渦輪驅動式振蕩旋轉套管引鞋研制及應用

針對長水平井以及大斜度斜井套管下入摩阻大、易卡套、下入難等問題，研制了井下渦輪驅動式振蕩旋轉套管引鞋。建立了工具的三維模型，并通過Fluent軟件搭建了渦輪定子、轉子流場計算數值模型，探究了不同葉輪安放角對葉片壓力及表面流速的影響，進而對葉輪結構參數進行優化設計。搭建了套管動力引鞋工具地面測試試驗平臺，對其關鍵性能參數進行測試，結果滿足設計需求，并開展了相關現場試驗。試驗結果表明：該工具可通過鉆井液循環帶動井下引鞋頭旋轉，從而進行井壁的修整和井筒的沖洗，并幫助完井套管柱的順利下入，極大提高了作業效率。該研究可為水平井以及大斜度井完井管柱降阻下入工具的研制與應用提供技術借鑒，進而提高完井作業效率，降低施工成本。

水平井；巖屑床；渦輪驅動；套管引鞋；井下動力引鞋

TE925

A

DOI： 10.12473/CPM.202403073

Development and Application of Turbine-Driven

Oscillating Rotary Casing Guide Shoe

Chen Xiaoyuan1" Wu Bo1" Shi Huaizhong2" Xiong Chao3" Qu Zixiao2" Wang Wei1" Zhou Zhigang4

（1.Sinopec East China Oil Engineering Company Limited;2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering， China University of Petroleum （Beijing）;3.College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum （Beijing）;4. Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation）

To address the issues of high friction， possible sticking and difficult running of casing in long horizontal wells and highly deviated wells， a downhole turbine-driven oscillating rotary casing guide shoe was developed. A 3D model of the tool was built， and numerical models for the flow fields of the turbine stator and rotor were built using the Fluent software. The blade pressure and surface velocity at different impeller set angles were investigated， and then the structural parameters of the impeller were optimized. A ground test platform for the casing power guide shoe was established to test the key performance parameters， and the results met the design requirements. Relevant field test was also conducted. The test results show that the tool can rotate the downhole guide head through the circulation of drilling fluid， thereby dressing the sidewall and flushing the wellbore， and helping to smoothly running the completion casing string. The research results provide valuable reference for the development and application of drag reduction running tools of completion string in horizontal wells and highly deviated wells， thereby improving the completion operation efficiency and reducing the construction costs.

horizontal well;cuttings bed;turbine-driven;casing guide shoe;downhole power guide shoe

基金項目：中石化石油工程公司2019年科研項目“動力引鞋輔助下套管裝置的研發與應用”（SG19-89K）的部分研究成果。

0" 引" 言

陳小元，等：渦輪驅動式振蕩旋轉套管引鞋研制及應用

“十三五”以來，我國原油消費量穩居世界第二位，但目前國內石油勘探開發面臨著“優質石油資源發現難、已開發主力油田產量穩定難”的挑戰，國內原油產量遠不能滿足需求量。致密油氣、低滲油氣及頁巖油氣藏等特殊油氣資源是能源重大戰略的接替領域，低本高效開發非常規油氣，對增加清潔能源供應，改善我國能源結構，形成油氣勘探開發新格局，提高資源安全水平具有重要意義。針對以上非常規油氣資源的開發利用，長水平段水平井技術具有更大限度地提高產量和采收率的技術優勢［1-2］。然而由于垂深短、水平位移大導致鉆進過程中井眼軌跡控制難、巖屑床堆積以及井徑變化大等問題［3-4］，增加了下入套管過程中管柱所受摩阻［5］，導致難以順利將套管下入井底。

針對上述問題，國內外專家通過研發多種套管下入輔助工具和裝置，如擴眼工具、漂浮接箍［6-9］、頂驅旋轉下套管裝置［10-12］、Turbocaser工具、水平井專用多功能套管鞋、旋轉自導式套管浮鞋以及鉆擴固一體化下套管動力牽引器等，以此提高套管下入效率。張明昌等［6］研制開發了新型XPJQ系列下套管漂浮減阻器，依據套管在下入過程中的受力大小、狀態及影響因素，利用漂浮接箍或漂浮減阻器將水平段套管內部全部掏空，以有效降低套管正壓力、減小套管下入摩擦阻力，并在勝利油田勝2-平-17井開展現場試驗，斜井段640.34 m，水平段長315.66 m，試驗過程中有效降低了套管的下入難度。周戰云等［7］針對頁巖氣水平井套管下入困難、水平井眼套管居中度差等問題，研制了偏轉自導式套管引鞋以及偏心式套管剛性滾輪扶正器；該扶正器通過自導偏轉結構，減小下入套管時所受阻力，并成功在焦頁87-3HF井開展試驗及應用，試驗井段占封固井段93.3%以上。李維等［8］預測了大位移水平井采用常規下套管工藝的摩阻載荷，分析了漂浮下套管的技術原理與優勢，計算了漂浮接箍安放在井深不同位置處的摩阻載荷，對摩阻載荷隨井深的變化趨勢進行了分析，并對不同漂浮接箍的初始安放位置進行摩阻測試，得到了最優安置區間。雖然，通過漂浮接箍可以有效減小套管與井壁間摩阻，但針對井眼井徑差更大的水平段，該技術仍存在無法使套管安全高效下入的問題。對此，美國Weatherford公司研制了一種頂驅下套管裝置，并且在英國、俄羅斯及阿爾及利亞等國成功應用。其主要特點為：①與重力補償裝置集成一體化，②內部安全鎖定機構能夠防止套管柱的脫落，③形成了一套外夾持機構的專利技術［13］。該技術通過頂驅驅動套管旋轉，以此減小套管下入時阻力，但對于巖屑床堆積嚴重的長水平段，套管下入難度依舊較大。

針對上述問題，筆者提出一種渦輪驅動式振蕩旋轉套管引鞋工具，通過水力能量驅動套管引鞋破碎井眼中巖屑床，當遇到縮徑嚴重的水平段時，可通過破巖適當擴大井眼尺寸，以此保證套管的順利下入。該技術對安全下入套管、縮短下入時間、保證套管密封效果、提高固井質量等具有重要意義。

1" 技術分析

1.1" 結構及工作原理

該引鞋整體結構如圖1所示，主要由偏心旋轉引鞋、渦輪馬達動力短節、振蕩短節及安全旁通閥、殼體等組成。

殼體上端有內螺紋，用于與套管連接；殼體內有渦輪組，下端與偏心旋轉引鞋連接。偏心旋轉引鞋帶有金剛石復合片刀翼，刀翼之間有水眼，加工專用簡易循環頭，實現地面方鉆桿或頂驅與套管連接，并建立循環。下部偏心旋轉引鞋可自由轉動，引導套管下入，遇阻嚴重時，帶渦輪組的動力短節可在開泵情況下驅動偏心旋轉引鞋，將扭矩傳遞到旋轉頭上，使之旋轉破壞遇到的臺階、巖屑床等障礙物；同時振蕩短節進行縱向振蕩，將靜摩擦轉換為動摩擦，減小套管的下入摩阻。當套管下到預定位置注替水鉆井液固井時，振蕩短節持續振蕩及偏心旋轉引鞋繼續旋轉，振動波從井底向上傳遞，可在一定長度的環形空間形成振動波場。在振動波的作用下，套管柱和鉆井液產生振動，實現振動固井，提高頂替效率，避免微間隙的產生，從而提高固井質量。

1.2" 關鍵部件結構設計

1.2.1" 偏心旋轉引鞋

偏心旋轉引鞋放置于整體工具的最前端，與常規引鞋結構不同，其采用了刀翼式及頂端非對稱的偏心結構，并在刀翼上鑲嵌PDC切削齒，如圖2所示。在套管下入過程中，若遭遇阻力大、套管難以下入等問題，可通過鉆井液驅動引鞋上端的渦輪動力組合，帶動偏心引鞋，進而破碎長水平段巖屑床，改善井眼清潔度。為了提高攜巖性能及工作強度，射流孔徑設計為9 mm。

1.2.2" 渦輪馬達動力短節

渦輪馬達動力短節結構如圖3所示，主要由渦輪組、心軸、殼體及懸掛支承軸承等組成，實現輸出軸轉動，驅動前端偏心旋轉引鞋旋轉，除去砂橋、臺階、掉塊、巖屑床等下套管障礙。渦輪設計低速大扭矩葉片，可實現低轉速、高扭矩。

渦輪結構如圖4所示。渦輪的定子與轉子是渦輪動力的核心結構，通過它可以將高速流動的鉆井液的動能轉化為旋轉動能。

其中渦輪最大外徑為114 mm，葉片高度11 mm，葉片數量16個。

1.2.3" 振蕩短節

振蕩短節結構如圖5所示，上端接安全旁通閥，下端接渦輪短節與偏心旋轉引鞋。基于流體附壁效應自激振蕩原理，其特殊腔室在循環時產生附壁效應［14］，引起周期性壓力激動，伸縮短節在波動壓力的作用下產生振動，對套管柱產生沖擊，實現套管串的軸向振蕩，軸向振蕩使套管串與井壁之間的靜摩擦轉化為動摩擦，降低套管下入摩阻，在固井階段振蕩有益于提高固井質量。

2" 渦輪流場模擬及動力分析

渦輪是將鉆井液的動能轉化為引鞋旋轉動能的核心結構，其性能直接影響到工具的使用效果。本研究針對渦輪結構，建立三維模型，并通過Fluent軟件進行流場模擬計算。將定子入口設置為速度入口邊界，入口流速設計為30 L/s，定子及定子域壁面設置為無滑移壁面，定子域設置為靜止;轉子及轉子域壁面設置為旋轉壁面，轉子域設置為旋轉流域，旋轉軸為z軸。單級渦輪的葉片壓力分布如圖6所示。

由圖6可知，葉片壓力面附近壓力大于吸力面附近壓力，而最大壓力區域位于定子前緣附近，隨著轉速增大，定子與轉子流場內最大壓力值有增加的趨勢。當轉速較大時，定、轉子葉片吸力面出現輕微脫流現象，脫流區域的壓力一般較低。而工具定、轉子吸力面最大厚度位置處流體速度最大，故這里的壓力最小，甚至出現了負壓值。為了增加葉輪葉片強度，改良受力狀態，分析了排量為30 L/s時，不同安放角度下葉輪表面所受的最大壓力，如圖7所示。

葉片工作面的最大受壓隨排量的變化趨勢如圖8所示。由圖8可知，當排量越大時，葉片工作面所受的最大壓力越大。

為了維持葉輪組的穩定工作，延長葉片的使用壽命，選取工作排量范圍為25～30 L/s。由圖9所示結果可知，當葉片的安放角度越大，葉片工作面最大受壓力越小，為了延長葉輪的使用壽命，應盡量設計更大的安放角。但安放角越大會導致葉輪轉子轉速降低，從而影響了葉輪組的動力輸出能力。因此需要明確安放角變化對轉速的影響規律。

轉速隨安放角變化關系如圖10a所示。由圖10a可知：葉輪轉速隨著安放角的增大而減小，排量較大時接近線性減小；排量較小時，轉速減小的速度越來越快。安放角越小，相同條件下作用于葉輪的水力扭矩越大，轉速越高。安放角為66°，排量為15 L/s時，葉輪轉速最低為216" r/min；安放角由30°增加至63°時，不同排量下轉速的平均減幅為648" r/min。為了滿足引鞋破巖轉速需求，設置安放角為52°。

圖10b所示為該參數條件下，葉輪表面流體速度分布云圖。由圖10b可以發現，定子吸力面尾部有輕微脫流現象，轉子未出現脫流現象，說明葉型設計較合理。

3" 動力性能測試及現場試驗

3.1" 動力性能測試

搭建渦輪組測試試驗平臺如圖11所示，工具測試時循環介質為清水。通過鉆井泵將清水從液罐中泵入待測工具中，通過工具前后壓力傳感器測得清水經過工具后的壓力差、壓降幅值、振蕩力以及振蕩頻率等參數。其中振蕩力由力傳感器數值顯示的波峰與波谷差值計算而來。

不同壓降、壓降幅值、振蕩力及振蕩頻率隨排量變化規律如圖12所示。由圖12可得：壓降、壓降幅值、振蕩力以及振蕩頻率隨排量的增加均增加；壓降與排量近似為線性變化關系；隨著排量不斷增大，壓降幅值及振蕩頻率增加更為明顯。當測試排量為25 L/s時，測得工具振蕩力為34.1 kN，滿足設計要求。除此之外，壓降幅值為2.87 MPa時，滿足轉速所需的2.5 MPa壓降值。經過測試試驗可得，該工具的各向參數均滿足設計要求。

3.2" 現場試驗

3.2.1" 朝16X井試驗

朝16X井是海南福山凹陷朝陽構造帶一口定向預探井，該井定向點淺（260 m），“五段制”剖面，實際完鉆井深3 742 m，最大井斜53°，最大位移2 302 m。由于流沙崗組地層水敏性強、坍塌壓力高，導致完鉆后垮塌嚴重、井斜大、巖屑床厚、軌跡起伏、摩阻大等問題。同時，該井在測深3 000 m以后由于砂泥巖夾層多、井徑極不規則，在多個井段進行反復劃眼，下套管過程中遇阻嚴重。為確保套管下至預定井深，采用動力引鞋：139.7 mm鋼級P110動力引鞋×2.56 m+短套管×2.04 m+浮箍×0.22 m+套管×11.35 m+浮箍×0.22 m+套管串×3 602.92 m。試驗過程如下：

（1）入井前，進行了井口測試，結果顯示，鉆井液密度1.49 g/cm3，黏度132 s，排量達到30 L/s時，工具串壓耗為5.5 MPa，滿足現場固井施工要求。

（2）該井套管串下至3 000 m以后，數十個井段遇阻，其中在3 160和3 199 m井深遇阻情況最為嚴重，多次活動無法下入。隨后，接頂驅開泵，排量30 L/s，開泵驅動引鞋旋轉破除臺階、巖屑床等，一次通過，最終確保套管下至預定深度。

（3）隨后進行固井作業：注水鉆井液排量1.8 m3/min，最高泵壓12 MPa；鉆井泵替漿35 m3左右，隨后固井車頂替（5 m3左右），排量0.45 m3/min，泵壓從18 MPa逐漸上升碰壓后加壓至25 MPa，穩壓約5 min不降，固井施工順利完成。

經檢測，固井質量為優。該動力引鞋的應用，為該井創造福山油田朝陽區塊井深、套管下深最深的紀錄打下了堅實的基礎。

3.2.2 ""徐36斜井試驗

徐36斜井位于江蘇省揚州市境內，是一口定向預探井，設計井深3 908.62 m，井斜33°～34°。該井施工期間，鉆至3 030 m（戴南組），由于設計鉆井液密度較低（1.22 g/cm3），黑色高導泥巖發生垮塌，后續下鉆過程中多次遇阻。隨后下入渦輪驅動式振蕩旋轉套管引鞋：動力引鞋+套管+浮箍（浮球式）磁性短套管+套管+封隔器+磁性短套管。試驗過程如下：

（1）入井前進行了井口測試結果顯示，排量18 L/s時，泵壓1.1 MPa；排量30 L/s時，泵壓4.55 MPa，井口振動明顯，測試正常，滿足入井條件。

（2）該套管工具串下至3 078 m后遇阻嚴重，上提套管串后下劃，提高排量至20 L/s，施加鉆壓20～40 kN，用時30 min下放至預定井深3 084.20 m，下套管結束。

（3）與同地區鹽城5井相比，下套管時間縮短了39.34 h，下入套管效率提高168.42%。

4" 結" 論

（1）研發的渦輪驅動式振蕩旋轉套管引鞋在復雜的“八段制”軌跡、大井斜、“糖葫蘆”井眼多、“巖屑床厚”、起下鉆不暢通、劃眼時間長的朝16X井及徐36斜井進行了應用，有效地輔助了該井套管的順利下入，解決了套管下入難題，確保了該井的順利完井。表明該工具是一種有利于復雜井況條件下套管的安全下入、保證套管密封、提高固井質量的高效輔助下套管裝置，達到了設計目的。

（2）渦輪葉片壓力面附近壓力大于吸力面附近壓力，最大壓力區域位于定子前緣附近。并且隨著轉速的增大，定子與轉子流場內最大壓力值有增加的趨勢。當轉速較大時，定、轉子葉片吸力面出現輕微脫流現象，脫流區域的壓力一般較低。

（3）渦輪壽命直接影響了動力引鞋的使用效果。當排量越大時，渦輪葉片工作面所受的最大壓力越大。同時葉片的安放角度越大，葉片工作面最大受壓力越小，為了延長葉輪的使用壽命，應盡量設計更大的安放角。但安放角過大會導致葉輪轉子轉速降低。因此，需要在強度允許的范圍內盡量增加安放角。

［1］

江樂，梅明佳，段宏超，等．華H50-7井超4 000 m水平段套管下入研究與應用［J］．石油機械，2021，49（8）：30-38．

JIANG L， MEI M J， DUAN H C， et al. Investigation into casing running in over 4，000 m long horizontal-section of Well H50-7［J］. China Petroleum Machinery， 2021， 49（8）： 30-38.

［2］" 光新軍，葉海超，蔣海軍．北美頁巖油氣長水平段水平井鉆井實踐與啟示［J］．石油鉆采工藝，2021，43（1）：1-6．

GUANG X J， YE H C， JIANG H J. Drilling practice of shale oil amp; gas horizontal wells with long horizontal section in the North America and its enlightenment［J］. Oil Drilling amp; Production Technology， 2021， 43（1）： 1-6.

［3］" 朱化蜀，王希勇，徐曉玲，等．威榮深層頁巖長水平段工程鉆探能力延伸極限研究［J］．油氣藏評價與開發，2022，12（3）：506-514．

ZHU H S， WANG X Y， XU X L， et al. Extendability limit of engineering drilling in long horizontal section of Weirong deep shale gas［J］. Petroleum Reservoir Evaluation and Development， 2022， 12（3）： 506-514.

［4］" 郭元恒，何世明，劉忠飛，等．長水平段水平井鉆井技術難點分析及對策［J］．石油鉆采工藝，2013，35（1）：14-18．

GUO Y H， HE S M， LIU Z F， et al. Difficulties and countermeasures for drilling long lateral-section horizontal wells［J］. Oil Drilling amp; Production Technology， 2013， 35（1）： 14-18.

［5］" 陳勇，蔣祖軍，練章華，等．水平井鉆井摩阻影響因素分析及減摩技術［J］．石油機械，2013，41（9）：29-32．

CHEN Y， JIANG Z J， LIAN Z H， et al. Analysis of influencing factors of horizontal drilling friction and antifriction technology［J］. China Petroleum Machinery， 2013， 41（9）： 29-32.

［6］" 張明昌，張新亮，高劍瑋．新型XPJQ系列下套管漂浮減阻器的研制與試驗［J］．石油鉆探技術，2014，42（5）：114-118．

ZHANG M C， ZHANG X L， GAO J W. Developing and testing XPJQ series floating friction reducers for running casing［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2014， 42（5）： 114-118.

［7］" 周戰云，李社坤，郭子文，等．頁巖氣水平井固井工具配套技術［J］．石油機械，2016，44（6）：7-13．

ZHOU Z Y， LI S K， GUO Z W， et al. Supporting technology of shale gas horizontal well cementing tool［J］. China Petroleum Machinery， 2016， 44（6）： 7-13.

［8］" 李維，李黔．大位移水平井下套管漂浮接箍安放位置優化分析［J］．石油鉆探技術，2009，37（3）：53-56．

LI W， LI Q. Optimization of float collar position in extended reach wells［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2009， 37（3）： 53-56.

［9］" 焦亞軍，陳安環，何方雨，等．漂浮下套管技術在淺層頁巖氣水平井中的應用及優化［J］．天然氣工業，2021，41（增刊1）：177-181．

JIAO Y J， CHEN A H， HE F Y， et al. Application and optimization of floating casing running technology in shallow shale gas horizontal wells［J］. Natural Gas Industry， 2021， 41（Sup.1）： 177-181.

［10］" 張國田，鄒連陽，黃衍福，等．頂驅下套管裝置的研制［J］．石油機械，2008，36（9）：82-84．

ZHANG G T， ZOU L Y， HUANG Y F， et al. Development of top-drive casing-running device［J］. China Petroleum Machinery， 2008， 36（9）： 82-84.

［11］" 李驥然，趙博，米凱夫，等．旋轉下套管技術在川渝頁巖氣開發中的應用［J］．石化技術，2020，27（7）：90-92，145．

LI J R， ZHAO B， MI K F， et al. Application of top drive casing running technology in Sichuan and Chongqing shale gas exploration and development［J］. Petrochemical Industry Technology， 2020， 27（7）： 90-92， 145.

［12］" 李社坤，周戰云，任文亮，等．大位移水平井旋轉自導式套管浮鞋的研制及應用［J］．石油鉆采工藝，2017，39（3）：323-327．

LI S K， ZHOU Z Y， REN W L， et al. Development of rotary self-guidance casing float shoe and its application in extended-reach horizontal wells［J］. Oil Drilling amp; Production Technology， 2017， 39（3）： 323-327.

［13］" SHAHIN N D， CUMMINS T， ABRAHAMSEN E. Top drive casing running and drilling tools reduce well construction costs and increase safety［C］∥SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference. Manama， Bahrain： SPE， 2007： SPE 105304-MS.

［14］" 趙傳偉．自激式水力振蕩器的優化設計［J］．天然氣工業，2021，41（2）：132-139．

ZHAO C W. An optimization design of self-excited hydraulic oscillators［J］. Natural Gas Industry， 2021， 41（2）： 132-139.

第一陳小元，高級工程師，生于1969年，1994年畢業于江漢石油學院鉆井工程專業，現從事鉆井工程技術研究及管理工作。地址：（225261）江蘇省揚州市。電話：（0514）86761877。email：chenxy1.oshd@sinopec.com。

通信作者：史懷忠，研究員。email：shz@cup.edu.cn。

2024-03-19" 修改稿收到日期：2024-07-01

南麗華