套管引鞋頭技術現狀及發展趨勢*

羅大鵬 侯乃賀 王 鵬 馮 定

(1.長江大學機械工程學院 2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術研究中心 3.中國石化石油工程技術研究院)

0 引 言

隨著國內油田開發大多進入中后期，油氣開發正朝著深層和非常規邁進，水平井和大位移井的開采作業也逐漸增多[1-2]。由于水平井穿過油層長度長，油氣層的裸露面積大，在提高油藏采收率的同時也使油井開發關鍵技術之一的套管下入變得困難[3]。套管下入關系到鉆井安全和油氣井壽命，被認為是鉆機上最低效和最危險的過程之一[4]。并且隨著大位移井的開發，井眼軌跡越發復雜，加上膨脹頁巖及坍塌等帶來的套管下入不到位、卡套管，甚至造斜段彎曲應力超過其強度極限而導致的套管破裂等也使套管下入問題越來越嚴重[5-7]。此外，對于大位移井，套管在水平段貼近井壁下側且與地層接觸段較長，摩擦阻力相當大[8]。常規的下套管方法難以使套管達到預定深度，并且遇到井眼縮頸等阻礙時無法解決[9]。而套管引鞋頭經過不斷地發展，已經具有引導、擴孔和清洗井壁等功能，廣泛應用于目前的下套管作業中，成為解決套管下入困難問題的有效途徑之一。

目前國外的套管引鞋頭技術較為成熟，在材料、制造加工工藝以及功能方面都較為先進。主要的生產公司有Varel公司、WWT國際公司、Schlumberger公司以及Weatherford國際公司等。與國外相比，國內對套管引鞋頭的研究涉及較少，主要有旋轉自導式套管浮鞋[10]、旋振自導式套管引鞋[11]、水平井專用多功能套管鞋[12]、?177.8 mm(7 in)自導式旋轉浮鞋[13]和新型水平井固井下套管牽引工具[14]等。但與國外的套管引鞋頭相比，國內在導向效果、擴眼和清潔井壁等方面還存在一定的差距。本文重點介紹了Varel公司、WWT國際公司、Schlumberger公司、Weatherford國際公司以及國內一些公司的套管引鞋頭，最后總結出其發展趨勢，對國內套管引鞋頭的研發具有一定的指導意義。

1 套管引鞋頭概述

套管引鞋頭是一種下套管作業時的引導工具，通常安裝在套管柱的下端，以引導套管柱穿過井筒中心[15]。為有利于后續的固井作業，引鞋頭上端一般有止回閥，可防止水泥漿在注入后回流到套管中[16]。通過對國內外套管引鞋頭的調研，總結得出國內外引鞋頭的類型可分為兩類，即導向鞋和擴眼鞋。導向鞋除了防止套管口與井壁刮擦外，還能在遇阻時通過旋轉，引導套管朝著阻力較小的路徑前進；擴眼鞋在井眼縮頸、巖屑床和頁巖膨脹等問題導致導向鞋引導失敗時使用，其帶有切削結構，可以擴眼、修整井壁及沖洗巖屑。目前，在現場應用中，套管引鞋頭還可以與頂驅下套管裝置、可循環井口加壓裝置以及下放過程中安放套管扶正器等聯合使用，使套管下入效率進一步提升[17-21]。

2 國外套管引鞋頭技術現狀

套管引鞋頭表面一般為半球圓弧狀或偏心半球圓弧狀，以減小與井壁之間的摩擦力；其上加工有多個噴嘴用于液流的噴射，可使巖屑懸浮后容易被攜出以及對井壁進行清洗。下面圍繞導向鞋和擴眼鞋兩類引鞋頭，結合現有的套管引鞋頭產品，對國外套管引鞋頭的結構和技術參數等展開敘述。

2.1 套管導向鞋

2.1.1 Varel公司的Pilot導向鞋

Pilot導向鞋是Varel公司近年推出的一種光滑的鋁制尖頭導向鞋。當存在困難井眼條件且傳統水泥頭浮鞋不能解決問題時，Pilot導向鞋可以依靠其特制導向頭與光滑機體使其在不影響引鞋頭強度的情況下通過阻礙，更加順利地進行下套管作業。其類型分為光滑體導向鞋(見圖1a)和光滑自調整導向鞋(見圖1b)兩種。其中，光滑自調整導向鞋的引鞋頭在套管下放遇阻時可以自動旋轉，調整好后自動鎖定不再旋轉，使其穩定順利地通過阻力段。不僅如此，Pilot引鞋頭周向加工有凹陷的傾斜流道，在引導的同時可以高效清潔井壁，減小管柱下入時的摩擦阻力。該導向鞋適合的井眼直徑范圍為95.3～444.5 mm，可適應于外徑73.0～339.7 mm套管的下入。

圖1 Pilot導向鞋

2.1.2 WWT國際公司的JetGuide導向鞋

JetGuide導向鞋(見圖2)是WWT國際公司推出的套管導向鞋，分為標準和偏心兩種型號。其結構簡單，便于制造和加工，成本也低于金屬導向鞋的制造成本，但對于處理套管遇阻情況同樣有效。該引鞋頭采用聚氨酯材料制造，利于完成作業后的鉆除。與其他導向鞋相比，JetGuide導向鞋的特點在于前端用相比于其他導向鞋30倍的水力沖洗巖屑，利于鉆除巖屑的清洗，減小了套管下入的阻力。此外，JetGuide導向鞋中心孔轉換為全開模式后可解決噴嘴堵塞后的安全問題以及進行注水泥作業。該導向鞋的規格在450～1 800 mm之間，適用于外徑114.3～457.2 mm的套管下入作業。

圖2 JetGuide導向鞋

2.1.3 Weatherford公司的導向鞋

Weatherford公司的導向鞋產品主要是遇阻-自旋轉結構，如圖3所示。該產品旋轉時會增加套管或襯管的剛度，從而不便于從地面旋轉整個管柱或者由于聯軸器、精密完井組件的扭矩限制而不允許旋轉時，導向鞋能相對套管自動旋轉[22]。Free-Rotating Eccentric導向鞋遇到井壁的突出部分阻礙其正常導向或前進時，會產生側向力使導向鞋遠離障礙物旋轉，將套管引向阻力較小的路徑，加上引鞋頭偏心側加工有鉆槽和斷屑器，提高了孔的清潔速率，進一步減小了導向鞋通過障礙時的阻力，利于套管順利下到預定位置。全復合塑料制造的引鞋頭，方便作業完成后的鉆除。該導向鞋外徑為177.8～508.0 mm，中心孔直徑范圍為53.4～74.4 mm，適用于外徑194.7～508.0 mm的套管下入作業。

圖3 Free-Rotating Eccentric導向鞋

2.2 套管擴眼鞋

2.2.1 WWT國際公司的擴眼鞋

JetReam和ReamGuide擴眼鞋(見圖4a)為WWT國際公司的產品，具有鉸孔和鉆孔能力，其噴射能力與JetGuide導向鞋基本相同，但是在面對硬質地層的井眼縮頸時，依靠其嵌入式陶瓷切削結構，能有效地進行鉸削和切削運動，更加適用于解決困難地層的下套管問題。除此之外，其引鞋頭內部為鋁制框架(見圖4b)，可鑲嵌各類刀刃，外部采用的是聚氨酯材料，在保證一定耐用性的同時也容易被鉆除。JetReam和ReamGuide擴眼鞋的規格在450～1 175 mm之間，適合于?114.3～?298.5 mm套管的下入作業。

圖4 JetReam和ReamGuide擴眼鞋

2.2.2 Schlumberger公司的XCDR擴眼鞋

XCDR擴眼鞋(見圖5)是Schlumberger公司最新推出的套管擴眼鞋，適用于外徑范圍為127.0～250.8 mm套管的下入作業。XCDR擴眼鞋均為5葉片設計，葉片上安有柱狀刀具，數量為20～39個。該擴眼鞋有助于穿過巖架、鉆屑床以及套管可能懸掛的斷層。其切削結構為碳化鎢刀具，切削性能強，并且擴眼鞋前端非銳利的設計，避免了在遇到障礙需要轉動套管柱時的扭矩過大問題。葉片之間設計有大排屑槽，面積在1 935.5～11 883.9 mm2之間，使鉆屑更容易排出，結合前端的6噴嘴設計，使清潔和冷卻效果得以提升。對于作業完成后的鉆除，擴眼鞋主體采用銅基合金制造，利用常規PDC鉆頭即可以很容易地被鉆除。

圖5 ?139.7 mm XCDR擴眼鞋

2.2.3 Varel公司的Pen-O-Trator系列擴眼鞋

Pen-O-Trator擴眼鞋是Varel 公司專門設計用于幫助安裝套管、襯套或篩管的一種工具。該工具包括Pen-O-Trator(見圖6a)、Pen-O-Trator V2(見圖6b)以及Reaper導向擴眼鞋(見圖6c)，后兩者對切削結構和井眼清洗能力等方面進行了改進和優化，提高了擴眼效率和引導能力，更加適用于解決困難地層條件下的套管下入問題。Pen-O-Trator擴眼鞋的優勢在于其切削結構材料采用碳化鎢，使其具有很強的抗沖擊能力，結合其錐形紐扣刀片設計能減少鉆屑黏附，利于清潔。在遇到障礙物時，螺旋環繞的切削結構有利于在旋轉或者不旋轉的情況下進行引導及擴眼等作業。而Reaper擴眼鞋的前端為銳利的碳化鎢涂層刀片，清阻能力更強，加上前端的排屑槽設計可保持刀片的清潔，機身上的碳化鎢紐扣刀片可進一步清潔井壁，能解決極端井眼條件下的套管下入問題。該系列擴眼鞋的外徑為92.7～431.8 mm，適合連接的套管外徑為73.0～339.7 mm，適合直徑為95.3～444.5 mm的井眼進行下套管作業。

圖6 Pen-O-Trator系列擴眼鞋

2.2.4 Weatherford公司的DiamonBack系列擴眼鞋

Weatherford公司的DiamonBack系列擴眼鞋包括DiamondBack(見圖7a)、DiamondBack FR(見圖7b)、DiamondBack CC(見圖7c)以及CleanReame(見圖7d)4種。其共同特點在于通過各種口徑的大流量流道，防止了水泥泵送過程中的竄槽[23]問題。其中，DiamondBack和DiamondBack FR兩種擴眼鞋的切削結構為塊狀碳化鎢，在遇到堅硬地層和磨蝕性地層時依然能正常工作。兩者的主要區別在于前者采用鋁制，而后者則可采用復合塑料材料制造，使越過障礙物時的阻力更小。DiamondBack CC擴眼鞋的整體碳化鎢切削結構使其適用于軟-中等和不穩定地層，引導頭同樣采用鋁制，可承受沖擊載荷并且能被PDC鉆頭或者三牙輪鉆頭快速鉆除。CleanReam擴眼鞋的切削結構采用熱穩定多晶金剛石(TSP)或聚晶金剛石(PDC)，除了適用于堅硬、磨蝕性地層外，還能在侵蝕性的地層作業。該系列擴眼鞋設定質量為34～300 kg，流道流通面積為1.335～8.484 mm2，適應的套管外徑為88.9～508.0 mm。

圖7 DiamonBack系列擴眼鞋

3 國內套管引鞋頭

國內對于套管引鞋頭的研究主要集中在導向鞋，對于帶有切削結構的擴眼鞋研究較少。下面圍繞國內現有的一些套管引鞋頭的結構、主要技術參數和工作原理等展開敘述。

3.1 中石化旋振自導式套管引鞋頭

旋振自導式套管引鞋頭的主要特點在于其外壁上加工有6條螺旋棱，其側壁還開有多個射流孔，在液流反作用力下可使引鞋頭旋轉。工作時，引鞋頭在液力的作用下開始高速旋轉并通過中間的通孔噴射液流，沉積的巖屑在液流沖擊和螺旋棱攪動的雙重作用下懸浮于液流中，最后通過液流循環攜出井筒，由此減小套管下入時的阻力[11]。引鞋頭材料為鋁合金，可鉆性較好，便于工作后的鉆除。該引鞋頭工作轉速為60～80 r/min，軸向射流孔直徑為40 mm，切向射流孔直徑為20 mm，適應于直徑311 mm井眼的下套管作業。旋振自導式套管引鞋頭結構如圖8所示。

圖8 旋振自導式套管引鞋頭

3.2 中石化旋轉自導式套管浮鞋偏心引鞋頭

旋轉自導式套管浮鞋偏心引鞋頭下端設有主副兩個引導面，分別為大球面和小球面。大球面的引導能力強于小球面，所以工作時大球面正對接觸井壁時為最佳引導狀態。工作時，偏心引鞋頭與井壁摩擦會產生旋轉力矩，進而開始旋轉，直到左右螺旋槽同時接觸井壁時轉動停止，此時大球面正對接觸井壁，引導狀態為最佳[10]。該偏心引鞋頭最大外徑為153.7 mm，最高工作溫度為180 ℃，適用的套管外徑為139.7 mm，其結構如圖9所示。

圖9 旋轉自導式套管浮鞋偏心引鞋頭

4 套管引鞋頭材料

面對井下高溫、高壓的惡劣環境以及耐磨、抗沖擊等要求，還有考慮到工作完成后的可鉆除性，套管引鞋頭材料的選取對于其正常穩定地工作十分重要[24]。根據現有套管引鞋頭的材料，結合上述工具的結構，對套管引鞋頭材料的類型、功能特點以及材料的加工方法進行介紹。

導向鞋的材料主要有鋁制合金、聚氨酯和復合塑料等。其中，鋁制合金特點在于強度高、耐熱性和抗腐蝕性能較好，加工簡單方便，常采用高速銑削進行加工；而聚氨酯具有較高的強度、氧化穩定性、柔曲性、回彈性以及優良的耐磨性，常通過澆注成型；塑料復合材料的比強度和比模量較高，耐疲勞性能好，具有良好的減振性、減摩性、耐磨性和耐蝕性，加工方便，也常通過澆注成型。

擴眼鞋的材料分為基體材料和刀刃材料。基體材料除了上述導向鞋所用的材料之外，還有銅基合金、鋁制框架+聚氨酯、鋁制框架+水泥等。其中，銅基合金具有優良的耐磨性、較低的摩擦因數以及高的疲勞極限，鑄造性能好，所以常采用鑄造成型；內部鋁制框架+外部聚氨酯的材料組合，一方面方便了更換各類刀具，另一方面聚氨酯的高強度、較好的氧化穩定性和耐磨性等特點也保障了擴眼鞋的工作效率和壽命，加工方法常為鋁制框架澆注聚氨酯成型；最后，還有鋁制框架和水泥的材料組合，不僅方便了與上端工具的連接，而且也使整個引鞋頭的強度得到了保證，其加工方法一般為鋁制框架在水泥中錨固。

擴眼鞋刀刃材料主要有碳化鎢、陶瓷、熱穩定多晶金剛石(TSP)以及聚晶金剛石(PDC)。其中，碳化鎢作為硬質合金的一種，具有良好的耐高溫和耐磨性能，其抗沖擊能力也很強，硬度與金剛石相近；而陶瓷材料則具有抗腐蝕、耐磨性好和耐高溫的特點，并且切削時的摩擦力小，積屑不易粘接在刀刃上；此外，熱穩定多晶金剛石(TSP)以及聚晶金剛石(PDC)也是擴眼鞋刀刃的常用材料，兩者都具有極高的硬度和良好的耐磨性，區別在于前者還具有很高的熱穩定性，適合于堅硬及侵蝕性地層的切削作業，而后者更適應于中硬、硬以及堅硬地層的切削作業。

5 典型應用

Weatherford公司的Free-Rotating Eccentric導向鞋于2014年在阿拉伯聯合酋長國海上油井中進行了下套管作業。由于該井為裸眼井，存在更多的不確定性，加大了下套管作業的難度[25]。利用防旋轉葉片+彈性弓形扶正器+Free-Rotating Eccentric導向鞋的下部工具組合，一次性運行完成了堆積鉆屑的清除，沒有對地層和套管柱造成過多損害，使?339.7 mm套管下到了預定深度。引鞋頭最后被PDC鉆頭在2.5 h內鉆除，表明其可鉆性較好。

WWT國際公司的JetReam擴眼鞋在美國得克薩斯州一口水平井進行了下套管作業。該井要在垂直段底部設置?244.5 mm套管，目標深度約為827 m。在嘗試多種導向鞋和擴眼鞋后問題依然沒有解決，采用浮動設備+彈性復合管+JetReam擴眼鞋的工具組合在遇阻段進行射流擴孔，成功通過二疊紀困難地層。該過程耗時10 h，通過了約122 m長的阻力段，最后成功將套管下至預定位置。

中石化的旋振自導式套管引鞋頭在涪陵地區的一口頁巖氣開發井進行了下套管作業[11]。該井由于造斜段存在巖屑沉積，作業時容易遇阻。為了防止因遇阻造成套管難以下入的情況，采用旋振自導式套管引鞋頭安裝于套管柱底部進行下套管作業，整個下入過程較為順利。其中，在經過最大井斜處采用邊循環邊下放的方式，清除了沉積的巖屑，該過程共耗時50 min，最后成功將?244.5 mm套管下放至設計井深。

6 發展趨勢及建議

通過對國內外套管引鞋頭進行研究，發現面對越來越復雜的井眼軌跡和困難的地層條件，套管引鞋頭正朝著解決復雜井眼環境套管下入問題方向發展。根據不同井眼和地層情況可以使用不同類型的引鞋頭，井筒為軟-中地層且無井眼縮頸及巖屑床堆積等問題時適合導向鞋作業；而面對硬質地層、存在井眼縮頸和巖屑床等一系列堵塞井眼問題時可采用擴眼鞋。同時，提出如下研發方向及技術攻關方面的建議：

(1)從套管引鞋頭的材料來看，引鞋頭的基體材料除了滿足耐高溫高壓、耐磨和抗沖擊等性能外，還應該有易被鉆除以及與井壁之間摩擦因數較小的特性，以減小摩阻，提高套管下放的成功率；對于刀具的材料應根據具體地層情況而定，碳化鎢和陶瓷較適合于軟-中地層及不穩定地層，而熱穩定多晶金剛石(TSP)以及聚晶金剛石(PDC)則適合于堅硬、磨蝕性及侵蝕性地層。

(2)從套管引鞋頭的結構來看，應讓引鞋頭更好地實現自旋轉以引導套管朝著阻力較小的路徑前進；引鞋頭的流道除了設計在前端外，可在圓周方向上布置流道增強清洗井壁的能力以減小下放阻力；適當地加大排屑槽面積以保持刀具清潔以及使巖屑等更好地流入環空而被鉆井液攜出井筒。

(3)從套管引鞋頭的應用技術方面來看，在滿足各部件正常工作的前提下，可加大鉆井液循環排量，以提高套管引鞋頭的射流清洗能力。