深水頂部驅動固井水泥頭技術現狀分析

于明武，閻永宏，荊 強，惠坤亮，孫 博

(1.中海油田服務股份有限公司 油田化學研究院，河北 三河 065201；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721000)

深水頂部驅動固井水泥頭技術現狀分析

于明武1，閻永宏2，荊 強2，惠坤亮2，孫 博2

(1.中海油田服務股份有限公司 油田化學研究院，河北 三河 065201；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721000)

介紹了國外最新典型深水頂部驅動固井水泥頭的結構和功能原理，分析了其技術性能、產品特性，并對比了國外典型產品的優缺點。分析表明，國外深水頂部驅動固井水泥頭具有高耐壓、高承載及高承扭特點。建議根據我國深水固井作業實際需求，合理定位產品性能和產品特性，從產品功能實現、遠程控制技術、固井自動化和一體化技術等方向，加快深水頂部驅動固井水泥頭研制。

固井水泥頭；遠程控制；現狀

隨著海洋鉆井技術向深水、超深水發展，固井管柱越來越長、工作壓力越來越高、操作難度越來越大、作業時安全隱患越來越多。為提高固井質量和作業自動化，旋轉尾管固井技術和水泥頭遠程控制技術得到廣泛應用，這些對深水固井作業裝備的產品性能、工作可靠性、安全性、自動化水平提出了更高要求。

國外Halliburton、Weatherford、Schlumberger等公司，近幾年研發了各具特點的深水遠程控制固井水泥頭，產品可實現自動化固井，解決了海洋深水及復雜地質環境中的固井難題，提高了固井效率與質量，降低了開發成本和人工操作風險，是今后深水固井水泥頭發展的方向。

1 典型產品

深水遠程控制固井水泥頭通常指通過氣控、液控、電控等方式進行遠程或無線控制，水泥頭通過頂驅帶動旋轉實現旋轉固井，能夠自動完成投膠塞、投坐封球功能的高端固井裝備。

1.1 Halliburton公司CommanderTM500/1000水泥頭[1](CTDCH水泥頭)

Halliburton公司500/1000 CTDCH水泥頭是該公司新型高端固井深水水泥頭產品，采用模塊化和專利快接機構設計，可承受全部工作載荷和轉矩，根據需要可增減模塊，現場適應性強。如圖1所示。

1—控制面板；2—注入由壬；3—快接裝置；4—旋轉閥；5—控制箱；6—自動投球；7—指示器。圖1 CommanderTM 500/1000水泥頭

水泥頭本體采用雙通流道及旋轉閥結構，工作時將膠塞預裝在本體內(本體偏心深孔制造工藝難度大)，膠塞在旋轉閥順序開啟后，在流體作用下依次釋放；自動投球機構最大規格為76.2 mm(3英寸)；具有多重膠塞指示保障措施，可靠性高；動力采用便攜式氣源，系統整體現場安裝簡便，無過多管線連接，減少爬高墜落風險，降低勞動強度；全程無線遠程邏輯控制，確保旋轉機構正確進行膠塞和投球投放，所有控制信息可記錄并可以下載以進行操作分析。工作結束后，可對工具內部進行殘液沖洗。

1.2 Schlumberger公司的Internal bypass cement manifold[2](CMIB水泥頭)

Schlumberger公司的CMIB水泥頭具有頂部驅動特性，采用旋轉注入結構、旋轉閥和投膠塞模塊及坐封球功能化模塊化設計；工具本體采用中心通道加環空通道機構，回轉半徑小，結構緊湊。根據需要可增減旋轉閥和投膠塞模塊，現場適應性強。工作時將膠塞和投球預裝在本體內，裝膠塞和投球無需拆卸任何部件，制造工藝性好；具有膠塞指示機構，動作可靠；全程可以采用手動操作進行固井作業，或加裝遠程邏輯控制系統后，能夠控制旋轉機構進行膠塞和投球投放。如圖2所示。

1—旋轉注入頭；2—旋轉閥；3—投球器；4—膠塞指示器。圖2 CMIB水泥頭

1.3 Weatherford公司BA-RCTDH水泥頭[3]

Weatherford公司BA-RCTDH水泥頭是滿足深水固井而研制的一種加強型水泥頭[4]，采用旋轉注入頭、膠塞旋轉閥、投球器3部分在一個主體上的結構形式，結構緊湊。BA-RCTDH水泥頭原理與Halliburton公司CTDCH水泥頭在結構和工作原理相似，也是采用雙通流道及旋轉閥結構，同樣本體偏心深孔制造工藝難度大；BA-RCTDH水泥頭工作時將膠塞預裝在本體內，坐封球預裝到工具外側的投球器中，投膠塞和投球均通過控制箱遠程操作，且均可從指示器外部觀察到，增強了指示可靠性，控制氣源引自鉆機氣源，動力配套方便，但現場接線較多。如圖3所示。

1—注入由壬；2—氣路通道旋轉裝置；3—旋轉閥；4—指示器；5—投球器；6—控制箱。圖3 BA-RCTDH水泥頭

1.4 Baker Hughes公司LaunchPROTM水泥頭[5](LPROTDCH水泥頭)

Baker Hughes公司LaunchPROTM水泥頭采用中心通道加環空通道機構，采用專利瓣閥、滑套組合設計，膠塞釋放器及投球器集成度高，整體回轉半徑小，結構緊湊，但結構復雜，制造要求高。與其它公司不同的是膠塞和投球需要提前放置在水泥頭內；本體內部有一膠塞腔，膠塞腔與本體之間形成環空，膠塞置于瓣閥之上。泥漿經注入頭進入水泥頭內部，通過環空進入下部連接管柱；膠塞和坐封球亦是預裝入水泥頭的，全過程采用無線遠程邏輯控制，內置傳感器實時回饋投放信息到控制面板，按動投放膠塞按鈕，瓣閥打開，膠塞釋放。按動投球按鈕，滑套上移，坐封球順序釋放，膠塞、坐封球順序指示清晰，不僅肉眼可見，且有聲音警示；其進口、出口及固井管線均可控，氣源來自鉆機氣源，配套方便。如圖4所示。

1—旋轉注入頭；2—膠塞容腔；3—投球裝置；4—指示裝置；5—控制面板。圖4 LaunchPROTM水泥頭

2 技術現狀分析

2.1 產品性能

產品性能主要表現在該產品在固井作業時可實現的功能及完成作業的能力。4種國外典型深水頂部驅動固井水泥頭的主要技術參數如表1。表1中額定載荷和轉矩值為工具本體承載能力，而不包括螺紋。螺紋的承載能力，按照《API SPEC―8C 鉆井和采油提升設備規范 第5版》中“4.3.8.3 承受提升載荷(鉆柱載荷除外)的旋轉臺肩式連接”計算。鉆桿接頭強度由《API RP―7G鉆柱設計和操作限度的推薦作法 第16版》查得。以標準6FH IEU-S135的內徑為107.95 mm鉆桿為例，上述國外公司典型的水泥頭，在公螺紋內徑相同的情況下，水泥頭本體承載能力>水泥頭連接螺紋承載能力>鉆桿接頭承載能力。

從表1可以看出，這幾種產品均滿足當前深水鉆井平臺配套的鉆井系統能力，具有高承載、高耐壓和高承扭的基本特征。

表1 國外典型深水頂部驅動固井水泥頭主要技術參數

注：額定載荷取API SPEC―8C的2.25安全系數。

2.2 產品特性[6]

上述4種國外主流深水頂部驅動固井水泥頭作為一種高端深水固井工具，與常規水泥頭相比，對產品的可靠性、安全性要求較高。在產品特性方面有許多相同之處，但又各具特點，如表2所示。

表2 國外典型深水頂部驅動固井水泥頭產品特性對比

表2(續)

2.3 現狀分析

1) 在提高固井質量方面。產品均可實現不停轉工作，且均可上提下放管柱，滿足復雜井段套管送入和旋轉固井工藝，可大幅提高固井質量。

2) 在產品結構和工作原理方面。主要包括旋轉注入機構、投膠塞和轉動閥機構、膠塞指示機構，都是通過操作控制面板，實現膠塞順序投放。但在本體流道結構方面，主要包括采用中心通道加環空通道機構和采用雙通流道結構2種型式，前者制造工藝性好，結構緊湊，后者制造要求高，本體尺寸較大。

3) 在安全和時效方面。圍繞減少鉆井時間，節約作業成本，深水頂部驅動固井水泥頭均具有遠程控制能力，操作者可遠離防爆1區操作。遠程控制箱與水泥頭之間或為無線信號傳輸，或為有線傳輸。在固井結束后，啟動清洗功能，對工具內部進行清洗保養。

4) 在產品配套方面。隨著海洋深井、大位移井套管柱的安全、快速下入和固井問題日益凸顯。國外油服公司除依靠深水固井水泥頭以外，還結合頂驅套管送入工具、隨鉆擴眼器、動力套管鞋等產品組合，通過提供“井身建立—套管作業—水泥漿注入”一整套解決方案，獲取巨大收益。

3 結論

1) 結合我國深水固井作業實際需求，在充分研究國外先進技術的同時，采用集成創新方式，合理定位產品性能和產品特性，抓緊研制具有自主知識產權的高效安全固井作業保障裝備，打破國外壟斷，實現海洋深井、大位移井固井作業提效降本、延長井筒壽命的目的，進而提升油服公司國際化競爭實力。

2) 從頂部驅動旋轉方式、投放膠塞方式、控制系統等方面進行優化設計，加強便攜式電氣控技術在控制環節應用，實現膠塞投放固井管線等無線控制，簡化水泥頭機械結構。在滿足膠塞機械指示同時，研究燈光、聲音等在固井工具中指示應用，提高操作舒適性及安全性[6-8]。

3) 圍繞套管送入及固井自動化、一體化技術方向發展，開展專業間技術合作，拓展深水固井水泥頭的配套能力，從套管自動送入、固井自動化、固井泥漿體系等方面進行綜合研究，不斷提高深水固井質量和效率。

[1] Commander 1000 Top-Drive Cementing Head [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.halliburton.com/public/cem/contents/Data_Sheets/web/H/Commander%201000%20Cementing%20Head%20with%20Remote%20Control_H08971.pdf.[2] Internal bypass cement manifold [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.slb.com/～/media/Files/completions/product_sheets/liner_hangers/cmib_topdrive_cement_manifold_ps.pdf.

[3] Big Advantage Remote-Control Top-Drive Cementing Head (BA-RCTDH) [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.weatherford.com/weatherford/groups/web/documents/weatherfordcorp/WFT096961.pdf.

[4] Weatherford Products Help Safely Run and Cement 1.8 Million-lb Casing String in GOM，Saving Operator $2 Million [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.weatherford.com/dn/WWW019308.

[5] Wireless TD Cement Head [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.bakerhughes.com/products-and-services/completions/well-completions/liner-systems-and-wellbore-isolation/surface-cementing-equipment/wireless-td-cement-head- surface.

[6] 惠坤亮，閻永宏，張宏橋，等.遠程控制頂部驅動水泥頭技術現狀分析[J].石油機械，2014，42(11)：49-51.

[7] 張金法，馬蘭榮，吳姬昊，等.國內外水泥頭現狀與發展[J].石油礦場機械，2009，38(10)：24-26.

[8] 張金法，尹慧博，戴文潮.遠程控制旋轉水泥頭技術現狀與分析[J].石油機械，2012(5):20-23.

Research on the Present Situation of Deep Water Top-drive Cementing Head

YU Mingwu1，YAN Yonghong2，JING Qiang2，HUI Kunliang2，SUN Bo2

(1.Oilfield Chemical Research Institute，COSL，Sanhe 065201，China；2.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China)

The mechanism and function principle of the latest typical deepwater top-drive cementing head are introduced in this paper.Also，the technical performance and product characteristics are analyzes to compare the advantages and disadvantages of the typical foreign products，which indicates high pressure，high loads and high torque of remote control top-drive cementing head.According to the actual needs of deepwater cementing operations in China，reasonable determined of product performance and product characteristics，from the realization of product features，remote control technology and cementing automation，integrated technology to accelerate the development of deepwater top-drive cementing head.

cementing head；remote control；present situation

1001-3482(2017)04-0012-05

2017-03-01

中國海洋石油總公司科技項目“深水固井關鍵技術研究與應用”(YHB15YF007)

于明武(1978-)，男，高級工程師，主要從事海洋油氣固井工程作業研究，E-mail：yumw@cosl.com.cn。

TE

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.004