旋轉接頭的介紹與應用

陳志德，張永濤，閻興濤，龔宏偉，陳書豪

(1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東 深圳 518064；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518064)

0 引言

旋轉接頭是安裝在工作管柱上的工具，在不對管柱或底部鉆具組合下面施以旋轉力或扭矩的情況下旋轉管柱上部，從而解決潛在的卡鉆和鉆柱懸重損失問題，還可鎖定機構允許將全部扭矩傳遞至底部鉆具。旋轉接頭顯著減輕其上方管柱摩阻，旋轉下放允許更多的有效鉆桿重力去幫助管柱下放到位(圖1)。該工具有效作用力的顯著增加和摩阻的下降有利于大位移井中復雜設備的下放或回收，預防此前可能出現的此類工具落井問題。

圖1 旋轉接頭示意圖

1 工具介紹

1.1 工作原理

旋轉接頭在下入管柱過程中，與下部管柱組件獨立旋轉，顯著降低下入管柱的磨阻，并增加了重力將管柱順利下放至設計深度。壓力達到預設點后剪切銷釘，推動滑套嚙合，以達到旋轉接頭與鉆具一起旋動。

1.2 應用范圍

旋轉接頭可用于：下部篩管完井裝置、水平襯管、割縫襯管或預射孔襯管、礫石充填裝置、TCP槍部署、打撈、射擊罐、深層封隔器部署、多分支井完井裝置、尾管下入等。

1.3 技術參數

鉆 桿 尺 寸：5″；外 徑 (最大)：7.5″；內 徑 (最小)：2.813″；長度 (Shoulder to Shoulder)：109″；總長度 (最大)113.6″；連接扣型：4.5″內平扣；上扣扭矩 (最小)：23 000 ft.lbs；

重量：1 000 lbs；扭力：37 000 ft.lbs；拉力 (注：如達到此數值，工具將不會旋轉)：440 klbs；壓力(注：如達到此數值，工具將不會旋轉)440 klbs；推薦最大工作壓差范圍-內部：34.47 MPa；推薦最大工作壓差范圍-外部：34.47 MPa；靜態軸承拉力 (最大)：240 klbs；靜態軸承壓力 (最大)：200 klbs；旋轉速度 (連續)：≤40 r/min；旋轉速度 (間歇)：60 r/min；剪切銷釘值(平均)：±1.72 MPa；剪切銷釘數量 (最大)：12 個；使用標準黃銅螺釘轉換壓力(最大)：±20.68 MPa；工作壓力(最大)：75%剪切力。

1.4 基地實驗

旋轉接頭在試驗基地的水平井進行，通過井口組合7″尾管和旋轉接頭，模擬海上平臺下7″尾管工藝流程，旨在檢驗旋轉接頭能否有效減小下套管的難度，有效傳遞鉆桿鉆壓，以及提高裸眼段水平井下套管的成功率，從而解決水平井下套管磨阻大，鉆桿鉆壓傳遞不完全，致使套管不能完全下入到預定完井深度的情況；另外，通過解鎖、鎖定工具鎖定裝置開關，驗證工具鎖定裝置是否穩定、可靠，在鎖定后可實現尾管掛旋轉脫手。

1.4.1 地面測試

鉆具組合：十字浮鞋+7″尾管(500 m) +變扣(BTC*410) +球座(411*410)+5″旋轉接頭+ 5″鉆桿；接旋轉接頭后，做地面測試。旋轉接頭下接頭打備鉗，旋轉接頭連短鉆桿，接頂驅，開轉速10 r/min，工具運行正常，無憋扭現象。

1.4.2 中途測試

在1 200 m以后進入第二造斜段，實測井斜達70°，因此在1 200 m至井底，每隔100 m分別測試管柱在旋轉和非旋轉狀態下的上提下放懸重，考察在大斜度井段，旋轉接頭在增加鉆具懸重方面的效果，借以判定旋轉接頭對于在復雜井段下入尾管是否能起到幫助，試驗流體介質為清水[1-2]。

通過測試數據得出如下結論：旋轉狀態下管柱下放懸重大于靜止狀態下管柱下放懸重，在工具允許范圍內，轉速越高旋轉下放懸重增加較靜止下放懸重增加更明顯。旋轉接頭能明顯降低其上方管柱摩阻，更多鉆柱有效重力傳遞使得尾管下放更容易。

1.4.3 井底測試

(1)懸重對比測試。工具下鉆至井底，探底深度1 783.64 m，測試靜止和不同轉速下管柱上提下放懸重，可得出旋轉狀態下管柱下放懸重大于靜止狀態下管柱下放懸重，更多鉆柱有效重力傳遞至管柱下方。

(2)工具鎖定測試。旋轉接頭的壓力一般會鎖定在低于尾管掛和封隔器應用壓力，工具在達到預設壓差后會鎖定，從而將扭矩傳遞至工具下方的底部鉆具組合，確保襯管懸掛器或封隔器的送入工具在需要利用旋轉對送入工具進行機械解鎖的情況下順利解鎖[3]。

分別于種植體植入術前及術后12周，用口腔CBCT (西諾德，德國)對所有患者的上下頜骨進行掃描，掃描條件：電壓85 kV，電流5～7 mA，分辨率100 μm，視野80 mm×80 mm。然后用SimPlant Pro 11.04軟件(Materialise Dental，比利時)測量受植區頜骨的HU值。

此次試驗工具預裝4顆剪切銷釘(銷釘剪切值：±1.72 MPa/個)，投球后開泵泵送到位，分別打壓8.27 MPa×5 min、9.65 MPa×5 min，銷釘剪切，工具鎖定。工具鎖定前后分別測試鉆具在下壓10 t情況下低轉速(5 r/min)旋轉扭矩，輔助判斷旋轉接頭是否鎖定。旋轉接頭出井后對工具進行檢查，剪切銷釘已完全剪切，滑套上移，工具處于完全鎖定狀態。

通過此次模擬下7″尾管作業，得出如下總結：(1)旋轉接頭可實現在管柱上部施以旋轉力或扭矩的情況下，底部鉆具組合不旋轉的功能，旋轉下放使得更多的有效鉆桿重力幫助尾管掛和下部管柱下放到位，提高大位移井或水平井下套管的成功率，在工具參數推薦范圍內，轉速越高，旋轉下放懸重增加較靜止下放懸重增加越明顯，更有利于管柱下放到位；(2)旋轉接頭鎖定機構是可靠的，在作業需要時，工具可隨時鎖定，保證旋轉扭矩傳遞至旋轉接頭下方。另外，旋轉接頭鎖定壓力可以根據現場需要隨時調整。

2 下入模擬

該次旋轉接頭應用于南海東部深水油田，該井水平段接近1 800 m，還采用三維反扣的井眼軌跡，根據所用鉆桿參數和防砂管柱結構，在摩擦系數為套管內0.30、裸眼0.40的情況下對本井進行下入懸重模擬計算，結果顯示無法正常下入到位。為解決超長水平段磨阻大，有效作用力傳遞不完全，致使防砂管柱下入困難，使用旋轉接頭降低管柱下入磨阻，并增加重力，確保防砂管柱順利下入到設計完井深度。

2.1 井眼和管柱參數表

井眼和管柱參數表見圖2。

圖2 井眼和管柱參數表

2.2 模擬下入分析

(1)在轉速40 r/min、起下鉆速度2 m/min時，可減少90%的阻力。旋轉接頭不會限制起下鉆的速度。通常情況下，轉速/起下鉆速度的比越高，減阻率越接近90%，反之亦然。模擬計算出了完井管柱起下過程中，在井底4 221 m處的懸重(非旋轉和旋轉兩種狀態下)。通過模擬發現，在摩擦系數為套管內0.30、裸眼0.40的情況下，完井管柱在下入過程中存在螺旋屈曲風險。通過旋轉上部鉆具可以有效減少軸向摩阻，并能夠在下鉆時增加93 klbs的重量。

(2)模擬算出了下至井底4 221 m時的管柱張力。在摩擦系數為套管內0.30、裸眼0.40的情況下，5-1/2″鉆桿在0～500 m處，可能出現螺旋屈曲情況。旋轉下入則可以避免管柱螺旋屈曲。

(4)模擬算出了管柱下入的扭矩。在摩擦系數為套管內0.30、裸眼0.40的情況下，可旋轉至井底4 130 m，模擬計算的扭矩為12.7 kft.lbs。

2.3 模擬下入結論

(1)在摩擦系數為套管內0.30、裸眼0.40的情況下，在不旋轉下入的情況下，預估管柱在下入過程中可能會發生管柱螺旋屈曲；(2)安裝旋轉接頭，通過管柱的連續旋轉能夠有效降低管柱螺旋屈曲的風險，并為下鉆時增加93 klbs的重量；(3)旋轉壓縮和拉伸載荷值均處于工具安全范圍內；(4)在當前工況條件下，管柱在旋轉下入過程中，模擬計算的地面扭矩為12.7 kft.lbs。

3 作業程序

3.1 數據收集

在使用旋轉接頭時，地面記錄下最后一次完井前通井起鉆時鉆具的扭矩十分有用，這個數據可以指導使用旋轉接頭時預期的最大扭矩值，此數據應該當鉆頭還在套管鞋內時讀取。

3.2 作業前準備

(1)服務工程師到達現場后，再次檢查工具尺寸，確認旋轉接頭工具安裝的剪切螺釘數量和總剪切值；(2)卸掉螺紋保護帽，確認連接扣沒有損壞；(3)確認旋轉接頭滑套在運輸中沒有移位或損壞，滑套應該硬頂在芯軸止肩上；(4)與現場總監和完井工程師討論和確認旋轉接頭工具在管柱的位置；(5)確認工具連接扣型與管柱一致；(6)確認安裝銷釘數量和總剪切值；(7)建議管柱連續旋轉速度為20～40 r/min；(8)檢查旋轉接頭工具管柱的通徑，包括所有變扣轉換頭、接頭短節或其他需要通過旋轉接頭工具內部件的最大外徑，諸如坐封球等，需與第三方供應商確認；(9)如果需要使用激發飛鏢捕捉器，要檢查：正確選用激活捕捉器的翼片尺寸；測量激發飛鏢捕捉器的通徑，包括所有的變扣轉換頭，接頭短節或其他需要通過捕捉器部件的最大外徑，諸如坐封球和飛鏢等，需與第三方供應商確認；在激發飛鏢中的破裂盤比旋轉接頭銷釘剪切力至少高于3.45 MPa；激發飛鏢底端可通過管柱所有內徑，特別注意管柱中旋轉接頭上可能有第三方提供的部件；(10)召開作業前安全會議，討論如何安全操作和使用旋轉接頭工具；(11)確保所有人員知道如何正確使用旋轉接頭工具禁止在有標記區域(印刷字和油漆處)使用管鉗或卡鉗；(12)吊裝旋轉接頭工具時務必小心，保證起吊器和旋轉接頭工具滑套的清潔，旋轉接頭工具吊起移至鉆臺時務必小心，在吊裝工具期間，檢查旋轉接頭滑套是否移動或損壞，如果發現移動或損壞跡象，使用備用旋轉接頭；(13)旋轉接頭與鉆桿組合完畢后，需對旋轉接頭工具進行旋轉檢查，旋轉前確保支撐點，在旋轉接頭工具上部使用鏈鉗，完成兩次旋轉測試。

3.3 施工步驟

旋轉接頭入井期間中，最大立管壓力不能超過工具轉換壓力的75%。在作業過程中，旋轉接頭服務工程師必須在鉆臺，記錄運行參數并按照完井作業要求作業，記錄每一柱的下放懸重并與預測的下放懸重圖進行對比。

(1)如果對下放懸重沒有要求，則按照完井作業程序繼續下入至完鉆井深；(2)如遇有效懸重降低而出現管柱下入困難時，則與監督組和完井工程師討論是否需要旋轉幫助管柱達到完鉆井深；(3)如果需要管柱旋轉，則按照下列指令將剩余管柱下入井中：拔出滑塊并緩慢提管柱到中心點；緩慢施加旋轉到指定轉速；按照完井作業程序并記錄扭矩和下放懸重；對每一柱重復以上步驟，直到到達完鉆井深。

一旦到達設定深度，記錄最終的上提、下放懸重以及自由旋轉扭矩；按照完井要求或第三方尾管掛程序，投球至閥座，坐封尾管掛或封隔器；繼續運行下入工具液壓釋放程序；旋轉接頭工具提出井后，必須小心擺放，如連接時所注意的一樣，確保夾具和滑塊不能夾持在滑套或上部接頭處。

其他還需注意以下幾點：由于工具含液壓滑套，應避免在運輸，吊裝、安裝過程中損傷工具；管柱中含有其他井下液壓驅動工具，需要合理設計各工具之間的壓力匹配范圍；在工具轉換前管柱內壓力不得超過剪切壓力的75%；在剪掉打壓球座前確保工具已轉換，因為懸掛器的送入工具的應急丟手要旋轉；旋轉接頭利用井下工具附帶的打壓球座，需確保其匹配性。

3.4 應急方案

(1)使用下入工具機械釋放選項在特殊情況下，由于尾管掛或封隔器下入工具不能液壓坐封或無法使用，則需要通過旋轉機械釋放下入工具，該情況下請采用以下程序：①確保管柱在下入工具處于零重；②參考尾管掛/封隔器坐封前的自由旋轉扭矩讀數；③按照第三方工程師指導下密切監測扭矩，旋轉管柱，釋放下入工具。

注意：如果旋轉接頭工具沒有被鎖定卻處于旋轉模式，這很可能液壓缸沒有完全鎖止并移回到旋轉位置(在尾管掛或封隔器坐封過程中，如果管柱沒有旋轉，這種情況時有發生)，這種情況下，旋轉時施加大約1.38 MPa內部壓力將套筒移回到鎖定位置。

(2)當傳統方法加壓不能或效果不理想的情況下，如果有必要釋放下井工具，可以使用投鏢。具體施工程序如下：①召開有關投鏢作業安全會議；②檢查管柱上的組件以確保其內徑不小于旋轉接頭工具內徑，因為這是飛鏢的最小內徑，特別注意可能位于旋轉接頭工具上使用的第三方組件，如果管柱有第三方組件(如循環短節)，務必告知現場工程師進行檢查；③進行體積計算，以確定激活飛鏢到捕捉器的流體體積；④務必進行循環測試以確保循環通暢和保持。循環是飛鏢的必要條件，這樣才能使飛鏢到達坐封位置，循環能力不足可能會使飛鏢不能到達預定位置，測試時按4 bbls/min運行以確保循環通暢；⑤飛鏢裝入工具前外表面需涂抹潤滑油，將工具連接到鉆桿；將工具塞桿插入工具套筒并下壓至底部頂端突出；⑥飛鏢應該在鉆桿內，在施工期間要手握塞桿把手，避免夾住手指；拆卸工具并檢查鉆桿頂部以確保飛鏢已經安裝到位；⑦在鉆臺將泵計數器清零，開啟泵，以4～5 bbls/min速度脫鏢，拉動滑套上提管柱到零點；⑧以1～2 r/min轉速緩慢旋轉管柱，設定頂驅扭矩限制器剛好在自由旋轉扭矩值之上；當飛鏢捕捉器在5 bbls內時降低泵速到1 bbls/min，記錄扭矩，密切觀察壓力表，以判斷飛鏢何時坐封，緩慢增加壓力直到旋轉接頭開始旋轉(其表現為扭矩增加)，在飛鏢盤破碎前增加扭矩并停止旋轉；⑨旋轉接頭工具現在確定已經鎖定，如果需要，釋放完井工具或其他下入工具；⑩所有操作完成后，繼續增加壓力，直至破裂盤破碎，壓力釋放。

4 結語

旋轉接頭在南海東部深水油田下防砂管柱作業中的成功應用，為后續在大位移井、水垂比高的復雜井型中下部完井管柱、尾管下入提供了參考，可大幅降低下部完井管柱、尾管不能順利下入到位的風險，有效節省作業時間。