頂部驅動液壓尾管懸掛器研制與現場試驗

張 瑞

中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院

0 引言

近年來，深層、超深層油氣資源正成為勘探開發的主陣地，并相繼在新疆、四川等地區陸續取得突破[1- 2]。隨著井深的不斷增加，井溫超過200 ℃，鉆井液密度超過2.0 g/cm3的情況日益增多，尾管懸掛器作為深層鉆井完井關鍵工具面臨新的挑戰[3- 7]。特別是，高溫高壓環境極易造成尾管懸掛器液壓機構密封失效，從而導致坐掛或固井失敗等故障。另外，生產套管懸掛回接工藝，作為一種新型的全通徑完井方式，正在大牛地氣田和長慶油田等致密低滲油氣藏開發中應用[8- 10]，但隨著改造規模和施工壓力的不斷增加(60～90 MPa)，對尾管懸掛固井工具的整體密封性能也提出了更高的要求。

傳統液壓尾管懸掛器的液壓驅動機構(液缸)多設置在尾管懸掛器本體外部，本體上設計傳壓孔，通過管內憋壓，液壓機構驅動卡瓦上行并漲開實現坐掛，并隨尾管懸掛器長期留在井內[11- 14]。由于環空間隙和結構設計的限制，導致尾管懸掛器的耐壓能力受限(<70 MPa)；同時，液壓機構的橡膠密封件在高溫高壓等環境下會出現老化，使其成為尾管懸掛器耐溫耐壓能力提升的瓶頸。Weatherford、Drillquip等國外公司通過結構創新和升級，相繼研制了無液缸全密封型尾管懸掛器單元[15]，通過將液壓驅動機構轉移至送入工具上，并在固井后隨送入工具回收，徹底消除了尾管懸掛器潛在的泄露風險點和耐壓薄弱點。

本文開展了頂部驅動的液壓尾管懸掛器關鍵技術研究，研發的?244.5 mm×?177.8 mm工具在四川和陜西地區的4口井現場試驗應用，為尾管懸掛器的耐溫耐壓能力提升提供了一個新的方案。

1 技術原理

1.1 構成及原理

頂部驅動的液壓尾管懸掛器主要由回接筒、懸掛機構、液壓驅動機構、塞帽和機械丟手機構等部件組成，如圖1所示。其中，液壓活塞連接塞帽，塞帽在組裝后位于回接筒上端；機械丟手機構與懸掛機構螺紋連接，并承受管串載荷。與傳統液壓尾管懸掛器不同的是液壓驅動機構位于可回收送入工具之中。

圖1 整體式尾管懸掛器結構組成示意圖

頂部驅動的液壓尾管懸掛器工作原理為當尾管下入到設計深度后，投球憋壓至8～10 MPa，液壓驅動機構啟動下行，帶動塞帽下壓回接筒及懸掛機構外部零件，從尾管懸掛器頂部自上而下的漲開卡瓦，實現尾管懸掛器坐掛；然后，正轉送入工具，實現其與懸掛機構的丟手，并在固井結束后起出并回收送入工具。

1.2 技術優勢

常規的液缸尾管懸掛器通常將液壓驅動機構(液缸)設計在尾管懸掛器本體外部，如圖2a所示，本體設置傳壓孔，通過管內憋壓驅動卡瓦沿錐套上行，自下而上地實現尾管懸掛器的坐掛，液缸將長期留在井內。由于尾管環空需要有足夠的過流面積，導致液缸的耐壓能力受限，遠小于尾管的抗內壓能力，如?244.5 mm×?177.8 mm常規液壓尾管懸掛器液缸抗內壓強度僅為57.4 MPa，壁厚為10.36 mm、鋼級P110的?177.8 mm套管的抗內壓強度為77.2 MPa，兩者相差19.8 MPa。同時，液壓機構設計有橡膠密封件，其在高溫高壓等環境下易出現老化，密封性能受到影響，長期留于井內將存在泄露風險，從而影響井筒的長期密封可靠性。

頂部驅動的尾管懸掛器將液壓驅動機構轉移至送入工具上，通過下壓錐套，從尾管頂部自上而下漲開卡瓦實現尾管懸掛器坐掛，固井結束后，液壓驅動機構隨送入工具回收，留在井下的尾管懸掛器部件上不帶傳壓孔和密封件，如圖2b所示。頂部驅動的尾管懸掛器后期僅本體承受管內壓力，其抗內壓能力可達到同規格套管的抗內壓強度，從而大幅提高尾管懸掛器的耐壓能力，不僅滿足壓裂作業等高壓施工需求，還提高了井筒長期密封的可靠性。

圖2 尾管懸掛器坐掛方式對比圖

1.3 主要技術參數

?244.5 mm×?177.8 mm頂部驅動的液壓尾管懸掛器工具最大外徑為215 mm，上層套管壁厚適用于10.03～11.99 mm，?177.8 mm尾管壁厚適用于10.36～12.65 mm，尾管懸掛器本體最小內徑最大值可達157.1 mm。液壓驅動機構的啟動壓力與常規尾管懸掛器一致，為8～10 MPa；在其憋壓10 MPa時，可產生的液壓驅動力為30～50 kN；坐掛后承載能力可達1 800 kN，抗內壓強度可達80.3 MPa，整體密封能力為70 MPa，均高于常規液壓尾管懸掛器。主要性能參數見表1。

表1 ?244.5mm×?177.8(139.7)mm頂部驅動的液壓尾管懸掛器主要性能參數

2 關鍵技術

2.1 懸掛機構

液壓尾管懸掛器實現坐掛，首先是通過液壓驅動機構產生的液壓力F驅動卡瓦與錐套發生相對運動，從而促使卡瓦沿徑向漲開，在卡瓦與上層套管接觸后實現初始坐掛,然后，從井口釋放懸重，此時尾管重量F0通過本體傳遞到錐套上，繼續產生沿錐套斜面方向的楔緊力F＇，最終實現尾管的可靠懸掛。常規懸掛機構的錐套相對本體是固定不動的，一般采用螺紋或端面限位實現本體和錐套間的載荷傳遞；頂部驅動的尾管懸掛器的懸掛機構首先在液壓力F的作用下，錐套相對與本體下行，從而使卡瓦漲開實現初始坐掛，然后，尾管重量F0再通過本體傳遞至錐套繼續產生楔緊力F＇，最終實現尾管的可靠懸掛，如圖3所示。因此，保證本體與錐套間既能夠發生初始坐掛所需的相對運動，又能夠傳遞尾管載荷是頂部驅動的尾管懸掛器懸掛機構的技術關鍵。

圖3 頂部驅動尾管懸掛機構示意圖

2.2 高承載卡簧

頂部驅動的液壓尾管懸掛器采用C型鋸齒卡簧機構實現本體與錐套間的連接，見圖4a。該卡簧內表面采用直角鋸齒螺紋，與本體外表面的同規格螺紋配合，實現卡簧和錐套相對于本體的單向移動；卡簧外表面設計兩組臺階斜面，與錐套內部卡簧槽的兩組斜面配合實現鎖定。工作原理為在液壓驅動力F的作用下，錐套推動卡簧，卡簧在鋸齒螺紋斜面的作用下沿徑向漲開，從而相對本體下行，最終驅動卡瓦漲開實現初始坐掛；然后，當尾管懸重F0作用在本體上時，本體螺紋與卡簧直角面接觸，并與卡簧槽斜面接觸后實現鎖定，從而繼續帶動錐套下行完成尾管懸掛器的完全坐掛，如圖4b所示。因此，該鋸齒卡簧的鎖定力成為決定尾管懸掛器承載能力的關鍵。

圖4 C型鋸齒卡簧和工作原理圖

2.3 卡簧鎖定力分析

結合鋸齒卡簧的結構原理可以看出，其鎖定力與卡簧材料的強度σ、寬度l、鋸齒螺紋仰角α、螺距S和卡簧厚度δ等參數相關。由于卡簧相對本體運動時需要徑向漲開，而增加卡簧厚度、螺距、仰角均會使卡簧運動阻力增加。為了既保證有足夠的鎖定力，又能夠盡量降低運動阻力，卡簧材料選用低合金鋼，其屈服強度達到758 MPa，既保證了足夠的強度，又具有較好的彈韌性。同時，通過有限元分析，優化得到了卡簧的主要結構參數。當卡簧長l為35 mm、厚度δ為2.5 mm、鋸齒螺紋螺距S為2 mm、仰角α為30°時，并對錐套施加1 800 kN軸向鎖定載荷，卡簧的應力云圖如圖5所示。從圖5可以看出，卡簧的最大應力位于鋸齒螺紋處，僅為412 MPa，小于卡簧材料的屈服強度。而該參數的鋸齒卡簧的運動啟動力僅為320 N，遠小于驅動機構所能提供的50 000 N驅動力。

3 地面性能測試

3.1 坐掛與承載能力測試

3.1.1 坐掛行為測試

將整體組裝好的尾管懸掛器水平放置，并在懸掛機構位置套上內徑為220.5 mm的機加工套管；尾管懸掛器送入工具兩端連接封頭，憋壓至9.5 MPa，液壓驅動機構啟動并實現了尾管懸掛器初始坐掛；繼續憋壓至12 MPa，穩壓2 min后泄壓，正轉送入工具30圈，與懸掛機構實現了機械丟手，并取出送入工具和液壓驅動機構等部件。

3.1.2 承載能力測試

將剩余部件水平放置于350 t拉壓試驗機上，固定外層套管，對本體施加拉伸載荷，模擬尾管懸掛器實際坐掛狀態，驗證頂部驅動整體式尾管懸掛器的承載能力。

如圖6所示，當對本體分別加載100 kN、300 kN、 5 00 kN、7 00 kN、1 000 kN、1 200 kN、1 500 kN、1 800 kN載荷時，懸掛機構坐掛穩定，沒有出現明顯的滑移現象，說明新型的尾管懸掛器坐掛與承載性能良好，承載能力高達1 800 kN。

圖6 頂部驅動液壓尾管懸掛器承載能力測試曲線圖

3.2 坐掛可靠性測試

為驗證新型坐掛方式的可靠性，首先對不同內徑的套管進行坐掛性能驗證測試。選取了3種內徑的P110鋼級?244.5 mm套管進行了坐掛性能驗證測試，如表2所示，在內徑分別為220.5 mm、222.4 mm和224 mm的套管內均成功實現坐掛，并在載荷為900 kN時，未出現滑移現象，說明該坐掛方式具有良好的套管壁厚適用性。其中，1號、2號套管為自制套管，機加工，內表面粗糙度12.5；3號套管為在戶外暴露了1年；4號為在戶外暴露了1年后并經過酸洗，去除腐蝕產物后套管內壁凹凸不平；5號、6號套管分別在清水內浸泡腐蝕60 d和180 d，模擬套管在井筒環境內長時間腐蝕后的狀態。試驗表明，頂部驅動坐掛方式的液壓尾管懸掛器具有良好的壁厚適應性，適應各種環境下的套管，套管內表面腐蝕狀態對坐掛性能影響較小。

表2 頂部驅動的液壓尾管懸掛器在不同?244.5 mm套管內坐掛情況表

4 現場試驗

?244.5 mm×?177.8 mm頂部驅動液壓尾管懸掛器分別在四川地區的XP22- 2HF、DF9和陜西地區YB047-H03、YB007-H03等4口井進行了現場試驗，試驗井基本條件見表3，最大應用井深達到3 500 m；尾管最長1 546 m；工具下深2 410 m。4口井均實現了尾管懸掛器的坐掛，并成功實現了送入工具和液壓驅動機構的回收，該尾管懸掛器具有良好的現場應用性能。

表3 頂部驅動的液壓尾管懸掛器現場應用情況

其中，YB047-H03井是部署在陜西省延安市寶塔區蟠龍鎮的一口開發井，三開中完井深3 376 m，尾管懸掛器坐掛位置為2 325 m，鉆井液密度1.38 g/cm3，?244.5 mm套管壁厚11.99 mm，內徑220.5 mm，?177.8 mm尾管長度為1 056 m，送入鉆具為壁厚9.19 mm的?127 mm鉆桿。當尾管送入到位后，頂通壓力2 MPa，逐漸提排量至1.2 m3/min，壓力4.6 MPa，累計循環約2 h后，井下正常，上提下放判斷尾管懸掛器未發生提前坐掛故障。隨后投入?45 mm憋壓球，憋壓至11 MPa，穩壓2 min后，下放鉆具，緩慢釋放懸重，懸重由995.98 kN下降至554.69 kN，如圖7所示，累計下降約440 kN，此時大鉤高度由5.4 m下降至4.07 m，累計下降了1.33 m，與2 325 m鉆具的理論回縮距1.32 m基本一致，證明該尾管懸掛器坐掛成功。隨后，重新將懸重調整至819.2 kN，再此緩慢釋放懸重至555.8 kN，此時大鉤高度下降了0.77 m，與鉆具的理論回縮距0.78 m基本一致，再此驗證尾管懸掛器坐掛成功。憋壓至15 MPa，憋通球座重新建立循環后，正轉鉆具30圈，上提0.5 m，懸重保持840 kN不變，下放懸重保持820 kN不變，判斷丟手成功，送入工具和液壓驅動機構成功回收，順利完成本次懸掛套管固井作業。

圖7 YB047-H03尾管懸掛器坐掛施工曲線圖

5 結論與建議

(1)頂部驅動的液壓尾管懸掛器將液壓驅動機構轉移至送入工具上，通過驅動回接筒和錐套下行的方式自上而下實現尾管懸掛器的坐掛；在固井結束后，液壓驅動機構隨送入工具回收，留在井下的尾管懸掛器部件無密封薄弱點，大幅提高尾管懸掛器的耐壓和長期密封性能。

(2)研制的?244.5 mm×?177.8 mm頂部驅動的液壓尾管懸掛器承載能力達到1 800 kN，整體密封能力達70 MPa，適用的上層套管壁厚為10.03～11.99 mm，且套管內表面腐蝕狀態對其坐掛性能影響較小。

(3)前期現場試驗顯示工具下深在2 410 m、井溫90℃的環境能適應，建議繼續進行整體耐壓性能提升和高比重鉆井液環境下的可靠性等技術研究，并在超深井和高溫高壓井開展現場試驗。