流方向之一，對(duì)建設(shè)華東清潔能源基地戰(zhàn)略具有不可替代的作用。東海深層氣藏具有巖性、壓力系統(tǒng)、流體組分、氣水關(guān)系均復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致鉆井作業(yè)周期長(zhǎng)、成本高、鉆井難度大等問(wèn)題日益突出。

為更加深刻認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層特性，在鉆井技術(shù)及鉆井工藝不斷進(jìn)步的穩(wěn)定加持下，同時(shí)滿足油氣勘探開(kāi)發(fā)的需要，各類深井、超深井及大位移井應(yīng)運(yùn)而生。其中，大位移井由于其裸眼延伸段較長(zhǎng)、鉆遇巖性復(fù)雜多樣、壓力窗口小，隨井深及裸眼延伸段的不斷增加，鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩、泵壓及設(shè)備負(fù)荷逐漸增大，容易導(dǎo)致鉆井作業(yè)復(fù)雜情況的發(fā)生，一旦發(fā)生復(fù)雜情況，均會(huì)影響井壁的穩(wěn)定性。井壁失穩(wěn)將會(huì)極大程度影響后續(xù)下套管、固井作業(yè)的順利實(shí)施，常常導(dǎo)致導(dǎo)管無(wú)法下入到位的現(xiàn)象發(fā)生。而海上油氣開(kāi)發(fā)由于其特殊性，主要以大斜度井及水平井為主，為了綜合兼顧地層評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)要求，經(jīng)常會(huì)設(shè)計(jì)多個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行兼顧開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)，造成井眼軌跡愈加復(fù)雜，進(jìn)一步導(dǎo)致下尾管以及尾管固井作業(yè)的難度逐漸加大，使得下套管作業(yè)成為一種既耗時(shí)間又存在極大風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。在鉆完井作業(yè)中，普遍使用的下套管技術(shù)是使用動(dòng)力套管鉗旋轉(zhuǎn)套管完成上扣，該方法不僅效率低、質(zhì)量差，而且參與人員多、風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)高時(shí)效、高日費(fèi)的鉆井船影響十分顯著[1-3]。

傳統(tǒng)的下套管模式在套管下入過(guò)程中，若出現(xiàn)套管遇阻卡的情況，無(wú)法進(jìn)行鉆井液的循環(huán)及上下活動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)管柱，容易出現(xiàn)阻卡而導(dǎo)致套管無(wú)法下入到位的現(xiàn)象，進(jìn)一步增加后續(xù)井段作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，并影響整體的工程質(zhì)量。特別是目前油氣勘探開(kāi)發(fā)中，深井、大位移井、大斜度井及高溫高壓井等高難度井越來(lái)越多，會(huì)面臨如井眼垮塌、沉砂堆積、定向軌跡復(fù)雜、壓差大、井控風(fēng)險(xiǎn)高的情況。傳統(tǒng)的下套管方法越來(lái)越不能滿足這些困難的井下套管作業(yè)的要求，而頂驅(qū)下套管技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝的不足，提高了下套管作業(yè)的成功率。頂驅(qū)下套管技術(shù)作為新技術(shù)，在使用過(guò)程中較傳統(tǒng)下套管方式有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也存在一些缺陷。

目前我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)難度有所提升，常規(guī)下套管技術(shù)越來(lái)越難以滿足高難度井的作業(yè)需求，而頂驅(qū)下套管技術(shù)給鉆完井的下套管作業(yè)帶了更好的技術(shù)支持。這項(xiàng)技術(shù)給作業(yè)井在下套管過(guò)程中處理復(fù)雜情況提供了更加便捷有效的手段，提升了下套管作業(yè)的效率和成功率，提高了鉆井作業(yè)效率。此外，頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下套管設(shè)備減少了鉆臺(tái)上使用的設(shè)備和參與作業(yè)的人員，消除了動(dòng)力鉗和吊卡等其他手動(dòng)工具，大大提高了作業(yè)安全性[4-6]。

2 頂驅(qū)下套管工作原理及裝備介紹

2.1 工作原理

頂驅(qū)下套管系統(tǒng)是安裝在頂驅(qū)系統(tǒng)上的裝置，其集成了機(jī)械和液壓控制系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于松開(kāi)或夾緊套管。在頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)和提升載荷的作用下，系統(tǒng)完成套管的上扣、卸扣、提升、下降、旋轉(zhuǎn)等操作[7-8]。由于該系統(tǒng)本身具有自密封機(jī)構(gòu)，自密封機(jī)構(gòu)可與夾緊的套管實(shí)現(xiàn)內(nèi)部密封。

與傳統(tǒng)下鉆方式類似，該裝置的上端與頂驅(qū)主軸相連，通過(guò)頂驅(qū)可以精確控制下套管過(guò)程中的上扣扭矩；通過(guò)液壓站的液壓源，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下油室充油并升至額定壓力；頂驅(qū)油缸上下移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)服務(wù)或打開(kāi)，然后松開(kāi)或夾緊套管，傳遞旋轉(zhuǎn)和提升載荷。該裝置采用自密封皮碗密封套管，可在下套管作業(yè)過(guò)程中循環(huán)，減少或避免復(fù)雜情況的發(fā)生，降低海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率。

2.2 裝備介紹

頂驅(qū)下套管系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、頂部驅(qū)動(dòng)工具、液壓動(dòng)力系統(tǒng)等一系列系統(tǒng)、設(shè)備構(gòu)成，具備高度機(jī)械化與智能化，可滿足直徑在114～508 mm 的套管快速下入作業(yè)。

3 頂驅(qū)下套管的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

頂驅(qū)下套管技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可快速對(duì)套管串進(jìn)行灌漿，且灌漿方便、循環(huán)建立快。頂驅(qū)裝置密封套管與頂驅(qū)之間的連接，確保鉆井液在任何時(shí)候都能快速循環(huán)，以清除井筒中的砂子，確保井筒清潔，確保下套管作業(yè)的安全、順利和高效。該功能在深井、超深井和大位移井的下套管作業(yè)中尤為適用，極大程度降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)成功率[9]。

(2)可快速處理復(fù)雜情況。下套管過(guò)程中遇到復(fù)雜情況，反應(yīng)時(shí)間越短越容易處理。該頂驅(qū)系統(tǒng)可在下套管過(guò)程中起、下、旋轉(zhuǎn)甚至下壓套管柱，有效避免了套管阻掛、壓差卡鉆等復(fù)雜井下情況。頂驅(qū)下套管技術(shù)還具有使套管居中、消除扶臺(tái)使用的優(yōu)勢(shì)，有效降低了人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)微型抓卡技術(shù)是頂驅(qū)下套管技術(shù)的作業(yè)亮點(diǎn)之一，可減少套管損壞。頂部驅(qū)動(dòng)下套管裝置上的滑動(dòng)面積較大，這增加了滑動(dòng)件與套管之間的接觸面積，受力面積更大，受力更均勻，對(duì)套管的損傷更小，甚至可以忽略不計(jì)。與傳統(tǒng)套管鉗相比，頂驅(qū)下套管裝置的使用減少了上扣過(guò)程中對(duì)套管的損壞，提高了套管的耐化學(xué)腐蝕能力，延長(zhǎng)了套管的使用壽命，節(jié)省了作業(yè)費(fèi)用。

4 頂驅(qū)下套管作業(yè)流程

步驟一：使用可延伸吊環(huán)和單根吊卡將套管從斜坡上吊起，將單根套管放置在井口，降低頂部驅(qū)動(dòng)裝置，放置好套管卡瓦，防止套管滑動(dòng)，安放單根吊卡；

步驟二：重復(fù)步驟一，使吊起的第2 套管與放置在井口的套管對(duì)正，下放頂驅(qū)，被提起套管的公扣進(jìn)入井口套管的母扣；

步驟三：擺動(dòng)擺臂使套管對(duì)正，繼續(xù)下放頂驅(qū)，使扭矩爪進(jìn)入套管，利用控制系統(tǒng)激活扭矩爪抓住套管壁，利用頂驅(qū)上扣；

步驟四：重復(fù)以上步驟進(jìn)行套管下入和上扣。

5 頂驅(qū)下套管注意事項(xiàng)

(1)安裝頂驅(qū)下套管設(shè)備至頂驅(qū)時(shí)，人員配合要溝通到位，專人指揮，無(wú)關(guān)人員遠(yuǎn)離運(yùn)行路線。

(2)接電布線，將液壓控制管線與下套管的液壓控制面板連接，最后通電，測(cè)試液壓動(dòng)力站的電機(jī)是否工作正常。

(3)測(cè)試工具功能，以確保每個(gè)部件均能正常工作，無(wú)泄漏，檢查壓力并將其設(shè)置為正常工作值。

(4)設(shè)置頂部驅(qū)動(dòng)的扭矩和速度，若不能滿足相應(yīng)的螺紋參數(shù)，過(guò)大的扭矩會(huì)導(dǎo)致螺紋卡住、變形和過(guò)熱。

(5)下放單根吊卡扣在套管上，安裝好安全銷后再上提套管。在對(duì)扣時(shí)，若司鉆下放過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致公扣端直接壓在母扣接箍上，造成套管絲扣損壞。另外，將公扣推入母扣中易導(dǎo)致公扣和母扣掛扣，若發(fā)生公母扣掛扣，不能使用單根吊卡直接上提，易造成單根吊卡連接處拉斷，造成設(shè)備損壞，影響作業(yè)進(jìn)度甚至造成其他事故。

(6)將扭矩爪插入套管至防撞環(huán)以下，啟動(dòng)扭矩爪撐住套管并以預(yù)定的轉(zhuǎn)速上扣，確保井架盡可能居中。在扭矩爪進(jìn)入套管后施加扭矩前，確保工具到位并撐住套管，并監(jiān)控上扣扭矩是否滿足要求。

(7)卡瓦卡住套管單根，并確認(rèn)井口卡瓦坐穩(wěn)后，通過(guò)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)液壓油壓力，改變扭矩爪的狀態(tài)嘗試提出扭矩爪釋放套管，并檢查扭矩爪卡瓦狀態(tài)。

(8)拆卸頂驅(qū)下套管設(shè)備時(shí)，卡瓦卡最后一根套管時(shí)應(yīng)盡可能放低，扭矩爪松開(kāi)，安裝托盤插入，擺臂打開(kāi)。收回工具時(shí)，注意移動(dòng)件和手的位置，以防擠壓。

6 頂驅(qū)下套管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

Tesco 公司已經(jīng)利用頂驅(qū)下套管裝置完成了1 152 井次的套管鉆井作業(yè)施工，其中定向井110 口、水平井25 口、海洋鉆井66 口。頂驅(qū)下套管技術(shù)在中石油、中石化、中海油均已有過(guò)應(yīng)用案例，總井?dāng)?shù)也已超過(guò)百口[10]。東海油氣田在鉆井作業(yè)中不斷求新改進(jìn)，借鑒國(guó)內(nèi)外頂驅(qū)下套管技術(shù)的成功案例，在近期鉆井作業(yè)中成功應(yīng)用，該設(shè)備使用便捷，下套管提效明顯，處理復(fù)雜情況快速有效。

6.1 東海平湖油氣田

某D1 井，一開(kāi)17-1/2″井眼2 505 m，最大井斜72°，穩(wěn)斜段930 m，穩(wěn)斜穩(wěn)方位鉆進(jìn)至中完，泥漿體系為海水開(kāi)路鉆進(jìn)。套管尺寸及扣型為直徑339.7 mm、61PPF N80 BHC 扣。

使用頂驅(qū)下套管技術(shù)后，2 505 m 的13-3/8″套管安全下至井底，用時(shí)12 h，平均每小時(shí)下入19～20 根套管，最快效率為一個(gè)小時(shí)下入24 根套管。該設(shè)備在使用中充分體現(xiàn)了快速開(kāi)泵建立循環(huán)的優(yōu)勢(shì)，在大井斜段遇阻的情況下，快速開(kāi)泵循環(huán)解決了套管串遇阻卡的問(wèn)題，順利將套管下至設(shè)計(jì)深度。

6.2 東海西湖油氣田

某D2/3/4 井，一開(kāi)17-1/2″井眼均在2 500 m，最大井斜22°～32°，穩(wěn)斜穩(wěn)方位鉆進(jìn)至中完，泥漿體系為海水開(kāi)路鉆進(jìn)。套管尺寸及扣型為直徑339.7 mm、61PPF N80 BHC 扣。

使用頂驅(qū)下套管技術(shù)后，三口井2 500 m 的339.7 mm 套管全部順利下至井底，用時(shí)11～12 h，平均每小時(shí)下入19～21 根套管，最快效率為1 h 下入24 根套管。該設(shè)備在使用中的作業(yè)效率較傳統(tǒng)下套管有15%～20%的提升。

7 結(jié)論

(1)頂驅(qū)下套管技術(shù)要求頂驅(qū)和井口之間高度居中，使用過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)井口與頂驅(qū)居中度稍有偏差，扭矩爪入扣則較為困難，會(huì)降低下套管作業(yè)效率。液控?cái)[臂無(wú)法精準(zhǔn)控制擺動(dòng)幅度，在對(duì)扣時(shí)操作精細(xì)度無(wú)法把控，需多次嘗試對(duì)扣插入，影響作業(yè)效率。

(2)頂驅(qū)下套管技術(shù)對(duì)套管外壁的平整度要求很高，一旦出現(xiàn)單根吊卡沿著套管下行過(guò)程中遇到套管外壁有木屑粘附或其他突出物時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致擺臂壓彎，需重新更換擺臂。

(3)頂驅(qū)下套管裝置的密封皮碗為橡膠材質(zhì)，密封膠皮在液壓錨頭頻繁插入使用的過(guò)程中會(huì)造成磨損，導(dǎo)致密封失效。破損的密封皮碗膠皮易脫落，掉入套管內(nèi)會(huì)堵塞套管內(nèi)流道，不僅容易導(dǎo)致灌漿量減少，使得套管下入困難，還會(huì)附著在井壁，給固井作業(yè)帶來(lái)困難。

(4)頂驅(qū)下套管技術(shù)完全依靠頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)功能來(lái)進(jìn)行套管上、下扣。當(dāng)頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)功能失效時(shí)，設(shè)備將失去上扣動(dòng)力，喪失作業(yè)能力。

(5)使用前，作業(yè)人員需提前檢查井口居中情況，通過(guò)調(diào)整井架等手段對(duì)正井口。改進(jìn)擺臂的擺動(dòng)幅度，精細(xì)控制擺動(dòng)距離以精準(zhǔn)對(duì)扣；改進(jìn)擺臂材料，提高其機(jī)械強(qiáng)度；改進(jìn)密封皮碗材質(zhì)，增加耐磨損度。下套管作業(yè)前對(duì)頂驅(qū)功能需進(jìn)行全面檢查，保證作業(yè)期間旋轉(zhuǎn)正常，并且備用常規(guī)下套管工具。