□ 劉勤志 □ 張國田 □ 王 娜 □ 張宏英 □ 賀 濤

1.中國石油天然氣集團公司 北京 100007

2.北京石油機械廠 北京 100083

石油鉆井工程是石油工業(yè)中一項為石油天然氣增儲上產(chǎn)而開辟油氣通道和采集地下信息的入地工程。下套管作業(yè)作為鉆井工程中一項常規(guī)作業(yè)，是指把大直徑管子（套管）按照設(shè)計下放到裸眼井的預(yù)定深度的作業(yè)。套管是指從地表下入已鉆井眼作襯壁的管子，根據(jù)下入階段和深度不同依次分為導向套管、表層套管、技術(shù)套管、生產(chǎn)套管/油層套管和射孔段等，如圖1所示。

圖1 套管柱結(jié)構(gòu)示意圖

在石油鉆井的施工過程中，下套管是防止孔壁坍塌和沖洗液漏失等孔內(nèi)事故的可靠而有效的措施。其中，技術(shù)套管分隔油氣水層示意圖見圖2。

圖2 技術(shù)套管分隔油氣水層示意圖

1 常用下套管方法

作為大多數(shù)鉆機的一項特殊作業(yè)，下套管往往需要一個“套管工作隊”和一些專用設(shè)備來完成。從石油工業(yè)的發(fā)展歷史可知，國內(nèi)外廣泛采用過如下幾種下套管方法［1］。

①ODEX法。②CHRISTENSEN法。③SIM-CAS法。④CABLE-O-CASING法。⑤雙回轉(zhuǎn)器下套管法。⑥套管沖擊器下套管法。以上6種下套管方法在二十世紀后期的國外局部鉆探實踐中比較成功，采用這些方法，無論鉆進砂礫層、流沙層、大厚度覆蓋層或者鉆井遇到坍塌、漏失、破碎帶等均可以及時下套管，保證施工的正常進行。⑦轉(zhuǎn)盤下套管法。經(jīng)過多年的實踐和完善，國外在二十世紀末比較流行的是類似鉆柱接入的常規(guī)下套管法，這也是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的一種下套管方法。其設(shè)備主要是卡瓦型套管吊卡和氣動及液壓動力套管鉗［2］。從以上7種方法中可以看出，它們均能夠有效地將套管單根組合在一起，但懸掛在井眼中的整個套管柱不能旋轉(zhuǎn)，也不能根據(jù)需要隨時循環(huán)泥漿。然而，在鉆井過程中，完鉆后的井眼（尤其是裸眼）經(jīng)常出現(xiàn)縮徑、坍塌、巖屑沉淀等許多問題，這些問題如果不能及時通過循環(huán)泥漿、旋轉(zhuǎn)套管等措施有效解決，就可能導致套管無法正常下到井底。⑧頂驅(qū)下套管法?；诔Ｒ?guī)下套管作業(yè)的局限性，各國石油鉆井公司積極開發(fā)更安全、高效的下套管裝備，其中得到廣泛應(yīng)用的是頂驅(qū)下套管裝置，即一種基于頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)，用于下套管作業(yè)的集機械、液壓于一體的裝置。利用頂驅(qū)下套管裝置進行下套管作業(yè)，可以充分發(fā)揮頂驅(qū)鉆井的所有優(yōu)點，在下套管作業(yè)過程中可同時實現(xiàn)套管柱的旋轉(zhuǎn)、提放以及循環(huán)泥漿等工作，減少了復雜情況的發(fā)生，極大地提高了下套管作業(yè)的效率和質(zhì)量，具有安全、高效等特點。

2 常規(guī)下套管工藝

固井作業(yè)是一項系統(tǒng)工程，它的具體操作與完成需要各方面的密切配合協(xié)作。從井眼質(zhì)量到泥漿性能參數(shù)，從固井方案到具體操作，每個環(huán)節(jié)都是至關(guān)重要的，無論哪個環(huán)節(jié)出了問題都無法保證其質(zhì)量。而其中的下套管作業(yè)則是重中之重，安全和順利將決定固井效益。下套管作業(yè)工藝包括召開固井協(xié)作會、下套管前準備、下套管作業(yè)、固井作業(yè)等內(nèi)容。

下套管作業(yè)前，除了最基本的資料準備、井眼準備、套管和套管附件準備外，還需要下套管工具和相關(guān)設(shè)備和器材的準備。常規(guī)下套管作業(yè)設(shè)備主要包括：鉆臺上用于固定下端套管柱的鉆臺氣動卡瓦、用于旋緊（松）套管扣的液壓套管鉗、用于斷續(xù)灌注泥漿的開放式灌泥漿裝置、用于提升整個套管柱的上部氣動卡瓦、用于提升套管單根的套管吊卡以及用于保護套管扣的對扣護套等其它輔助工具，見圖3。

圖3 常規(guī)下套管作業(yè)設(shè)備示意圖

多年來下套管的流程幾乎沒有變化，連接每一根套管的流程是：使用套管吊卡提升套管單根；安裝對扣護套對扣；在連接時使用液壓套管鉗旋轉(zhuǎn)頂部套管單根；啟動上部氣動卡瓦，松開下部鉆臺氣動卡瓦，使上部氣動卡瓦支撐套管柱的全部重量，下放套管柱；按要求及時向套管柱內(nèi)灌注泥漿，完成一根套管下入井內(nèi)。重復以上流程，直至把全部套管連接并下放到井底。

下套管作業(yè)時，為了保證套管柱內(nèi)外壓力平衡，鉆井工藝要求每下1～2根套管都要向管柱內(nèi)灌滿鉆井液，傳統(tǒng)灌鉆井液是靠鉆工拉膠管操作，很不方便，而且勞動強度很大，并且還經(jīng)常漏灌，影響下套管質(zhì)量。另外，在下套管遇阻時，還需要將套管全部取出換上鉆桿鉆頭通井，再重新將套管一根一根連接下入井內(nèi)，非常麻煩，嚴重影響了鉆井時效［3］。

然而，在鉆井過程中，鉆完后的井眼（尤其是裸眼）經(jīng)常出現(xiàn)縮徑、坍塌、巖屑沉淀等許多問題，會影響下套管作業(yè)進程。這些問題如果不能及時通過循環(huán)泥漿、旋轉(zhuǎn)套管等措施有效解決，就可能導致套管無法正常下到井底。

目前，現(xiàn)有的常規(guī)下套管的方法能夠有效地將套管單根連接在一起形成套管柱并下入井內(nèi)，但明顯存在如下改進空間。

1）套管旋扣操作復雜、扭矩不易精確控制；

2）懸掛在井眼中的套管柱不能旋轉(zhuǎn)；

3）不能根據(jù)需要隨時循環(huán)泥漿；

4）下套管作業(yè)效率不高，存在極大的安全隱患。

3 頂驅(qū)下套管工藝

通過對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的調(diào)研，根據(jù)國內(nèi)油田需要，北京石油機械廠（簡稱北石廠）研究開發(fā)出了一種用頂部驅(qū)動鉆井裝置進行下套管作業(yè)的方法。該方法不需要目前國內(nèi)外鉆井廣泛使用的套管鉗等下套管設(shè)備，能充分發(fā)揮頂部驅(qū)動鉆井裝置的優(yōu)越性，不僅實現(xiàn)套管柱的自動化連接，而且在下套管作業(yè)時，能同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)套管和循環(huán)泥漿，大大減少卡鉆、遇阻等潛在的安全危害，提高下套管作業(yè)的成功率。

頂驅(qū)下套管作業(yè)使用的設(shè)備主要包括：鉆臺上用以固定下端套管柱的鉆臺氣動卡瓦、用以提升整個套管柱的頂驅(qū)吊環(huán)及套管吊卡、用以旋轉(zhuǎn)套管和循環(huán)泥漿的頂部驅(qū)動鉆井裝置和頂驅(qū)下套管裝置，見圖4。

圖4 頂驅(qū)下套管作業(yè)設(shè)備示意圖

頂驅(qū)下套管的流程［4］如下。

1）在頂部驅(qū)動鉆井裝置主軸的下端連接頂驅(qū)下套管裝置；

2）在頂驅(qū)吊環(huán)下部連接套管吊卡，使用套管吊卡提升單根套管；

3）利用頂驅(qū)下套管裝置下端的導向頭和皮碗扶正被提升的單根套管，并且使被提升單根套管下端螺紋與鉆臺氣動卡瓦上支撐的套管柱上端螺紋對扣；

4）通過頂部驅(qū)動鉆井裝置液壓源驅(qū)動頂驅(qū)下套管裝置的卡瓦向下運動，并夾緊單根套管內(nèi)壁或外壁；

5）啟動頂部驅(qū)動鉆井裝置的旋轉(zhuǎn)上扣機構(gòu)，帶動單根套管旋轉(zhuǎn)上扣，通過頂部驅(qū)動鉆井裝置控制單根套管螺紋連接的上扣扭矩，使單根套管與套管柱可靠連接；

6）松開鉆臺氣動卡瓦上支撐的套管柱，使頂驅(qū)吊環(huán)和套管吊卡支撐單根套管和套管柱的全部重量；

7）下放單根套管和套管柱，使用鉆臺氣動卡瓦固定單根套管；

8）通過頂部驅(qū)動鉆井裝置主軸水眼和頂驅(qū)下套管裝置中心孔，向單根套管和套管柱內(nèi)腔灌注泥漿；

9）重復1）～8）步驟，直至把全部套管連接并下放到井底。

在下套管過程中，遇到井眼縮徑、井壁坍塌、巖屑沉淀問題時，通過頂部驅(qū)動鉆井裝置主軸水眼和頂驅(qū)下套管裝置中心孔，向單根套管和套管柱內(nèi)腔灌注泥漿并循環(huán)泥漿；另外，啟動頂部驅(qū)動鉆井裝置的旋轉(zhuǎn)上扣機構(gòu)，帶動單根套管旋轉(zhuǎn)，使單根套管與套管柱在井內(nèi)旋轉(zhuǎn)，能解決井眼縮徑、井壁坍塌、巖屑沉淀帶來的問題，保證套管柱能順利正常下到井底。

4 頂驅(qū)下套管工藝特點

北京石油機械廠跟蹤國外套管作業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在集團公司科技管理部的支持和指導下，借鑒鉆井院套管鉆井工藝技術(shù)的成功經(jīng)驗，分析研究國外同類技術(shù)和工具的優(yōu)缺點，獨立自主研發(fā)了集機電液和信息控制技術(shù)于一體的新型下套管裝置，適用于不同規(guī)格和壁厚套管的下套管作業(yè)。該裝置在結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)上與北石廠的頂驅(qū)緊密集成，利用北石廠的頂驅(qū)控制系統(tǒng)，可以在人機界面上選擇套管規(guī)格并自動設(shè)定和記錄上卸扣扭矩，與國外結(jié)構(gòu)和技術(shù)相比，獨具特色，自動化程度更高，使用更安全。

頂驅(qū)下套管工藝，即利用頂部驅(qū)動鉆井裝置和頂驅(qū)下套管裝置［5］進行下套管作業(yè)，代替目前國內(nèi)外鉆井廣泛使用的套管鉗下套管方法，顯著特點是：該下套管方法減少了作業(yè)設(shè)備，簡化了作業(yè)流程，可根據(jù)需要及時旋轉(zhuǎn)套管柱和循環(huán)泥漿，增強了下套管作業(yè)的自動化程度，提高了生產(chǎn)效率和安全性。

與目前國內(nèi)常規(guī)方式下套管相比，利用頂驅(qū)下套管裝置進行下套管作業(yè)不需要用液壓套管鉗、灌注泥漿管路等設(shè)備，減少了操作人員，簡化了操作方式，所有操作只需司鉆在司鉆房通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)、操作監(jiān)控界面、頂驅(qū)操作臺等輔助設(shè)備順序進行，用液壓方式驅(qū)動產(chǎn)品內(nèi)部卡瓦的打開和關(guān)閉，提高了下套管作業(yè)的自動化和智能化水平，大大降低了工人的勞動強度，司鉆可全程監(jiān)控下套管作業(yè)；可以通過頂驅(qū)精確控制套管連接螺紋的上扣扭矩，程序上自動將上扣動作分解為低扭矩旋扣和大扭矩上扣，保護套管螺紋不受傷害，提高下套管作業(yè)的效率和質(zhì)量，而且上扣扭矩可以通過頂驅(qū)監(jiān)控系統(tǒng)實時記錄并存儲到電腦，具有良好的追溯性。

相比國外單一采用卡瓦來提升套管柱，采用吊環(huán)和卡瓦雙通道承載，以吊環(huán)提升為主、卡瓦提升為輔的設(shè)計不僅更好地保護了套管不受損傷，而且從技術(shù)上保證了該技術(shù)適用于無接箍套管的現(xiàn)場作業(yè)，大大提高了作業(yè)的安全性和便捷性。另外，卡瓦的可更換設(shè)計，使一個本體可以下入若干不同規(guī)格的套管，提高了產(chǎn)品的適用性。

5 頂驅(qū)下套管裝置主要技術(shù)參數(shù)

通過北石廠近兩年的研發(fā)和完善［6］，已形成覆蓋全部套管的系列化產(chǎn)品，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 北石廠系列頂驅(qū)下套管裝置主要技術(shù)參數(shù)

為了提高使用下套管裝置作業(yè)的自動化和智能化水平，確保作業(yè)的安全與高效，在配套輔助系統(tǒng)設(shè)計中集成了連接體、運移架、套管扶正裝置、套管運移裝置、氣動卡瓦、行程開關(guān)、壓力變送器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

6 頂驅(qū)下套管裝置應(yīng)用情況

北京石油機械廠生產(chǎn)的系列頂驅(qū)下套管裝置結(jié)合了國內(nèi)外工程實際，考慮了作為產(chǎn)品的使用便捷性、聯(lián)機快捷性、維護簡易性、功能可靠性和作業(yè)安全性，產(chǎn)品的各項性能得到了油田用戶的廣泛認可。

2010年5月11日～5月12日，在西南油氣田分公司所屬川慶70516鉆井隊承鉆的門西001-H3井，國內(nèi)首次頂驅(qū)下套管裝置取得了成功應(yīng)用，利用頂驅(qū)下套管裝置累計下入了28根套管，下入套管長度逾300 m，套管旋扣過程平穩(wěn)，上扣扭矩精確，上扣后對套管幾乎無損傷，產(chǎn)品的主要性能優(yōu)良，各個部件工作正常，得到了用戶的一致稱贊。

2012年3月1日至2日，由北石廠生產(chǎn)的XTG168頂驅(qū)下套管裝置在渤海鉆探第五鉆井工程分公司50252隊承鉆的任平10井二開下技術(shù)套管作業(yè)中成功應(yīng)用。任平10井二開實際井深1 922 m，本次下套管作業(yè)為全井段下入inch套管，累計下入套管175根懸重達111.6 t，所有套管連接螺紋均由頂驅(qū)下套管作業(yè)系統(tǒng)按照最佳上扣扭矩一次連接完成，旋扣數(shù)據(jù)由專用軟件自動采集并生成報表。期間累計灌注泥漿50余次，全部套管下入后利用頂驅(qū)下套管裝置進行了泥漿循環(huán)，循環(huán)時長85 min，總歷時20 h左右，順利地將全部套管下放到了預(yù)定的井深，作業(yè)得到了用戶方的高度認可。任平10井使用北石DQ70BSC頂驅(qū)，配合使用北石廠的頂驅(qū)下套管裝置進行下套管作業(yè)，是國內(nèi)路上油氣鉆井首次利用頂驅(qū)下套管裝置進行全井段下套管作業(yè)，為深井、復雜井的下套管作業(yè)提供了工程范例。本次下套管作業(yè)的成功實施，是繼北石廠的頂驅(qū)下套管裝置在我國川渝地區(qū)、北美加拿大地區(qū)成功應(yīng)用后的又一次重大突破，標志著北石廠的頂驅(qū)下套管作業(yè)技術(shù)與裝備的日趨成熟，工藝日趨完善。

7 結(jié)論

頂驅(qū)下套管裝置擴大了頂驅(qū)裝置的應(yīng)用范圍，應(yīng)用頂驅(qū)下套管裝置可以大大減少下套管作業(yè)事故的發(fā)生，提高下套管質(zhì)量和效率，降低鉆井成本［7］。因而，具有良好的發(fā)展前景和重要的推廣價值。

北石廠的頂驅(qū)下套管技術(shù)與目前國內(nèi)常規(guī)方式下套管相比，與國外同類產(chǎn)品相比，具有如下創(chuàng)新點。

1）吊環(huán)承載：相比國外單一采用卡瓦來提升套管柱，采用吊環(huán)和卡瓦雙通道承載，以吊環(huán)提升為主、卡瓦提升為輔的設(shè)計不僅更好地保護了套管不受損傷，而且從技術(shù)上保證了該技術(shù)適用于無接箍套管的現(xiàn)場作業(yè)，大大提高了作業(yè)的安全性和便捷性。

2）無痕鉗牙：微牙痕鉗牙設(shè)計及制造保證了作業(yè)時對套管損傷最小。

3）一體多用：卡瓦可更換設(shè)計，使一個本體可以下入若干不同規(guī)格的套管，提高了產(chǎn)品的適用性。

4）即插即用：可更換皮碗保證了不同套管的密封性能，滿足循環(huán)泥漿要求。

5）液壓驅(qū)動：液壓打開/關(guān)閉液壓缸驅(qū)動卡瓦變徑機構(gòu)以及防失效技術(shù)。

6）自動控制：自動探測套管接箍位置，確?？ㄍ卟迦牒线m深度后打開。

7）安裝方便：與不同頂驅(qū)的兼容性設(shè)計，快速連接技術(shù)，滿足現(xiàn)場零改造。

8）智能作業(yè)軟件：符合行標的全套管數(shù)據(jù)庫智能支持，選定套管規(guī)格后系統(tǒng)自動設(shè)定最佳上扣扭矩，扭矩曲線實時顯示并可定時回放追溯，提示（報警）信息實時顯示，增加了井位信息，優(yōu)化了旋扣速度，可更好地滿足工程應(yīng)用，見圖5。

圖5 頂驅(qū)下套管智能作業(yè)監(jiān)控界面

頂驅(qū)下套管作業(yè)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的下套管作業(yè)方式，是下套管作業(yè)的一次革命。頂驅(qū)下套管技術(shù)與裝備的研制成功和推廣應(yīng)用將為石油工業(yè)進行安全、高效、經(jīng)濟的鉆井完井提供有力的支撐。筆者認為，下套管作業(yè)的未來發(fā)展將會主要沿著兩個方向邁進：第一，套管鉆井和連續(xù)油管鉆井，完鉆的同時也是下套管作業(yè)的結(jié)束；第二，隨著頂驅(qū)的全面應(yīng)用，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤＋方鉆桿鉆井方式逐漸淡出，傳統(tǒng)的下套管工藝及裝備也將走進鉆井歷史博物館，而基于頂驅(qū)利用頂驅(qū)下套管裝置進行下套管作業(yè)將會和套管鉆井工藝一起主宰石油鉆井工業(yè)。

［1］ 談耀麟.鉆孔下套管方法綜述［J］.地質(zhì)與勘探，1991，27（6）：52-57.

［2］ 鄒發(fā)勇.使用套管鉗能提高套管的聯(lián)接強度和下套管速度［J］.鉆采工藝，1999（3）.

［3］ 劉寶鈞.套管灌鉆井液解卡裝置的研制與應(yīng)用［J］.石油機械， 2006，34（3）：51-52.

［4］ 張國田,張宏英,李興杰,等.一種用頂部驅(qū)動鉆井裝置下套管作業(yè)方法［P］.中國發(fā)明專利：ZL200910078565.0.

［5］ 張國田,張宏英,李興杰,等.頂驅(qū)下套管裝置［P］.中國實用新型專利：ZL 200920105896.4.

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