接箍卡緊式頂驅下套管裝置研制

王傳德

（黑龍江北方雙佳鉆采機具有限責任公司，黑龍江牡丹江157013）①

接箍卡緊式頂驅下套管裝置研制

王傳德

（黑龍江北方雙佳鉆采機具有限責任公司，黑龍江牡丹江157013）①

內卡式頂驅下套管裝置的卡瓦是插入套管內，通過卡緊套管本體的內壁來實現轉矩傳遞，存在成本高、管理復雜、增加作業工作量等缺點。研制了接箍卡緊式頂驅下套管裝置，通過卡緊套管接箍外壁來傳遞轉矩，并采用彈性密封墊圈密封接箍的端面。該裝置通過更換4種鉗頭，可進行114.3～508.0 m m（41/2～20英寸）套管的下井作業，同時實現套管柱旋轉、下壓操作、泥漿循環，使井眼縮徑、井壁坍塌、巖屑沉淀等問題得到及時排除，作業效率高。介紹了該裝置的結構和工作原理。

頂部驅動鉆井；下套管；裝置；結構

頂部驅動鉆井裝置（以下簡稱頂驅裝置）是20世紀80年代發展起來的新型石油鉆井裝備，它取代了轉盤和方鉆桿直接驅動鉆柱鉆進，具有轉矩和速度控制精確等優點；無論在鉆進過程中，還是起下鉆過程中，都可以進行旋轉鉆柱和循環泥漿，減少了遇阻、卡死等復雜情況的發生幾率。在此基礎上，國內外又相繼開發了與頂驅裝置相連接的多種下套管裝置［1-3］，大多數是心軸插入套管本體內，與套管內壁卡緊或密封（稱為內卡式頂驅下套管裝置）；例如，國外T ESC O公司的C R S系列和國內北京石油機械廠的X T G系列。其工作原理是：在頂驅下套管裝置的頂部通過A PI標準螺紋與頂驅裝置主軸螺紋相連接，在液壓源驅動下套管裝置的卡瓦下行并張開，使卡瓦外圓上的鉗牙卡緊套管內壁。該裝置能把頂驅裝置主軸的上扣轉矩精確地傳遞給套管，實現套管的連接；并可通過頂驅下套管裝置的水眼，將泥漿注入套管柱；下套管裝置的心軸外圓與套管內壁間安裝有皮碗，可以對環空進行密封，并根據需要隨時啟動泥漿循環。

因為套管本體的壁厚規格是很多的，甚至一種規格的套管的壁厚規格有10多種，導致內卡式頂驅下套管裝置存在3方面的缺點：①需要多只不同規格的心軸及配合使用的卡瓦和皮腕才能完成對各種規格套管的作業，更換配件頻繁，成本較高；②必須提前知道準備下入的套管壁厚規格，更換合適的卡瓦和皮碗，增大了管理難度；③拆卸心軸、更換卡瓦和皮碗都不容易，增加了工作量。

接箍卡緊式頂驅下套管裝置是1種基于頂部驅動鉆井系統，用于下套管作業的集機械、液壓于一體的鉆井裝備。可根據套管接箍外徑的不同而更換不同的鉗頭和鉗牙。因為同種規格套管的接箍外徑只有1種，所以采用接箍卡緊的方式時，1種套管只對應1種鉗頭和鉗牙。采用接箍端面密封方式，無需根據套管壁厚不同而更換密封墊。因此，減少了作業難度和工作量。

1 結構

1.1 總體結構

接箍卡緊式頂驅下套管裝置主要由中心管、回轉密封裝置、懸掛體、鉗頭等部件組成，如圖1所示。中心管為圓柱形，中間有水眼；中心管外圓柱面有臺肩。懸掛體中間有圓孔，穿過中心管固定在中心管臺肩上；懸掛體雙耳上各掛1只吊環，吊環下掛有套管吊卡，2個傾斜油缸兩端分別與吊環與懸掛體相連。中心管下部外圓柱面套有1個環形油缸，環形油缸的缸體上端與懸掛體連接，環形油缸的活塞與鉗頭連接。懸掛體上部有回轉密封裝置，上有4條油道，懸掛體內部也加工有油道，液壓油可以從懸掛體上部的回轉密封件進入懸掛體下部的傾斜油缸和環形油缸。

該下套管裝置可分為承載結構和驅動機構2個部分：

1） 承載結構 由懸掛體、吊環、吊卡及中心管組成。具體結構是在中心管上段臺肩上固定有懸掛體，懸掛1對吊環，吊環下掛套管吊卡。下套管過程中套管接箍臺肩始終坐在套管吊卡上，由吊卡、吊環及懸掛體承受整個套管柱的重力，沒有套管柱墜落的風險。

2） 驅動機構 由環形油缸和鉗頭組成，能夠把液壓油缸的液壓動力通過機械結構轉換成對套管接箍的夾緊力及對端面密封的下壓力。液壓源可單獨提供或由頂驅裝置的背鉗油路提供。單獨提供的好處是能與頂驅裝置的液壓油路隔離，不會因液壓油污染問題造成頂驅裝置液壓系統故障，缺點是增加了成本及安裝液壓管線的工作量。

圖1 頂驅下套管裝置總體結構

1.2 鉗頭部分結構

主要由鉗頭座、鉗牙座和端面密封座組成，如圖2所示。鉗頭座與鉗牙座接觸面為錐面。端面密封座下平面有環形的彈性密封墊，能與套管接箍端面形成端面密封。在端面密封座與鉗頭座間安裝有波形彈簧。

圖2 頂驅下套管裝置的鉗頭結構

2 工作原理

2.1 套管上扣

當環形油缸的活塞向下運動時，多塊鉗牙座沿鉗頭座的錐面向上相對運動，同時向內收縮，鉗牙座槽內的鉗牙就會抱緊套管接箍的外圓柱面，實現上扣轉矩的傳遞。

2.2 端面密封

鉗頭內部的端面密封座的下平面有1個環形的彈性密封墊，當活塞向下運動時，彈性密封墊向下運動并壓緊在接箍端面上，形成端面密封。密封后可隨時啟動泥漿泵進行灌漿或循環，也可適度下壓套管柱（壓力不大于100 k N）。在端面密封座與鉗頭座間的彈簧能輔助端面密封座和鉗牙座復位。

2.3 下套管步驟

1） 先用吊卡吊起第1根套管，坐卡，讓井口卡瓦承受套管重力。

2） 操作頂驅給下套管裝置的傾斜油缸通油，油缸收縮，帶動吊環、吊卡向前伸出，抓取和提升套管單根，然后傾斜油缸復位，套管接箍位于鉗頭的正下方。

3） 操作頂驅給環形液壓缸通油，活塞帶動鉗頭向下運動，套管接箍下端面臺肩坐在套管吊卡上，套管接箍上端先接觸到鉗頭里的端面密封座，壓縮彈簧，端面密封座帶動鉗牙座沿鉗頭座的內斜面向上產生位移，同時向內收縮，最后鉗牙座上的鉗牙對接箍形成卡緊。這樣就同時完成了對套管接箍上端面的密封和對接箍外圓面的卡緊動作。

4） 第2根套管下端螺紋對準第1根套管上端螺紋后，啟動頂驅主軸正轉，進行旋扣直到設置好的轉矩值。

5） 頂驅上提套管，同時井口卡瓦打開，接著頂驅下放套管，然后重復以上過程。

旋緊套管螺紋后可隨時啟動泥漿泵，進行灌漿及循環，還能適當的旋轉套管柱和下壓套管柱。

3 主要技術參數

該裝置通過更換4種鉗頭和14種鉗牙可以完成所有規格套管的下套管作業。其中4種鉗頭分別適用的套管規格是：114.3～177.8 m m（41/2～7英寸），193.7～244.5 m m（75/88～95/8英寸），273.1～339.7 m m（105/8～133/4英寸），406.4～508.0 m m（16～20英寸）。

4 創新技術

1） 該下套管裝置頂部通過A PI螺紋與頂部驅動鉆井裝置的主軸連接，自帶吊環，無需考慮吊環長度過長或過短帶來的使用問題，安裝簡單、快捷，可以安裝在任何品牌的頂驅裝置上。

2） 該裝置自帶懸掛體、吊環和吊卡，套管下放時接箍下端面始終坐在吊卡上，避免了內卡式下套管裝置在下套管時可能發生套管柱的墜落風險。

3） 該設計采用1套驅動裝置，通過更換鉗頭及鉗牙完成對所有規格套管的下井作業。采用1個環形彈性墊圈完成對各種規格接箍的端面密封，無需更換。與套管本體內卡緊式裝置相比，可大幅降低整套裝置的成本，并減少作業難度和工作量。

5 廠內試驗及現場應用

1） 按照A PI SPE C 8C標準對主要承載件進行設計及驗證試驗，其中包括懸掛體和心軸，達到了標準要求。

2） 整個裝置組裝后又進行了功能原理試驗，包括額定壓力下的密封試驗、額定壓力下的轉矩試驗和額定壓力下的拉力試驗。試驗結果完全符合設計要求。

3） 2013-10，中石油長城鉆探公司在鉆興古7-H 311號井時采用了該下套管裝置，進行了全部244.5 m m（95/88英寸）套管的下套管作業，完全符合使用要求。

6 結論

1） 為了克服內卡式頂驅下套管裝置的不足，研制了接箍卡緊式頂驅下套管裝置。該裝置通過更換4種鉗頭，可進行114.3～508.0 m m（41/2～20英寸）套管的下井作業。

2） 套管連接后可隨時啟動泥漿循環，下放套管過程中還可適當旋轉和下壓套管柱；套管的旋扣及上扣轉矩可調，不易發生亂扣、脹扣，保證套管的可靠連接；降低了工人勞動強度，提高安全性。

3） 隨著水平井和大位移井的增多，尤其是海上油田及四川氣田等地質復雜井段，該裝置在下套管作業中將發揮重要作用。

4） 在下套管過程中，套管接箍臺肩始終坐在套管吊卡上，如果整個套管柱的懸重過大，有可能使接箍處螺紋變形，造成固井后密封不嚴。在國內，使用普通套管吊卡下套管并不違反作業章程。但是，國外有些大公司要求使用液壓套管卡盤（H ydraulic Elevater Spider）卡住套管本體外圓柱面進行下套管作業。

5） 今后的研究方向：①以現有的頂驅下套管裝置為基礎，以液壓套管卡盤代替普通套管吊卡，并采用微牙痕鉗牙，最大限度地減少裝置對套管外表面的傷害；②研發與頂驅接口的下套管轉矩控制軟件，頂驅按軟件推薦的上扣轉矩值對最大上扣轉矩進行控制，界面實時顯示套管轉矩并記錄生成數據庫，使套管的上扣轉矩值精準并可控。

［1］ 韓飛，紀友哲，賈濤，等.頂驅下套管裝置技術現狀及發展趨勢［J］.石油機械，2012，40（1）：84-85.

［2］ 張宏英，李東陽，黃衍福，等.頂驅下套管作業裝備配套及工藝初探［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：20-23.

［3］ 梁政，張力文，蔣發光，等.頂驅下套管驅動工具現狀與發展建議［J］.石油礦場機械，2013，42（1）：1-5.

Research and Develop ment of Top Drive Casing Running Tool（Collar Coupling Clam ping Type）

W A N G Chuan-de
（H eilongjiang N orth Shuangjia Drilling Tools Co．，Ltd．，M udanjiang157013，China）

The working principle of Casing Running Tool（Internal Cla m ping type）is cla m ping the inner wall of casing by inserting the slip to realize torque transmission，there are several defects such as high cost，co m plex management，increased operate w orkload.Top Drive Casing Running Tool（Collar Clam ping type）uses cla m ping the outer wall of casing coupling to transit torque and adopt elastic seal washer to seal coupling end face.T he device could suit to the running operation of casing fro m 114.3 to 508.0 m m（41/2to 20 inches）by changing four different size tong head to realize casing rotate and press operate and m ud circulating sim ultaneously，thus avoiding so me difficulties such as hole shrinkage，borehole wall collapse and debris deposits.T he structure and w orking principle of this device are introduced in this paper.

top drive drilling；casing running operate；device；structure

T E923.03

B

10.3969／j .issn.1001-3482.2014.08.012

1001-3482（2014）08-0057-04

2014-01-15

王傳德（1973-），男，齊齊哈爾訥河市人，高級工程師，1997年畢業于黑龍江八一農墾大學機械設計制造與自動化專業，現從事石油裝置與井下工具技術研究，E-mail：wangcd703o m＠163.co m。