頂驅下套管技術及應用

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(1.中海石油(中國)有限公司 番禺作業公司，廣東 深圳 518000；2.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，成都 610500)

·開發應用

頂驅下套管技術及應用

李文金1，田志欣1，雷鴻1，王磊1，陳嬌1，王志偉1，2

(1.中海石油(中國)有限公司 番禺作業公司，廣東 深圳 518000；2.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，成都 610500)

介紹了Weatherford公司頂驅下套管系統的主要部件、現場作業程序和技術特點。通過頂驅下套管技術在番禺油田6口大位移井244.5 mm套管下入作業中的成功應用，分析了該技術在現場的應用效果。結果表明：頂驅下套管技術可以精準控制上扣轉矩，旋轉套管柱時減小下入摩阻，有效避免井下復雜情況的發生，為大位移深井等高難度井下套管作業提供了技術保障。建議我國加快技術研發，縮小與國外廠商之間的技術差距，使頂驅下套管技術在我國石油鉆井行業中發揮更大作用。

頂驅；下套管技術；作業程序；大位移井

常規下套管方法是利用動力套管鉗旋轉套管完成上扣，在下套管期間不能快速循環、旋轉和上下活動套管柱。該方法不僅效率低、質量差，而且動用的人員多、風險高。在油氣田的勘探開發中，深井、大位移井、大斜度井等高難度井越來越多，在這些井的下套管作業中，會面臨著例如縮頸及全角變化率大的井段難以下入；套管長時間與井壁接觸易發生粘卡；下入套管柱時產生壓力激動壓漏地層；遇阻后無法下入時，需要將套管柱全部起出，重新組合通井鉆具進行通井，降低作業時效等問題。常規下套管方法越來越無法滿足這些高難度井下套管作業的要求。

頂驅下套管系統是一種安裝在頂驅系統上，集機械、液壓控制于一體[1]，通過其驅動機構實現夾持機構與套管的松開或夾緊，在頂驅轉矩及提升載荷的作用下，完成套管上卸扣、上提、下放、旋轉等操作的系統。系統本身具有自密封機構，能夠實現與被夾持套管的內部密封[2-3]。

1 Weatherford頂驅下套管系統

1.1 技術優勢

頂驅下套管系統分為內卡式和外卡式2種。內卡式是將頂部驅動工具的心軸插入套管本體內，與套管內壁卡緊或密封[4]。Weatherford公司開發的頂驅下套管系統是一種內卡式頂驅下套管系統，將頂部驅動工具與頂驅連接在一起，實現吊起套管、扶正套管、上卸扣、提放、旋轉、下壓套管柱、灌漿、循環等功能，集成動力大鉗、吊卡、循環灌漿器、機械扶正手、上扣補償器等工具功能于一體[5]。Weatherford內卡式頂驅下套管系統具有在以下幾方面的優勢。

1) 可以快速上卸扣，精確控制上扣轉矩，避免套管螺紋損傷。

2) 可以在灌漿和循環功能之間切換而不必重新設置調整工具。

3) 高排量的循環能力。

4) 套管下入過程中可以上提、下放、旋轉甚至下壓套管柱，有效地避免套管遇阻、壓差卡套管等井下復雜情況的發生。

5) 設備集成化、自動化程度高，配合轉盤安裝式卡瓦使用，全程無需打背鉗，大幅減輕了作業人員勞動強度。

6) 可配套使用集成安全聯鎖系統，大幅提高了下套管作業的安全性。

1.2 頂驅下套管系統

Weatherford頂驅下套管系統主要由頂部驅動工具[6]、轉盤安裝式卡瓦、遠程控制式單根吊卡、控制系統、轉矩監測系統、液壓動力系統、電源系統和服務管線等一系列設備系統構成。

1.2.1頂部驅動工具

Weatherford頂部驅動工具通過168.3 mm的API REG螺紋與所有普通類型的頂驅適配連接。如果遇到其它螺紋形式的頂驅，可以在頂驅和頂部驅動工具之間用轉換接頭來實現二者的連接。頂部驅動工具是整個頂驅下套管系統中最關鍵的部分，按功能可分為動力總成、連接總成、限位總成、卡瓦總成以及密封導向總成5部分[7]，如圖1所示。

1—液壓管線快速接頭；2—液壓管線；3—頂驅連接接頭；4—吊裝卸扣；5—轉矩傳感器；6—液壓旋轉頭；7—液壓夾緊缸；8—液壓夾緊缸外殼；9—卡瓦承托套；10—內卡式卡瓦；11—擺臂；12—皮碗；13—導向頭；14—套管吊卡吊耳。圖1 頂部驅動工具結構示意

動力總成通過液壓源驅動卡瓦機構運動，實現松開或卡緊套管的功能。當頂部驅動工具液壓夾緊缸上油腔充滿油時，推動油缸向下運動，驅動卡瓦機構張開，內卡瓦卡緊套管；而當下油腔充滿油，推動油缸向上運動，驅動卡瓦機構復位，內卡瓦松開套管。

連接總成用于連接動力總成與卡瓦總成，實現傳遞力和力矩的功能，最大輸出轉矩81 kN·m。

限位總成采用擋板限位，通過在頂部驅動工具一定位置安裝限位擋板，當內卡瓦進入套管內部，限位擋板觸碰到套管接箍時，接箍探測器由綠轉紅，頂部驅動工具到達既定位置。

卡瓦總成主要由卡瓦心軸與卡瓦組成，卡瓦是承受載荷的關鍵，Weatherford頂部驅動工具內卡瓦采用三角形卡瓦齒，優化后的布齒方式和布齒參數有效提升了頂部驅動工具的承載能力。

密封導向總成由導向頭和皮碗組成，導向頭在頂部驅動工具進入套管時起引導扶正作用，其末端的水眼為灌漿或者循環提供流動通道，皮碗在內卡瓦卡緊時密封套管，可以在下套管的同時循環鉆井液，也可以防止注入鉆井液時鉆井液回返。

1.2.2轉盤安裝式卡瓦

RMS2000型轉盤安裝式卡瓦采用液壓控制模式，通過直接安裝在952 mm或更大尺寸的轉盤中，可有效降低套管連接高度至1.2 m。該型卡瓦額定載荷為5 000 kN，作業最大套管尺寸為508 mm，可輸出的反作用轉矩達68 kN·m。該卡瓦可為套管柱提供良好的居中狀態；下套管全程無需使用背鉗；可配套使用集成安全聯鎖系統。如圖2所示。

圖2 RMS2000型轉盤安裝式卡瓦

1.2.3遠程控制式單根吊卡

遠程控制式單根吊卡用于提升套管，額定載荷60 kN，與頂部驅動工具配合可實現遠程控制。該型吊卡采用插板封閉結構設計，內部設有機械楔塊，避免因遇到液壓損失時吊卡的意外打開，特殊設計的吊耳可將吊卡以一定的角度鎖定到套管上，無需手扶，可配套使用集成安全連鎖系統。遠程控制式單根吊卡取代傳統吊卡和相關操作人員，大幅提高了作業效率及安全性。如圖3所示。

圖3 遠程控制式單根吊卡

1.2.4控制系統

Weatherford頂驅下套管控制系統由控制臺(如圖4)、司鉆控制器(如圖5)、控制線纜等組成。控制臺用于控制頂部驅動工具擺臂的伸出與縮回，內卡瓦機構的復位與張開，遠程控制式單根吊卡的關閉與打開，液壓卡瓦的抱緊與松開。司鉆控制器主要用于顯示頂部驅動工具內卡瓦、轉盤安裝式卡瓦、遠程控制式單根吊卡和接箍探測器的狀態，并和控制臺共同控制轉盤安裝式卡瓦的打開。控制系統內包含集成安全聯鎖系統。

1) 轉盤安裝式卡瓦和遠程控制式單根吊卡的聯鎖。控制臺上的2個操作閥可感應卡瓦和吊卡的“開”和“關”的位置，在設定的安全距離外，卡瓦和吊卡不能同時打開，防止套管的意外墜落。

2) 轉盤安裝式卡瓦和頂部驅動工具內卡瓦的聯鎖。控制系統只有識別到頂部驅動工具

內卡瓦卡在套管本體內壁，而非接箍處，且咬合力達到設定值，控制臺操作人員和司鉆才能給轉盤安裝式卡瓦泄壓。在對轉盤安裝式卡瓦泄壓時，先由控制臺操作人員對卡瓦泄壓，此時，卡瓦并不會松開，只有當司鉆在司鉆控制器上按下“確認”按鈕后，卡瓦才會泄壓，松開套管。正常下套管作業時，轉盤安裝式卡瓦和頂部驅動工具內卡瓦不能同時打開。該設計可防止操作人員在司鉆未準備好的情況下誤操作給轉盤安裝式卡瓦泄壓，極大地提升了下套管作業的安全性。

圖4 控制臺 圖5 司鉆控制器

1.2.5轉矩監測系統

JAMPro轉矩監測系統由轉矩傳感器、轉矩顯示器及傳輸線纜等組成。如圖6，轉矩傳感器安裝在頂部驅動工具上，單獨采集轉矩信號，而非借助頂驅轉矩信號。該系統可以監測螺紋損壞情況，并在卸扣模式下使用電子式傳感器監測卸扣轉矩，防止卸扣時損壞套管螺紋。JAMPro轉矩監測系統配合Weatherford JAM Delta Dump軟件使用，可實時識別上扣過程中的臺階轉矩，并精確控制大鉗達到設計的三角形轉矩，輸出轉矩/轉動曲線圖，提供統計分析和轉矩監測報告。此外，轉矩監測系統可為司鉆設置獨立的轉矩顯示器(如圖7)，便于司鉆讀取套管上扣轉矩值以控制頂驅轉速，防止損壞套管螺紋。

圖6 JAMPro轉矩監測系統

圖7 司鉆轉矩顯示器

1.2.6液壓動力系統

Weatherford液壓動力系統采用電動式液壓動力源，是針對臨時性安裝而設計，只要運抵井場連接至400 V電源，為液壓泵電機提供動力，即可為工具設備提供液壓動力。液壓動力源通過液壓管線接入到控制臺，再從控制臺連接至頂部驅動工具、遠程控制式單根吊卡、轉盤安裝式卡瓦等設備。

2 頂驅下套管作業程序

Weatherford頂部驅動工具下套管作業程序和

常規接鉆桿類似，作業程序如圖8所示。

1) 伸出頂部驅動工具擺臂，遠程控制扣好套管單根吊卡。

2) 司鉆上提游車，從坡道拉起套管單根。

3) 司鉆上提游車到合適高度位置，收回擺臂使套管居中。

4) 司鉆下放游車，進行套管對扣。

5) 對扣成功，司鉆繼續下放游車，在導向頭的引導下，頂部驅動工具進入套管內部，內卡瓦咬合套管內壁。

6) 司鉆轉動頂驅帶動頂部驅動工具旋轉，完成套管上扣。

7) 上提套管柱，釋放作用在轉盤安裝式卡瓦上的套管柱懸重。

8) 套管操作人員在控制臺打開轉盤安裝式卡瓦，手勢示意司鉆，司鉆按下司鉆控制器“確認”打開按鈕，轉盤安裝式卡瓦才會打開；

9) 旋轉頂驅，邊旋轉邊下放套管柱。

10) 遠程控制打開套管單根吊卡，伸出擺臂，準備扣下一根套管。

11) 繼續下放套管柱到合適位置，關閉轉盤安裝式卡瓦。

12) 松開頂部驅動工具內卡瓦，上提游車，繼續連接下一根套管單根。

圖8 頂驅下套管作業程序

3 現場應用及分析

3.1 番禺油田應用

番禺油田位于南海東部珠江口盆地，油田所在海域水深約100 m。2014—2016年，共完鉆5口大位移水平井和1口大位移定向井，6口井平均井深5 800 m，?311.2 mm井段穩斜角度67～84°，最大穩斜段長4 822 m，其中，244.5 mm套管平均下深4 910 m，最大下深6 122 m(如表1)。為了降低大位移井下套管作業的風險，采用Weatherford頂驅下套管技術，下入過程采用全程漂浮方式，大鉤載荷和旋轉轉矩均在正常范圍內變化，順利地將6口井的244.5 mm套管下至設計深度(如表2)。

表1 番禺油田大位移井數據統計

注：頂驅驅動工具、頂驅、游車自由懸重為254 kN。

3.2 實例分析

PY10-5-A1H井是番禺油田實施的一口高難度大位移井，實際斜深7 646 m，垂深2 420.3 m，水垂比達2.76。該井?311.2 mm井段深度6 122 m，穩斜角76°，裸眼段長度達4 822 m，244.5 mm套管設計下深6 114 m。經計算模擬，常規的邊下套管邊灌鉆井液的方式無法下入到位[8]，大位移井常用的漂浮接箍下入法也存在著諸如漂浮接箍失效、遇阻時處理手段有限、擊破漂浮接箍破裂盤瞬間產生高壓壓漏地層等問題[9]，給該井的下套管作業帶來了很大困難。借助Weatherford頂驅下套管技術，并結合該井的實際情況，采用全程漂浮旋轉下入法，順利地將該井的244.5 mm套管下至設計深度。

PY10-5-A1H井244.5 mm套管下入初期，借助套管柱自重，無需旋轉管柱即可下入，在2 930 m時借助Weatherford頂驅下套管系統開始旋轉套管柱。未旋轉套管柱前，2 930 m處大鉤載荷僅為203 kN，頂驅自由懸重為254 kN，需要將頂驅重力壓在套管柱上才能下入。開始旋轉套管柱時，大鉤載荷從203 kN增加到290 kN(如圖9)。通過旋轉套管柱，減小了套管下入摩阻。在下入遇阻時，可以旋轉、上提、下放、甚至下壓套管柱，處理手段多樣，為套管柱下入到位提供了技術保障。同時，旋轉下入法不僅減小了下入過程中的壓力激動，降低了在窄安全密度窗口處壓漏地層的風險，也避免了套管柱與井壁長時間接觸而造成壓差卡套管等一系列井下復雜情況的發生[10]。

圖9 PY10-5-A1H 244.5 mm套管下入過程中大鉤載荷變化示意

4 結論

1) 常規下套管方法越來越難以滿足深井、大位移井、大斜度井等高難度井的下套管作業的需求，頂驅下套管技術為此提供了有效的解決途徑。

2) Weatherford頂驅下套管系統集機械、液壓控制于一體，設備集成化、自動化程度高，控制系統含有集成安全聯鎖系統，現場適用性強，操作便捷，安全性高。

3) 番禺油田6口大位移井244.5 mm套管下入實例表明：頂驅下套管技術可以精準控制上扣轉矩，避免套管螺紋損傷，旋轉下入時增加了大鉤載荷，減小了套管下入摩阻，套管遇阻時的處理手段多樣，有效避免了各種井下復雜情況的發生，是大位移井下套管作業成功的有力保障。

4) 國外的頂驅下套管工具已有成熟的系列化產品，且在油田現場有許多的應用，國內也有廠家生產出部分型號的產品，但尚未形成系列化。國內的頂驅下套管裝置在安全聯鎖保護、自動化程度、操作便捷性、現場適用性等方面還存在不小的差距，應加快技術研發，縮小與國外廠家之間的差距。

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ApplicationofCasingRunningTechnologywithTopDrive

LI Wenjin1，TIAN Zhixin1，LEI Hong1，WANG Lei1，CHEN Jiao1，WANG Zhiwei1，2

(1.PanyuOperatingCompany，CNOOC，Shenzhen518000，China；2.CollegeofOilandNaturalGasEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China)

The features of Weatherford’s casing running technology with top drive have been introduced，the top drive casing running system’s components have been focused in detail，and operation procedure was summarized according to the field trail.Field application have been conducted successfully in Panyu oilfield 6 Extended Reach Wells (ERWs) 244.5 mm casing running operation，the potential benefits of this technology were elaborated.Control make-up torque accurately，reduce friction factor under rotation circumstance，and avoid downhole complications.The practice showed that it ensured the safety and success of casing running operation in ERWs.Recommendation were given for the development of casing running technology with top drive，narrow down the technical gap between domestic and foreign manufacturers for providing the advantage of this technology in drilling industrial in China.

top drive；casing running technology；operation procedure；extended reach well

1001-3482(2017)06-0051-06

2017-05-16

國家自然科學基金項目(51274168)；國家重點基礎研究發展計劃項目(973計劃)(2013CB228003)

李文金(1972-)，男，四川宜賓人，工程師，主要從事海上鉆井、完井、井下作業及鉆機管理工作。

TE952

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.011