高明帥,王春蕾,臧臣坤,熊君,周思汛

(中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100120)

0 引言

自然資源部最新油氣資源評價顯示,國內(nèi)陸上待探明油氣資源埋深較大,意味著深層油氣將成為今后勘探開發(fā)的主陣地,多級井身結(jié)構(gòu)的大口徑深井、超深井將成為油氣井的主力軍[1-2]。隨著勘探開發(fā)難度的不斷增大,鉆井工況會日漸復(fù)雜,此時固井作業(yè)顯得尤為重要,而下套管是固井工程中十分重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其安全和順利將有效降低孔內(nèi)事故的發(fā)生,有時甚至影響著成孔的成敗,大多數(shù)情況下下套管的成功意味著80%的固井工程已完成[3-4]。但鉆探施工中井眼彎曲、地層松散剝落、裸孔縮徑等問題會對下套管作業(yè)造成阻礙。

傳統(tǒng)下套管作業(yè)由于無法實現(xiàn)套管連續(xù)回轉(zhuǎn)下放,不能維持鉆井液循環(huán)并保持孔內(nèi)壓力的平衡,因此經(jīng)常導(dǎo)致套管下入失敗并引起孔內(nèi)事故。基于頂驅(qū)裝置的下套管作業(yè),在下套管作業(yè)中可充分利用頂驅(qū)的優(yōu)勢,實現(xiàn)帶動力回轉(zhuǎn)下放套管及自動灌漿維持孔內(nèi)地層壓力穩(wěn)定,降低孔內(nèi)事故的發(fā)生率[5-7]。

國內(nèi)外很多頂驅(qū)生產(chǎn)制造企業(yè)都相繼研制了配套的頂驅(qū)下套管裝置,用以結(jié)合頂驅(qū)完成套管的動力下放[8-11]。國外已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品,國內(nèi)以中國石油天然氣股份有限公司等為代表的企業(yè)和部分高校等科研院所近幾年也相繼開展了相關(guān)產(chǎn)品的研制,但國內(nèi)施工過程中下套管裝置普及率較低[12-14]。

1 油氣井套管下放方法

1.1 常規(guī)下套管方法

下套管作業(yè)主要包括套管柱的連接、套管附件與套管柱的連接、套管柱的下放3個步驟[3]。常規(guī)下套管作業(yè)多采用液壓套管鉗及人工輔助的方式進行,常用的作業(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保護套等其他輔助工具[7],見圖1。

1.上部氣動卡瓦;2.灌泥漿裝置;3.套管吊卡;4. 套管或套管柱;5. 液壓套管鉗;6.對扣護套;7.鉆臺氣動卡瓦圖1 常規(guī)鉆井下套管作業(yè)設(shè)備示意圖Fig.1 The equipment for casing operation in conventional drilling

常規(guī)鉆井下套管流程如下:①鉆臺下部氣動卡瓦關(guān)閉抱緊井內(nèi)套管柱;②使用套管吊卡提升套管單根;③安裝對扣護套,裝置下行進行對扣;④使用套管鉗將單根套管與套管柱連接;⑤啟動上部氣動卡瓦,打開下部氣動卡瓦下放套管柱;⑥定期向套管柱內(nèi)灌漿;⑦遇到卡阻,安裝套管轉(zhuǎn)換工具以頂驅(qū)或者轉(zhuǎn)盤驅(qū)動套管旋轉(zhuǎn)通過卡阻段。

隨著鉆完井工具體系的不斷完善以及大承載設(shè)備的不斷研制成功,盡管提吊方法有所革新,但整體流程上還是將提、吊、放、灌、轉(zhuǎn)這些動作分割開來,作業(yè)過程動作繁雜,需要人工輔助,自動化程度較低。在裸眼段出現(xiàn)縮徑、坍塌、巖屑沉淀等問題時,無法及時循環(huán)泥漿、無法及時往復(fù)上提下放套管以及無法旋轉(zhuǎn)套管降阻解卡,這些就會給完井作業(yè)帶來安全隱患[15-18]。

1.2 頂驅(qū)下套管裝置方法

在鉆完井過程中,所使用的鉆桿和套管規(guī)格存在較大差異,不便于直接采用頂驅(qū)對套管進行作業(yè),因此國內(nèi)外很多廠家研制了頂驅(qū)下套管裝置進行下套管作業(yè)。下套管裝置是專門配合頂驅(qū)進行下套管作業(yè)的輔助工具,集吊卡、液壓鉗、灌漿裝置等功能于一體,充分利用頂驅(qū)的優(yōu)勢,在下套管作業(yè)時完成對套管的卡、提、夾、擰、卸等動作,并根據(jù)需要可隨時進行泥漿循環(huán)平衡地層壓力,作業(yè)效率高、流程順暢、安全可靠。

國內(nèi)外不同形式的下套管裝置主要區(qū)別在于對套管的提吊和擰卸實現(xiàn)方式上的不同,其下套管作業(yè)流程基本相同,接下來簡要介紹頂驅(qū)下套管裝置下套管的作業(yè)流程,如圖2所示。

圖2 頂驅(qū)鉆井下套管作業(yè)流程示意圖Fig.2 Flow diagram of casing operation in top drive drilling

①頂驅(qū)下放至套管吊卡下端面高于套管頭時停止下放;②前擺吊環(huán)至吊卡與套管同心并下放頂驅(qū)至套管接箍漏出吊卡上平面;③上提頂驅(qū)將單根套管提離鼠洞至套管下斷面高于鉆探面套管柱一定高度(與吊環(huán)長度有關(guān));④吊環(huán)液壓缸由前擺換至平衡位置;⑤下放頂驅(qū)并將頂驅(qū)以一定扭矩進行回轉(zhuǎn),進行單根套管與套管柱的螺紋連接;⑥打開鉆臺面卡瓦,頂驅(qū)帶著套管柱進行套管柱的下放,至距離鉆臺面一定高度停止下放,孔口坐卡;⑦松開夾緊套管的牙板,此時繼續(xù)提升至一定高度,完成鼠洞內(nèi)新的套管的下放。

此套裝置可以在套管下放的過程中始終保持孔內(nèi)泥漿的循環(huán),維持孔內(nèi)地層壓力平衡,降低由于下放套管時的抽吸作用引起的縮徑和塌孔等風險,同時當遇到卡阻時還可以通過頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)套管并結(jié)合多次的上提下放通過遇卡井段。這種作業(yè)方式對于深井和超深井固井作業(yè)具有很大優(yōu)勢,對套管的卡、夾、擰、卸都是依靠頂驅(qū)下套管裝置自動完成,節(jié)省傳統(tǒng)作業(yè)模式下人員勞動強度,提高從業(yè)者施工安全。

2 國內(nèi)外頂驅(qū)下套管裝置研究進展

2.1 國內(nèi)頂驅(qū)下套管裝置

國內(nèi)頂驅(qū)下套管裝置的研發(fā)起步較晚,自2000年后才開展相關(guān)研究,主要研究單位集中在中國石油天然氣集團公司、北京石油機械廠、宏華集團、黑龍江景宏石油設(shè)備制造有限公司等企業(yè)以及西南石油大學(xué)、西安石油大學(xué)等高校。國內(nèi)的技術(shù)路線主要以液壓卡夾套管的方式為主,下文以北京石油機械廠和黑龍江景宏石油設(shè)備制造有限公司的典型產(chǎn)品為例介紹其不同的下套管裝置[19-21]。

2.1.1 北京石油機械廠頂驅(qū)下套管裝置

北京石油機械有限公司根據(jù)套管尺寸不同分別研制出XTG244型內(nèi)卡式和XTG178型外卡式的頂驅(qū)下套管裝置(卡瓦與套管接觸面為套管內(nèi)壁,下文稱“內(nèi)卡”,接觸面為套管外壁,下文稱“外卡”),其結(jié)構(gòu)原理分別如圖3和圖4所示。

1.連接軸;2.液壓驅(qū)動總成;3.連接機構(gòu);4.限位機構(gòu);5.卡瓦座;6.可更換卡瓦;7.可更換密封機構(gòu);8.導(dǎo)向頭圖3 北京石油機械廠內(nèi)卡式頂驅(qū)下套管裝置Fig.3 Inner-clip top drive casing device from Beijing Petroleum Machinery Factory

1.連接軸;2.液壓驅(qū)動總成;3.固定環(huán);4.卡瓦座;5.連桿;6.可更換卡瓦;7.導(dǎo)向頭圖4 外卡式頂驅(qū)下套管裝置Fig.4 Outer-clip top drive casing device

兩種裝置都包含以下組成部分:連接軸、驅(qū)動液壓缸、卡瓦座、可更換卡瓦以及保證泥漿循環(huán)通道的密封裝置與導(dǎo)向頭。兩種裝置夾套管方式不同,當套管直徑<177.8 mm時,套管內(nèi)部空間受限所以采用外卡式夾緊套管,當套管直徑>177.8 mm時可在套管內(nèi)部進行卡夾。

以圖3所示內(nèi)卡式頂驅(qū)下套管裝置與頂驅(qū)配套進行下套管作業(yè)時,上部連接軸與頂驅(qū)主軸相連,下套管裝置隨著頂驅(qū)的下放而下降,頂驅(qū)液壓源連通液壓驅(qū)動總成。當導(dǎo)向頭插入孔內(nèi)套管內(nèi)孔時,繼續(xù)下放大鉤將密封裝置和卡瓦機構(gòu)完全插入套管內(nèi)部。此時控制液壓驅(qū)動總成,推動連接機構(gòu)使卡瓦座向下運動,卡瓦在斜面卡瓦座的作用下向外張開鉗牙卡緊套管內(nèi)壁,此時卡瓦提供整個套管柱的軸向重量和回轉(zhuǎn)套管所需扭矩。

此裝置需要注意兩點:第一,每次下放頂驅(qū)裝置時要讓孔內(nèi)套管端部頂住下套管裝置的限位機構(gòu)才能停止下放大鉤,以此來保證卡瓦夾持的位置;第二,根據(jù)不同套管規(guī)格更換卡瓦和密封機構(gòu),當套管直徑過小時就需要換成圖4所示的外卡式下套管裝置。二者作用原理相同,外卡式下套管裝置利用液壓驅(qū)動將卡瓦在卡瓦座的作用方向由向外卡緊變成向內(nèi)夾緊,適用于夾持小直徑套管的外徑進行套管的下放和旋轉(zhuǎn)作業(yè)。

2.1.2 景宏石油設(shè)備制造有限公司頂驅(qū)下套管裝置

黑龍江景宏石油設(shè)備制造有限公司先后研制了兩種形式的頂驅(qū)下套管裝置,如圖5和圖6所示。

1.連接軸;2.承重盤;3.液壓缸;4.鉗牙座;5.鉗牙柱;6.皮碗;7.支撐臂;8.吊鉗裝置;9.前傾液壓缸圖5 景宏夾持式頂驅(qū)下套管裝置Fig.5 Clamping top drive casing device from Jinghong

1.連接軸;2.頂板機構(gòu);3.承載體;4.承載半環(huán);5.承載環(huán)液壓缸;6.背鉗浮動裝置;7.皮碗密封裝置;8.吊鉗裝置;9.背鉗卡瓦液壓缸;10.支撐臂;11.前傾液壓缸圖6 景宏懸掛式頂驅(qū)下套管裝置Fig.6 Suspended top drive casing device from Jinghong

圖5所示的夾持式下套管裝置通過連接軸與頂驅(qū)防保接頭連接,建立泥漿循環(huán)通道的同時可以傳遞頂驅(qū)的回轉(zhuǎn)扭矩,通過前傾液壓缸控制支撐臂前擺配合吊鉗裝置進行套管的抓取,當套管被吊環(huán)自垂放至套管柱中心時,控制頂驅(qū)下行,將密封皮碗插入套管柱。隨后控制液壓缸伸縮,驅(qū)使錐形鉗牙柱由向下軸向運動產(chǎn)生徑向收縮抱緊套管,利用斜面對套管壓緊鎖緊。此時錐形鉗牙柱為套管提供軸向提吊力和上卸扣回轉(zhuǎn)扭矩[9]。通過頂驅(qū)下套管裝置自帶的吊鉗機構(gòu),使頂驅(qū)下套管裝置能夠獨立完成下套管作業(yè)的大部分操作,減少了頂驅(qū)本身的操作,節(jié)省設(shè)備空間。

圖6所示的懸掛式頂驅(qū)下套管裝置同樣采用連接軸與頂驅(qū)防保接頭連接方式,對于套管的抓取兩種結(jié)構(gòu)基本原理和控制相同。但不同于夾持式下套管裝置依靠卡瓦鉗牙對套管柱的抱緊來承載孔內(nèi)的套管柱的重量,該裝置采用了一對半圓形承載半環(huán)支撐在套管接箍上來進行重量承載,同時這對承載半環(huán)由一對承載環(huán)液壓缸進行開合控制,每次套管相對于頂驅(qū)的高度位置相對固定。懸掛式裝置對套管的旋轉(zhuǎn)扭矩是依靠背鉗的夾持實現(xiàn)的,背鉗只需要提供足夠的套管上卸扣扭矩即可,同時還設(shè)置了背鉗浮動裝置,在卡瓦抱緊套管進行上卸扣作業(yè)時具備了浮動功能,保護了套管螺紋[20]。

以上兩種形式的下套管裝置都可以實現(xiàn)對套管的快速卡、夾、擰、卸等作業(yè),主要區(qū)別在于對孔內(nèi)套管的承載方式及上卸扣浮動功能。由于套管規(guī)格尺寸多樣,相比于懸掛式下套管裝置,夾持式下套管裝置會有以下缺點:①夾持式卡瓦除提供套管的上卸扣扭矩之外還需承受套管柱的重量,套管柱越重需要的卡瓦夾持力就越大,因此卡瓦的驅(qū)動力要很大,同時卡瓦對套管桿體表面的損傷也會增大;②采用錐形卡瓦的方式需要提供很大的軸向尺寸才能滿足對不同規(guī)格套管的夾持需求。

2.2 國外頂驅(qū)下套管裝置

自1990年起國外已經(jīng)有關(guān)于頂驅(qū)下套管裝置的研究記載,并在2000年之后隨著頂驅(qū)鉆井設(shè)備的普及該裝置的研究進入白熱化時代,國外很多廠家都開始了相關(guān)產(chǎn)品的研究和實驗工作,其中包括加拿大的Tesco、Volant以及美國的Canrig、Weatherford、Franks、Offshore Energy和Premiere等公司[22-27]。

2.2.1 加拿大頂驅(qū)下套管裝置

Tesco公司研發(fā)的下套管裝置應(yīng)用較早,主要采用液壓驅(qū)動進行卡夾套管的方式,通過液壓缸推動具有楔形錐面的驅(qū)動機構(gòu)上下移動,使卡瓦實現(xiàn)對套管的抱緊和松開,該結(jié)構(gòu)可以根據(jù)下放套管柱的重量大小來自適應(yīng)調(diào)節(jié)夾持力。該設(shè)備自帶加長吊環(huán)配合專用吊卡實現(xiàn)對單根套管的抓取。截至目前該公司研發(fā)裝置分為外卡式和內(nèi)卡式兩種,提吊能力滿足350 t、500 t以及750 t等多種噸位,如圖7所示。

圖7 Tesco下套管裝置Fig.7 Casing device from Tesco

Volant公司研發(fā)的下套管裝置對套管的卡夾動力完全由機械驅(qū)動,如圖8所示。該裝置可通過頂驅(qū)施加的旋轉(zhuǎn)和提放,實現(xiàn)由心軸的軸向運動向卡瓦的徑向伸縮的傳遞,進而完成對套管內(nèi)外壁的卡夾動作。但該產(chǎn)品無法獨立實現(xiàn)對單根套管的取放作業(yè),需要借助頂驅(qū)加長吊環(huán)才可以實現(xiàn)。

圖8 Volant下套管裝置Fig.8 Casing device from Volant

2.2.2 美國頂驅(qū)下套管裝置

以美國Canrig、Weatherford、Franks、Offshore Energy、Premiere等為代表的油氣裝備公司先后配套頂驅(qū)設(shè)備研制出多種型號的頂驅(qū)下套管裝置,并在英國、俄羅斯以及阿爾及利亞等眾多井場取得較好的應(yīng)用效果[8]。這些產(chǎn)品大部分都采用液壓驅(qū)動卡瓦夾持套管的方式,卡瓦需要承受孔內(nèi)管柱的全部重量。在深井和超深井套管下放作業(yè)過程中管柱重量非常大,常規(guī)牙型的卡瓦結(jié)構(gòu)會套管表面造成損傷,影響套管強度和壽命,但Canrig公司采用了如圖9所示的鋼球夾持機構(gòu),在液壓驅(qū)動下鋼球會受到斜槽的擠壓而徑向移動,實現(xiàn)對套管的微痕夾持,更能適應(yīng)深井、超深井等惡劣工況的下套管作業(yè)。Weatherford(圖10)、Franks、Premiere等公司配置了相關(guān)的重力補償裝置,減小卡瓦對套管的損傷。

圖9 鋼球夾緊機構(gòu)示意圖Fig.9 Steel ball clamping mechanism

圖10 Weatherford頂驅(qū)下套管裝置Fig.10 Top drive casing device from Weatherford

3 結(jié)論與展望

隨著國內(nèi)外油氣井勘探開采施工需求的不斷加大,石油勘探開采裝備也正在大步向前邁進,傳統(tǒng)的石油鉆機正逐步向數(shù)字化、自動化頂驅(qū)方向發(fā)展。伴隨裝備的進步配套設(shè)備也逐漸受到重視,尤其作為油氣井勘探開采重要的下套管作業(yè)裝備的研發(fā)和優(yōu)化更加重要[28-29]。本文通過對國內(nèi)外頂驅(qū)下套管裝置的調(diào)研,總結(jié)了以下幾點關(guān)于油氣井頂驅(qū)下套管裝置的發(fā)展需求:

(1)頂驅(qū)下套管裝置不論是液壓式或機械式都需要滿足設(shè)備和施工的安全可靠,需要通過技術(shù)手段降低液壓油泄漏、卡瓦打滑等安全事故的概率,包括對套管微損傷夾持機構(gòu)的研究。

(2)需要向可覆蓋全流程作業(yè)方向完善配套設(shè)施,單獨的頂驅(qū)下套管裝置僅僅是設(shè)備上的基礎(chǔ),泥漿的循環(huán)、單套管作業(yè)以及下放遇阻的套管驅(qū)動都是影響套管成功下放的重要因素,如何通過頂驅(qū)+套管下放裝置的組合以提高套管下放效率,降低人員勞動強度,并向智能化方向發(fā)展是未來完善配套的重要目標。

(3)近幾年國內(nèi)多家單位相繼推出油氣頂驅(qū)裝備產(chǎn)品,未來國內(nèi)市場油氣頂驅(qū)配套產(chǎn)品會逐漸豐富并走向繁榮。在這種背景下國內(nèi)的頂驅(qū)下套管裝置要做出適合國內(nèi)外市場的產(chǎn)品,逐漸走向技術(shù)成熟穩(wěn)定。