循环推送下套管系统的研制

赵传伟 孙家祥 兰恭涛 吴仲华 陈勇 周志刚 刘晗

关键词：大位移井；下套管；钻井液循环；套管推送；完井

0 引言

随着石油钻井技术的不断发展，大位移井、分支井以及丛式井等复杂结构井越来越多［1-2］，如何将套管安全下到预定位置是这类井完井面临的技术难题之一［3-4］。国外多家公司进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?系统，全球每年利用该系统下入套管井数超过1 000 口，已进入商业化阶段［6］；加拿大Volant 公司研发的CRTi 和CRTe 全机械式顶驱下套管系统也在北美、南美、欧洲、中东及澳大利亚等地区得到应用［7］；美国Canrig 与First Subsea 公司联合开发出了SureGrip 顶驱下套管装置，已在250多个大型项目中得到成功应用，大幅度提高了下套管效率。目前，国内总体上仍处于下套管装置研发和试验阶段。其中，北京石油机械厂研制的顶驱下套管装置已进入现场试验阶段，但尚未完全工业化应用［8-9］。中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院结合国内顶驱钻机的特点，针对?139.7mm 套管研发出了循环推送下套管系统，该系统不需要套管钳和灌浆设备就能实现套管自动连接，边下套管边灌浆。下套管过程中遇阻，可建立钻井液循环，使套管柱产生轴向振荡，降低套管下入摩阻，同时切削井壁，清除砂桥、台阶等；也可配套高抗扭套管使用，旋转整个套管柱。套管循环旋转装置和套管推送下入装置是该系统的关键装置，直接影响该系统工作的可靠性和稳定性。采用数值模拟方法对套管循环旋转装置的卡瓦承载能力进行了分析。通过室内试验测试了套管循环旋转装置的锁紧释放机构、抓取机构和循环密封机构的可靠性以及装置的承载能力、密封性能；测试了套管推送下入装置的压降及振荡力。最后，通过现场试验进一步验证该系统工作可靠性及提高套管下入能力的有效性。

1 系统结构与工作原理

循环推送下套管系统见图1。无线扭矩仪与顶驱连接，用于监测套管上扣扭矩。调心短节与无线扭矩仪连接，解决井口与顶驱轴线不一致的情况下，套管对扣困难问题。套管循环旋转装置具有自动连接套管、下套管过程中建立钻井液循环及旋转套管柱功能。套管推送下入裝置位于套管柱末端，套管下入过程中，建立钻井液循环时，该装置可产生轴向振荡力，使下端套管柱处于振动状态，可有效降低套管柱与井壁之间的摩阻，同时套管末端引鞋可旋转，切削井壁，清除砂桥、台阶等。固井作业时，水泥浆通过浮箍进入套管推送下入装置，从该装置末端引鞋返至井眼环空，水泥浆的流动使该装置产生振动，有利于提高固井质量。

2 关键装置研制

2.1 套管循环旋转装置

2.1.1 结构与工作原理

套管循环旋转装置主要由锁紧释放机构（包括显示盘、上外壳、轴承、卡瓦座上推环、调整接头及轴承套）、套管抓取机构（包括卡瓦座、卡瓦滑块、卡瓦及卡瓦外筒）、循环密封机构（包括心轴、挡圈、橡胶碗、导向头及内弹簧套） 组成，见图2。

套管抓取机构通过卡瓦承受套管轴向重力，并将轴向重力转化成径向夹持力，传递顶驱扭矩。卡瓦与卡瓦座嵌入式装配，卡瓦座与卡瓦滑块设计为斜面接触，当卡瓦受到沿轴向向下的摩擦力时，会带动卡瓦座下行，在斜面挤压下，将轴向力转换成径向夹持力，夹持力沿径向推动卡瓦夹紧套管接箍，实现套管抓取。锁紧释放机构具有保证套管抓取机构可靠和释放套管的功能。该机构采用机械驱动方式将旋转运动转换为轴向移动，顶驱与上部调整接头连接，通过顶驱正向旋转驱动调整接头下端的螺旋凸起来推动套管抓取机构下行锁紧；通过顶驱反向旋转，能够解除套管抓取机构的锁紧，进而释放套管。循环密封结构为下套管过程中开泵循环钻井液提供密封。采用带金属骨架的橡胶碗密封结构［10］，橡胶碗外径略大于套管内径，插入套管后具有液压助封的功能。套管循环旋转装置适用于?139.7 mm 套管，芯轴内径50 mm。

该装置采用机械机构抓取套管接箍，无需外接液压或电驱动力源，连接套管的工作过程如下。

（1） 吊卡吊起整根套管（带接箍），并使其对正下方井口套管，下放循环旋转套管装置并使橡胶碗和导向头插入吊起的套管内；通过卡瓦座内侧下端的斜面撑开5 个卡瓦座及卡瓦，继续下放该装置至接箍接触卡瓦座内侧上端的斜面，在重力作用下5 个卡瓦抱住套管接箍。

（2） 顶驱正转调整接头，使其向下顶住卡瓦座上推环，推动5 个卡瓦座下移，通过卡瓦座与卡瓦滑块的斜面使5 个卡瓦夹紧接箍。

（3） 旋转该装置带动夹紧的套管旋入坐在井口的套管接箍，松开井口卡瓦，下放套管柱，至井口位置时，再将套管柱坐在井口卡瓦上。

（4） 顶驱反转上调整接头，缓慢下放该装置，手动转动下锁紧帽，联动下弹性爪接头和内弹簧套，上顶下推环，带动卡瓦上移，卡瓦牙松开夹紧的接箍，打开吊卡，将橡胶碗和导向头从套管中抽出。

（5） 手动下锁紧帽，卡瓦在重力作用下下移，至此完成单根套管接入。

2.1.2 卡瓦承载能力计算

夹持套管柱所需力会随着井深增加而增大，有可能会导致卡瓦牙破坏。为确保安全施工，需要对卡瓦最大承载能力进行计算。采用有限元分析软件对该装置的卡瓦进行应力分析与计算［11-13］。该装置共有5 个卡瓦，每个卡瓦沿轴向有172 排，沿周向有37 列，共6 364 个卡瓦牙，单个卡瓦牙结构如图3 所示。为了提高计算效率，对模型进行了简化：每个卡瓦仅有172 排1 列卡瓦牙。套管接箍外径为153.7 mm，长度为203 mm。

接箍弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，切线模量为6 100 MPa，屈服强度为552 MPa。由于卡瓦牙经过渗碳处理，因此卡瓦牙渗碳层和本体材料属性要分别定义。卡瓦本体弹性模量为207 GPa，泊松比为0.25，切线模量为6 100 MPa，屈服强度为835 MPa； 卡瓦表面渗碳层深度为0.7 mm， 表面硬度为HRC60，可求得渗碳层屈服强度为2 037MPa［14-15］。将卡瓦牙与接箍之间的接触定义为有摩擦的接触，摩擦因数取0.15［16］。计算工况条件为：扭矩30 kN · m，轴向载荷2 400 kN。

不同钢级接箍条件下卡瓦牙和接箍受力及卡瓦牙咬入接箍深度见表1，可以看出，卡瓦牙在轴向载荷2 400 kN 和扭矩30 kN · m 作用下，最大应力小于材料屈服强度2 037 MPa，满足现场使用要求。卡瓦夹紧N80 钢级接箍受力情况如图4 所示。

2.2 套管推送下入装置

套管推送下入装置如图5 所示，其工作原理：当液体流过振荡腔时，振荡腔内的特殊流道交替产生的周期性压力脉冲作用在活塞和碟簧组上，进而产生周期性轴向振动，变套管柱与井壁之间的静摩擦力为动摩擦力。液体进入动力短节时涡轮组旋转，带动动力引鞋旋转（镶有PDC 切削齿），可切削井壁，清除砂桥、台阶等。由于动力引鞋为偏心结构，旋转时还会产生径向振动。旁通短节内设置有爆破阀，若振荡短节或动力短节堵塞，憋压到一定压力时爆破阀打开，液体从旁通短节直接进入井眼内，重新建立循环通道。该装置适用于?139.7 mm 套管，本体外径172 mm、最大外径203 mm、总长2.45 m。

3 室內试验

3.1 套管循环旋转装置试验

为了测试套管循环旋转装置的锁紧释放机构、抓取机构和循环密封机构动作的可靠性、装置的承载能力及密封能力，在模拟井筒内开展了套管抓取试验、承载试验及耐压试验。试验流程如图6 所示，主要实验设备及仪器包括钻井多功能试验机及其控制系统、泥浆泵、套管循环旋转装置、?139.7 mm 套管（钢级P110、壁厚10.54 mm、长2 m）、?153.7 mm接箍（钢级P110、内孔设有承扭的台肩面）、模拟井筒、水箱、压力传感及流量传感器。钻井多功能试验机上安装了压力传感器、扭矩转速传感器、位移传感器和角度传感器等。套管循环旋转装置上端与多功能实验机的冲管连接，?139.7 mm 套管上端与?153.7 mm 接箍连接，下端与循环阀连接，?139.7mm 套管用夹持装置固定在井口。泥浆泵将水箱中的清水经过供液管线及高压水龙带输送至冲管中，再经过套管循环旋转装置后进入套管，套管下端为循环阀。冲管在液压缸控制下可实现套管循环旋转装置的旋转、加压、上提及下放等功能。

先进行套管抓取试验，采用夹持装置固定套管，控制冲管缓慢上提，直至轴向载荷达到2 400 kN，再控制冲管顺时针缓慢旋转直至扭矩达到30 kN · m，加载过程中观察套管循环旋转装置是否相对于套管发生轴向和周向滑动，最后，关闭循环阀，开泵测试该装置的密封性能。

5 次套管抓取试验结果表明，套管循环旋转装置抓取套管牢固安全，成功率100%。当轴向载荷为2 400 kN 且扭矩达到30 kN · m 时，套管循环旋转装置相对于套管未发生轴向和周向滑动。密封性能测试结果表明，泵压35 MPa 时稳压10 min，未发生泄露。这说明该套管循环旋转装置可承受轴向载荷2 400 kN、扭矩30 kN · m，密封机构可耐压35 MPa。

3.2 套管推送下入装置试验

试验目的是测试套管推送下入装置的振荡力和压耗，试验流程如图7 所示。主要试验设备及仪器包括钻井泥浆泵、套管推送下入装置、压力传感器、电磁流量传感器、水箱、阀门。压力数据可通过数据采集系统传输到计算机，并由相应的终端软件显示。泥浆泵将水箱中的清水泵送至套管推送下入装置中，并由该装置末端动力引鞋的水眼排出。

经测试，当排量大于10 L/s 时，动力引鞋开始旋转。不同排量对应的压降和振荡力见表2，可以看出，随着排量增加，该装置压降和振荡力逐渐增大。当排量为15～30 L/s 时，振荡力26.4～48.3 kN，振荡效果较好。

4 现场试验

2022 年6 月在福山油田Z16X 井进行了循环推送下套管系统应用。Z16X 是一口预探井（定向井），完钻井深3 628 m， ?339.7 mm 表层套管下深200m， ?244.5 mm 技术套管下深2 200 m， ?139.7mm 油层套管下深3 628 m。该井井身结构为5 段制：直井段、增斜段、稳斜段（井斜50.25°）、降斜段、稳斜段（井斜30.6°），目的层有垮塌风险，因此，决定使用无线扭矩仪、调节短接、套管循环旋转装置以及套管推送下入装置实现套管安全下入。

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。期间，顺利完成了所有套管上扣、紧扣工作，但套管下到3 199 m 时遇阻180 kN，开泵建立循环，排量升至22 L/s，持续8 min，钻井液密度1.49 g/cm3，最大循环压力7.9MPa，顺利通过了遇阻点，开泵循环期间套管循环旋转下入装置与套管间密封良好，未发生泄露。

5 结论与建议

（1） 套管循环旋转装置能够实现套管自动连接，能够在下套管过程中建立钻井液循环及旋转套管柱；适用于?139.7 mm 套管，额定轴向载荷2 400kN，工作扭矩30 kN · m，最大循环压力35 MPa。

（2） 套管推送下入装置可产生周期性轴向振荡力，有效降低套管下入摩阻，其动力引鞋可切削井壁，清除砂桥、台阶等，适用排量15～30 L/s，振荡力26.4～48.3 kN，振荡频率5.1～7.8 Hz。

（3） 套管旋转循环装置和套管推送下入装置配合使用，能够有效提高套管下入安全性，建议下一步对配套使用的具有较强承扭能力套管扣的套管进行现场试验，验证利用该套管循环旋转装置旋转整个套管柱来降低摩阻的可靠性。