旋轉(zhuǎn)接頭的介紹與應(yīng)用

陳志德，張永濤，閻興濤，龔宏偉，陳書豪

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)力或扭矩的情況下旋轉(zhuǎn)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(gòu)允許將全部扭矩傳遞至底部鉆具。旋轉(zhuǎn)接頭顯著減輕其上方管柱摩阻，旋轉(zhuǎn)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(fù)雜設(shè)備的下放或回收，預(yù)防此前可能出現(xiàn)的此類工具落井問題。

圖1 旋轉(zhuǎn)接頭示意圖

1 工具介紹

1.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)接頭在下入管柱過程中，與下部管柱組件獨立旋轉(zhuǎn)，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(shè)計深度。壓力達到預(yù)設(shè)點后剪切銷釘，推動滑套嚙合，以達到旋轉(zhuǎn)接頭與鉆具一起旋動。

1.2 應(yīng)用范圍

旋轉(zhuǎn)接頭可用于：下部篩管完井裝置、水平襯管、割縫襯管或預(yù)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(shù)參數(shù)

鉆 桿 尺 寸：5″；外 徑 (最大)：7.5″；內(nèi) 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(nèi)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(shù)值，工具將不會旋轉(zhuǎn))：440 klbs；壓力(注：如達到此數(shù)值，工具將不會旋轉(zhuǎn))440 klbs；推薦最大工作壓差范圍-內(nèi)部：34.47 MPa；推薦最大工作壓差范圍-外部：34.47 MPa；靜態(tài)軸承拉力 (最大)：240 klbs；靜態(tài)軸承壓力 (最大)：200 klbs；旋轉(zhuǎn)速度 (連續(xù))：≤40 r/min；旋轉(zhuǎn)速度 (間歇)：60 r/min；剪切銷釘值(平均)：±1.72 MPa；剪切銷釘數(shù)量 (最大)：12 個；使用標準黃銅螺釘轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)接頭，模擬海上平臺下7″尾管工藝流程，旨在檢驗旋轉(zhuǎn)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(yù)定完井深度的情況；另外，通過解鎖、鎖定工具鎖定裝置開關(guān)，驗證工具鎖定裝置是否穩(wěn)定、可靠，在鎖定后可實現(xiàn)尾管掛旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接頭+ 5″鉆桿；接旋轉(zhuǎn)接頭后，做地面測試。旋轉(zhuǎn)接頭下接頭打備鉗，旋轉(zhuǎn)接頭連短鉆桿，接頂驅(qū)，開轉(zhuǎn)速10 r/min，工具運行正常，無憋扭現(xiàn)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(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的上提下放懸重，考察在大斜度井段，旋轉(zhuǎn)接頭在增加鉆具懸重方面的效果，借以判定旋轉(zhuǎn)接頭對于在復(fù)雜井段下入尾管是否能起到幫助，試驗流體介質(zhì)為清水[1-2]。

通過測試數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下管柱下放懸重大于靜止狀態(tài)下管柱下放懸重，在工具允許范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高旋轉(zhuǎn)下放懸重增加較靜止下放懸重增加更明顯。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下管柱上提下放懸重，可得出旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下管柱下放懸重大于靜止狀態(tài)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(zhuǎn)接頭的壓力一般會鎖定在低于尾管掛和封隔器應(yīng)用壓力，工具在達到預(yù)設(shè)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(zhuǎn)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(shù)前及術(shù)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(qū)頜骨的HU值。

此次試驗工具預(yù)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(zhuǎn)速(5 r/min)旋轉(zhuǎn)扭矩，輔助判斷旋轉(zhuǎn)接頭是否鎖定。旋轉(zhuǎn)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(tài)。

通過此次模擬下7″尾管作業(yè)，得出如下總結(jié)：(1)旋轉(zhuǎn)接頭可實現(xiàn)在管柱上部施以旋轉(zhuǎn)力或扭矩的情況下，底部鉆具組合不旋轉(zhuǎn)的功能，旋轉(zhuǎn)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(shù)推薦范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接頭鎖定機構(gòu)是可靠的，在作業(yè)需要時，工具可隨時鎖定，保證旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞至旋轉(zhuǎn)接頭下方。另外，旋轉(zhuǎn)接頭鎖定壓力可以根據(jù)現(xiàn)場需要隨時調(diào)整。

2 下入模擬

該次旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)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(jù)所用鉆桿參數(shù)和防砂管柱結(jié)構(gòu)，在摩擦系數(shù)為套管內(nèi)0.30、裸眼0.40的情況下對本井進行下入懸重模擬計算，結(jié)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(zhuǎn)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(shè)計完井深度。

2.1 井眼和管柱參數(shù)表

井眼和管柱參數(shù)表見圖2。

圖2 井眼和管柱參數(shù)表

2.2 模擬下入分析

(1)在轉(zhuǎn)速40 r/min、起下鉆速度2 m/min時，可減少90%的阻力。旋轉(zhuǎn)接頭不會限制起下鉆的速度。通常情況下，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)下)。通過模擬發(fā)現(xiàn)，在摩擦系數(shù)為套管內(nèi)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(fēng)險。通過旋轉(zhuǎn)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(shù)為套管內(nèi)0.30、裸眼0.40的情況下，5-1/2″鉆桿在0～500 m處，可能出現(xiàn)螺旋屈曲情況。旋轉(zhuǎn)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(shù)為套管內(nèi)0.30、裸眼0.40的情況下，可旋轉(zhuǎn)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(jié)論

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

3 作業(yè)程序

3.1 數(shù)據(jù)收集

在使用旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)可以指導(dǎo)使用旋轉(zhuǎn)接頭時預(yù)期的最大扭矩值，此數(shù)據(jù)應(yīng)該當(dāng)鉆頭還在套管鞋內(nèi)時讀取。

3.2 作業(yè)前準備

(1)服務(wù)工程師到達現(xiàn)場后，再次檢查工具尺寸，確認旋轉(zhuǎn)接頭工具安裝的剪切螺釘數(shù)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(zhuǎn)接頭滑套在運輸中沒有移位或損壞，滑套應(yīng)該硬頂在芯軸止肩上；(4)與現(xiàn)場總監(jiān)和完井工程師討論和確認旋轉(zhuǎn)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(shù)量和總剪切值；(7)建議管柱連續(xù)旋轉(zhuǎn)速度為20～40 r/min；(8)檢查旋轉(zhuǎn)接頭工具管柱的通徑，包括所有變扣轉(zhuǎn)換頭、接頭短節(jié)或其他需要通過旋轉(zhuǎn)接頭工具內(nèi)部件的最大外徑，諸如坐封球等，需與第三方供應(yīng)商確認；(9)如果需要使用激發(fā)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(fā)飛鏢捕捉器的通徑，包括所有的變扣轉(zhuǎn)換頭，接頭短節(jié)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(yīng)商確認；在激發(fā)飛鏢中的破裂盤比旋轉(zhuǎn)接頭銷釘剪切力至少高于3.45 MPa；激發(fā)飛鏢底端可通過管柱所有內(nèi)徑，特別注意管柱中旋轉(zhuǎn)接頭上可能有第三方提供的部件；(10)召開作業(yè)前安全會議，討論如何安全操作和使用旋轉(zhuǎn)接頭工具；(11)確保所有人員知道如何正確使用旋轉(zhuǎn)接頭工具禁止在有標記區(qū)域(印刷字和油漆處)使用管鉗或卡鉗；(12)吊裝旋轉(zhuǎn)接頭工具時務(wù)必小心，保證起吊器和旋轉(zhuǎn)接頭工具滑套的清潔，旋轉(zhuǎn)接頭工具吊起移至鉆臺時務(wù)必小心，在吊裝工具期間，檢查旋轉(zhuǎn)接頭滑套是否移動或損壞，如果發(fā)現(xiàn)移動或損壞跡象，使用備用旋轉(zhuǎn)接頭；(13)旋轉(zhuǎn)接頭與鉆桿組合完畢后，需對旋轉(zhuǎn)接頭工具進行旋轉(zhuǎn)檢查，旋轉(zhuǎn)前確保支撐點，在旋轉(zhuǎn)接頭工具上部使用鏈鉗，完成兩次旋轉(zhuǎn)測試。

3.3 施工步驟

旋轉(zhuǎn)接頭入井期間中，最大立管壓力不能超過工具轉(zhuǎn)換壓力的75%。在作業(yè)過程中，旋轉(zhuǎn)接頭服務(wù)工程師必須在鉆臺，記錄運行參數(shù)并按照完井作業(yè)要求作業(yè)，記錄每一柱的下放懸重并與預(yù)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(yè)程序繼續(xù)下入至完鉆井深；(2)如遇有效懸重降低而出現(xiàn)管柱下入困難時，則與監(jiān)督組和完井工程師討論是否需要旋轉(zhuǎn)幫助管柱達到完鉆井深；(3)如果需要管柱旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)到指定轉(zhuǎn)速；按照完井作業(yè)程序并記錄扭矩和下放懸重；對每一柱重復(fù)以上步驟，直到到達完鉆井深。

一旦到達設(shè)定深度，記錄最終的上提、下放懸重以及自由旋轉(zhuǎn)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(xù)運行下入工具液壓釋放程序；旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(qū)動工具，需要合理設(shè)計各工具之間的壓力匹配范圍；在工具轉(zhuǎn)換前管柱內(nèi)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(zhuǎn)換，因為懸掛器的送入工具的應(yīng)急丟手要旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)扭矩讀數(shù)；③按照第三方工程師指導(dǎo)下密切監(jiān)測扭矩，旋轉(zhuǎn)管柱，釋放下入工具。

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

(2)當(dāng)傳統(tǒng)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(guān)投鏢作業(yè)安全會議；②檢查管柱上的組件以確保其內(nèi)徑不小于旋轉(zhuǎn)接頭工具內(nèi)徑，因為這是飛鏢的最小內(nèi)徑，特別注意可能位于旋轉(zhuǎn)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(huán)短節(jié))，務(wù)必告知現(xiàn)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(wù)必進行循環(huán)測試以確保循環(huán)通暢和保持。循環(huán)是飛鏢的必要條件，這樣才能使飛鏢到達坐封位置，循環(huán)能力不足可能會使飛鏢不能到達預(yù)定位置，測試時按4 bbls/min運行以確保循環(huán)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(yīng)該在鉆桿內(nèi)，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(jīng)安裝到位；⑦在鉆臺將泵計數(shù)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(zhuǎn)速緩慢旋轉(zhuǎn)管柱，設(shè)定頂驅(qū)扭矩限制器剛好在自由旋轉(zhuǎn)扭矩值之上；當(dāng)飛鏢捕捉器在5 bbls內(nèi)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(zhuǎn)接頭開始旋轉(zhuǎn)(其表現(xiàn)為扭矩增加)，在飛鏢盤破碎前增加扭矩并停止旋轉(zhuǎn)；⑨旋轉(zhuǎn)接頭工具現(xiàn)在確定已經(jīng)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(xù)增加壓力，直至破裂盤破碎，壓力釋放。

4 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)接頭在南海東部深水油田下防砂管柱作業(yè)中的成功應(yīng)用，為后續(xù)在大位移井、水垂比高的復(fù)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(fēng)險，有效節(jié)省作業(yè)時間。