外夾式頂驅下套管裝置的研制及應用

鄧榮，董毅軍，王德貴，閻永宏，張宏橋，王文超

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

隨著油氣行業勘探開發水平井、大位移井的數量逐年攀升，對水平井、大位移井套管的下入能力和安全性提出了全新挑戰[1-5]。傳統動力套管鉗在應用到大位移水平井時，難以克服超深井隨著井深增加而井眼彎曲、套管串自重大帶來的較大摩擦阻力和彎曲應力，特殊工況下又較大依賴于柔性套管[6]。此外，傳統下套管工藝無法在下套管遇阻時循環鉆井液，對井眼的穩定性要求高。

早期國外石油服務公司，如Weatherford、Tesco、NOV等就進行了關于頂部驅動下套管工具[7-8]的研發應用。由于技術封鎖，我國在大位移水平井等高難度油氣井開發初期采取租賃國外頂部驅動下套管裝置作業，高額租賃費用和服務費用極大地增加了油氣開采的成本。國內石油服務公司于20世紀90年代開始自主研制同類產品，但現有產品在應用中暴露出夾持時易破壞套管、上提套管過程損壞套管接頭或裝置本身[9]、長時間旋轉時主體嚴重發熱、泥漿循環漏失[10]等問題。因此寶石機械有限公司針對現有國產頂驅下套管裝置在應用中的問題，研制了外夾式頂部驅動下套管裝置，以更好地適應高難度開采油氣田的開采所需。

1 頂驅下套管工藝及接口信息

頂驅下套管裝置是一種新型的自動套管送入裝置，利用頂驅旋轉動力，精確控制套管上、卸扣過程中的轉矩。可實現套管的抓取、上扣、旋轉、下入，同時灌注或循環泥漿，能適配多規格的套管進行下套管作業。圖1為外夾式頂驅下套管裝置安裝示意圖。

圖1 外夾式頂驅下套管裝置安裝

頂驅下套管裝置在入場前必須對接口相關信息進行確認。

1）確認頂驅可提供的轉矩大小、轉速信號接口、電源接口和保護接頭扣型，寶石機械有限公司研制的外夾式頂驅下套管裝置針對頂驅常規保護接頭規格配置有NC50、REG 6-5/8、FH 5-1/2三種轉換接頭，可基本滿足國內陸地油氣鉆機選用。

2）確認井口對中偏斜度，偏斜度過大時需調整頂驅居中度，頂驅偏斜度過大時可旋轉下套管，無法對扣。

頂驅下套裝置下套管工作過程[11]如圖2所示，具體如下：1）抓取。抓取首根套管下放至鉆臺面，套管卡瓦夾緊。2）對扣。抓取第二套管上提到合適高度后與套管卡瓦內的套管對扣。3）上扣。下放頂驅下套管裝置到位后，套管卡瓦夾持住首根套管，頂驅旋轉帶動第二套管旋轉完成與首根套管上扣。4）下放。松開套管卡瓦，下放已連接的套管柱到合適位置后，套管卡瓦夾持住第二套管再脫開頂驅下套管裝置，完成一次下套管作業。重復以上操作過程完成下套管作業，作業過程中可根據需要旋轉、灌漿或循環套管。監測系統則對作業過程進行監控，并記錄、存儲下套管作業中的各項數據。

圖2 頂驅下套管裝置工作過程

2 技術分析

2.1 工作原理

外夾式頂驅下套管裝置主要由液壓系統、執行器總成、外夾式總成、防扭架、抓管系統（抓管臂或延伸吊環）、監測系統總成組成。圖3為外夾式頂驅下套管裝置機械結構示意圖。

圖3 外夾式頂驅下套管裝置

作業時，液壓系統供液驅動執行器總成內的執行液缸運動，帶動外夾式總成內的六方斜面卡瓦裝置動作，六方斜面卡瓦[13]與楔型卡瓦芯軸配合（如圖4），實現對套管的夾持、松開，通過傳遞頂驅旋轉的轉矩實現套管的上扣、卸扣。

圖4 卡瓦總成結構

2.2 主要技術參數

可夾持套管范圍為4-1/2 ～7 in；抗拉載荷為3150 kN；工作最大轉矩為50 000 N·m；最大轉速為30 r/min；密封壓力為35 MPa。

3 關鍵技術

1）采用大圓周包絡角的六方斜面卡瓦[12]（如圖5），具有合理的牙型和更大接觸面積，現場應用時在套管面上僅留下微小壓痕（如圖6），極大地減小了對套管的損壞[7]。

圖5 六方斜面卡瓦

圖6 兩倍載荷下套管壁牙痕

2）外夾式總成內設指針系統。上扣前套管進入頂驅下套管裝置內部，未接觸到內筒時指針處于收回狀態；當套管進入斜面卡瓦正確夾持位置后，套管接觸內筒，彈簧壓縮，內筒將指針頂出，司鉆房內視頻監測系統觀察到伸出的指針后，提示套管上提到位（如圖7），斜面卡瓦夾緊套管后上扣，避免斜面卡瓦夾持接箍表面最終造成套管柱落井的嚴重事故。

圖7 指針系統

3）導向頭設有小錐度球頭和小間隙直徑，良好密封性能保證下套管作業中泥漿循環不漏失，同時能防止工具在對接套管接箍時過度撞擊，又保持較好的導向能力，圖8所示為具有自密封性能的導向頭總成；膠筒采用微過盈長斜面導向結構，膠筒磨損后仍能保持密封的可靠性。膠筒材料為特殊配方的耐磨橡膠，并針對不同規格套管配用表面光滑的膠筒保護套，提高膠筒壽命，降低維保頻率。

圖8 導向頭總成

4）頂驅控制模塊與下套管裝置的操作系統集成化設計，形成了下套管作業中的安全呼應系統。如圖9所示，實現全天候、全氣象可靠傳遞操作指令，避免惡劣氣象環境造成下套管過程中作業的不便和誤操作。當頂驅下套管裝置在高空夾持套管到位后，司鉆房內頂驅控制集成模塊上的“上扣”指示燈亮，司鉆無需與鉆臺面的下套管裝置操作人員溝通即可進行頂驅的控制操作；下放已連接好的套管到位后，司鉆發出“釋放指令”，下套管裝置操作臺“釋放”指示燈亮，頂驅下套管裝置操作人員操作下套管裝置松開套管串，司鉆房內頂驅控制集成模塊上顯示下套管裝置“已釋放”指示燈亮，司鉆可直接進行頂驅的上提作業。下套管全過程不需人機呼叫，安全高效，通信順暢。5）選用推力滾子軸承，兩兩組合安裝，既能承受雙向軸向高載荷，又能徹底解決因旋轉摩阻過大而造成的發熱以及軸承壽命短的問題。采用整體式卡瓦殼體和整體式連接套設計，替代傳統的分體式連接套和兩段式卡瓦殼體，消除軸承偏心力，增設軸套加強對連接套的導向功能，提高軸承兩端安裝部件的同軸度，使產品更易于維護保養。

圖9 呼應系統

4 性能測試

為驗證本裝置的可靠性，進行了拉伸載荷試驗、轉矩試驗、密封試驗、運轉試驗等多項廠內功能試驗。在2000 t液壓拉力試驗機[13]上進行拉伸載荷試驗，分段式加壓，加載到6480 kN，保持加載5 min生成拉力-時間曲線，如圖10所示，卸載后主承載件無損探傷檢測結果符合標準要求；轉矩試驗選用5 1/2REG 套管進行加轉矩旋轉，轉矩加載到51 330 N·m，保持載荷5 min套管不打滑；35 MPa靜水壓密封，分段加壓到35 MPa，保壓5 min生成壓力-時間曲線如圖11所示，無可見泄漏；在設備運轉試驗臺進行連續24 h運轉后，測定軸承測溫顯示40.7 ℃，升溫遠低于國標要求。

圖10 載荷拉伸拉力-時間示意圖

圖11 壓力測試壓力-時間曲線

5 現場試驗

該裝置已在遼河油田多口水平井開展應用，2口大位移水平井全套管段采用本裝置下入，1口井水平段選用本裝置下入，具體作業井參數如表1所示。

表1 作業井參數

施工效果如下：全井段使用頂驅下套管裝置下套管時，循環泥漿過程順利無漏失，泥漿循環壓力為14 MPa，泵排量為13.5 L/s。常規傳統技術下豎直井段套管每小時下入15～20根套管，且水平段下套管時常規技術幾乎無法下入套管，本裝置在現場應用中下全井段套管每小時下入10～15根，能保持正常效率下入水平段套管，且循環泥漿無需拆裝下套管設備，在基本不影響下套管效率的前提下，高質量完成了水平段下套管作業。全井段使用本裝置下入套管作業過程中，司鉆與鉆臺面下套管操作人員呼應清晰，操作簡單方便。

6 結論

1）通過對六方斜面卡瓦、指針總成、導向頭總成、軸承及軸承座、呼應系統的優化設計、廠內各項試驗，驗證了外夾式頂驅下套管裝置工作原理正確，證實本裝置研制成功。

2）本裝置在遼河油田的不同井位應用中，提懸、下放套管動作正確，單根套管提升到位后視頻監測系統指示清晰明確；上、卸扣過程流暢無卡阻，且上、卸扣轉動過程平穩、軸承升溫遠低于標準規定；旋扣轉矩值監測反饋及時，下套管過程中泥漿灌注、循環可靠無明顯漏失，達到了大大降低下套管勞動強度的目的，且操作簡單，與頂驅設備的安裝、控制方便可靠，遇需循環泥漿時操作簡單，現場應用成功。

3）基于目前旋轉固井作業[14-15]的大趨勢，建議對頂驅下套管裝置和固井裝置進行整體研究，以實現下套管作業和固井作業更高效配合應用。