頂驅(qū)下套管技術(shù)及應(yīng)用

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(1.中海石油(中國)有限公司 番禺作業(yè)公司，廣東 深圳 518000；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500)

·開發(fā)應(yīng)用

頂驅(qū)下套管技術(shù)及應(yīng)用

李文金1，田志欣1，雷鴻1，王磊1，陳嬌1，王志偉1，2

(1.中海石油(中國)有限公司 番禺作業(yè)公司，廣東 深圳 518000；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500)

介紹了Weatherford公司頂驅(qū)下套管系統(tǒng)的主要部件、現(xiàn)場作業(yè)程序和技術(shù)特點。通過頂驅(qū)下套管技術(shù)在番禺油田6口大位移井244.5 mm套管下入作業(yè)中的成功應(yīng)用，分析了該技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：頂驅(qū)下套管技術(shù)可以精準(zhǔn)控制上扣轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)套管柱時減小下入摩阻，有效避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生，為大位移深井等高難度井下套管作業(yè)提供了技術(shù)保障。建議我國加快技術(shù)研發(fā)，縮小與國外廠商之間的技術(shù)差距，使頂驅(qū)下套管技術(shù)在我國石油鉆井行業(yè)中發(fā)揮更大作用。

頂驅(qū)；下套管技術(shù)；作業(yè)程序；大位移井

常規(guī)下套管方法是利用動力套管鉗旋轉(zhuǎn)套管完成上扣，在下套管期間不能快速循環(huán)、旋轉(zhuǎn)和上下活動套管柱。該方法不僅效率低、質(zhì)量差，而且動用的人員多、風(fēng)險高。在油氣田的勘探開發(fā)中，深井、大位移井、大斜度井等高難度井越來越多，在這些井的下套管作業(yè)中，會面臨著例如縮頸及全角變化率大的井段難以下入；套管長時間與井壁接觸易發(fā)生粘卡；下入套管柱時產(chǎn)生壓力激動壓漏地層；遇阻后無法下入時，需要將套管柱全部起出，重新組合通井鉆具進(jìn)行通井，降低作業(yè)時效等問題。常規(guī)下套管方法越來越無法滿足這些高難度井下套管作業(yè)的要求。

頂驅(qū)下套管系統(tǒng)是一種安裝在頂驅(qū)系統(tǒng)上，集機(jī)械、液壓控制于一體[1]，通過其驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)與套管的松開或夾緊，在頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩及提升載荷的作用下，完成套管上卸扣、上提、下放、旋轉(zhuǎn)等操作的系統(tǒng)。系統(tǒng)本身具有自密封機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)與被夾持套管的內(nèi)部密封[2-3]。

1 Weatherford頂驅(qū)下套管系統(tǒng)

1.1 技術(shù)優(yōu)勢

頂驅(qū)下套管系統(tǒng)分為內(nèi)卡式和外卡式2種。內(nèi)卡式是將頂部驅(qū)動工具的心軸插入套管本體內(nèi)，與套管內(nèi)壁卡緊或密封[4]。Weatherford公司開發(fā)的頂驅(qū)下套管系統(tǒng)是一種內(nèi)卡式頂驅(qū)下套管系統(tǒng)，將頂部驅(qū)動工具與頂驅(qū)連接在一起，實現(xiàn)吊起套管、扶正套管、上卸扣、提放、旋轉(zhuǎn)、下壓套管柱、灌漿、循環(huán)等功能，集成動力大鉗、吊卡、循環(huán)灌漿器、機(jī)械扶正手、上扣補(bǔ)償器等工具功能于一體[5]。Weatherford內(nèi)卡式頂驅(qū)下套管系統(tǒng)具有在以下幾方面的優(yōu)勢。

1) 可以快速上卸扣，精確控制上扣轉(zhuǎn)矩，避免套管螺紋損傷。

2) 可以在灌漿和循環(huán)功能之間切換而不必重新設(shè)置調(diào)整工具。

3) 高排量的循環(huán)能力。

4) 套管下入過程中可以上提、下放、旋轉(zhuǎn)甚至下壓套管柱，有效地避免套管遇阻、壓差卡套管等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

5) 設(shè)備集成化、自動化程度高，配合轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦使用，全程無需打背鉗，大幅減輕了作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。

6) 可配套使用集成安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，大幅提高了下套管作業(yè)的安全性。

1.2 頂驅(qū)下套管系統(tǒng)

Weatherford頂驅(qū)下套管系統(tǒng)主要由頂部驅(qū)動工具[6]、轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦、遠(yuǎn)程控制式單根吊卡、控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩監(jiān)測系統(tǒng)、液壓動力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和服務(wù)管線等一系列設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成。

1.2.1頂部驅(qū)動工具

Weatherford頂部驅(qū)動工具通過168.3 mm的API REG螺紋與所有普通類型的頂驅(qū)適配連接。如果遇到其它螺紋形式的頂驅(qū)，可以在頂驅(qū)和頂部驅(qū)動工具之間用轉(zhuǎn)換接頭來實現(xiàn)二者的連接。頂部驅(qū)動工具是整個頂驅(qū)下套管系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，按功能可分為動力總成、連接總成、限位總成、卡瓦總成以及密封導(dǎo)向總成5部分[7]，如圖1所示。

1—液壓管線快速接頭；2—液壓管線；3—頂驅(qū)連接接頭；4—吊裝卸扣；5—轉(zhuǎn)矩傳感器；6—液壓旋轉(zhuǎn)頭；7—液壓夾緊缸；8—液壓夾緊缸外殼；9—卡瓦承托套；10—內(nèi)卡式卡瓦；11—擺臂；12—皮碗；13—導(dǎo)向頭；14—套管吊卡吊耳。圖1 頂部驅(qū)動工具結(jié)構(gòu)示意

動力總成通過液壓源驅(qū)動卡瓦機(jī)構(gòu)運(yùn)動，實現(xiàn)松開或卡緊套管的功能。當(dāng)頂部驅(qū)動工具液壓夾緊缸上油腔充滿油時，推動油缸向下運(yùn)動，驅(qū)動卡瓦機(jī)構(gòu)張開，內(nèi)卡瓦卡緊套管；而當(dāng)下油腔充滿油，推動油缸向上運(yùn)動，驅(qū)動卡瓦機(jī)構(gòu)復(fù)位，內(nèi)卡瓦松開套管。

連接總成用于連接動力總成與卡瓦總成，實現(xiàn)傳遞力和力矩的功能，最大輸出轉(zhuǎn)矩81 kN·m。

限位總成采用擋板限位，通過在頂部驅(qū)動工具一定位置安裝限位擋板，當(dāng)內(nèi)卡瓦進(jìn)入套管內(nèi)部，限位擋板觸碰到套管接箍時，接箍探測器由綠轉(zhuǎn)紅，頂部驅(qū)動工具到達(dá)既定位置。

卡瓦總成主要由卡瓦心軸與卡瓦組成，卡瓦是承受載荷的關(guān)鍵，Weatherford頂部驅(qū)動工具內(nèi)卡瓦采用三角形卡瓦齒，優(yōu)化后的布齒方式和布齒參數(shù)有效提升了頂部驅(qū)動工具的承載能力。

密封導(dǎo)向總成由導(dǎo)向頭和皮碗組成，導(dǎo)向頭在頂部驅(qū)動工具進(jìn)入套管時起引導(dǎo)扶正作用，其末端的水眼為灌漿或者循環(huán)提供流動通道，皮碗在內(nèi)卡瓦卡緊時密封套管，可以在下套管的同時循環(huán)鉆井液，也可以防止注入鉆井液時鉆井液回返。

1.2.2轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦

RMS2000型轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦采用液壓控制模式，通過直接安裝在952 mm或更大尺寸的轉(zhuǎn)盤中，可有效降低套管連接高度至1.2 m。該型卡瓦額定載荷為5 000 kN，作業(yè)最大套管尺寸為508 mm，可輸出的反作用轉(zhuǎn)矩達(dá)68 kN·m。該卡瓦可為套管柱提供良好的居中狀態(tài)；下套管全程無需使用背鉗；可配套使用集成安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 RMS2000型轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦

1.2.3遠(yuǎn)程控制式單根吊卡

遠(yuǎn)程控制式單根吊卡用于提升套管，額定載荷60 kN，與頂部驅(qū)動工具配合可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該型吊卡采用插板封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部設(shè)有機(jī)械楔塊，避免因遇到液壓損失時吊卡的意外打開，特殊設(shè)計的吊耳可將吊卡以一定的角度鎖定到套管上，無需手扶，可配套使用集成安全連鎖系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制式單根吊卡取代傳統(tǒng)吊卡和相關(guān)操作人員，大幅提高了作業(yè)效率及安全性。如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制式單根吊卡

1.2.4控制系統(tǒng)

Weatherford頂驅(qū)下套管控制系統(tǒng)由控制臺(如圖4)、司鉆控制器(如圖5)、控制線纜等組成。控制臺用于控制頂部驅(qū)動工具擺臂的伸出與縮回，內(nèi)卡瓦機(jī)構(gòu)的復(fù)位與張開，遠(yuǎn)程控制式單根吊卡的關(guān)閉與打開，液壓卡瓦的抱緊與松開。司鉆控制器主要用于顯示頂部驅(qū)動工具內(nèi)卡瓦、轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦、遠(yuǎn)程控制式單根吊卡和接箍探測器的狀態(tài)，并和控制臺共同控制轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦的打開。控制系統(tǒng)內(nèi)包含集成安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。

1) 轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦和遠(yuǎn)程控制式單根吊卡的聯(lián)鎖。控制臺上的2個操作閥可感應(yīng)卡瓦和吊卡的“開”和“關(guān)”的位置，在設(shè)定的安全距離外，卡瓦和吊卡不能同時打開，防止套管的意外墜落。

2) 轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦和頂部驅(qū)動工具內(nèi)卡瓦的聯(lián)鎖。控制系統(tǒng)只有識別到頂部驅(qū)動工具

內(nèi)卡瓦卡在套管本體內(nèi)壁，而非接箍處，且咬合力達(dá)到設(shè)定值，控制臺操作人員和司鉆才能給轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦泄壓。在對轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦泄壓時，先由控制臺操作人員對卡瓦泄壓，此時，卡瓦并不會松開，只有當(dāng)司鉆在司鉆控制器上按下“確認(rèn)”按鈕后，卡瓦才會泄壓，松開套管。正常下套管作業(yè)時，轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦和頂部驅(qū)動工具內(nèi)卡瓦不能同時打開。該設(shè)計可防止操作人員在司鉆未準(zhǔn)備好的情況下誤操作給轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦泄壓，極大地提升了下套管作業(yè)的安全性。

圖4 控制臺 圖5 司鉆控制器

1.2.5轉(zhuǎn)矩監(jiān)測系統(tǒng)

JAMPro轉(zhuǎn)矩監(jiān)測系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩顯示器及傳輸線纜等組成。如圖6，轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在頂部驅(qū)動工具上，單獨采集轉(zhuǎn)矩信號，而非借助頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩信號。該系統(tǒng)可以監(jiān)測螺紋損壞情況，并在卸扣模式下使用電子式傳感器監(jiān)測卸扣轉(zhuǎn)矩，防止卸扣時損壞套管螺紋。JAMPro轉(zhuǎn)矩監(jiān)測系統(tǒng)配合Weatherford JAM Delta Dump軟件使用，可實時識別上扣過程中的臺階轉(zhuǎn)矩，并精確控制大鉗達(dá)到設(shè)計的三角形轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)動曲線圖，提供統(tǒng)計分析和轉(zhuǎn)矩監(jiān)測報告。此外，轉(zhuǎn)矩監(jiān)測系統(tǒng)可為司鉆設(shè)置獨立的轉(zhuǎn)矩顯示器(如圖7)，便于司鉆讀取套管上扣轉(zhuǎn)矩值以控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，防止損壞套管螺紋。

圖6 JAMPro轉(zhuǎn)矩監(jiān)測系統(tǒng)

圖7 司鉆轉(zhuǎn)矩顯示器

1.2.6液壓動力系統(tǒng)

Weatherford液壓動力系統(tǒng)采用電動式液壓動力源，是針對臨時性安裝而設(shè)計，只要運(yùn)抵井場連接至400 V電源，為液壓泵電機(jī)提供動力，即可為工具設(shè)備提供液壓動力。液壓動力源通過液壓管線接入到控制臺，再從控制臺連接至頂部驅(qū)動工具、遠(yuǎn)程控制式單根吊卡、轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦等設(shè)備。

2 頂驅(qū)下套管作業(yè)程序

Weatherford頂部驅(qū)動工具下套管作業(yè)程序和

常規(guī)接鉆桿類似，作業(yè)程序如圖8所示。

1) 伸出頂部驅(qū)動工具擺臂，遠(yuǎn)程控制扣好套管單根吊卡。

2) 司鉆上提游車，從坡道拉起套管單根。

3) 司鉆上提游車到合適高度位置，收回擺臂使套管居中。

4) 司鉆下放游車，進(jìn)行套管對扣。

5) 對扣成功，司鉆繼續(xù)下放游車，在導(dǎo)向頭的引導(dǎo)下，頂部驅(qū)動工具進(jìn)入套管內(nèi)部，內(nèi)卡瓦咬合套管內(nèi)壁。

6) 司鉆轉(zhuǎn)動頂驅(qū)帶動頂部驅(qū)動工具旋轉(zhuǎn)，完成套管上扣。

7) 上提套管柱，釋放作用在轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦上的套管柱懸重。

8) 套管操作人員在控制臺打開轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦，手勢示意司鉆，司鉆按下司鉆控制器“確認(rèn)”打開按鈕，轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦才會打開；

9) 旋轉(zhuǎn)頂驅(qū)，邊旋轉(zhuǎn)邊下放套管柱。

10) 遠(yuǎn)程控制打開套管單根吊卡，伸出擺臂，準(zhǔn)備扣下一根套管。

11) 繼續(xù)下放套管柱到合適位置，關(guān)閉轉(zhuǎn)盤安裝式卡瓦。

12) 松開頂部驅(qū)動工具內(nèi)卡瓦，上提游車，繼續(xù)連接下一根套管單根。

圖8 頂驅(qū)下套管作業(yè)程序

3 現(xiàn)場應(yīng)用及分析

3.1 番禺油田應(yīng)用

番禺油田位于南海東部珠江口盆地，油田所在海域水深約100 m。2014—2016年，共完鉆5口大位移水平井和1口大位移定向井，6口井平均井深5 800 m，?311.2 mm井段穩(wěn)斜角度67～84°，最大穩(wěn)斜段長4 822 m，其中，244.5 mm套管平均下深4 910 m，最大下深6 122 m(如表1)。為了降低大位移井下套管作業(yè)的風(fēng)險，采用Weatherford頂驅(qū)下套管技術(shù)，下入過程采用全程漂浮方式，大鉤載荷和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩均在正常范圍內(nèi)變化，順利地將6口井的244.5 mm套管下至設(shè)計深度(如表2)。

表1 番禺油田大位移井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計

注：頂驅(qū)驅(qū)動工具、頂驅(qū)、游車自由懸重為254 kN。

3.2 實例分析

PY10-5-A1H井是番禺油田實施的一口高難度大位移井，實際斜深7 646 m，垂深2 420.3 m，水垂比達(dá)2.76。該井?311.2 mm井段深度6 122 m，穩(wěn)斜角76°，裸眼段長度達(dá)4 822 m，244.5 mm套管設(shè)計下深6 114 m。經(jīng)計算模擬，常規(guī)的邊下套管邊灌鉆井液的方式無法下入到位[8]，大位移井常用的漂浮接箍下入法也存在著諸如漂浮接箍失效、遇阻時處理手段有限、擊破漂浮接箍破裂盤瞬間產(chǎn)生高壓壓漏地層等問題[9]，給該井的下套管作業(yè)帶來了很大困難。借助Weatherford頂驅(qū)下套管技術(shù)，并結(jié)合該井的實際情況，采用全程漂浮旋轉(zhuǎn)下入法，順利地將該井的244.5 mm套管下至設(shè)計深度。

PY10-5-A1H井244.5 mm套管下入初期，借助套管柱自重，無需旋轉(zhuǎn)管柱即可下入，在2 930 m時借助Weatherford頂驅(qū)下套管系統(tǒng)開始旋轉(zhuǎn)套管柱。未旋轉(zhuǎn)套管柱前，2 930 m處大鉤載荷僅為203 kN，頂驅(qū)自由懸重為254 kN，需要將頂驅(qū)重力壓在套管柱上才能下入。開始旋轉(zhuǎn)套管柱時，大鉤載荷從203 kN增加到290 kN(如圖9)。通過旋轉(zhuǎn)套管柱，減小了套管下入摩阻。在下入遇阻時，可以旋轉(zhuǎn)、上提、下放、甚至下壓套管柱，處理手段多樣，為套管柱下入到位提供了技術(shù)保障。同時，旋轉(zhuǎn)下入法不僅減小了下入過程中的壓力激動，降低了在窄安全密度窗口處壓漏地層的風(fēng)險，也避免了套管柱與井壁長時間接觸而造成壓差卡套管等一系列井下復(fù)雜情況的發(fā)生[10]。

圖9 PY10-5-A1H 244.5 mm套管下入過程中大鉤載荷變化示意

4 結(jié)論

1) 常規(guī)下套管方法越來越難以滿足深井、大位移井、大斜度井等高難度井的下套管作業(yè)的需求，頂驅(qū)下套管技術(shù)為此提供了有效的解決途徑。

2) Weatherford頂驅(qū)下套管系統(tǒng)集機(jī)械、液壓控制于一體，設(shè)備集成化、自動化程度高，控制系統(tǒng)含有集成安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，現(xiàn)場適用性強(qiáng)，操作便捷，安全性高。

3) 番禺油田6口大位移井244.5 mm套管下入實例表明：頂驅(qū)下套管技術(shù)可以精準(zhǔn)控制上扣轉(zhuǎn)矩，避免套管螺紋損傷，旋轉(zhuǎn)下入時增加了大鉤載荷，減小了套管下入摩阻，套管遇阻時的處理手段多樣，有效避免了各種井下復(fù)雜情況的發(fā)生，是大位移井下套管作業(yè)成功的有力保障。

4) 國外的頂驅(qū)下套管工具已有成熟的系列化產(chǎn)品，且在油田現(xiàn)場有許多的應(yīng)用，國內(nèi)也有廠家生產(chǎn)出部分型號的產(chǎn)品，但尚未形成系列化。國內(nèi)的頂驅(qū)下套管裝置在安全聯(lián)鎖保護(hù)、自動化程度、操作便捷性、現(xiàn)場適用性等方面還存在不小的差距，應(yīng)加快技術(shù)研發(fā)，縮小與國外廠家之間的差距。

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ApplicationofCasingRunningTechnologywithTopDrive

LI Wenjin1，TIAN Zhixin1，LEI Hong1，WANG Lei1，CHEN Jiao1，WANG Zhiwei1，2

(1.PanyuOperatingCompany，CNOOC，Shenzhen518000，China；2.CollegeofOilandNaturalGasEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China)

The features of Weatherford’s casing running technology with top drive have been introduced，the top drive casing running system’s components have been focused in detail，and operation procedure was summarized according to the field trail.Field application have been conducted successfully in Panyu oilfield 6 Extended Reach Wells (ERWs) 244.5 mm casing running operation，the potential benefits of this technology were elaborated.Control make-up torque accurately，reduce friction factor under rotation circumstance，and avoid downhole complications.The practice showed that it ensured the safety and success of casing running operation in ERWs.Recommendation were given for the development of casing running technology with top drive，narrow down the technical gap between domestic and foreign manufacturers for providing the advantage of this technology in drilling industrial in China.

top drive；casing running technology；operation procedure；extended reach well

1001-3482(2017)06-0051-06

2017-05-16

國家自然科學(xué)基金項目(51274168)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2013CB228003)

李文金(1972-)，男，四川宜賓人，工程師，主要從事海上鉆井、完井、井下作業(yè)及鉆機(jī)管理工作。

TE952

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.011