旋轉引鞋套管下放工具研制與試驗

針對深井超深井以及水平井等高難度井井筒內普遍存在砂橋、巖屑床等導致的套管難以下放到位的問題，研制了一款以渦輪為動力元件的旋轉引鞋套管下放工具。通過建立渦輪定、轉子的三維模型，利用ANSYS仿真軟件對其進行流道抽取、仿真分析和水力性能預測，并搭建了10級渦輪試驗臺架進行水力性能試驗。試驗結果表明：試驗數據與仿真數據相符；渦輪最佳轉速區間為600～1 000 r/min，扭矩120～180 N·m，壓降穩定在1.6 MPa左右；在工作轉速100～200 r/min時，渦輪扭矩為245～290 N·m，滿足250 N·m的最大扭矩需求。但因單級渦輪設計扭矩大、葉片彎折角度大，導致流體在流經渦輪轉子時出現了明顯的脫流現象并形成了負壓區，后續將對渦輪葉片造型進行結構優化設計。所得結論可為旋轉引鞋套管下放工具的設計和優化提供技術支持。

旋轉引鞋；套管下放工具；渦輪；偏心導向頭；渦輪性能試驗

TE925

A

DOI： 10.12473/CPM.202401052

Development and Test of Rotary Guide Shoe Casing Running Tool

Guo Zhaohui1" Li Zhen1" Yao Huiqian1" Liu Wei1" Guan Feng2" Liu Xianming2

（1.Shelfoil Petroleum Equipment amp; Services Co.，Ltd.；2.School of Mechanical Engineering，Yangtze University）

Sand bridge and cuttings bed usually exist in the wellbore of deep，ultra-deep and horizontal wells，resulting in difficult to run the casing to the designated position.To solve this problem，a rotary guide shoe casing running tool taking turbine as power element was developed.A 3D model for stator and rotor of the turbine was built，and the ANSYS simulation software was used to conduct flow channel extraction，simulation analysis and hydraulic performance prediction.Moreover，a 10-stage turbine test bench was built to conduct hydraulic performance test.The test results show that the test data are consistent with the simulation data.The range of the optimum rotation speed of the turbine is 600-1 000 r/min，in such a case，the turbine torque is 120-180 N·m，and the pressure drop is stabilized at about 1.6 MPa.When the rotation speed range of the turbine is 100-200 r/min，the turbine torque is 245-290 N·m，meeting the maximum torque working requirement of 250 N·m.However，due to the large design torque and blade bend angle of the single-stage turbine，obvious stall phenomenon occurs and a negative pressure zone is formed when the fluid flows through the turbine rotor，and structural optimization design will be conducted on the turbine blade shape in the next step.The conclusions provide technical support for the design and optimization of the rotary guide shoe casing running tool.

rotary guide shoe；casing running tool；turbine；eccentric orienting head；turbine performance test

基金項目：湖北省中央引導地方科技發展專項“超深復雜工況井作業工具研制與應用示范”（2022BGE257）；湖北省教育廳重點科學研究項目“不同鉆井工況下溢流識別算法及自動化關井機理研究”（D20201305）；中國石油化工集團有限公司科技攻關項目“深層頁巖氣尾管回接壓裂管柱技術研究”（P21015）。

0" 引" 言

近年來，隨著鉆井技術的進步及油氣勘探需求的增加，深井超深井、大斜度井以及水平井的數量不斷增多，油氣開發也朝著深層和非常規邁進［1-2］。面對井筒內存在的臺階、砂橋、井眼軌跡不規則等問題，常規的下套管作業在下入過程中容易遇阻且下放不到位［3-6］。目前國內外常用小排量循環、上提下放的頂驅下套管技術應對此問題，但因套管下入摩阻大且無法處理井壁不穩定和井眼縮頸問題，已經無法滿足實際需要［7］；而對于井筒內部堆積的巖屑床和砂礫，提高鉆井液環空返速、改善鉆井液性能及機械清除等方式則存在較大的局限性，導致長水平井段的巖屑清理效果不佳。為此，國內外專家相繼開展新式套管下放工具的研究，研制了下套管牽引工具［8］、隨鉆擴孔下套管裝置、渦輪套管鞋等工具。

郭朝輝，等：旋轉引鞋套管下放工具研制與試驗

國外對旋轉引鞋工具的研究起步較早，技術較為成熟［9］，其主要研發公司有：ADMA-OPCO、Weatherford，Deep Casing Tools、Gotech等。ADMA-OPCO公司和Weatherford公司合作研制的自由旋轉偏心套管鞋可根據所接觸巖層實現旋轉，自行通過砂橋或障礙物，操作時無需旋轉套管柱［10］，操作完成后可被迅速鉆穿。Deep Casing Tools公司與Gotech公司研制的鉆井液馬達驅動渦輪套管鞋以渦輪馬達驅動套管鞋旋轉，利用套管鞋前端的鉸刀刮削巖壁，實現巖屑清理及擴眼功能［11-14］。

國內韓飛等［15］研制的管柱下放工具通過傳動心軸將套管的上下運動轉化為套管鞋的旋轉運動，利用套管鞋外壁硬質合金擴寬井眼。李社坤等［16-17］針對水平井造斜段極易形成巖屑床的問題，研制了一種疏散巖屑床的引導工具，通過水流噴射的反作用力驅動葉輪旋轉，同時帶動偏心振子產生振動，通過旋振作用清除巖屑床，消除套管下放阻力。

旋轉引鞋套管下放工具（簡稱旋轉引鞋工具）作為一種新式套管輔助下入工具，目前已經能夠進行旋轉導向，解決井眼縮徑、清砂等下套管遇阻的問題，但在旋轉扭矩、固井節流壓力及后續掃除可鉆性方面普遍存在缺陷。為此，本文提出一種新型旋轉引鞋工具，該工具采用低速大扭矩的渦輪結構提高旋轉扭矩；通過雙流道變換有效降低固井節流壓力，同時選用鋁、銅合金材料確保工具具有良好的可鉆性能。

1" 技術分析

設計思路：依靠鉆井液液力驅動的渦輪旋轉引鞋工具，由低速大扭矩渦輪驅動導向頭旋轉清除砂橋、巖屑床并修整井眼軌跡，利用合理分布的導向頭水眼與優化設計的刀翼結構沖散、攪動沉積巖屑，通過鉆井液循環將懸浮顆粒帶出井筒，幫助套管順利下放到位。

1.1" 整體結構

該旋轉引鞋工具結構如圖1所示。主要包括動力組件、雙流道組件、嚙合防轉組件及偏心導向頭。

其中，動力組件采用液力驅動渦輪，渦輪定、轉子通過鍵與鍵槽的配合分別與外殼、渦輪軸保持周向固定。為適應不同的工況條件，可適當增減渦輪定、轉子級數，以滿足引鞋工具不同的工作扭矩需求。雙流道組件采用破裂盤作為核心設計，在破裂盤破裂前后，旋轉引鞋工具內部分產生2條不同的流道，如圖2所示。其中流道1為渦輪所在的外殼與渦輪軸之間的環空，流道2為渦輪軸內部的空心區域。防轉嚙合組件由防轉套左和防轉套右組成，兩者通過對稱棘輪齒嚙合鎖緊實現渦輪機構防轉。

該旋轉引鞋工具作為一次性套管下放工具，外殼選用42CrMo材料保證機械強度，其余零部件均采用可鉆性能良好的鋁、銅合金，使用牙輪或PDC鉆頭可輕易將其鉆除。

1.2" 工作原理

1.2.1" 套管下放階段

連接旋轉引鞋工具與套管并下入井筒，下放過程遇阻時，開泵循環鉆井液。鉆井液通過流道1沖擊渦輪定子，經定子葉片導流后沖擊渦輪轉子并帶動渦輪軸旋轉，進而帶動傳動軸及偏心導向頭旋轉；偏心導向頭外表面設有循環水眼和刀翼，高速旋轉時刀翼可刮削井壁、攪動巖屑床，水眼對砂橋進行高速循環沖洗，通過鉆井液循環將懸浮砂礫攜出井筒，消除套管下放時遇到的阻力，幫助套管下放。

1.2.2" 固井階段

套管下放至預定深度后，增大鉆井液排量至剪切銷釘的臨界排量，剪切銷釘斷裂，此時渦輪軸及其相連組件下行，防轉套左和防轉套右嚙合，流道1關閉；引鞋內部環空形成憋壓，超過破裂臨界值的破裂盤破裂，流道2開啟，用于循環固井水泥、降低節流壓力，同時完成固井作業。

1.2.3" 后續作業

固井作業完成后，下入牙輪或PDC鉆頭等鉆除工具，將固井水泥及旋轉引鞋工具內部鉆除，保證后續工作的順利進行，外殼由水泥固結留置于井筒內。

1.3" 技術參數

旋轉引鞋工具采用低速大扭矩渦輪結構設計，其技術參數如下：外徑160 mm，長度1 215 mm，工作轉速100～200 r/min，最大扭矩250 N·m，工作排量1.0～1.5 m3/min，適用于139.7 mm（51/2 in）套管下放。

1.4" 關鍵零件結構設計

1.4.1" 渦輪定、轉子

渦輪定、轉子作為旋轉引鞋工具的動力元件，其作用是將鉆井液的內能轉化為渦輪動能。渦輪設計參考井下動力渦輪鉆具，采用軸流式渦輪，其結構如圖3所示。

1.4.2" 偏心導向頭

導向頭為光滑曲面偏心設計，其結構如圖4所示。套管下放過程遇阻時，偏心導向頭會自動對準井壁，兩者接觸摩擦產生旋轉側向力，將套管引導向阻力最小的下入路徑，順利通過障礙到達預定深度。其光滑曲面設計可以減小導向頭通過障礙物時的阻力，提高工作效率。

2" 仿真模擬

2.1" 有限元模型及邊界條件

使用SolidWorks軟件對渦輪定、轉子進行三維建模，導入Workbench抽取流道模型并劃分網格。由于渦輪定、轉子葉柵部分曲面復雜，且葉片前后緣圓弧厚度小，所以對渦輪葉柵部分進行局部網格加密。為了計算出與實際情況更加相符的穩定解，將定子入口和轉子出口處的流道深度設置為3倍葉片高度的距離，如圖5所示。

網格劃分后，將流道模型導入CFX進行水力性能仿真分析，驗證所設計渦輪的壓降和扭矩參數。王立廣［18］分析證明多級渦輪仿真數據與單級渦輪仿真數據呈倍數相關，單級渦輪仿真結果可作為多級渦輪仿真結果的有效預測。為降低仿真工作計算量，僅對單級渦輪進行仿真分析。

根據渦輪的實際工況，將定子入口設置為速度入口，其值由工作流量和定子入口流道的橫截面積計算確定。渦輪額定轉速n=800 r/min，采用清水作為仿真流體介質，工作流量Q=1.5 m3/min，模型內徑D1=96 mm，外徑D2=122 mm，計算得到定子入口軸向平均流速為5.62 m/s。轉子出口設置為壓力自由出口，因為定子出口與轉子入口為接觸面，所以定子出口參數和轉子入口參數設置相同。

2.2" 仿真結果分析

渦輪速度流場分布如圖6所示。流體在流入定、轉子時被前緣圓弧分為2個方向，沿葉背方向和沿葉腹方向，此時定子葉片前緣受到的沖擊最大；之后流體沖擊轉子葉腹推動轉子旋轉，進而驅動渦輪軸旋轉。從圖6可以看出：流體進入渦輪定子后速度略微增加，隨后在定子葉片后緣處出現加速，這是因為渦輪相鄰葉片間流道從前端到后端逐漸變窄；最大速度出現在轉子后緣即流體流出轉子時，之后流體進入到下一級渦輪中參與做功。

渦輪壓力流場分布如圖7所示。從圖7可以看出：渦輪的壓力流場分布成梯度變化，且葉片的葉腹壓力明顯大于葉背壓力；在轉子葉背處出現負壓區，說明流體在此處發生了明顯的脫流現象，形成負壓區的原因是設計葉片的輸出扭矩與彎折角度過大而導致流體轉向角度過大，流體在轉子葉背處形成了回流漩渦。

2.3" 水力性能預測

為得到完整的渦輪水力性能預測結果，控制渦輪轉子轉速從0～1 600 r/min，且每隔200 r/min進行一次仿真分析。通過CFD計算得到渦輪的輸出扭矩以及定子入口和轉子出口的壓力平均值。

定子入口壓力與轉子出口壓力的壓差以及渦輪的輸出功率及效率為：

Δp=p1-p2（1）

Wout=πTn30 000（2）

η=WoutΔpQ×100%（3）

式中：p1為定子入口壓力，MPa；p2為轉子出口壓力，MPa；Δp為壓差，MPa；Wout為輸出功率，kW；T為渦輪的輸出扭矩，N·m；n為轉速，r/min；Q為流量，m3/min；η為效率，%。

渦輪的水力性能特性曲線如圖8所示。由圖8可以看出：由于采用低速大扭矩渦輪設計理念，液流通過葉片流道時水力損失較大，所以水力效率整體偏低。當轉速為 800 r/min 左右時，渦輪的功率和效率達到極值，此時為渦輪的最高效率點；當渦輪工作轉速在 600～1 000 r/min時，渦輪的綜合性能最好。

3" 性能試驗

3.1" 試驗臺架

為降低試驗費用和試驗難度，采用10級渦輪組進行水力性能測試。試驗臺架由主機、參數測控系統和水循環系統組成，其結構原理如圖9所示。

渦輪水力性能測試參數：流體介質為清水，密度1 000 kg/m3，排量1.5 m3/min。測試原理：離心泵將清水從水箱泵入主機，通過流量傳感器和電動調節閥控制流量，水流沖擊渦輪組旋轉帶動主軸旋轉，由轉矩轉速傳感器記錄主軸轉速與扭矩；壓力傳感器1和壓力傳感器2分別記錄葉柵組的進、出口壓力，計算壓差；磁粉制動器為主軸施加制動扭矩，控制主軸轉速；水流在沖擊渦輪組后經管道循環至水箱。

3.2" 水力性能測試

將渦輪組安裝于試驗臺架主機內部，對照仿真模擬開展試驗，如圖10所示。試驗過程中控制主

軸轉速每次改變200 r/min，記錄測量參數：流量Q、壓降Δp、扭矩T和轉速n，并通過式（2）和式（3）將扭矩和壓降轉化為輸出功率和效率。

圖11為仿真與試驗數據對比。從圖11可以看出：渦輪的試驗扭矩、輸出功率及效率均低于仿真模擬值，試驗壓降高于仿真模擬值。原因是渦輪試驗臺架在測試過程中存在機械摩擦，同時渦輪定、轉子之間的摩擦環在接觸摩擦時均會消耗一部分渦輪扭矩；渦輪試驗臺架零部件的裝配間隙和浮動定子與轉子之間的間隙也會對流體壓降造成影響。

試驗結果顯示：渦輪的最佳轉速區間為600～1 000 r/min，在此區間扭矩為120～180 N·m，壓降穩定在1.6 MPa左右；在工作轉速100～200 r/min時，渦輪扭矩為245～290 N·m，滿足250 N·m的最大扭矩要求。

4" 結論及建議

（1）旋轉引鞋工具通過液力渦輪驅動偏心導向頭旋轉，實現對井壁的修整和井筒內砂橋、巖屑床的清洗，導向頭的光滑曲面設計可以自動尋找阻力最小的路徑，幫助套管順利下放到位。

（2）渦輪試驗特性曲線與仿真數據對比，兩者趨勢一致、符合度高，驗證了渦輪結構設計的合理性，說明仿真模擬結果對渦輪水力性能預測具有一定的參考意義。但流場分析顯示，流體在流經渦輪轉子時出現了較為明顯的脫流現象且存在負壓；因為單級渦輪設計扭矩較大，葉片彎折程度高，導致流體在轉子葉背處形成了回流漩渦，后續將針對渦輪葉片造型進行設計參數優選和結構優化。

（3）渦輪試驗結果表明：最佳轉速區間為600～1000 r/min，扭矩120～180 N·m，壓降穩定在1.6 MPa左右；在工作轉速100～200 r/min時，渦輪扭矩為245～290 N·m，滿足250 N·m的最大扭矩要求。試驗結果略低于仿真數據，因為渦輪定、轉子間的摩擦環在接觸磨損過程中會消耗一部分扭矩，對此尚未展開研究，建議實際使用過程中考慮摩擦環對扭矩的影響，適當增減渦輪級數。

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第一郭朝輝，研究員，生于1980年，2014 年畢業于中國石油大學（北京）機械工程專業，獲工程碩士學位。現從事石油井下工具的研發與相關管理工作。地址：（253005）山東省德州市。email：gzh@shelfoil.com。

2024-01-15" 修改稿收到日期：2024-07-25

任" 武