国外尾管悬挂器技术现状

于明武，雷万征，乔维鹤，赵晓飞，荆强，王德贵,3

（1.中海油田服务股份有限公司 油田化学研究院，河北 三河065201；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721000；3.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721000）

0 引言

尾管固井是一项风险高、技术复杂、施工难度大、质量要求高的特殊作业。尾管固井能节省大量套管和固井成本并有效地缩短钻井周期，可带来巨大的经济效益，有效地改善钻进条件[1-4]。尤其在深井和钻遇复杂地层的井，采用尾管固井已成为常态化工艺技术[5-6]。尾管悬挂器作为尾管固井的专用工具，在尾管固井作业中占有重要的位置，其性能和质量的优劣直接影响到尾管固井的成败。随着钻完井技术的发展, 深井和复杂井的数量越来越多，提高复杂井眼条件下尾管固井的成功率及在垮塌地层、“窄压力窗口”地层、深水井、大位移定向井、水平井、开窗侧钻井及高压气井中使用行之有效的尾管悬挂器是提高固井质量的主要技术措施[7-8]。尾管悬挂器同其他钻井工具相比，其可靠性、一次使用成功率要求更高。国外研究高端尾管悬挂器的公司主要有威德福、斯伦贝谢、贝克休斯等。为了缩短与国外尾管悬挂器技术差距，有必要深入研究国外几家著名公司的工具结构、特点，为国内研发提供合理的发展方向。

1 悬挂器技术特点

悬挂器具有悬挂载荷大、环空流道大、坐挂对外层套管伤害小、具有防提前坐挂功能、带有重载荷轴承坐挂后可旋转固井功能。封隔器均采用整体式胶筒设计或金属附着橡胶设计，增加坐封可靠性，提高循环排量，降低提前坐封风险。胶筒基本都采用了氢化丁腈橡胶或耐高温的四丙氟橡胶，能够有效的减少坐封力，耐温以及耐久性更好。送入工具是尾管悬挂器总成的核心部件，其性能决定了尾管悬挂器抗拉、抗压、抗扭、能否旋转固井、脱手可靠性。送入工具通常由防砂帽、提升短节、坐封器、机械或液压脱手工具、密封补芯、中心管、胶塞适配器等部件组成。

防砂帽通常有两类，一类是常规带有流道的，另一类是浮式防砂帽。常规防帽设计有流道连通回接筒内外，平衡管内外压力，防止回接筒在井下被高压挤毁。尾管悬挂器下入前需将回接筒内灌满高粘悬浮液体，防止固相颗粒物质进入回接筒内埋死送入工具。防砂帽与回接筒有固定机构，试脱手过程防砂帽不脱离回接筒防止沉砂掉落进入回接筒，固井后可以回收防砂帽。

2 典型产品特点

目前高端尾管悬挂器需具备悬挂能力强、坐封可靠性高、脱手操作简单并能够防止提前脱手、回接筒防砂效果好、过流面积大、送入工具带有应急脱手功能[9-10]。国外高端尾管悬挂器市场主要由威德福、斯伦贝谢、贝克休斯三家公司产品垄断，形成了“三足鼎立”的局面。以下分别介绍威德福、斯伦贝谢、贝克休斯三家公司产品的技术特点。

2.1 威德福尾管悬挂器

威德福尾管悬挂器采用模块化设计、液压坐挂、机械坐封、机械脱手或液压脱手、内嵌式卡瓦[11]。悬挂器采用内嵌式卡瓦、液压坐挂，具有防提前坐挂功能，即在尾管下入过程卡瓦受外力作用不会造成提前坐挂，憋压坐挂时解除锁定装置。悬挂器带有轴承，坐挂后依然可以旋转，实现旋转固井，提高固井质量。封隔器采用机械坐封，一体式胶筒，并设有开口环保护胶筒在涨封过程中不会损坏。封隔器具有弹簧储能机构，可将坐封下压力储存，持续对胶筒施压。封隔器与机械送入工具配合还可实现防提前坐封功能。回接筒或防砂帽受外力作用下，防提前坐封机构可将外力传递给封隔器本体，防止胶筒提前涨封，在送入工具脱手后即可解除坐封锁定。

图1 威德福尾管悬挂器

机械式送入工具具有“液锁”保护机构，防止送入工具提前脱手，尾管下入过程可实现旋转下入。需要脱手时，打压解除“液锁”保护机构后正转脱手。工具内部带有阀座，尾管短路、球座刺漏等无法憋压情况下可通过钢丝作业投阀进入阀座打压解除液锁”保护机构，从而顺利脱手。液压式送入工具通过打压脱手，并带有机械应急脱手机构。在打压脱手无效、管柱无法憋压等异常情况，可通过下压、反转机械方式脱手，确保了脱手的可靠性。

浮式防砂帽是威德福独有的专利产品。尾管悬挂器下入时回接筒内灌满清水，防砂帽带有密封使得井内泥浆、岩屑无法进入回接筒内，并通过防砂帽的移动调节回接筒内外压力平衡。此外，浮式防砂帽在被岩屑埋死的情况下可以通过过提打开循环孔，建立短路循环。浮式防砂帽带有刀翼，在短路循环的同时还可以倒滑眼，清除岩屑，回收送入工具。

2.2 斯伦贝谢尾管悬挂器

斯伦贝谢悬挂器、封隔器与威德福结构类似，机械送入工具、液压送入工具结构原理类似[12]。不同之处有以下几点：

液压送入工具的机械应急脱手方式不同，反转后还需要下压一定吨位，剪切轴向销钉才能脱手。能够更好的防止尾管悬挂器提前脱手。此外，与威德福工具相比多了一个阀座，在打不起压力的情况下可以投阀进行打压脱手。密封补芯扶正块采用6块环绕式设计，大大增加了与中心管的接触面积，防止高压作用下密封补芯抱死中心管。

图2 斯伦贝谢尾管悬挂器

防砂帽采用棘爪与回接筒固定，并设计有流道，确保回接筒内外压力平衡。防砂帽在尾管下入、试脱手过程始终不离开回接筒，确保岩屑不会进入回接筒内。在坐封封隔器、回收送入工具时压缩防砂帽弹簧即可收回棘爪，回收防砂帽。

2.3 贝克休斯尾管悬挂器

贝克休斯尾管悬挂器悬挂器、封隔器、液压脱手工具结构原理与斯伦贝谢工具相似[13]。不同之处在于：

悬挂器采用了专利的卡瓦与锥体的设计，使得其悬挂载荷最大，受力分布更均匀，对上层套管伤害最小。封隔器改变了传统的胶筒膨胀坐封设计，改为软金属硫化橡胶膨胀坐封。该设计承压能力更强，抗冲蚀能力更强，不易损坏。坐封器具有坐封指示功能，其原理是坐封器上安装有一组与封隔器同样的剪切销钉，但坐封器上的销钉数量比封隔器的多一颗，通过出井检查坐封器的销钉剪切情况可以判断封隔器是否正常坐封。同时坐封器上的销钉剪切后可建立短路循环，也能判断坐封与否。

图3 贝克休斯尾管悬挂器

防砂帽结构与斯伦贝谢类似，多了一个塞网机构，能够保持回接筒内外应力平衡，同时阻挡固相颗粒物进入回接筒内。

3 结论及建议

随着油气勘探开发不断向深层、“三高”气藏、低压低渗透、稠油、非常规资源等难动用储量延伸，特殊工艺井数量不断增长，对尾管悬挂器的性能要求也越来越高，满足耐高温、悬挂能力强、坐封可靠性高、过流面积大、防砂效果好、脱手可靠性高、具有应急脱手功能、可旋转、模块化设计等多功能的尾管悬挂器需求也将越来越大。

国外高端尾管悬挂器在结构上设计理念先进，以下特色技术值得国内学习：1）独特的卡瓦与锥体设计，增加了悬挂载荷和过流面积，同时降低了对外层套管的伤害。防提前坐挂、坐封功能提高了悬挂器在恶略井况下的可靠性。2）单胶筒以及金属镀橡胶设计都有效的增加了环空返速及坐封后的承压能力，降低了提前坐封的风险。3）独特的防砂帽流道与防砂设计，实现了与回接筒可靠连接及脱开，降低了送入工具被埋死在回接筒内的风险。4）机械脱手工具为实现安全下入及旋转功能带有“液锁”，提高了工具可靠性；液压脱手工具带有机械应急脱手功能，可防止无法憋压造成脱手困难。

相比国外高端尾管悬挂器，国内还存在很大差距，发展空间很大，耐高温高压、耐腐蚀钢材和橡胶等高性能材料和提高工具可靠性是未来的发展方向。