旋轉(zhuǎn)引鞋套管下放工具研制與試驗(yàn)

針對(duì)深井超深井以及水平井等高難度井井筒內(nèi)普遍存在砂橋、巖屑床等導(dǎo)致的套管難以下放到位的問(wèn)題，研制了一款以渦輪為動(dòng)力元件的旋轉(zhuǎn)引鞋套管下放工具。通過(guò)建立渦輪定、轉(zhuǎn)子的三維模型，利用ANSYS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行流道抽取、仿真分析和水力性能預(yù)測(cè)，并搭建了10級(jí)渦輪試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行水力性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相符；渦輪最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間為600～1 000 r/min，扭矩120～180 N·m，壓降穩(wěn)定在1.6 MPa左右；在工作轉(zhuǎn)速100～200 r/min時(shí)，渦輪扭矩為245～290 N·m，滿足250 N·m的最大扭矩需求。但因單級(jí)渦輪設(shè)計(jì)扭矩大、葉片彎折角度大，導(dǎo)致流體在流經(jīng)渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)出現(xiàn)了明顯的脫流現(xiàn)象并形成了負(fù)壓區(qū)，后續(xù)將對(duì)渦輪葉片造型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。所得結(jié)論可為旋轉(zhuǎn)引鞋套管下放工具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)支持。

旋轉(zhuǎn)引鞋；套管下放工具；渦輪；偏心導(dǎo)向頭；渦輪性能試驗(yàn)

TE925

A

DOI： 10.12473/CPM.202401052

Development and Test of Rotary Guide Shoe Casing Running Tool

Guo Zhaohui1" Li Zhen1" Yao Huiqian1" Liu Wei1" Guan Feng2" Liu Xianming2

（1.Shelfoil Petroleum Equipment amp; Services Co.，Ltd.；2.School of Mechanical Engineering，Yangtze University）

Sand bridge and cuttings bed usually exist in the wellbore of deep，ultra-deep and horizontal wells，resulting in difficult to run the casing to the designated position.To solve this problem，a rotary guide shoe casing running tool taking turbine as power element was developed.A 3D model for stator and rotor of the turbine was built，and the ANSYS simulation software was used to conduct flow channel extraction，simulation analysis and hydraulic performance prediction.Moreover，a 10-stage turbine test bench was built to conduct hydraulic performance test.The test results show that the test data are consistent with the simulation data.The range of the optimum rotation speed of the turbine is 600-1 000 r/min，in such a case，the turbine torque is 120-180 N·m，and the pressure drop is stabilized at about 1.6 MPa.When the rotation speed range of the turbine is 100-200 r/min，the turbine torque is 245-290 N·m，meeting the maximum torque working requirement of 250 N·m.However，due to the large design torque and blade bend angle of the single-stage turbine，obvious stall phenomenon occurs and a negative pressure zone is formed when the fluid flows through the turbine rotor，and structural optimization design will be conducted on the turbine blade shape in the next step.The conclusions provide technical support for the design and optimization of the rotary guide shoe casing running tool.

rotary guide shoe；casing running tool；turbine；eccentric orienting head；turbine performance test

基金項(xiàng)目：湖北省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)“超深復(fù)雜工況井作業(yè)工具研制與應(yīng)用示范”（2022BGE257）；湖北省教育廳重點(diǎn)科學(xué)研究項(xiàng)目“不同鉆井工況下溢流識(shí)別算法及自動(dòng)化關(guān)井機(jī)理研究”（D20201305）；中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“深層頁(yè)巖氣尾管回接壓裂管柱技術(shù)研究”（P21015）。

0" 引" 言

近年來(lái)，隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步及油氣勘探需求的增加，深井超深井、大斜度井以及水平井的數(shù)量不斷增多，油氣開(kāi)發(fā)也朝著深層和非常規(guī)邁進(jìn)［1-2］。面對(duì)井筒內(nèi)存在的臺(tái)階、砂橋、井眼軌跡不規(guī)則等問(wèn)題，常規(guī)的下套管作業(yè)在下入過(guò)程中容易遇阻且下放不到位［3-6］。目前國(guó)內(nèi)外常用小排量循環(huán)、上提下放的頂驅(qū)下套管技術(shù)應(yīng)對(duì)此問(wèn)題，但因套管下入摩阻大且無(wú)法處理井壁不穩(wěn)定和井眼縮頸問(wèn)題，已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需要［7］；而對(duì)于井筒內(nèi)部堆積的巖屑床和砂礫，提高鉆井液環(huán)空返速、改善鉆井液性能及機(jī)械清除等方式則存在較大的局限性，導(dǎo)致長(zhǎng)水平井段的巖屑清理效果不佳。為此，國(guó)內(nèi)外專家相繼開(kāi)展新式套管下放工具的研究，研制了下套管牽引工具［8］、隨鉆擴(kuò)孔下套管裝置、渦輪套管鞋等工具。

郭朝輝，等：旋轉(zhuǎn)引鞋套管下放工具研制與試驗(yàn)

國(guó)外對(duì)旋轉(zhuǎn)引鞋工具的研究起步較早，技術(shù)較為成熟［9］，其主要研發(fā)公司有：ADMA-OPCO、Weatherford，Deep Casing Tools、Gotech等。ADMA-OPCO公司和Weatherford公司合作研制的自由旋轉(zhuǎn)偏心套管鞋可根據(jù)所接觸巖層實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，自行通過(guò)砂橋或障礙物，操作時(shí)無(wú)需旋轉(zhuǎn)套管柱［10］，操作完成后可被迅速鉆穿。Deep Casing Tools公司與Gotech公司研制的鉆井液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)渦輪套管鞋以渦輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)套管鞋旋轉(zhuǎn)，利用套管鞋前端的鉸刀刮削巖壁，實(shí)現(xiàn)巖屑清理及擴(kuò)眼功能［11-14］。

國(guó)內(nèi)韓飛等［15］研制的管柱下放工具通過(guò)傳動(dòng)心軸將套管的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為套管鞋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用套管鞋外壁硬質(zhì)合金擴(kuò)寬井眼。李社坤等［16-17］針對(duì)水平井造斜段極易形成巖屑床的問(wèn)題，研制了一種疏散巖屑床的引導(dǎo)工具，通過(guò)水流噴射的反作用力驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)偏心振子產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)旋振作用清除巖屑床，消除套管下放阻力。

旋轉(zhuǎn)引鞋套管下放工具（簡(jiǎn)稱旋轉(zhuǎn)引鞋工具）作為一種新式套管輔助下入工具，目前已經(jīng)能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，解決井眼縮徑、清砂等下套管遇阻的問(wèn)題，但在旋轉(zhuǎn)扭矩、固井節(jié)流壓力及后續(xù)掃除可鉆性方面普遍存在缺陷。為此，本文提出一種新型旋轉(zhuǎn)引鞋工具，該工具采用低速大扭矩的渦輪結(jié)構(gòu)提高旋轉(zhuǎn)扭矩；通過(guò)雙流道變換有效降低固井節(jié)流壓力，同時(shí)選用鋁、銅合金材料確保工具具有良好的可鉆性能。

1" 技術(shù)分析

設(shè)計(jì)思路：依靠鉆井液液力驅(qū)動(dòng)的渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋工具，由低速大扭矩渦輪驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向頭旋轉(zhuǎn)清除砂橋、巖屑床并修整井眼軌跡，利用合理分布的導(dǎo)向頭水眼與優(yōu)化設(shè)計(jì)的刀翼結(jié)構(gòu)沖散、攪動(dòng)沉積巖屑，通過(guò)鉆井液循環(huán)將懸浮顆粒帶出井筒，幫助套管順利下放到位。

1.1" 整體結(jié)構(gòu)

該旋轉(zhuǎn)引鞋工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括動(dòng)力組件、雙流道組件、嚙合防轉(zhuǎn)組件及偏心導(dǎo)向頭。

其中，動(dòng)力組件采用液力驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪定、轉(zhuǎn)子通過(guò)鍵與鍵槽的配合分別與外殼、渦輪軸保持周向固定。為適應(yīng)不同的工況條件，可適當(dāng)增減渦輪定、轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)，以滿足引鞋工具不同的工作扭矩需求。雙流道組件采用破裂盤作為核心設(shè)計(jì)，在破裂盤破裂前后，旋轉(zhuǎn)引鞋工具內(nèi)部分產(chǎn)生2條不同的流道，如圖2所示。其中流道1為渦輪所在的外殼與渦輪軸之間的環(huán)空，流道2為渦輪軸內(nèi)部的空心區(qū)域。防轉(zhuǎn)嚙合組件由防轉(zhuǎn)套左和防轉(zhuǎn)套右組成，兩者通過(guò)對(duì)稱棘輪齒嚙合鎖緊實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)構(gòu)防轉(zhuǎn)。

該旋轉(zhuǎn)引鞋工具作為一次性套管下放工具，外殼選用42CrMo材料保證機(jī)械強(qiáng)度，其余零部件均采用可鉆性能良好的鋁、銅合金，使用牙輪或PDC鉆頭可輕易將其鉆除。

1.2" 工作原理

1.2.1" 套管下放階段

連接旋轉(zhuǎn)引鞋工具與套管并下入井筒，下放過(guò)程遇阻時(shí)，開(kāi)泵循環(huán)鉆井液。鉆井液通過(guò)流道1沖擊渦輪定子，經(jīng)定子葉片導(dǎo)流后沖擊渦輪轉(zhuǎn)子并帶動(dòng)渦輪軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)軸及偏心導(dǎo)向頭旋轉(zhuǎn)；偏心導(dǎo)向頭外表面設(shè)有循環(huán)水眼和刀翼，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)刀翼可刮削井壁、攪動(dòng)巖屑床，水眼對(duì)砂橋進(jìn)行高速循環(huán)沖洗，通過(guò)鉆井液循環(huán)將懸浮砂礫攜出井筒，消除套管下放時(shí)遇到的阻力，幫助套管下放。

1.2.2" 固井階段

套管下放至預(yù)定深度后，增大鉆井液排量至剪切銷釘?shù)呐R界排量，剪切銷釘斷裂，此時(shí)渦輪軸及其相連組件下行，防轉(zhuǎn)套左和防轉(zhuǎn)套右嚙合，流道1關(guān)閉；引鞋內(nèi)部環(huán)空形成憋壓，超過(guò)破裂臨界值的破裂盤破裂，流道2開(kāi)啟，用于循環(huán)固井水泥、降低節(jié)流壓力，同時(shí)完成固井作業(yè)。

1.2.3" 后續(xù)作業(yè)

固井作業(yè)完成后，下入牙輪或PDC鉆頭等鉆除工具，將固井水泥及旋轉(zhuǎn)引鞋工具內(nèi)部鉆除，保證后續(xù)工作的順利進(jìn)行，外殼由水泥固結(jié)留置于井筒內(nèi)。

1.3" 技術(shù)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)引鞋工具采用低速大扭矩渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其技術(shù)參數(shù)如下：外徑160 mm，長(zhǎng)度1 215 mm，工作轉(zhuǎn)速100～200 r/min，最大扭矩250 N·m，工作排量1.0～1.5 m3/min，適用于139.7 mm（51/2 in）套管下放。

1.4" 關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1" 渦輪定、轉(zhuǎn)子

渦輪定、轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)引鞋工具的動(dòng)力元件，其作用是將鉆井液的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為渦輪動(dòng)能。渦輪設(shè)計(jì)參考井下動(dòng)力渦輪鉆具，采用軸流式渦輪，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4.2" 偏心導(dǎo)向頭

導(dǎo)向頭為光滑曲面偏心設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。套管下放過(guò)程遇阻時(shí)，偏心導(dǎo)向頭會(huì)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)井壁，兩者接觸摩擦產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)側(cè)向力，將套管引導(dǎo)向阻力最小的下入路徑，順利通過(guò)障礙到達(dá)預(yù)定深度。其光滑曲面設(shè)計(jì)可以減小導(dǎo)向頭通過(guò)障礙物時(shí)的阻力，提高工作效率。

2" 仿真模擬

2.1" 有限元模型及邊界條件

使用SolidWorks軟件對(duì)渦輪定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入Workbench抽取流道模型并劃分網(wǎng)格。由于渦輪定、轉(zhuǎn)子葉柵部分曲面復(fù)雜，且葉片前后緣圓弧厚度小，所以對(duì)渦輪葉柵部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。為了計(jì)算出與實(shí)際情況更加相符的穩(wěn)定解，將定子入口和轉(zhuǎn)子出口處的流道深度設(shè)置為3倍葉片高度的距離，如圖5所示。

網(wǎng)格劃分后，將流道模型導(dǎo)入CFX進(jìn)行水力性能仿真分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)渦輪的壓降和扭矩參數(shù)。王立廣［18］分析證明多級(jí)渦輪仿真數(shù)據(jù)與單級(jí)渦輪仿真數(shù)據(jù)呈倍數(shù)相關(guān)，單級(jí)渦輪仿真結(jié)果可作為多級(jí)渦輪仿真結(jié)果的有效預(yù)測(cè)。為降低仿真工作計(jì)算量，僅對(duì)單級(jí)渦輪進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)渦輪的實(shí)際工況，將定子入口設(shè)置為速度入口，其值由工作流量和定子入口流道的橫截面積計(jì)算確定。渦輪額定轉(zhuǎn)速n=800 r/min，采用清水作為仿真流體介質(zhì)，工作流量Q=1.5 m3/min，模型內(nèi)徑D1=96 mm，外徑D2=122 mm，計(jì)算得到定子入口軸向平均流速為5.62 m/s。轉(zhuǎn)子出口設(shè)置為壓力自由出口，因?yàn)槎ㄗ映隹谂c轉(zhuǎn)子入口為接觸面，所以定子出口參數(shù)和轉(zhuǎn)子入口參數(shù)設(shè)置相同。

2.2" 仿真結(jié)果分析

渦輪速度流場(chǎng)分布如圖6所示。流體在流入定、轉(zhuǎn)子時(shí)被前緣圓弧分為2個(gè)方向，沿葉背方向和沿葉腹方向，此時(shí)定子葉片前緣受到的沖擊最大；之后流體沖擊轉(zhuǎn)子葉腹推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)渦輪軸旋轉(zhuǎn)。從圖6可以看出：流體進(jìn)入渦輪定子后速度略微增加，隨后在定子葉片后緣處出現(xiàn)加速，這是因?yàn)闇u輪相鄰葉片間流道從前端到后端逐漸變窄；最大速度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子后緣即流體流出轉(zhuǎn)子時(shí)，之后流體進(jìn)入到下一級(jí)渦輪中參與做功。

渦輪壓力流場(chǎng)分布如圖7所示。從圖7可以看出：渦輪的壓力流場(chǎng)分布成梯度變化，且葉片的葉腹壓力明顯大于葉背壓力；在轉(zhuǎn)子葉背處出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，說(shuō)明流體在此處發(fā)生了明顯的脫流現(xiàn)象，形成負(fù)壓區(qū)的原因是設(shè)計(jì)葉片的輸出扭矩與彎折角度過(guò)大而導(dǎo)致流體轉(zhuǎn)向角度過(guò)大，流體在轉(zhuǎn)子葉背處形成了回流漩渦。

2.3" 水力性能預(yù)測(cè)

為得到完整的渦輪水力性能預(yù)測(cè)結(jié)果，控制渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)?～1 600 r/min，且每隔200 r/min進(jìn)行一次仿真分析。通過(guò)CFD計(jì)算得到渦輪的輸出扭矩以及定子入口和轉(zhuǎn)子出口的壓力平均值。

定子入口壓力與轉(zhuǎn)子出口壓力的壓差以及渦輪的輸出功率及效率為：

Δp=p1-p2（1）

Wout=πTn30 000（2）

η=WoutΔpQ×100%（3）

式中：p1為定子入口壓力，MPa；p2為轉(zhuǎn)子出口壓力，MPa；Δp為壓差，MPa；Wout為輸出功率，kW；T為渦輪的輸出扭矩，N·m；n為轉(zhuǎn)速，r/min；Q為流量，m3/min；η為效率，%。

渦輪的水力性能特性曲線如圖8所示。由圖8可以看出：由于采用低速大扭矩渦輪設(shè)計(jì)理念，液流通過(guò)葉片流道時(shí)水力損失較大，所以水力效率整體偏低。當(dāng)轉(zhuǎn)速為 800 r/min 左右時(shí)，渦輪的功率和效率達(dá)到極值，此時(shí)為渦輪的最高效率點(diǎn)；當(dāng)渦輪工作轉(zhuǎn)速在 600～1 000 r/min時(shí)，渦輪的綜合性能最好。

3" 性能試驗(yàn)

3.1" 試驗(yàn)臺(tái)架

為降低試驗(yàn)費(fèi)用和試驗(yàn)難度，采用10級(jí)渦輪組進(jìn)行水力性能測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)架由主機(jī)、參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖9所示。

渦輪水力性能測(cè)試參數(shù)：流體介質(zhì)為清水，密度1 000 kg/m3，排量1.5 m3/min。測(cè)試原理：離心泵將清水從水箱泵入主機(jī)，通過(guò)流量傳感器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制流量，水流沖擊渦輪組旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器記錄主軸轉(zhuǎn)速與扭矩；壓力傳感器1和壓力傳感器2分別記錄葉柵組的進(jìn)、出口壓力，計(jì)算壓差；磁粉制動(dòng)器為主軸施加制動(dòng)扭矩，控制主軸轉(zhuǎn)速；水流在沖擊渦輪組后經(jīng)管道循環(huán)至水箱。

3.2" 水力性能測(cè)試

將渦輪組安裝于試驗(yàn)臺(tái)架主機(jī)內(nèi)部，對(duì)照仿真模擬開(kāi)展試驗(yàn)，如圖10所示。試驗(yàn)過(guò)程中控制主

軸轉(zhuǎn)速每次改變200 r/min，記錄測(cè)量參數(shù)：流量Q、壓降Δp、扭矩T和轉(zhuǎn)速n，并通過(guò)式（2）和式（3）將扭矩和壓降轉(zhuǎn)化為輸出功率和效率。

圖11為仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。從圖11可以看出：渦輪的試驗(yàn)扭矩、輸出功率及效率均低于仿真模擬值，試驗(yàn)壓降高于仿真模擬值。原因是渦輪試驗(yàn)臺(tái)架在測(cè)試過(guò)程中存在機(jī)械摩擦，同時(shí)渦輪定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦環(huán)在接觸摩擦?xí)r均會(huì)消耗一部分渦輪扭矩；渦輪試驗(yàn)臺(tái)架零部件的裝配間隙和浮動(dòng)定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙也會(huì)對(duì)流體壓降造成影響。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：渦輪的最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間為600～1 000 r/min，在此區(qū)間扭矩為120～180 N·m，壓降穩(wěn)定在1.6 MPa左右；在工作轉(zhuǎn)速100～200 r/min時(shí)，渦輪扭矩為245～290 N·m，滿足250 N·m的最大扭矩要求。

4" 結(jié)論及建議

（1）旋轉(zhuǎn)引鞋工具通過(guò)液力渦輪驅(qū)動(dòng)偏心導(dǎo)向頭旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井壁的修整和井筒內(nèi)砂橋、巖屑床的清洗，導(dǎo)向頭的光滑曲面設(shè)計(jì)可以自動(dòng)尋找阻力最小的路徑，幫助套管順利下放到位。

（2）渦輪試驗(yàn)特性曲線與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者趨勢(shì)一致、符合度高，驗(yàn)證了渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，說(shuō)明仿真模擬結(jié)果對(duì)渦輪水力性能預(yù)測(cè)具有一定的參考意義。但流場(chǎng)分析顯示，流體在流經(jīng)渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)出現(xiàn)了較為明顯的脫流現(xiàn)象且存在負(fù)壓；因?yàn)閱渭?jí)渦輪設(shè)計(jì)扭矩較大，葉片彎折程度高，導(dǎo)致流體在轉(zhuǎn)子葉背處形成了回流漩渦，后續(xù)將針對(duì)渦輪葉片造型進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（3）渦輪試驗(yàn)結(jié)果表明：最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間為600～1000 r/min，扭矩120～180 N·m，壓降穩(wěn)定在1.6 MPa左右；在工作轉(zhuǎn)速100～200 r/min時(shí)，渦輪扭矩為245～290 N·m，滿足250 N·m的最大扭矩要求。試驗(yàn)結(jié)果略低于仿真數(shù)據(jù)，因?yàn)闇u輪定、轉(zhuǎn)子間的摩擦環(huán)在接觸磨損過(guò)程中會(huì)消耗一部分扭矩，對(duì)此尚未展開(kāi)研究，建議實(shí)際使用過(guò)程中考慮摩擦環(huán)對(duì)扭矩的影響，適當(dāng)增減渦輪級(jí)數(shù)。

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第一郭朝輝，研究員，生于1980年，2014 年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械工程專業(yè)，獲工程碩士學(xué)位。現(xiàn)從事石油井下工具的研發(fā)與相關(guān)管理工作。地址：（253005）山東省德州市。email：gzh@shelfoil.com。

2024-01-15" 修改稿收到日期：2024-07-25

任" 武