套管引鞋头技术现状及发展趋势*

罗大鹏 侯乃贺 王 鹏 冯 定

(1.长江大学机械工程学院 2.湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心 3.中国石化石油工程技术研究院)

0 引 言

随着国内油田开发大多进入中后期，油气开发正朝着深层和非常规迈进，水平井和大位移井的开采作业也逐渐增多[1-2]。由于水平井穿过油层长度长，油气层的裸露面积大，在提高油藏采收率的同时也使油井开发关键技术之一的套管下入变得困难[3]。套管下入关系到钻井安全和油气井寿命，被认为是钻机上最低效和最危险的过程之一[4]。并且随着大位移井的开发，井眼轨迹越发复杂，加上膨胀页岩及坍塌等带来的套管下入不到位、卡套管，甚至造斜段弯曲应力超过其强度极限而导致的套管破裂等也使套管下入问题越来越严重[5-7]。此外，对于大位移井，套管在水平段贴近井壁下侧且与地层接触段较长，摩擦阻力相当大[8]。常规的下套管方法难以使套管达到预定深度，并且遇到井眼缩颈等阻碍时无法解决[9]。而套管引鞋头经过不断地发展，已经具有引导、扩孔和清洗井壁等功能，广泛应用于目前的下套管作业中，成为解决套管下入困难问题的有效途径之一。

目前国外的套管引鞋头技术较为成熟，在材料、制造加工工艺以及功能方面都较为先进。主要的生产公司有Varel公司、WWT国际公司、Schlumberger公司以及Weatherford国际公司等。与国外相比，国内对套管引鞋头的研究涉及较少，主要有旋转自导式套管浮鞋[10]、旋振自导式套管引鞋[11]、水平井专用多功能套管鞋[12]、ø177.8 mm(7 in)自导式旋转浮鞋[13]和新型水平井固井下套管牵引工具[14]等。但与国外的套管引鞋头相比，国内在导向效果、扩眼和清洁井壁等方面还存在一定的差距。本文重点介绍了Varel公司、WWT国际公司、Schlumberger公司、Weatherford国际公司以及国内一些公司的套管引鞋头，最后总结出其发展趋势，对国内套管引鞋头的研发具有一定的指导意义。

1 套管引鞋头概述

套管引鞋头是一种下套管作业时的引导工具，通常安装在套管柱的下端，以引导套管柱穿过井筒中心[15]。为有利于后续的固井作业，引鞋头上端一般有止回阀，可防止水泥浆在注入后回流到套管中[16]。通过对国内外套管引鞋头的调研，总结得出国内外引鞋头的类型可分为两类，即导向鞋和扩眼鞋。导向鞋除了防止套管口与井壁刮擦外，还能在遇阻时通过旋转，引导套管朝着阻力较小的路径前进；扩眼鞋在井眼缩颈、岩屑床和页岩膨胀等问题导致导向鞋引导失败时使用，其带有切削结构，可以扩眼、修整井壁及冲洗岩屑。目前，在现场应用中，套管引鞋头还可以与顶驱下套管装置、可循环井口加压装置以及下放过程中安放套管扶正器等联合使用，使套管下入效率进一步提升[17-21]。

2 国外套管引鞋头技术现状

套管引鞋头表面一般为半球圆弧状或偏心半球圆弧状，以减小与井壁之间的摩擦力；其上加工有多个喷嘴用于液流的喷射，可使岩屑悬浮后容易被携出以及对井壁进行清洗。下面围绕导向鞋和扩眼鞋两类引鞋头，结合现有的套管引鞋头产品，对国外套管引鞋头的结构和技术参数等展开叙述。

2.1 套管导向鞋

2.1.1 Varel公司的Pilot导向鞋

Pilot导向鞋是Varel公司近年推出的一种光滑的铝制尖头导向鞋。当存在困难井眼条件且传统水泥头浮鞋不能解决问题时，Pilot导向鞋可以依靠其特制导向头与光滑机体使其在不影响引鞋头强度的情况下通过阻碍，更加顺利地进行下套管作业。其类型分为光滑体导向鞋(见图1a)和光滑自调整导向鞋(见图1b)两种。其中，光滑自调整导向鞋的引鞋头在套管下放遇阻时可以自动旋转，调整好后自动锁定不再旋转，使其稳定顺利地通过阻力段。不仅如此，Pilot引鞋头周向加工有凹陷的倾斜流道，在引导的同时可以高效清洁井壁，减小管柱下入时的摩擦阻力。该导向鞋适合的井眼直径范围为95.3～444.5 mm，可适应于外径73.0～339.7 mm套管的下入。

图1 Pilot导向鞋

2.1.2 WWT国际公司的JetGuide导向鞋

JetGuide导向鞋(见图2)是WWT国际公司推出的套管导向鞋，分为标准和偏心两种型号。其结构简单，便于制造和加工，成本也低于金属导向鞋的制造成本，但对于处理套管遇阻情况同样有效。该引鞋头采用聚氨酯材料制造，利于完成作业后的钻除。与其他导向鞋相比，JetGuide导向鞋的特点在于前端用相比于其他导向鞋30倍的水力冲洗岩屑，利于钻除岩屑的清洗，减小了套管下入的阻力。此外，JetGuide导向鞋中心孔转换为全开模式后可解决喷嘴堵塞后的安全问题以及进行注水泥作业。该导向鞋的规格在450～1 800 mm之间，适用于外径114.3～457.2 mm的套管下入作业。

图2 JetGuide导向鞋

2.1.3 Weatherford公司的导向鞋

Weatherford公司的导向鞋产品主要是遇阻-自旋转结构，如图3所示。该产品旋转时会增加套管或衬管的刚度，从而不便于从地面旋转整个管柱或者由于联轴器、精密完井组件的扭矩限制而不允许旋转时，导向鞋能相对套管自动旋转[22]。Free-Rotating Eccentric导向鞋遇到井壁的突出部分阻碍其正常导向或前进时，会产生侧向力使导向鞋远离障碍物旋转，将套管引向阻力较小的路径，加上引鞋头偏心侧加工有钻槽和断屑器，提高了孔的清洁速率，进一步减小了导向鞋通过障碍时的阻力，利于套管顺利下到预定位置。全复合塑料制造的引鞋头，方便作业完成后的钻除。该导向鞋外径为177.8～508.0 mm，中心孔直径范围为53.4～74.4 mm，适用于外径194.7～508.0 mm的套管下入作业。

图3 Free-Rotating Eccentric导向鞋

2.2 套管扩眼鞋

2.2.1 WWT国际公司的扩眼鞋

JetReam和ReamGuide扩眼鞋(见图4a)为WWT国际公司的产品，具有铰孔和钻孔能力，其喷射能力与JetGuide导向鞋基本相同，但是在面对硬质地层的井眼缩颈时，依靠其嵌入式陶瓷切削结构，能有效地进行铰削和切削运动，更加适用于解决困难地层的下套管问题。除此之外，其引鞋头内部为铝制框架(见图4b)，可镶嵌各类刀刃，外部采用的是聚氨酯材料，在保证一定耐用性的同时也容易被钻除。JetReam和ReamGuide扩眼鞋的规格在450～1 175 mm之间，适合于ø114.3～ø298.5 mm套管的下入作业。

图4 JetReam和ReamGuide扩眼鞋

2.2.2 Schlumberger公司的XCDR扩眼鞋

XCDR扩眼鞋(见图5)是Schlumberger公司最新推出的套管扩眼鞋，适用于外径范围为127.0～250.8 mm套管的下入作业。XCDR扩眼鞋均为5叶片设计，叶片上安有柱状刀具，数量为20～39个。该扩眼鞋有助于穿过岩架、钻屑床以及套管可能悬挂的断层。其切削结构为碳化钨刀具，切削性能强，并且扩眼鞋前端非锐利的设计，避免了在遇到障碍需要转动套管柱时的扭矩过大问题。叶片之间设计有大排屑槽，面积在1 935.5～11 883.9 mm2之间，使钻屑更容易排出，结合前端的6喷嘴设计，使清洁和冷却效果得以提升。对于作业完成后的钻除，扩眼鞋主体采用铜基合金制造，利用常规PDC钻头即可以很容易地被钻除。

图5 ø139.7 mm XCDR扩眼鞋

2.2.3 Varel公司的Pen-O-Trator系列扩眼鞋

Pen-O-Trator扩眼鞋是Varel 公司专门设计用于帮助安装套管、衬套或筛管的一种工具。该工具包括Pen-O-Trator(见图6a)、Pen-O-Trator V2(见图6b)以及Reaper导向扩眼鞋(见图6c)，后两者对切削结构和井眼清洗能力等方面进行了改进和优化，提高了扩眼效率和引导能力，更加适用于解决困难地层条件下的套管下入问题。Pen-O-Trator扩眼鞋的优势在于其切削结构材料采用碳化钨，使其具有很强的抗冲击能力，结合其锥形纽扣刀片设计能减少钻屑黏附，利于清洁。在遇到障碍物时，螺旋环绕的切削结构有利于在旋转或者不旋转的情况下进行引导及扩眼等作业。而Reaper扩眼鞋的前端为锐利的碳化钨涂层刀片，清阻能力更强，加上前端的排屑槽设计可保持刀片的清洁，机身上的碳化钨纽扣刀片可进一步清洁井壁，能解决极端井眼条件下的套管下入问题。该系列扩眼鞋的外径为92.7～431.8 mm，适合连接的套管外径为73.0～339.7 mm，适合直径为95.3～444.5 mm的井眼进行下套管作业。

图6 Pen-O-Trator系列扩眼鞋

2.2.4 Weatherford公司的DiamonBack系列扩眼鞋

Weatherford公司的DiamonBack系列扩眼鞋包括DiamondBack(见图7a)、DiamondBack FR(见图7b)、DiamondBack CC(见图7c)以及CleanReame(见图7d)4种。其共同特点在于通过各种口径的大流量流道，防止了水泥泵送过程中的窜槽[23]问题。其中，DiamondBack和DiamondBack FR两种扩眼鞋的切削结构为块状碳化钨，在遇到坚硬地层和磨蚀性地层时依然能正常工作。两者的主要区别在于前者采用铝制，而后者则可采用复合塑料材料制造，使越过障碍物时的阻力更小。DiamondBack CC扩眼鞋的整体碳化钨切削结构使其适用于软-中等和不稳定地层，引导头同样采用铝制，可承受冲击载荷并且能被PDC钻头或者三牙轮钻头快速钻除。CleanReam扩眼鞋的切削结构采用热稳定多晶金刚石(TSP)或聚晶金刚石(PDC)，除了适用于坚硬、磨蚀性地层外，还能在侵蚀性的地层作业。该系列扩眼鞋设定质量为34～300 kg，流道流通面积为1.335～8.484 mm2，适应的套管外径为88.9～508.0 mm。

图7 DiamonBack系列扩眼鞋

3 国内套管引鞋头

国内对于套管引鞋头的研究主要集中在导向鞋，对于带有切削结构的扩眼鞋研究较少。下面围绕国内现有的一些套管引鞋头的结构、主要技术参数和工作原理等展开叙述。

3.1 中石化旋振自导式套管引鞋头

旋振自导式套管引鞋头的主要特点在于其外壁上加工有6条螺旋棱，其侧壁还开有多个射流孔，在液流反作用力下可使引鞋头旋转。工作时，引鞋头在液力的作用下开始高速旋转并通过中间的通孔喷射液流，沉积的岩屑在液流冲击和螺旋棱搅动的双重作用下悬浮于液流中，最后通过液流循环携出井筒，由此减小套管下入时的阻力[11]。引鞋头材料为铝合金，可钻性较好，便于工作后的钻除。该引鞋头工作转速为60～80 r/min，轴向射流孔直径为40 mm，切向射流孔直径为20 mm，适应于直径311 mm井眼的下套管作业。旋振自导式套管引鞋头结构如图8所示。

图8 旋振自导式套管引鞋头

3.2 中石化旋转自导式套管浮鞋偏心引鞋头

旋转自导式套管浮鞋偏心引鞋头下端设有主副两个引导面，分别为大球面和小球面。大球面的引导能力强于小球面，所以工作时大球面正对接触井壁时为最佳引导状态。工作时，偏心引鞋头与井壁摩擦会产生旋转力矩，进而开始旋转，直到左右螺旋槽同时接触井壁时转动停止，此时大球面正对接触井壁，引导状态为最佳[10]。该偏心引鞋头最大外径为153.7 mm，最高工作温度为180 ℃，适用的套管外径为139.7 mm，其结构如图9所示。

图9 旋转自导式套管浮鞋偏心引鞋头

4 套管引鞋头材料

面对井下高温、高压的恶劣环境以及耐磨、抗冲击等要求，还有考虑到工作完成后的可钻除性，套管引鞋头材料的选取对于其正常稳定地工作十分重要[24]。根据现有套管引鞋头的材料，结合上述工具的结构，对套管引鞋头材料的类型、功能特点以及材料的加工方法进行介绍。

导向鞋的材料主要有铝制合金、聚氨酯和复合塑料等。其中，铝制合金特点在于强度高、耐热性和抗腐蚀性能较好，加工简单方便，常采用高速铣削进行加工；而聚氨酯具有较高的强度、氧化稳定性、柔曲性、回弹性以及优良的耐磨性，常通过浇注成型；塑料复合材料的比强度和比模量较高，耐疲劳性能好，具有良好的减振性、减摩性、耐磨性和耐蚀性，加工方便，也常通过浇注成型。

扩眼鞋的材料分为基体材料和刀刃材料。基体材料除了上述导向鞋所用的材料之外，还有铜基合金、铝制框架+聚氨酯、铝制框架+水泥等。其中，铜基合金具有优良的耐磨性、较低的摩擦因数以及高的疲劳极限，铸造性能好，所以常采用铸造成型；内部铝制框架+外部聚氨酯的材料组合，一方面方便了更换各类刀具，另一方面聚氨酯的高强度、较好的氧化稳定性和耐磨性等特点也保障了扩眼鞋的工作效率和寿命，加工方法常为铝制框架浇注聚氨酯成型；最后，还有铝制框架和水泥的材料组合，不仅方便了与上端工具的连接，而且也使整个引鞋头的强度得到了保证，其加工方法一般为铝制框架在水泥中锚固。

扩眼鞋刀刃材料主要有碳化钨、陶瓷、热稳定多晶金刚石(TSP)以及聚晶金刚石(PDC)。其中，碳化钨作为硬质合金的一种，具有良好的耐高温和耐磨性能，其抗冲击能力也很强，硬度与金刚石相近；而陶瓷材料则具有抗腐蚀、耐磨性好和耐高温的特点，并且切削时的摩擦力小，积屑不易粘接在刀刃上；此外，热稳定多晶金刚石(TSP)以及聚晶金刚石(PDC)也是扩眼鞋刀刃的常用材料，两者都具有极高的硬度和良好的耐磨性，区别在于前者还具有很高的热稳定性，适合于坚硬及侵蚀性地层的切削作业，而后者更适应于中硬、硬以及坚硬地层的切削作业。

5 典型应用

Weatherford公司的Free-Rotating Eccentric导向鞋于2014年在阿拉伯联合酋长国海上油井中进行了下套管作业。由于该井为裸眼井，存在更多的不确定性，加大了下套管作业的难度[25]。利用防旋转叶片+弹性弓形扶正器+Free-Rotating Eccentric导向鞋的下部工具组合，一次性运行完成了堆积钻屑的清除，没有对地层和套管柱造成过多损害，使ø339.7 mm套管下到了预定深度。引鞋头最后被PDC钻头在2.5 h内钻除，表明其可钻性较好。

WWT国际公司的JetReam扩眼鞋在美国得克萨斯州一口水平井进行了下套管作业。该井要在垂直段底部设置ø244.5 mm套管，目标深度约为827 m。在尝试多种导向鞋和扩眼鞋后问题依然没有解决，采用浮动设备+弹性复合管+JetReam扩眼鞋的工具组合在遇阻段进行射流扩孔，成功通过二叠纪困难地层。该过程耗时10 h，通过了约122 m长的阻力段，最后成功将套管下至预定位置。

中石化的旋振自导式套管引鞋头在涪陵地区的一口页岩气开发井进行了下套管作业[11]。该井由于造斜段存在岩屑沉积，作业时容易遇阻。为了防止因遇阻造成套管难以下入的情况，采用旋振自导式套管引鞋头安装于套管柱底部进行下套管作业，整个下入过程较为顺利。其中，在经过最大井斜处采用边循环边下放的方式，清除了沉积的岩屑，该过程共耗时50 min，最后成功将ø244.5 mm套管下放至设计井深。

6 发展趋势及建议

通过对国内外套管引鞋头进行研究，发现面对越来越复杂的井眼轨迹和困难的地层条件，套管引鞋头正朝着解决复杂井眼环境套管下入问题方向发展。根据不同井眼和地层情况可以使用不同类型的引鞋头，井筒为软-中地层且无井眼缩颈及岩屑床堆积等问题时适合导向鞋作业；而面对硬质地层、存在井眼缩颈和岩屑床等一系列堵塞井眼问题时可采用扩眼鞋。同时，提出如下研发方向及技术攻关方面的建议：

(1)从套管引鞋头的材料来看，引鞋头的基体材料除了满足耐高温高压、耐磨和抗冲击等性能外，还应该有易被钻除以及与井壁之间摩擦因数较小的特性，以减小摩阻，提高套管下放的成功率；对于刀具的材料应根据具体地层情况而定，碳化钨和陶瓷较适合于软-中地层及不稳定地层，而热稳定多晶金刚石(TSP)以及聚晶金刚石(PDC)则适合于坚硬、磨蚀性及侵蚀性地层。

(2)从套管引鞋头的结构来看，应让引鞋头更好地实现自旋转以引导套管朝着阻力较小的路径前进；引鞋头的流道除了设计在前端外，可在圆周方向上布置流道增强清洗井壁的能力以减小下放阻力；适当地加大排屑槽面积以保持刀具清洁以及使岩屑等更好地流入环空而被钻井液携出井筒。

(3)从套管引鞋头的应用技术方面来看，在满足各部件正常工作的前提下，可加大钻井液循环排量，以提高套管引鞋头的射流清洗能力。