羅大鵬 侯乃賀 王 鵬 馮 定

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院 2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心 3.中國石化石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

隨著國內(nèi)油田開發(fā)大多進(jìn)入中后期，油氣開發(fā)正朝著深層和非常規(guī)邁進(jìn)，水平井和大位移井的開采作業(yè)也逐漸增多[1-2]。由于水平井穿過油層長度長，油氣層的裸露面積大，在提高油藏采收率的同時也使油井開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)之一的套管下入變得困難[3]。套管下入關(guān)系到鉆井安全和油氣井壽命，被認(rèn)為是鉆機上最低效和最危險的過程之一[4]。并且隨著大位移井的開發(fā)，井眼軌跡越發(fā)復(fù)雜，加上膨脹頁巖及坍塌等帶來的套管下入不到位、卡套管，甚至造斜段彎曲應(yīng)力超過其強度極限而導(dǎo)致的套管破裂等也使套管下入問題越來越嚴(yán)重[5-7]。此外，對于大位移井，套管在水平段貼近井壁下側(cè)且與地層接觸段較長，摩擦阻力相當(dāng)大[8]。常規(guī)的下套管方法難以使套管達(dá)到預(yù)定深度，并且遇到井眼縮頸等阻礙時無法解決[9]。而套管引鞋頭經(jīng)過不斷地發(fā)展，已經(jīng)具有引導(dǎo)、擴孔和清洗井壁等功能，廣泛應(yīng)用于目前的下套管作業(yè)中，成為解決套管下入困難問題的有效途徑之一。

目前國外的套管引鞋頭技術(shù)較為成熟，在材料、制造加工工藝以及功能方面都較為先進(jìn)。主要的生產(chǎn)公司有Varel公司、WWT國際公司、Schlumberger公司以及Weatherford國際公司等。與國外相比，國內(nèi)對套管引鞋頭的研究涉及較少，主要有旋轉(zhuǎn)自導(dǎo)式套管浮鞋[10]、旋振自導(dǎo)式套管引鞋[11]、水平井專用多功能套管鞋[12]、?177.8 mm(7 in)自導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)浮鞋[13]和新型水平井固井下套管牽引工具[14]等。但與國外的套管引鞋頭相比，國內(nèi)在導(dǎo)向效果、擴眼和清潔井壁等方面還存在一定的差距。本文重點介紹了Varel公司、WWT國際公司、Schlumberger公司、Weatherford國際公司以及國內(nèi)一些公司的套管引鞋頭，最后總結(jié)出其發(fā)展趨勢，對國內(nèi)套管引鞋頭的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 套管引鞋頭概述

套管引鞋頭是一種下套管作業(yè)時的引導(dǎo)工具，通常安裝在套管柱的下端，以引導(dǎo)套管柱穿過井筒中心[15]。為有利于后續(xù)的固井作業(yè)，引鞋頭上端一般有止回閥，可防止水泥漿在注入后回流到套管中[16]。通過對國內(nèi)外套管引鞋頭的調(diào)研，總結(jié)得出國內(nèi)外引鞋頭的類型可分為兩類，即導(dǎo)向鞋和擴眼鞋。導(dǎo)向鞋除了防止套管口與井壁刮擦外，還能在遇阻時通過旋轉(zhuǎn)，引導(dǎo)套管朝著阻力較小的路徑前進(jìn)；擴眼鞋在井眼縮頸、巖屑床和頁巖膨脹等問題導(dǎo)致導(dǎo)向鞋引導(dǎo)失敗時使用，其帶有切削結(jié)構(gòu)，可以擴眼、修整井壁及沖洗巖屑。目前，在現(xiàn)場應(yīng)用中，套管引鞋頭還可以與頂驅(qū)下套管裝置、可循環(huán)井口加壓裝置以及下放過程中安放套管扶正器等聯(lián)合使用，使套管下入效率進(jìn)一步提升[17-21]。

2 國外套管引鞋頭技術(shù)現(xiàn)狀

套管引鞋頭表面一般為半球圓弧狀或偏心半球圓弧狀，以減小與井壁之間的摩擦力；其上加工有多個噴嘴用于液流的噴射，可使巖屑懸浮后容易被攜出以及對井壁進(jìn)行清洗。下面圍繞導(dǎo)向鞋和擴眼鞋兩類引鞋頭，結(jié)合現(xiàn)有的套管引鞋頭產(chǎn)品，對國外套管引鞋頭的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)等展開敘述。

2.1 套管導(dǎo)向鞋

2.1.1 Varel公司的Pilot導(dǎo)向鞋

Pilot導(dǎo)向鞋是Varel公司近年推出的一種光滑的鋁制尖頭導(dǎo)向鞋。當(dāng)存在困難井眼條件且傳統(tǒng)水泥頭浮鞋不能解決問題時，Pilot導(dǎo)向鞋可以依靠其特制導(dǎo)向頭與光滑機體使其在不影響引鞋頭強度的情況下通過阻礙，更加順利地進(jìn)行下套管作業(yè)。其類型分為光滑體導(dǎo)向鞋(見圖1a)和光滑自調(diào)整導(dǎo)向鞋(見圖1b)兩種。其中，光滑自調(diào)整導(dǎo)向鞋的引鞋頭在套管下放遇阻時可以自動旋轉(zhuǎn)，調(diào)整好后自動鎖定不再旋轉(zhuǎn)，使其穩(wěn)定順利地通過阻力段。不僅如此，Pilot引鞋頭周向加工有凹陷的傾斜流道，在引導(dǎo)的同時可以高效清潔井壁，減小管柱下入時的摩擦阻力。該導(dǎo)向鞋適合的井眼直徑范圍為95.3～444.5 mm，可適應(yīng)于外徑73.0～339.7 mm套管的下入。

圖1 Pilot導(dǎo)向鞋

2.1.2 WWT國際公司的JetGuide導(dǎo)向鞋

JetGuide導(dǎo)向鞋(見圖2)是WWT國際公司推出的套管導(dǎo)向鞋，分為標(biāo)準(zhǔn)和偏心兩種型號。其結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和加工，成本也低于金屬導(dǎo)向鞋的制造成本，但對于處理套管遇阻情況同樣有效。該引鞋頭采用聚氨酯材料制造，利于完成作業(yè)后的鉆除。與其他導(dǎo)向鞋相比，JetGuide導(dǎo)向鞋的特點在于前端用相比于其他導(dǎo)向鞋30倍的水力沖洗巖屑，利于鉆除巖屑的清洗，減小了套管下入的阻力。此外，JetGuide導(dǎo)向鞋中心孔轉(zhuǎn)換為全開模式后可解決噴嘴堵塞后的安全問題以及進(jìn)行注水泥作業(yè)。該導(dǎo)向鞋的規(guī)格在450～1 800 mm之間，適用于外徑114.3～457.2 mm的套管下入作業(yè)。

圖2 JetGuide導(dǎo)向鞋

2.1.3 Weatherford公司的導(dǎo)向鞋

Weatherford公司的導(dǎo)向鞋產(chǎn)品主要是遇阻-自旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)時會增加套管或襯管的剛度，從而不便于從地面旋轉(zhuǎn)整個管柱或者由于聯(lián)軸器、精密完井組件的扭矩限制而不允許旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)向鞋能相對套管自動旋轉(zhuǎn)[22]。Free-Rotating Eccentric導(dǎo)向鞋遇到井壁的突出部分阻礙其正常導(dǎo)向或前進(jìn)時，會產(chǎn)生側(cè)向力使導(dǎo)向鞋遠(yuǎn)離障礙物旋轉(zhuǎn)，將套管引向阻力較小的路徑，加上引鞋頭偏心側(cè)加工有鉆槽和斷屑器，提高了孔的清潔速率，進(jìn)一步減小了導(dǎo)向鞋通過障礙時的阻力，利于套管順利下到預(yù)定位置。全復(fù)合塑料制造的引鞋頭，方便作業(yè)完成后的鉆除。該導(dǎo)向鞋外徑為177.8～508.0 mm，中心孔直徑范圍為53.4～74.4 mm，適用于外徑194.7～508.0 mm的套管下入作業(yè)。

圖3 Free-Rotating Eccentric導(dǎo)向鞋

2.2 套管擴眼鞋

2.2.1 WWT國際公司的擴眼鞋

JetReam和ReamGuide擴眼鞋(見圖4a)為WWT國際公司的產(chǎn)品，具有鉸孔和鉆孔能力，其噴射能力與JetGuide導(dǎo)向鞋基本相同，但是在面對硬質(zhì)地層的井眼縮頸時，依靠其嵌入式陶瓷切削結(jié)構(gòu)，能有效地進(jìn)行鉸削和切削運動，更加適用于解決困難地層的下套管問題。除此之外，其引鞋頭內(nèi)部為鋁制框架(見圖4b)，可鑲嵌各類刀刃，外部采用的是聚氨酯材料，在保證一定耐用性的同時也容易被鉆除。JetReam和ReamGuide擴眼鞋的規(guī)格在450～1 175 mm之間，適合于?114.3～?298.5 mm套管的下入作業(yè)。

圖4 JetReam和ReamGuide擴眼鞋

2.2.2 Schlumberger公司的XCDR擴眼鞋

XCDR擴眼鞋(見圖5)是Schlumberger公司最新推出的套管擴眼鞋，適用于外徑范圍為127.0～250.8 mm套管的下入作業(yè)。XCDR擴眼鞋均為5葉片設(shè)計，葉片上安有柱狀刀具，數(shù)量為20～39個。該擴眼鞋有助于穿過巖架、鉆屑床以及套管可能懸掛的斷層。其切削結(jié)構(gòu)為碳化鎢刀具，切削性能強，并且擴眼鞋前端非銳利的設(shè)計，避免了在遇到障礙需要轉(zhuǎn)動套管柱時的扭矩過大問題。葉片之間設(shè)計有大排屑槽，面積在1 935.5～11 883.9 mm2之間，使鉆屑更容易排出，結(jié)合前端的6噴嘴設(shè)計，使清潔和冷卻效果得以提升。對于作業(yè)完成后的鉆除，擴眼鞋主體采用銅基合金制造，利用常規(guī)PDC鉆頭即可以很容易地被鉆除。

圖5 ?139.7 mm XCDR擴眼鞋

2.2.3 Varel公司的Pen-O-Trator系列擴眼鞋

Pen-O-Trator擴眼鞋是Varel 公司專門設(shè)計用于幫助安裝套管、襯套或篩管的一種工具。該工具包括Pen-O-Trator(見圖6a)、Pen-O-Trator V2(見圖6b)以及Reaper導(dǎo)向擴眼鞋(見圖6c)，后兩者對切削結(jié)構(gòu)和井眼清洗能力等方面進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，提高了擴眼效率和引導(dǎo)能力，更加適用于解決困難地層條件下的套管下入問題。Pen-O-Trator擴眼鞋的優(yōu)勢在于其切削結(jié)構(gòu)材料采用碳化鎢，使其具有很強的抗沖擊能力，結(jié)合其錐形紐扣刀片設(shè)計能減少鉆屑黏附，利于清潔。在遇到障礙物時，螺旋環(huán)繞的切削結(jié)構(gòu)有利于在旋轉(zhuǎn)或者不旋轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行引導(dǎo)及擴眼等作業(yè)。而Reaper擴眼鞋的前端為銳利的碳化鎢涂層刀片，清阻能力更強，加上前端的排屑槽設(shè)計可保持刀片的清潔，機身上的碳化鎢紐扣刀片可進(jìn)一步清潔井壁，能解決極端井眼條件下的套管下入問題。該系列擴眼鞋的外徑為92.7～431.8 mm，適合連接的套管外徑為73.0～339.7 mm，適合直徑為95.3～444.5 mm的井眼進(jìn)行下套管作業(yè)。

圖6 Pen-O-Trator系列擴眼鞋

2.2.4 Weatherford公司的DiamonBack系列擴眼鞋

Weatherford公司的DiamonBack系列擴眼鞋包括DiamondBack(見圖7a)、DiamondBack FR(見圖7b)、DiamondBack CC(見圖7c)以及CleanReame(見圖7d)4種。其共同特點在于通過各種口徑的大流量流道，防止了水泥泵送過程中的竄槽[23]問題。其中，DiamondBack和DiamondBack FR兩種擴眼鞋的切削結(jié)構(gòu)為塊狀碳化鎢，在遇到堅硬地層和磨蝕性地層時依然能正常工作。兩者的主要區(qū)別在于前者采用鋁制，而后者則可采用復(fù)合塑料材料制造，使越過障礙物時的阻力更小。DiamondBack CC擴眼鞋的整體碳化鎢切削結(jié)構(gòu)使其適用于軟-中等和不穩(wěn)定地層，引導(dǎo)頭同樣采用鋁制，可承受沖擊載荷并且能被PDC鉆頭或者三牙輪鉆頭快速鉆除。CleanReam擴眼鞋的切削結(jié)構(gòu)采用熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSP)或聚晶金剛石(PDC)，除了適用于堅硬、磨蝕性地層外，還能在侵蝕性的地層作業(yè)。該系列擴眼鞋設(shè)定質(zhì)量為34～300 kg，流道流通面積為1.335～8.484 mm2，適應(yīng)的套管外徑為88.9～508.0 mm。

圖7 DiamonBack系列擴眼鞋

3 國內(nèi)套管引鞋頭

國內(nèi)對于套管引鞋頭的研究主要集中在導(dǎo)向鞋，對于帶有切削結(jié)構(gòu)的擴眼鞋研究較少。下面圍繞國內(nèi)現(xiàn)有的一些套管引鞋頭的結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)和工作原理等展開敘述。

3.1 中石化旋振自導(dǎo)式套管引鞋頭

旋振自導(dǎo)式套管引鞋頭的主要特點在于其外壁上加工有6條螺旋棱，其側(cè)壁還開有多個射流孔，在液流反作用力下可使引鞋頭旋轉(zhuǎn)。工作時，引鞋頭在液力的作用下開始高速旋轉(zhuǎn)并通過中間的通孔噴射液流，沉積的巖屑在液流沖擊和螺旋棱攪動的雙重作用下懸浮于液流中，最后通過液流循環(huán)攜出井筒，由此減小套管下入時的阻力[11]。引鞋頭材料為鋁合金，可鉆性較好，便于工作后的鉆除。該引鞋頭工作轉(zhuǎn)速為60～80 r/min，軸向射流孔直徑為40 mm，切向射流孔直徑為20 mm，適應(yīng)于直徑311 mm井眼的下套管作業(yè)。旋振自導(dǎo)式套管引鞋頭結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 旋振自導(dǎo)式套管引鞋頭

3.2 中石化旋轉(zhuǎn)自導(dǎo)式套管浮鞋偏心引鞋頭

旋轉(zhuǎn)自導(dǎo)式套管浮鞋偏心引鞋頭下端設(shè)有主副兩個引導(dǎo)面，分別為大球面和小球面。大球面的引導(dǎo)能力強于小球面，所以工作時大球面正對接觸井壁時為最佳引導(dǎo)狀態(tài)。工作時，偏心引鞋頭與井壁摩擦?xí)a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)而開始旋轉(zhuǎn)，直到左右螺旋槽同時接觸井壁時轉(zhuǎn)動停止，此時大球面正對接觸井壁，引導(dǎo)狀態(tài)為最佳[10]。該偏心引鞋頭最大外徑為153.7 mm，最高工作溫度為180 ℃，適用的套管外徑為139.7 mm，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)自導(dǎo)式套管浮鞋偏心引鞋頭

4 套管引鞋頭材料

面對井下高溫、高壓的惡劣環(huán)境以及耐磨、抗沖擊等要求，還有考慮到工作完成后的可鉆除性，套管引鞋頭材料的選取對于其正常穩(wěn)定地工作十分重要[24]。根據(jù)現(xiàn)有套管引鞋頭的材料，結(jié)合上述工具的結(jié)構(gòu)，對套管引鞋頭材料的類型、功能特點以及材料的加工方法進(jìn)行介紹。

導(dǎo)向鞋的材料主要有鋁制合金、聚氨酯和復(fù)合塑料等。其中，鋁制合金特點在于強度高、耐熱性和抗腐蝕性能較好，加工簡單方便，常采用高速銑削進(jìn)行加工；而聚氨酯具有較高的強度、氧化穩(wěn)定性、柔曲性、回彈性以及優(yōu)良的耐磨性，常通過澆注成型；塑料復(fù)合材料的比強度和比模量較高，耐疲勞性能好，具有良好的減振性、減摩性、耐磨性和耐蝕性，加工方便，也常通過澆注成型。

擴眼鞋的材料分為基體材料和刀刃材料?；w材料除了上述導(dǎo)向鞋所用的材料之外，還有銅基合金、鋁制框架+聚氨酯、鋁制框架+水泥等。其中，銅基合金具有優(yōu)良的耐磨性、較低的摩擦因數(shù)以及高的疲勞極限，鑄造性能好，所以常采用鑄造成型；內(nèi)部鋁制框架+外部聚氨酯的材料組合，一方面方便了更換各類刀具，另一方面聚氨酯的高強度、較好的氧化穩(wěn)定性和耐磨性等特點也保障了擴眼鞋的工作效率和壽命，加工方法常為鋁制框架澆注聚氨酯成型；最后，還有鋁制框架和水泥的材料組合，不僅方便了與上端工具的連接，而且也使整個引鞋頭的強度得到了保證，其加工方法一般為鋁制框架在水泥中錨固。

擴眼鞋刀刃材料主要有碳化鎢、陶瓷、熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSP)以及聚晶金剛石(PDC)。其中，碳化鎢作為硬質(zhì)合金的一種，具有良好的耐高溫和耐磨性能，其抗沖擊能力也很強，硬度與金剛石相近；而陶瓷材料則具有抗腐蝕、耐磨性好和耐高溫的特點，并且切削時的摩擦力小，積屑不易粘接在刀刃上；此外，熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSP)以及聚晶金剛石(PDC)也是擴眼鞋刀刃的常用材料，兩者都具有極高的硬度和良好的耐磨性，區(qū)別在于前者還具有很高的熱穩(wěn)定性，適合于堅硬及侵蝕性地層的切削作業(yè)，而后者更適應(yīng)于中硬、硬以及堅硬地層的切削作業(yè)。

5 典型應(yīng)用

Weatherford公司的Free-Rotating Eccentric導(dǎo)向鞋于2014年在阿拉伯聯(lián)合酋長國海上油井中進(jìn)行了下套管作業(yè)。由于該井為裸眼井，存在更多的不確定性，加大了下套管作業(yè)的難度[25]。利用防旋轉(zhuǎn)葉片+彈性弓形扶正器+Free-Rotating Eccentric導(dǎo)向鞋的下部工具組合，一次性運行完成了堆積鉆屑的清除，沒有對地層和套管柱造成過多損害，使?339.7 mm套管下到了預(yù)定深度。引鞋頭最后被PDC鉆頭在2.5 h內(nèi)鉆除，表明其可鉆性較好。

WWT國際公司的JetReam擴眼鞋在美國得克薩斯州一口水平井進(jìn)行了下套管作業(yè)。該井要在垂直段底部設(shè)置?244.5 mm套管，目標(biāo)深度約為827 m。在嘗試多種導(dǎo)向鞋和擴眼鞋后問題依然沒有解決，采用浮動設(shè)備+彈性復(fù)合管+JetReam擴眼鞋的工具組合在遇阻段進(jìn)行射流擴孔，成功通過二疊紀(jì)困難地層。該過程耗時10 h，通過了約122 m長的阻力段，最后成功將套管下至預(yù)定位置。

中石化的旋振自導(dǎo)式套管引鞋頭在涪陵地區(qū)的一口頁巖氣開發(fā)井進(jìn)行了下套管作業(yè)[11]。該井由于造斜段存在巖屑沉積，作業(yè)時容易遇阻。為了防止因遇阻造成套管難以下入的情況，采用旋振自導(dǎo)式套管引鞋頭安裝于套管柱底部進(jìn)行下套管作業(yè)，整個下入過程較為順利。其中，在經(jīng)過最大井斜處采用邊循環(huán)邊下放的方式，清除了沉積的巖屑，該過程共耗時50 min，最后成功將?244.5 mm套管下放至設(shè)計井深。

6 發(fā)展趨勢及建議

通過對國內(nèi)外套管引鞋頭進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)面對越來越復(fù)雜的井眼軌跡和困難的地層條件，套管引鞋頭正朝著解決復(fù)雜井眼環(huán)境套管下入問題方向發(fā)展。根據(jù)不同井眼和地層情況可以使用不同類型的引鞋頭，井筒為軟-中地層且無井眼縮頸及巖屑床堆積等問題時適合導(dǎo)向鞋作業(yè)；而面對硬質(zhì)地層、存在井眼縮頸和巖屑床等一系列堵塞井眼問題時可采用擴眼鞋。同時，提出如下研發(fā)方向及技術(shù)攻關(guān)方面的建議：

(1)從套管引鞋頭的材料來看，引鞋頭的基體材料除了滿足耐高溫高壓、耐磨和抗沖擊等性能外，還應(yīng)該有易被鉆除以及與井壁之間摩擦因數(shù)較小的特性，以減小摩阻，提高套管下放的成功率；對于刀具的材料應(yīng)根據(jù)具體地層情況而定，碳化鎢和陶瓷較適合于軟-中地層及不穩(wěn)定地層，而熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSP)以及聚晶金剛石(PDC)則適合于堅硬、磨蝕性及侵蝕性地層。

(2)從套管引鞋頭的結(jié)構(gòu)來看，應(yīng)讓引鞋頭更好地實現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)以引導(dǎo)套管朝著阻力較小的路徑前進(jìn)；引鞋頭的流道除了設(shè)計在前端外，可在圓周方向上布置流道增強清洗井壁的能力以減小下放阻力；適當(dāng)?shù)丶哟笈判疾勖娣e以保持刀具清潔以及使巖屑等更好地流入環(huán)空而被鉆井液攜出井筒。

(3)從套管引鞋頭的應(yīng)用技術(shù)方面來看，在滿足各部件正常工作的前提下，可加大鉆井液循環(huán)排量，以提高套管引鞋頭的射流清洗能力。