梁 政，張力文，蔣發(fā)光，李雙雙

（西南石油大學(xué) 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610500）①

傳統(tǒng)下套管技術(shù)采用人工輔助下套管方式，吊卡提起套管單根，安裝對扣保護(hù)套，利用套管鉗旋緊套管，最后向套管內(nèi)注漿。這種傳統(tǒng)下套管方式使得套管柱在井內(nèi)靜止時間長，易引起粘卡、縮徑等事故，若遇下放受阻的情況，需接方鉆桿才能建立循環(huán)。

20世紀(jì)后期，國內(nèi)開始在轉(zhuǎn)盤鉆井的基礎(chǔ)上研發(fā)出自動灌漿 循 環(huán) 裝 置［1］、簡 易 套 管 鉆 井 技 術(shù)［2－3］，但這些裝備和技術(shù)應(yīng)對井下事故能力低，完井周期長。20 世紀(jì) 90 年 代，Weatherford、TESCO、BJ Services Company等石油公司開始研發(fā)頂驅(qū)下套管作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在下套管的同時保證泥漿循環(huán)，受阻后還能鉆開卡鉆巖層，降低事故風(fēng)險，縮短完井周期。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

頂驅(qū)下套管作業(yè)系統(tǒng)管串為：頂驅(qū)＋頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具＋套管（套管接頭中裝有聯(lián)接扭矩環(huán)）＋旋轉(zhuǎn)扶正器＋防磨帶＋擴(kuò)眼器＋引鞋［4］。頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具在整個下套管系統(tǒng)中最為關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，按功能可分為動力總成、連接總成、限位總成、卡瓦總成以及密封導(dǎo)向總成5部分。

圖1 頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具（內(nèi)插式）結(jié)構(gòu)

動力總成主要由心軸、活塞、彈簧、活塞缸等組成，主要完成卡瓦的撐開與收縮作業(yè)；連接總成用于連接動力總成與卡瓦總成，實(shí)現(xiàn)傳遞力和力矩的功能；卡瓦總成主要由卡瓦心軸與卡瓦組成，完成卡緊套管的功能；密封導(dǎo)向總成中，導(dǎo)向頭完成引導(dǎo)頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具進(jìn)入套管，密封皮碗用于防止注入泥漿時泥漿回返。

1.2 工作原理

①抓管鉗抓取單根套管，提升至井口懸掛的套管接頭處與其對接，驅(qū)動工具在導(dǎo)向頭的輔助下插入單根套管至限位卡環(huán)處；②活塞下行使卡瓦與卡瓦心軸相對滑動，迫使卡瓦卡緊套管同時壓縮彈簧；③頂驅(qū)帶動頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具旋轉(zhuǎn)，使卡緊的單根套管與井口懸掛的套管對接上扣；④下放套管并開啟泥漿循環(huán)系統(tǒng)［5］，套管下放到位后液缸泄壓，卡瓦在彈簧反向推動力的作用下上行，解除卡瓦卡緊狀態(tài)，完成單次下套管作業(yè)，同時為下放下一根套管做好準(zhǔn)備。

1.3 特點(diǎn)

1） 可對套管進(jìn)行循環(huán)、下推和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，減少因粘卡、縮徑等導(dǎo)致的停產(chǎn)事故。

2） 配備多個安全聯(lián)鎖裝置，可以防止套管墜落等事故，提高作業(yè)效率和安全性。

3） 不需要常規(guī)下套管作業(yè)所需的套管鉗、吊卡等配套設(shè)備，減少了相關(guān)作業(yè)人數(shù)，也大幅提高了下套管作業(yè)的可靠性和安全性。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具的研究比國內(nèi)早很多，例如 Tesco、Weatherford 、Canrig、BJ Tubular Services等公司已經(jīng)生產(chǎn)出系列化的頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具，可進(jìn)行114.3～508.0mm（4～20英寸）套管的下套管作業(yè)。雖然各個公司生產(chǎn)的頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具各部分功能相同，但結(jié)構(gòu)和性能上存在差異，現(xiàn)從動力總成、限位總成、卡瓦總成3方面進(jìn)行比較分析。

2.1 動力總成

21 世 紀(jì) 初 期，BJ Services Company 公 司 和Weatherford公司采用徑向推動卡瓦抱緊套管的技術(shù)［6－7］（工具結(jié)構(gòu)如圖2所示），當(dāng)套管到達(dá)指定位置時，活塞推動卡瓦徑向運(yùn)動，卡瓦在液壓力作用下抱緊套管。其缺點(diǎn)在于套管重力必須完全靠動力產(chǎn)生的摩擦力來平衡，隨著套管質(zhì)量的增加，所需的摩擦力越來越大，這種方式不僅能耗高而且安全性能低。隨后，Weatherford、Tesco公司開始推出軸向下壓卡瓦抱緊套管的技術(shù)（工具結(jié)構(gòu)如圖3所示），活塞沿軸向下移，卡瓦相對于外殼內(nèi)錐面滑移，同時擠壓抱緊套管，只要錐面的背錐角與套管外表面摩擦因數(shù)、殼體內(nèi)錐面摩擦因數(shù)滿足一定條件，即可保證卡瓦抱緊套管。下壓式套管驅(qū)動工具的特點(diǎn)在于殼體與卡瓦座相互擠壓，套管的支持力由殼體提供，大幅降低了能耗，提高了頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具的可行性和安全性。

圖2 徑向式下套管工具

圖3 軸向式下套管工具

卡瓦軸向移動的推動方式有彈簧、齒輪、活塞3種［8］。圖4為彈簧式動力總成，電動機(jī)沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)時，心軸上的環(huán)形法蘭將推動彈簧下行，使卡瓦卡住套管；當(dāng)電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時，叉桿與外殼迫使彈簧上行擠壓環(huán)形法蘭，卡瓦上行使卡瓦收回。圖5為齒輪式動力總成，小齒輪、大齒輪帶動螺母旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)與螺桿相連的卡瓦撐開和收回。圖6為活塞式動力總成，活塞在液壓力的作用下可上下滑動，實(shí)現(xiàn)與活塞相連的卡瓦卡緊和松開套管。這3種方式中，彈簧式與齒輪式應(yīng)用較少，主要在于它們需要一個獨(dú)立的動力控制系統(tǒng)，而且傳動過程中所用零件較多，容易失效且增加后期維護(hù)的難度。另外，齒輪式動力總成中的卡瓦會隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，加大卡瓦內(nèi)錐面與心軸外錐面間的磨損。活塞式應(yīng)用更為廣泛，其可以借用已經(jīng)成熟的液缸技術(shù)，因此活塞推動式通用性強(qiáng)、承載能力強(qiáng)、速度快、可靠性高。

圖4 彈簧式動力總成

圖5 齒輪式動力總成

圖6 活塞式動力總成

2.2 限位總成

頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具準(zhǔn)備卡緊套管時，其進(jìn)入深度很難控制，需要限位總成輔助控制驅(qū)動工具的進(jìn)入深度。從目前各公司的產(chǎn)品來看，限位總成可分為3類：①Tesco公司采用的擋板減振限位，如圖1所示；②Weatherford公司的結(jié)構(gòu)限位，如圖7所示；③Weatherford公司最新設(shè)計的送管控位機(jī)構(gòu)，如圖8所示。擋板減振限位方式是在頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具的適當(dāng)位置加入限位擋環(huán)，當(dāng)套管接觸到限位擋環(huán)時則表明頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具已到達(dá)既定位置。結(jié)構(gòu)限位是利用抓管鉗上的花鍵槽插入頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具液缸外殼上的花鍵槽來限定套管位置，為了方便抓管鉗花鍵槽的導(dǎo)入，液缸外殼的花鍵槽下端開有燕尾口。送管控位機(jī)構(gòu)則利用滾輪將套管送入頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具的既定位置，能更方便、準(zhǔn)確地控制套管的送入位置。在3種限位總成中，擋板減振方式最為簡單，但其控制性能差，容易帶給系統(tǒng)大的振動；結(jié)構(gòu)限位雖可避免大的振動，但長時間使用會帶來結(jié)構(gòu)的磨損，再加上雜質(zhì)填充其中，在使用一段時間后容易出現(xiàn)不能準(zhǔn)確定位的情況；送管控位的控制能力最強(qiáng)、準(zhǔn)確性最高，但它需要額外增加送入機(jī)構(gòu)。

圖7 結(jié)構(gòu)限位

圖8 送管控位機(jī)構(gòu)

2.3 卡瓦總成

卡瓦總成決定了頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具的承載能力，其中卡瓦是承受載荷的關(guān)鍵。目前 Weatherford、Tesco等公司均采用傳統(tǒng)的三角形卡瓦齒（如圖9所示），只是齒的相關(guān)參數(shù)、布齒方式等不同。采用三角形卡瓦齒不僅容易損傷套管，還限制了卡瓦的最大承載能力。Canrig公司設(shè)計出如圖10所示球形卡瓦齒，將卡瓦與套管的接觸方式由傳統(tǒng)的點(diǎn)對面的接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊鎸γ娴慕佑|，增加了卡瓦與套管的接觸面積，降低了卡瓦齒對套管的損傷程度。通過試驗(yàn)測得：球形卡瓦相比傳統(tǒng)卡瓦在環(huán)向應(yīng)變上降低了200%～400%，極大地提高了卡瓦的承載能力，克服了頂驅(qū)下套管工具在提升套管時的載荷上限（＞6 804kN）［9］。

圖9 三角形齒卡瓦

圖10 球形齒卡瓦

3 國內(nèi)現(xiàn)狀與建議

雖然國外已有多家公司擁有成熟的頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具，并在全球很多油田成功運(yùn)用，但國內(nèi)在這方面研究甚少。大慶油田和吉林油田在依托轉(zhuǎn)盤鉆井情況下，對下套管設(shè)備進(jìn)行改造或進(jìn)行簡易套管鉆井設(shè)備研發(fā)。對于頂驅(qū)鉆井，目前只有北京石油機(jī)械廠和寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司開始研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。其中，北京石油機(jī)械廠已自主研制了頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具（如圖11所示），它是通過驅(qū)動活塞上下運(yùn)動來驅(qū)動卡瓦的復(fù)位和張開，該裝置在四川門西001－H3氣井套管回接過程中成功應(yīng)用［10］；寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司也與西南石油大學(xué)合作，設(shè)計出一種新型的頂驅(qū)下套管裝置及其配套抓管、對管與監(jiān)測控制系統(tǒng)，尚處于試制階段。

圖11 北石頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具結(jié)構(gòu)

從功能上看，國內(nèi)現(xiàn)有的頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具具有了國外先進(jìn)套管送入系統(tǒng)的基本功能，但其利用吊環(huán)、吊卡來進(jìn)行套管的抓取，系統(tǒng)性不強(qiáng)，還不能達(dá)到整個下入系統(tǒng)自動化的程度。與國外的頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具相比，國內(nèi)的技術(shù)還存在差距，應(yīng)該在分析研究國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展頂驅(qū)下套管配套系統(tǒng)的深化研究。建議開展以下工作：

1） 監(jiān)測功能設(shè)計。監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對套管驅(qū)動工具的扭矩、拉力、轉(zhuǎn)速、位置的監(jiān)控，并可完成作業(yè)過程的參數(shù)、圖像采集和存儲與監(jiān)控的工作，為頂驅(qū)下套管驅(qū)動工具和套管操作工藝的優(yōu)化及事故處理提供依據(jù)。

2） 驅(qū)動與控制系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計。該部分可通過液壓缸、控制器來實(shí)現(xiàn)，主要提供套管驅(qū)動工具的動力與控制。目前頂驅(qū)與下套管系統(tǒng)均是單獨(dú)設(shè)計，動力與監(jiān)測控制系統(tǒng)均完全獨(dú)立，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便，2套裝置配合不好還可能發(fā)生相應(yīng)的事故。建議將頂驅(qū)與下套管驅(qū)動裝置的液壓動力與控制系統(tǒng)綜合考慮，簡化整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的協(xié)調(diào)操作控制能力。

3） 卡瓦牙和密封皮碗的優(yōu)化設(shè)計?？ㄍ哐罌Q定了卡瓦工作壽命以及卡瓦對套管的損傷程度，同時也限制了頂驅(qū)下套管工具的承載能力，所以需對卡瓦與套管的接觸方式、牙板的齒形、材料及表面處理等方面做更為詳盡的研究，以便在保證套管不被損傷的情況下，增大下套管工具的承載能力。皮碗是保證鉆井液循環(huán)和固井試壓的關(guān)鍵，但下套管工況較復(fù)雜，易導(dǎo)致膠筒硬度、強(qiáng)度和彈性、抗裂等性能下降，所以需要從膠筒結(jié)構(gòu)、材料配方與成型工藝、力學(xué)性能分析等方面進(jìn)行研究，以提高密封導(dǎo)向總成的性能，提升頂驅(qū)下套管工具的可靠性。

4 結(jié)語

國外的頂驅(qū)下套管工具已有成熟的系列化產(chǎn)品；國內(nèi)已有廠家生產(chǎn)出部分型號的頂驅(qū)下套管產(chǎn)品，但尚未形成系列化。因此，可以通過科研機(jī)構(gòu)與油田部門、高等院校合作的方式，在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)下套管系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，例如動力機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制、監(jiān)測系統(tǒng)等，進(jìn)一步研究頂驅(qū)下套管系統(tǒng)在海洋平臺上的力學(xué)行為，使其能應(yīng)用于海洋鉆井領(lǐng)域。

［1］田富林，母全杰，鄭永生，等.套管作業(yè)自動灌漿循環(huán)裝置：中國，ZL 200420150961.2［P］.2006－06－21.

［2］馮 來，王 輝，王 力.簡易套管鉆井技術(shù)及專用配套工具研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2007，35（5）：25－28.

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