外夾式頂驅(qū)下套管裝置的研制及應(yīng)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(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

隨著油氣行業(yè)勘探開發(fā)水平井、大位移井的數(shù)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(zhàn)[1-5]。傳統(tǒng)動力套管鉗在應(yīng)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(yīng)力，特殊工況下又較大依賴于柔性套管[6]。此外，傳統(tǒng)下套管工藝無法在下套管遇阻時循環(huán)鉆井液，對井眼的穩(wěn)定性要求高。

早期國外石油服務(wù)公司，如Weatherford、Tesco、NOV等就進行了關(guān)于頂部驅(qū)動下套管工具[7-8]的研發(fā)應(yīng)用。由于技術(shù)封鎖，我國在大位移水平井等高難度油氣井開發(fā)初期采取租賃國外頂部驅(qū)動下套管裝置作業(yè)，高額租賃費用和服務(wù)費用極大地增加了油氣開采的成本。國內(nèi)石油服務(wù)公司于20世紀90年代開始自主研制同類產(chǎn)品，但現(xiàn)有產(chǎn)品在應(yīng)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(zhuǎn)時主體嚴重發(fā)熱、泥漿循環(huán)漏失[10]等問題。因此寶石機械有限公司針對現(xiàn)有國產(chǎn)頂驅(qū)下套管裝置在應(yīng)用中的問題，研制了外夾式頂部驅(qū)動下套管裝置，以更好地適應(yīng)高難度開采油氣田的開采所需。

1 頂驅(qū)下套管工藝及接口信息

頂驅(qū)下套管裝置是一種新型的自動套管送入裝置，利用頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)動力，精確控制套管上、卸扣過程中的轉(zhuǎn)矩?？蓪崿F(xiàn)套管的抓取、上扣、旋轉(zhuǎn)、下入，同時灌注或循環(huán)泥漿，能適配多規(guī)格的套管進行下套管作業(yè)。圖1為外夾式頂驅(qū)下套管裝置安裝示意圖。

圖1 外夾式頂驅(qū)下套管裝置安裝

頂驅(qū)下套管裝置在入場前必須對接口相關(guān)信息進行確認。

1）確認頂驅(qū)可提供的轉(zhuǎn)矩大小、轉(zhuǎn)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(qū)下套管裝置針對頂驅(qū)常規(guī)保護接頭規(guī)格配置有NC50、REG 6-5/8、FH 5-1/2三種轉(zhuǎn)換接頭，可基本滿足國內(nèi)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(diào)整頂驅(qū)居中度，頂驅(qū)偏斜度過大時可旋轉(zhuǎn)下套管，無法對扣。

頂驅(qū)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(nèi)的套管對扣。3）上扣。下放頂驅(qū)下套管裝置到位后，套管卡瓦夾持住首根套管，頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)帶動第二套管旋轉(zhuǎn)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(qū)下套管裝置，完成一次下套管作業(yè)。重復(fù)以上操作過程完成下套管作業(yè)，作業(yè)過程中可根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)、灌漿或循環(huán)套管。監(jiān)測系統(tǒng)則對作業(yè)過程進行監(jiān)控，并記錄、存儲下套管作業(yè)中的各項數(shù)據(jù)。

圖2 頂驅(qū)下套管裝置工作過程

2 技術(shù)分析

2.1 工作原理

外夾式頂驅(qū)下套管裝置主要由液壓系統(tǒng)、執(zhí)行器總成、外夾式總成、防扭架、抓管系統(tǒng)（抓管臂或延伸吊環(huán)）、監(jiān)測系統(tǒng)總成組成。圖3為外夾式頂驅(qū)下套管裝置機械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 外夾式頂驅(qū)下套管裝置

作業(yè)時，液壓系統(tǒng)供液驅(qū)動執(zhí)行器總成內(nèi)的執(zhí)行液缸運動，帶動外夾式總成內(nèi)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(xiàn)對套管的夾持、松開，通過傳遞頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)套管的上扣、卸扣。

圖4 卡瓦總成結(jié)構(gòu)

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

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(zhuǎn)矩為50 000 N·m；最大轉(zhuǎn)速為30 r/min；密封壓力為35 MPa。

3 關(guān)鍵技術(shù)

1）采用大圓周包絡(luò)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(xiàn)場應(yīng)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(nèi)設(shè)指針系統(tǒng)。上扣前套管進入頂驅(qū)下套管裝置內(nèi)部，未接觸到內(nèi)筒時指針處于收回狀態(tài)；當(dāng)套管進入斜面卡瓦正確夾持位置后，套管接觸內(nèi)筒，彈簧壓縮，內(nèi)筒將指針頂出，司鉆房內(nèi)視頻監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)

3）導(dǎo)向頭設(shè)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(yè)中泥漿循環(huán)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(dǎo)向能力，圖8所示為具有自密封性能的導(dǎo)向頭總成；膠筒采用微過盈長斜面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，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(guī)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(dǎo)向頭總成

4）頂驅(qū)控制模塊與下套管裝置的操作系統(tǒng)集成化設(shè)計，形成了下套管作業(yè)中的安全呼應(yīng)系統(tǒng)。如圖9所示，實現(xiàn)全天候、全氣象可靠傳遞操作指令，避免惡劣氣象環(huán)境造成下套管過程中作業(yè)的不便和誤操作。當(dāng)頂驅(qū)下套管裝置在高空夾持套管到位后，司鉆房內(nèi)頂驅(qū)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(qū)的控制操作；下放已連接好的套管到位后，司鉆發(fā)出“釋放指令”，下套管裝置操作臺“釋放”指示燈亮，頂驅(qū)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(nèi)頂驅(qū)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(qū)的上提作業(yè)。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(zhuǎn)摩阻過大而造成的發(fā)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(shè)計，替代傳統(tǒng)的分體式連接套和兩段式卡瓦殼體，消除軸承偏心力，增設(shè)軸套加強對連接套的導(dǎo)向功能，提高軸承兩端安裝部件的同軸度，使產(chǎn)品更易于維護保養(yǎng)。

圖9 呼應(yīng)系統(tǒng)

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(zhuǎn)矩試驗、密封試驗、運轉(zhuǎn)試驗等多項廠內(nèi)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(jié)果符合標(biāo)準要求；轉(zhuǎn)矩試驗選用5 1/2REG 套管進行加轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)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(shè)備運轉(zhuǎn)試驗臺進行連續(xù)24 h運轉(zhuǎn)后，測定軸承測溫顯示40.7 ℃，升溫遠低于國標(biāo)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(xiàn)場試驗

該裝置已在遼河油田多口水平井開展應(yīng)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(yè)井參數(shù)如表1所示。

表1 作業(yè)井參數(shù)

施工效果如下：全井段使用頂驅(qū)下套管裝置下套管時，循環(huán)泥漿過程順利無漏失，泥漿循環(huán)壓力為14 MPa，泵排量為13.5 L/s。常規(guī)傳統(tǒng)技術(shù)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(guī)技術(shù)幾乎無法下入套管，本裝置在現(xiàn)場應(yīng)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(huán)泥漿無需拆裝下套管設(shè)備，在基本不影響下套管效率的前提下，高質(zhì)量完成了水平段下套管作業(yè)。全井段使用本裝置下入套管作業(yè)過程中，司鉆與鉆臺面下套管操作人員呼應(yīng)清晰，操作簡單方便。

6 結(jié)論

1）通過對六方斜面卡瓦、指針總成、導(dǎo)向頭總成、軸承及軸承座、呼應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、廠內(nèi)各項試驗，驗證了外夾式頂驅(qū)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(yīng)用中，提懸、下放套管動作正確，單根套管提升到位后視頻監(jiān)測系統(tǒng)指示清晰明確；上、卸扣過程流暢無卡阻，且上、卸扣轉(zhuǎn)動過程平穩(wěn)、軸承升溫遠低于標(biāo)準規(guī)定；旋扣轉(zhuǎn)矩值監(jiān)測反饋及時，下套管過程中泥漿灌注、循環(huán)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(qū)設(shè)備的安裝、控制方便可靠，遇需循環(huán)泥漿時操作簡單，現(xiàn)場應(yīng)用成功。

3）基于目前旋轉(zhuǎn)固井作業(yè)[14-15]的大趨勢，建議對頂驅(qū)下套管裝置和固井裝置進行整體研究，以實現(xiàn)下套管作業(yè)和固井作業(yè)更高效配合應(yīng)用。