張新平 劉曉民 華澤君 薛憲波 黃杰 關(guān)皓綸

摘要：為解決大斜度井、水平井井段套管下入困難、下不到位的難題，同時(shí)提高井眼質(zhì)量與固井效率，研制出一種多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋。該工具由定子總成、轉(zhuǎn)子總成以及軸承系統(tǒng)三大模塊組成，定子與轉(zhuǎn)子互相配合，利用水力驅(qū)動(dòng)，通過(guò)多級(jí)專(zhuān)用的徑向渦輪增大驅(qū)動(dòng)扭矩，配合外側(cè)鑲嵌有合金齒的螺旋筋條，增強(qiáng)耐磨、修整井眼和擴(kuò)眼的能力。該工具長(zhǎng)度為傳統(tǒng)渦輪結(jié)構(gòu)套管鞋的1/3～1/5，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，尺寸緊湊，通過(guò)狗腿度能力強(qiáng)，輸出扭矩可達(dá)傳統(tǒng)劃眼工具的5～10倍。多口現(xiàn)場(chǎng)案例井作業(yè)表明，該工具可保障復(fù)雜井段套管安全下入到位，大幅減少固井過(guò)程中的非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間和通井時(shí)間。

關(guān)鍵詞：套管鞋；徑向渦輪；水力驅(qū)動(dòng)；下套管

中圖分類(lèi)號(hào)：TE952文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.010

隨著水平井、頁(yè)巖氣井、大位移井等各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井?dāng)?shù)量逐漸增多［1-3］，下套管作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)也日益增加。如鉆遇復(fù)雜地層，井眼縮徑、井壁坍塌、摩阻大［4-7］等多種因素可能會(huì)造成下入套管困難，嚴(yán)重增加作業(yè)時(shí)間和成本。

下套管作為固井作業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)［8-9］，如果下入不到預(yù)定深度，則無(wú)法順利完成固井，進(jìn)而影響目的層油氣資源的開(kāi)采。為了保證套管順利下入到目標(biāo)深度，通常采用通井作業(yè)，或通過(guò)井口的機(jī)械動(dòng)力旋轉(zhuǎn)套管［10-11］來(lái)實(shí)現(xiàn)劃眼，進(jìn)而順利通過(guò)由于縮徑［12］、坍塌等原因造成的困難井段，但該方法需動(dòng)用額外的設(shè)備，占用鉆井作業(yè)時(shí)間，具有較大的局限性。此外，由于套管施加扭矩過(guò)大易發(fā)生變形［13-14］，受到套管螺紋或者地面設(shè)備的扭矩限制［15］，往往不能實(shí)現(xiàn)套管旋轉(zhuǎn)。而常規(guī)套管鞋輔助下套管時(shí)，存在驅(qū)動(dòng)扭矩不足的問(wèn)題，因此遇到坍縮、摩擦阻力較大等復(fù)雜井段時(shí)，容易遇阻或需多次下入。

第53卷第2期張新平，等：多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋在海上油田的應(yīng)用石油礦場(chǎng)機(jī)械2024年3月 一次性下入套管到預(yù)定井深，對(duì)后續(xù)的固、完井作業(yè)起到十分重要的作用。因此，為解決常規(guī)套管鞋扭矩不足的問(wèn)題，提高固完井作業(yè)效率，本文從套管鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，研制出多功能多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋，該工具設(shè)計(jì)了一種特有的徑向渦輪節(jié)結(jié)構(gòu)，增大套管鞋的驅(qū)動(dòng)扭矩，從而保障套管在裸眼井段的順利下入。

1技術(shù)分析

多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋通過(guò)水力驅(qū)動(dòng)套管鞋轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行劃眼，可有效改善井下流態(tài)，促進(jìn)套管通過(guò)狗腿度大、縮徑、臺(tái)肩等裸眼井段，降低套管下不到位的風(fēng)險(xiǎn)，尤其適合在大斜度井、水平井等存在下套管困難的井。

1.1工具結(jié)構(gòu)

多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，套管鞋內(nèi)部主要包括定子及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其裝配示意圖如圖2所示。

定子總成主要由上旋流定子、下旋流定子以及芯軸等組成。定子總成上部與套管相連接，上旋流定子與下旋流定子分別通過(guò)特殊的八棱柱結(jié)構(gòu)固定在芯軸外側(cè)，當(dāng)液體從上旋流定子流過(guò)時(shí)，形成旋流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力扭矩。套管與定子固定連接，套管鞋工作時(shí)不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了套管本身產(chǎn)生額外的扭矩。

圖1多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋整體結(jié)構(gòu)圖

圖2定子、轉(zhuǎn)子裝配示意圖

轉(zhuǎn)子總成由上旋流轉(zhuǎn)子、下旋流轉(zhuǎn)子、劃眼引鞋頭等組成。上旋流轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生扭矩，可與下旋流轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的扭矩進(jìn)行疊加，為套管鞋提供較高的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，由于不同井段下套管所需的扭轉(zhuǎn)力不同，兩級(jí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的扭矩可能不足以支撐套管鞋順利穿過(guò)阻礙井段，因此可根據(jù)井下實(shí)際狀況，優(yōu)化轉(zhuǎn)子數(shù)量。

1.2工作原理

下套管遇阻時(shí)，開(kāi)泵循環(huán)，液體通過(guò)上部套管內(nèi)部流入芯軸的旁通孔，然后分別流經(jīng)上、下旋流定子形成旋流，并帶動(dòng)雙級(jí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生疊加扭矩，最后液體通過(guò)第二級(jí)斜孔進(jìn)入劃眼引鞋頭內(nèi)腔，并通過(guò)第三級(jí)斜孔流出。套管鞋通過(guò)水力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，旋流帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工具旋轉(zhuǎn)。當(dāng)劃眼作業(yè)時(shí)，液體分別流經(jīng)多個(gè)定、轉(zhuǎn)子組合，產(chǎn)生的疊加扭矩增強(qiáng)了工具驅(qū)動(dòng)力，從而提高劃眼作業(yè)效率。

旋轉(zhuǎn)套管鞋使用時(shí)，為了能夠有效實(shí)現(xiàn)劃眼，需具備足夠的扭矩，因此至少設(shè)置為一個(gè)下旋流轉(zhuǎn)子和下旋流定子，使旋流轉(zhuǎn)子和定子形成兩級(jí)或者多級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，扭矩與級(jí)數(shù)成比例增加，從而提供足夠的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，有效實(shí)現(xiàn)劃眼。根據(jù)井下摩阻和工況，優(yōu)化調(diào)整定轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)，防止旋轉(zhuǎn)套管鞋因扭轉(zhuǎn)力不足空轉(zhuǎn)，既擴(kuò)展了旋轉(zhuǎn)套管鞋的使用范圍，又提高了工具的實(shí)用性。

1.3技術(shù)參數(shù)

多級(jí)徑向渦輪水力套管鞋的工具尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，可用于177.8 mm和244.5 mm兩種尺寸的套管進(jìn)行劃眼操作，且工具本體與引鞋外徑相同，可最大限度提高劃眼效率。

分別對(duì)兩種尺寸多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋工具的壓降與扭矩性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3～4所示。工具壓降與排量近似成拋物線(xiàn)關(guān)系，相同測(cè)試排量下，177.8 mm套管鞋壓降高于244.5 mm套管鞋，當(dāng)測(cè)試排量為37.8 L/s，177.8 mm套管鞋壓降為3 MPa。相同測(cè)試排量下，177.8 mm套管鞋扭矩近似等于244.5 mm套管鞋，但177.8 mm套管鞋的啟動(dòng)排量（工具出現(xiàn)扭矩的排量）低于244.5 mm套管鞋，244.5 mm套管鞋的啟動(dòng)排量?jī)H約為6.3 L/s，而177.8 mm套管鞋的啟動(dòng)排量為3.78 L/s。

2工具特點(diǎn)

2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本工具創(chuàng)新性地采用了徑向渦輪以及扭矩增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)扭矩疊加，且工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，長(zhǎng)度為傳統(tǒng)渦輪結(jié)構(gòu)的1/3～1/5，增強(qiáng)了大狗腿井段的可通過(guò)性，工具內(nèi)部設(shè)置有2～6個(gè)可調(diào)水眼，通過(guò)改變水眼數(shù)量可以調(diào)整工具啟動(dòng)排量（0.3～1.0 m3/min）?？辙D(zhuǎn)時(shí)無(wú)軸向載荷，僅當(dāng)水力驅(qū)動(dòng)時(shí)，受到來(lái)自于水力反作用力的軸向載荷，有利于提高壽命。下套管過(guò)程中，工具遇阻憋停后，能快速反應(yīng)，啟動(dòng)液體流動(dòng)，開(kāi)泵循環(huán)即可轉(zhuǎn)動(dòng)，及時(shí)進(jìn)行劃眼作業(yè)，優(yōu)于傳統(tǒng)劃眼浮鞋。

此外，套管鞋引鞋設(shè)有6個(gè)45°水眼，液體可快速?gòu)拇颂幜鞒?，?yōu)化井眼清潔和碎屑清除，改變流態(tài)，從而提高固井質(zhì)量。針對(duì)不同地層和井眼，多級(jí)套管鞋可以改變引鞋結(jié)構(gòu)，將引鞋頭更換為適合當(dāng)前井下劃眼作業(yè)的引鞋結(jié)構(gòu)，244.5mm套管鞋芯軸材質(zhì)采用易鉆的鋁合金材質(zhì)。

2.2工具優(yōu)勢(shì)

1）多種引鞋結(jié)構(gòu)，能有效避免側(cè)鉆出井眼。

井下地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)于松軟地層，傳統(tǒng)劃眼工具可能會(huì)側(cè)鉆出額外新井眼，而本工具引鞋頭前端為光面，無(wú)切削功能，不會(huì)在劃眼作業(yè)中鉆出新井眼，降低了劃眼的攻擊性，且可以通過(guò)增加偏心引鞋的長(zhǎng)度，提高劃眼作業(yè)的效率。

針對(duì)中硬地層及穩(wěn)定性較好的地層，可將PDC、聚晶、硬質(zhì)合金等與套管鞋配合使用，提高引鞋硬度，防止在硬地層劃眼造成破壞，延長(zhǎng)工具壽命。

2）徑向渦輪結(jié)構(gòu)，高效利用水功率。

圖5所示為套管鞋的徑向渦輪結(jié)構(gòu)，其單位長(zhǎng)度可產(chǎn)生傳統(tǒng)劃眼工具5～10倍的渦輪扭矩，大扭矩保證了劃眼作業(yè)的正常進(jìn)行，既提高了劃眼作業(yè)效率，又節(jié)約成本，且扭矩不會(huì)施加于套管上，可有效保護(hù)套管。徑向渦輪結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，徑向受力平衡，無(wú)多余載荷對(duì)工具產(chǎn)生沖擊，也不會(huì)產(chǎn)生軸向載荷。

3）適用于多種井段。

本工具能夠通過(guò)縮徑、坍塌、臺(tái)肩、沉沙等復(fù)雜井段，并進(jìn)行劃眼作業(yè)，可降低固井竄槽風(fēng)險(xiǎn)，提高固井質(zhì)量。此外，井下常有各種雜質(zhì)，套管鞋的全金屬材料具有耐腐蝕能力，提高劃眼作業(yè)成功率，并且在沖沙、磨銑等修井作業(yè)中，套管鞋也能發(fā)揮作用。

2.3施工流程

該工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，安裝及作業(yè)要求按如下進(jìn)行：

1）引鞋上端連接套管提升接頭。

2）用啟動(dòng)絞車(chē)提升動(dòng)力引鞋到鉆臺(tái)。

3）將動(dòng)力引鞋放入井口，坐掛卡瓦，安裝安全卡瓦。

4）參考鉆完井設(shè)計(jì)，動(dòng)力引鞋上部連接浮箍，并連接一根套管，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)緊扣。

5）按照頂驅(qū)輔助下套管的步驟，將密封膠筒插入套管內(nèi)，上提管柱到與引鞋連接的套管接箍的下端位于鉆臺(tái)面，開(kāi)泵循環(huán)，確保動(dòng)力引鞋可正常旋轉(zhuǎn)。

6）當(dāng)下套管遇阻時(shí)，連接井口循環(huán)系統(tǒng)，開(kāi)泵循環(huán)，先上提釋放鉆壓，然后慢慢下放通過(guò)遇阻段。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1）渤海某大位移水平井。

渤海油田某井井眼尺寸為311.2 mm，下入套管尺寸為244.5 mm，裸眼井段1 820～3 958 m，井眼軌跡復(fù)雜，水平位移長(zhǎng)達(dá)3 116 m，水垂比2.34，該井屬于典型的復(fù)雜軌跡大位移水平井，是渤海區(qū)域下套管難度較大的井。套管一次性下入到位風(fēng)險(xiǎn)較大，因此選用多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋，套管下至3 926 m，遇阻400 kN ，至井深3 926.8 m，懸重全壓上仍不能通過(guò)，隨后啟動(dòng)該工具，當(dāng)排量從1.8 m3/min增加到2.2 m3/min，該工具扭矩和排量呈指數(shù)關(guān)系，套管鞋扭矩增加約50%，順利引導(dǎo)套管通過(guò)遇阻點(diǎn)并下入至設(shè)計(jì)深度。

2）美國(guó)德克薩斯州某井。

井眼尺寸為215.9 mm，下入套管尺寸為177.8 mm，裸眼井段為1 997.05～2 263.14 m（6 552～7 425 ft）。該井段井壁穩(wěn)定性差，下套管到指定位置風(fēng)險(xiǎn)極高，且需要高扭矩完成下套管作業(yè)，為避免旋轉(zhuǎn)套管，采用多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋輔助套管下放指定井段，作業(yè)10 h，順利完成套管的成功下入，未發(fā)生套管變形等狀況。

3）美國(guó)墨西哥灣某油井。

井眼尺寸為311.2 mm，下入的套管尺寸為244.5 mm，裸眼井段為5 148.68 m～5 708.29 m（16 892～18 728 ft）。該井段鄰井存在不穩(wěn)定頁(yè)巖且井眼軌跡復(fù)雜，正常下入套管十分困難，傳統(tǒng)下放方式可能會(huì)引發(fā)井段坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。采用多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋，6次啟動(dòng)該工具，循環(huán)時(shí)間4 h，套管順利下至設(shè)計(jì)井深，達(dá)到技術(shù)要求，節(jié)省44 h下套管前的通井時(shí)間。

4結(jié)論

1）多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋可高效地進(jìn)行輔助下套管作業(yè)，相較于傳統(tǒng)的套管引鞋，該工具利用多級(jí)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疊加扭矩增強(qiáng)工具驅(qū)動(dòng)力，從而提高劃眼作業(yè)效率。

2）多級(jí)徑向渦輪水力驅(qū)動(dòng)套管鞋可根據(jù)地層軟硬程度，對(duì)工具引鞋進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，能有效避免側(cè)鉆出井眼，適用于井壁穩(wěn)定性差、井眼軌跡復(fù)雜、大位移水平井等復(fù)雜井段。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，多功能套管鞋具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)多次劃眼、持續(xù)循環(huán)、改變排量增加扭矩等方式順利引導(dǎo)套管進(jìn)入預(yù)定深度，能顯著提高一次性下套管成功率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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