馬蘭榮, 王德國, 阮臣良, 韓 峰
(1.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院,北京 102249;2.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)
近年來,隨著鉆井技術(shù)的快速發(fā)展,鉆井的深度在不斷增加,大位移井的水垂比也越來越大,井身結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,套管層次越來越多;高溫、高壓、多重壓力系統(tǒng)并存等情況對尾管懸掛器的坐掛可靠性、密封能力、耐溫能力等方面提出了更高的要求。尾管固井技術(shù)[1]得到了廣泛應(yīng)用,尾管懸掛器的可靠性與以前相比也有了較大提高。但是,常規(guī)尾管懸掛器不能完全適應(yīng)日趨復(fù)雜的現(xiàn)場井況,現(xiàn)場應(yīng)用中存在一些問題:在大斜度井及深井的應(yīng)用中,懸掛器坐掛及丟手可靠性偏低;在深井、小間隙井中,環(huán)空間隙小、水泥漿頂替效率低,尾管固井質(zhì)量難以保證;在大斜度井、水平井及大位移井中尾管及懸掛器難以順利下至設(shè)計位置,反復(fù)上提下放容易將卡瓦等外露件碰掉,造成更大的井下故障;在高壓油氣井或漏失井的尾管重疊段,固井質(zhì)量差,容易形成竄流通道,發(fā)生油氣水竄。
為解決復(fù)雜井和異常井的尾管固井難題,國外的井下工具公司成功研發(fā)出新型封隔式旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器及配套工具,增強(qiáng)了對井下復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力,大幅度提高了尾管懸掛器的作業(yè)可靠性。針對現(xiàn)場深井、超深井、水平井等復(fù)雜井況的需求,國內(nèi)也進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器[1]、封隔式尾管懸掛器相關(guān)技術(shù)研究,但是性能和可靠性有待進(jìn)一步提高。筆者在常規(guī)尾管懸掛器技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對坐掛可靠性低、固井質(zhì)量差、下入困難等問題,突破了尾管懸掛器單一功能設(shè)計模式,創(chuàng)新設(shè)計了集坐掛、坐封、旋轉(zhuǎn)及高壓封隔等多種功能于一體的新型多功能尾管懸掛器;同時,通過新材料、新技術(shù)及新工藝的引入,提高了懸掛器的整體性能指標(biāo),以期有效解決復(fù)雜井的固井問題,提高尾管固井質(zhì)量,降低作業(yè)成本。
在現(xiàn)場應(yīng)用中,多功能尾管懸掛器需要解決以下問題:1)當(dāng)尾管下入過程中遇阻時,可通過旋轉(zhuǎn)管柱將尾管下至設(shè)計位置[2];2)在注水泥及替漿過程中旋轉(zhuǎn)尾管[3-5],可提高替漿效率和尾管固井質(zhì)量;3)在注水泥前坐掛尾管、注水泥后封隔環(huán)空,防止高壓油氣水侵入水泥漿形成竄流通道;4)防止水泥漿返高不夠或重疊段封固質(zhì)量不好導(dǎo)致地層液體進(jìn)入套管內(nèi),影響后續(xù)測試和投產(chǎn);5)能夠承受更大的井內(nèi)壓力,確保后續(xù)完井及采油作業(yè)的順利完成。為了解決這些問題,多功能尾管懸掛器的主要設(shè)計思路為:
1) 為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能,需要研制能承受整個尾管重量和部分鉆具重量的高承載、長壽命軸承,并能適應(yīng)井下鉆井液環(huán)境和高溫、高壓井況;為確保懸掛器坐掛的可靠性,需要具備高承載、大過流性能,在新型的坐掛機(jī)構(gòu)設(shè)計中,盡量減小徑向排列零件,確保主要零部件的強(qiáng)度;同時,采用口袋式坐掛機(jī)構(gòu),可以對卡瓦進(jìn)行較好的保護(hù),避免入井時被碰傷,并考慮設(shè)計更大的過流通道。
2) 傳統(tǒng)的倒扣式機(jī)械丟手機(jī)構(gòu)在入井過程中無法旋轉(zhuǎn),因此采用液壓丟手方式實現(xiàn)尾管的送入和丟手。通過對結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,確保其丟手功能的實現(xiàn);同時,需保證關(guān)鍵部件的抗扭能力滿足旋轉(zhuǎn)尾管要求。
3) 為保證尾管頂部封隔裝置的封隔能力達(dá)到70 MPa,以及尾管能夠快速下入及大排量循環(huán),尾管頂部封隔器采取金屬徑向膨脹坐封的方式;為防止封隔器坐封后松弛,保證封隔的長久性,需設(shè)計鎖緊機(jī)構(gòu),確保其防退能力。
4) 結(jié)合常規(guī)送入工具及懸掛器的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,針對現(xiàn)場需求設(shè)計各功能模塊并進(jìn)行集成技術(shù)研究,最終實現(xiàn)尾管旋轉(zhuǎn)下入、坐掛、丟手、固井過程中的旋轉(zhuǎn)及固井后的封隔器坐封作業(yè)。
多功能尾管懸掛器的主要功能模塊包括內(nèi)嵌卡瓦坐掛機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、超高壓封隔裝置等,技術(shù)關(guān)鍵是大過流/高承載坐掛機(jī)構(gòu)、重載推力軸承、雙保險丟手工具和超高壓封隔裝置的設(shè)計。
內(nèi)嵌卡瓦坐掛機(jī)構(gòu)坐掛時,卡瓦沿錐套上行的同時徑向張開、并與上層套管咬緊,進(jìn)而實現(xiàn)尾管的坐掛(內(nèi)嵌卡瓦坐掛系統(tǒng)如圖1所示)。這種結(jié)構(gòu)一改常規(guī)卡瓦懸掛器單純的徑向承載方式,采用軸向、徑向復(fù)合承載方式,使得卡瓦外表面與套管擠進(jìn)、實現(xiàn)坐掛,卡瓦受力面積更大,內(nèi)部應(yīng)力分布更均勻,且應(yīng)力值大大減小。
圖1 內(nèi)嵌卡瓦坐掛系統(tǒng)Fig.1 Embedded slip setting system
從φ244.5 mm×φ177.8 mm尾管懸掛器坐掛機(jī)構(gòu)的承載能力曲線(見圖2)可以看出,整個坐掛機(jī)構(gòu)的最大承載能力達(dá)到了3 000 kN。坐掛系統(tǒng)中套管、錐套及卡瓦在承受不同載荷作用時內(nèi)部的應(yīng)力情況見表1。
圖2 坐掛機(jī)構(gòu)承載能力曲線Fig.2 Curve of the load capacity for setting mechanism
Table1Stressconditionforeachpartofhangersettingmechanism
載荷/kN外層套管局部最大應(yīng)力/MPa卡瓦局部最大應(yīng)力/MPa錐套局部最大應(yīng)力/MPa1 8009101 0006752 2009101 0506922 6009351 075826
從表1可以看出,坐掛系統(tǒng)中錐套內(nèi)部應(yīng)力最小,在屈服強(qiáng)度(850 MPa)范圍內(nèi),上層套管局部應(yīng)力超過了屈服強(qiáng)度(P110套管屈服強(qiáng)度760 MPa),與卡瓦接觸的地方發(fā)生了塑性變形,卡瓦內(nèi)部應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度(1 190 MPa),坐掛系統(tǒng)在承載2 600 kN時是安全的。
尾管懸掛器坐掛前后的過流面積大小是判斷其性能的另一重要參數(shù)。懸掛器坐掛前需要進(jìn)行循環(huán)洗井,較大的過流面積有利于井下巖屑的返出;懸掛器坐掛后進(jìn)行固井作業(yè)時,過流面積過小易導(dǎo)致循環(huán)壓力過大,造成地層漏失。但是,強(qiáng)度和過流面積是一對矛盾因素,需要對結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并對材料熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn),保證懸掛器高承載情況下的大過流。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,首先考慮減少徑向排列零件數(shù)量,改變常規(guī)坐掛機(jī)構(gòu)卡瓦與錐套徑向疊加擠進(jìn)的坐掛方式,采用周向接觸擠壓的方式(見圖1)。改進(jìn)后,坐掛后卡瓦被錐套托起,與懸掛器之間形成新的過流通道(見圖3中過流通道B),懸掛器在坐掛后具有2條循環(huán)過流通道,坐掛前后過流面積變化不大,坐掛后總過流面積達(dá)到4 300 mm2,較常規(guī)懸掛器坐掛機(jī)構(gòu)過流面積3 200 mm2提高了34%。在現(xiàn)場應(yīng)用中,懸掛器坐掛前后的循環(huán)壓力變化不大,降低了施工阻力,特別是在易漏失地層、小間隙井眼尾管固井中具有很好的過流效果。
圖3 內(nèi)嵌卡瓦坐掛機(jī)構(gòu)過流面積示意Fig.3 Diagram for flowing area of embedded slip setting mechanism
液壓丟手工具及軸承是實現(xiàn)尾管懸掛器旋轉(zhuǎn)功能的核心部件,其承載能力、壽命及扭矩傳遞能力、丟手的可靠性直接關(guān)系到旋轉(zhuǎn)尾管作業(yè)能否順利實施。
2.2.1 新型密封軸承
由于軸承旋轉(zhuǎn)時需要承受整個尾管的重量,其內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到了常規(guī)軸承抗壓強(qiáng)度10倍,且井下工況惡劣,高溫高壓和介質(zhì)中的固相及巖屑等因素會影響到軸承的承載能力和壽命。例如,φ177.8 mm旋轉(zhuǎn)懸掛器軸承的具體工況為:1)井下環(huán)境溫度為50~150 ℃;2)工作介質(zhì)為鉆井液,密度為1.3~1.6 kg/L,無潤滑介質(zhì),沙粒粒度200~400目;3)轉(zhuǎn)速20~25 r/min;4)使用壽命要求長于20 h;5)軸向動載700 kN。
針對旋轉(zhuǎn)懸掛器的實際工況,設(shè)計了具有密封裝置的高承載、長壽命的新型推力軸承(見圖4)。首先,為了加強(qiáng)對滾動體和跑道的保護(hù),防止介質(zhì)中的固相及巖屑進(jìn)入,設(shè)計了內(nèi)外密封機(jī)構(gòu);其次,為了滿足軸承高承載、長壽命的要求,在滾動體的結(jié)構(gòu)中設(shè)計了獨(dú)特的對數(shù)凸形軸承,通過仿真計算,得到了軸承承載時的應(yīng)力云圖,并據(jù)此優(yōu)化了軸承滾動體的尺寸和數(shù)量;另外,優(yōu)化了包括軸承座圈跑道圓角、凸形參數(shù)在內(nèi)的尺寸參數(shù),并對改進(jìn)后的模型進(jìn)行了應(yīng)力計算,得到應(yīng)力分析結(jié)果(見表2)。從表2可以看出,改進(jìn)后的軸承接觸壓力和應(yīng)力都大大降低,滾動體的最大接觸壓力由原始設(shè)計時的6 500 MPa降低到改進(jìn)后的2 536 MPa,提高了軸承的承載能力。
圖4 密封軸承結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Diagram of bearing sealing mechanism
零件計算模型最大接觸壓力/MPa平均接觸壓力/MPa最大應(yīng)力/MPa平均應(yīng)力/MPa滾動體原始設(shè)計6 5001 9733 5001 112改進(jìn)后2 5362 1001 4371 200座圈原始設(shè)計2 6602 6601 4321 432改進(jìn)后2 2002 2001 2271 200
對新型密封軸承進(jìn)行了工況模擬試驗,試驗介質(zhì)為鉆井液,采用重晶石粉加重,重晶石粉粒度為300目,配置的鉆井液密度為1.6 kg/L,漏斗黏度為50~60 s。
將軸承放置在鉆井液中,并施加不同的載荷,以20 r/min的速度旋轉(zhuǎn),測試軸承在不同時間點的旋轉(zhuǎn)扭矩。新型φ177.8 mm懸掛器軸承在700 kN軸向載荷作用下,扭矩穩(wěn)定在1 050~1 250 N·m,壽命達(dá)到55 h,滿足設(shè)計要求。
2.2.2 液壓丟手機(jī)構(gòu)
液壓丟手工具(見圖5)是實現(xiàn)鉆具帶動尾管旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件,其作用是將旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器及尾管送入到井內(nèi)設(shè)計位置,在坐掛尾管后與尾管脫離,在注水泥過程中,可實施旋轉(zhuǎn)尾管固井[5]。液壓丟手工具除了要實現(xiàn)連接和承載外,還要傳遞扭矩,傳遞扭矩大小是評價其性能的一個重要參數(shù)[6]。
扭矩套在液壓丟手裝置中負(fù)責(zé)傳遞扭矩,扭矩套和上接頭各自的扭矩齒相嚙合,扭矩通過扭矩齒間的接觸力傳遞。在實際工作中,扭矩齒是整個傳遞扭矩結(jié)構(gòu)中的最薄弱環(huán)節(jié),在一定扭矩條件下扭矩齒會在齒根處發(fā)生斷裂從而失效,扭矩套所能承載的最大扭矩與扭矩齒的結(jié)構(gòu)和尺寸有直接關(guān)系。為此,優(yōu)化了扭矩齒結(jié)構(gòu)和尺寸,以提高扭矩套抗扭能力。
圖5 液壓丟手工具Fig.5 Diagram of hydraulic release tool
考慮液壓丟手裝置中的扭矩套與上接頭的配合,決定扭矩齒結(jié)構(gòu)尺寸的主要有3個參數(shù),分別為齒根圓角半徑r、齒高h(yuǎn)和齒厚t(見圖6),初始模型中r=3 mm,h=20 mm,t=20 mm,使用有限元方法優(yōu)化3項參數(shù),以獲得最佳抗扭能力。
圖6 扭矩套參數(shù)摸型Fig.6 Parameter model of torque sleeve
考慮到上接頭壁厚較大、變形量較小,因此將其假設(shè)為剛體,并將其固定。在扭矩套底面施加扭矩,作用于上接頭固定點的反扭矩即為結(jié)構(gòu)的抗扭能力。
優(yōu)化方案如下:1)保持齒高h(yuǎn)與厚度t不變,改變齒根圓角r,通過仿真計算選取最優(yōu)倒角ropt;2)固定圓角ropt及壁厚t,改變齒高h(yuǎn),據(jù)此計算選取最優(yōu)齒高h(yuǎn)opt;3)在固定ropt與hopt的情況下,改變t,得到優(yōu)化后的topt,計算結(jié)果見表3。
表3 扭矩套設(shè)計參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimized design parameters for torque sleeve
從表3可以看出,當(dāng)齒根圓角半徑為3 mm、齒高為30 mm、齒厚增大至15 mm時,其抗扭能力達(dá)到了41.43 kN·m,滿足設(shè)計要求。
尾管頂部封隔裝置連接在懸掛器的最上端,注完水泥漿后,下壓鉆具脹封封隔器,可以有效封隔重疊段環(huán)空,防止竄流通道的形成,并能承受較大的正負(fù)壓差,確保固井、完井作業(yè)順利完成。常規(guī)的懸掛器封隔在一些深井、超深井等復(fù)雜井應(yīng)用中有一定的局限性,如密封能力低、耐溫低,允許的循環(huán)排量低于1.1 m3/min,不能適應(yīng)現(xiàn)場高溫、高壓及大排量循環(huán)的需要。
2.3.1 超高壓封隔裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及膨脹材料優(yōu)選
為了滿足小環(huán)空間隙、超高壓封隔要求,設(shè)計了基于金屬膨脹機(jī)理[6-8]的超高壓封隔裝置,膨脹套筒采用可膨脹的管材制成,利用管材的金屬塑性應(yīng)變特性,通過膨脹錐體對膨脹套筒[9-11]施加軸向力,使得膨脹套筒能夠進(jìn)行徑向膨脹[12-15],膨脹后的膠筒對外層套管產(chǎn)生一定的擠壓,兩者之間產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力,從而形成了超高壓的密封能力。超高壓封隔裝置主要由錐體、膠筒、膨脹套筒和中心管等組成,如圖7所示。
圖7 尾管頂部封隔裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Diagram of packer mechanism on liner top
膨脹套筒由可膨脹金屬材料制成,要求膨脹套筒材料既易于膨脹,還要具有足夠的強(qiáng)度,以滿足高壓封隔的要求。將優(yōu)選的可膨脹金屬材料分別制成套筒樣件,進(jìn)行了模擬試驗,結(jié)果見表4。
表4 膨脹試驗結(jié)果Table 4 Results of expanding test
由表4可知,材料C膨脹效果較好,且膨脹所需的下壓力僅為260 kN,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料A及材料B。因此,膨脹套筒的材料確定為C。
2.3.2 膨脹套筒仿真分析
膨脹套筒結(jié)構(gòu)如圖8所示,外表面的凸起有2個作用:一是用于固定膠筒,二是增加其支撐強(qiáng)度。套筒右側(cè)內(nèi)表面與中心軸之間存在一定的角度,稱為爬升錐角(見圖8),膨脹套筒通過該錐角將軸向力轉(zhuǎn)化為徑向力,實現(xiàn)膨脹。理論上,爬升角度越小,所需要的軸向力就越小,但是角度過小又造成錐體及膨脹套筒長度增大,綜合考慮膨脹、軸向及徑向尺寸,將錐角設(shè)計為10°。
圖8 膨脹套筒結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Diagram of expandable sleeve
當(dāng)膠筒膨脹并接觸到上層套管以后,產(chǎn)生接觸應(yīng)力。理論上講,該接觸應(yīng)力即可認(rèn)為是膠筒的密封能力,因此下面分析中只研究膠筒與套管間的接觸應(yīng)力。試驗研究了膠筒在不同軸向坐封載荷情況下的接觸應(yīng)力,結(jié)果見圖9。從圖9可以看出,在坐封載荷增大時,膠筒與套管的接觸應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)坐封載荷為217 kN時,接觸應(yīng)力達(dá)到70 MPa;當(dāng)坐封載荷為355 kN時,接觸應(yīng)力達(dá)到了200 MPa,此時錐體的最大應(yīng)力沒有超過屈服極限應(yīng)力,在理論上是安全的。
圖9 最大接觸應(yīng)力坐封載荷曲線Fig.9 Curve of the max contact stress versus setting load
2.3.3 封隔裝置性能試驗
制造了封隔裝置工程樣機(jī),并進(jìn)行了模擬膨脹及密封試驗。試驗用套管的壁厚為13.84 mm,鋼級為P110。試驗中,當(dāng)坐封力為360 kN時,封隔裝置的密封能力達(dá)到了70 MPa。坐封力360 kN與理論計算值217 kN尚有一定差距,這是因為理論計算是單純對于膠筒而言,而封隔裝置中的縮進(jìn)機(jī)構(gòu)、端部保護(hù)機(jī)構(gòu)等都需要消耗一定的摩擦力,所以實際坐封力要比理論值大一些。
為了測試封隔裝置的耐沖蝕能力,將封隔裝置與懸掛器總成整體組裝后下入到試驗井中,進(jìn)行循環(huán)試驗,循環(huán)排量為2 m3/min,循環(huán)24 h后膠筒外觀沒有任何損傷,坐封后密封能力仍能達(dá)到70 MPa。
多功能尾管懸掛器在潿洲6-12油田多口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗,最大井斜角93°,最大尾管軸向載荷1 150 kN,坐掛成功率100%,驗證了多功能尾管懸掛器在現(xiàn)場固井中的適應(yīng)性和可靠性。
潿洲 6-12 油田主力油層為潿二段、潿三段和流沙港組,主力油層垂深均在2 700 m以內(nèi),計算井底靜止溫度為91 ℃。儲層特點是分布較分散,水層、油層交錯。尾管固井難點主要為:目標(biāo)層位分布較散,井眼軌跡復(fù)雜,該井泥巖段易吸水膨脹、掉塊嚴(yán)重,在尾管下入過程中易阻卡。
WZ6-12-A3S 井是一口側(cè)鉆井,自井深500 m處造斜,后2次增斜、降斜,并扭方位,井眼軌跡呈空間S形,最大井斜角68.4°,懸掛器處井斜角45.0°。完鉆井深3 428 m,上層套管下深2 288 m,最大井斜在井深2 536 m附近。這口井在井眼軌跡、尾管段長度等方面是中海油施工難度最大的一口井,給尾管下入作業(yè)帶來了很大困難[4]。
在入井過程中,多功能尾管懸掛器在井深2 800 m處遇阻(前2次在井深2 330 m處和出套管鞋50 m處)。懸掛器處最大下壓載荷300~350 kN,懸掛器處最大上提載荷1 200 kN,整個管串的最大旋轉(zhuǎn)扭矩20 kN·m。經(jīng)4 h左右的旋轉(zhuǎn)下入、下壓載荷成功將懸掛器下至井底。后來的坐掛、丟手均正常,固井正常碰壓。送入工具起出后檢查,除塞帽有磨損外,各部分正常。
現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,管串靜止時的旋轉(zhuǎn)扭矩明顯大于上下活動時,這主要是由于摩擦力相對于管串的方向不同導(dǎo)致的。開始旋轉(zhuǎn)時,摩擦力完全作用在管串的切線方向,旋轉(zhuǎn)扭矩最大;快速上下活動后旋轉(zhuǎn)時,摩擦力基本以軸線方向為主,旋轉(zhuǎn)扭矩最小。因此,在遇阻時,一般先提活、上提一定距離后再下放,并以10 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),這樣,扭矩能夠降至啟動扭矩的一半左右,確保施工的順利進(jìn)行。在該井的施工過程中,液壓丟手工具最大受壓300 kN左右,上提連接可靠,抗扭能力強(qiáng),滿足了大扭矩旋轉(zhuǎn)下入的要求。
1) 多功能尾管懸掛器成功實現(xiàn)了懸掛、封隔、旋轉(zhuǎn)、液壓丟手等多種模塊的技術(shù)集成,解決了深井、水平井等復(fù)雜井況下的固井難題。通過對軸承承載技術(shù)、丟手工具抗扭技術(shù)研究,實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)尾管功能,提高了小間隙井、深井長裸眼段及漏失等井況下的尾管下入能力。
2) 內(nèi)嵌式卡瓦坐掛機(jī)構(gòu)提高了懸掛器的承載能力,增大了過流面積,對于深井、超深井及小間隙井具有更好的適應(yīng)能力;金屬膨脹式尾管頂部封隔器封隔壓差能力達(dá)到70 MPa,耐溫達(dá)150 ℃,并可實現(xiàn)尾管的快速下入及大排量循環(huán)。
3) 建議進(jìn)行多功能尾管懸掛器的系列化工作,盡快開發(fā)小尺寸旋轉(zhuǎn)尾管固井工具,并在超深井和小間隙井的尾管固井中進(jìn)行推廣應(yīng)用,發(fā)揮其旋轉(zhuǎn)、高承載和過流面積大的優(yōu)勢。
4) 建議在多功能尾管懸掛器的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化研究,增設(shè)四塞系統(tǒng)、平衡裝置等功能單元,并盡快開發(fā)適用于深水尾管固井的懸掛系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
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