多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋在海上油田的應(yīng)用

張新平 劉曉民 華澤君 薛憲波 黃杰 關(guān)皓綸

摘要：為解決大斜度井、水平井井段套管下入困難、下不到位的難題，同時提高井眼質(zhì)量與固井效率，研制出一種多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋。該工具由定子總成、轉(zhuǎn)子總成以及軸承系統(tǒng)三大模塊組成，定子與轉(zhuǎn)子互相配合，利用水力驅(qū)動，通過多級專用的徑向渦輪增大驅(qū)動扭矩，配合外側(cè)鑲嵌有合金齒的螺旋筋條，增強耐磨、修整井眼和擴(kuò)眼的能力。該工具長度為傳統(tǒng)渦輪結(jié)構(gòu)套管鞋的1/3～1/5，結(jié)構(gòu)簡單可靠，尺寸緊湊，通過狗腿度能力強，輸出扭矩可達(dá)傳統(tǒng)劃眼工具的5～10倍。多口現(xiàn)場案例井作業(yè)表明，該工具可保障復(fù)雜井段套管安全下入到位，大幅減少固井過程中的非生產(chǎn)作業(yè)時間和通井時間。

關(guān)鍵詞：套管鞋；徑向渦輪；水力驅(qū)動；下套管

中圖分類號：TE952文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.010

隨著水平井、頁巖氣井、大位移井等各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井?dāng)?shù)量逐漸增多［1-3］，下套管作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)也日益增加。如鉆遇復(fù)雜地層，井眼縮徑、井壁坍塌、摩阻大［4-7］等多種因素可能會造成下入套管困難，嚴(yán)重增加作業(yè)時間和成本。

下套管作為固井作業(yè)的一個關(guān)鍵性環(huán)節(jié)［8-9］，如果下入不到預(yù)定深度，則無法順利完成固井，進(jìn)而影響目的層油氣資源的開采。為了保證套管順利下入到目標(biāo)深度，通常采用通井作業(yè)，或通過井口的機(jī)械動力旋轉(zhuǎn)套管［10-11］來實現(xiàn)劃眼，進(jìn)而順利通過由于縮徑［12］、坍塌等原因造成的困難井段，但該方法需動用額外的設(shè)備，占用鉆井作業(yè)時間，具有較大的局限性。此外，由于套管施加扭矩過大易發(fā)生變形［13-14］，受到套管螺紋或者地面設(shè)備的扭矩限制［15］，往往不能實現(xiàn)套管旋轉(zhuǎn)。而常規(guī)套管鞋輔助下套管時，存在驅(qū)動扭矩不足的問題，因此遇到坍縮、摩擦阻力較大等復(fù)雜井段時，容易遇阻或需多次下入。

第53卷第2期張新平，等：多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋在海上油田的應(yīng)用石油礦場機(jī)械2024年3月 一次性下入套管到預(yù)定井深，對后續(xù)的固、完井作業(yè)起到十分重要的作用。因此，為解決常規(guī)套管鞋扭矩不足的問題，提高固完井作業(yè)效率，本文從套管鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究，研制出多功能多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋，該工具設(shè)計了一種特有的徑向渦輪節(jié)結(jié)構(gòu)，增大套管鞋的驅(qū)動扭矩，從而保障套管在裸眼井段的順利下入。

1技術(shù)分析

多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋通過水力驅(qū)動套管鞋轉(zhuǎn)動，進(jìn)行劃眼，可有效改善井下流態(tài)，促進(jìn)套管通過狗腿度大、縮徑、臺肩等裸眼井段，降低套管下不到位的風(fēng)險，尤其適合在大斜度井、水平井等存在下套管困難的井。

1.1工具結(jié)構(gòu)

多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，套管鞋內(nèi)部主要包括定子及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其裝配示意圖如圖2所示。

定子總成主要由上旋流定子、下旋流定子以及芯軸等組成。定子總成上部與套管相連接，上旋流定子與下旋流定子分別通過特殊的八棱柱結(jié)構(gòu)固定在芯軸外側(cè)，當(dāng)液體從上旋流定子流過時，形成旋流驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生動力扭矩。套管與定子固定連接，套管鞋工作時不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，避免了套管本身產(chǎn)生額外的扭矩。

圖1多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋整體結(jié)構(gòu)圖

圖2定子、轉(zhuǎn)子裝配示意圖

轉(zhuǎn)子總成由上旋流轉(zhuǎn)子、下旋流轉(zhuǎn)子、劃眼引鞋頭等組成。上旋流轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生扭矩，可與下旋流轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的扭矩進(jìn)行疊加，為套管鞋提供較高的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動力，由于不同井段下套管所需的扭轉(zhuǎn)力不同，兩級轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的扭矩可能不足以支撐套管鞋順利穿過阻礙井段，因此可根據(jù)井下實際狀況，優(yōu)化轉(zhuǎn)子數(shù)量。

1.2工作原理

下套管遇阻時，開泵循環(huán)，液體通過上部套管內(nèi)部流入芯軸的旁通孔，然后分別流經(jīng)上、下旋流定子形成旋流，并帶動雙級轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生疊加扭矩，最后液體通過第二級斜孔進(jìn)入劃眼引鞋頭內(nèi)腔，并通過第三級斜孔流出。套管鞋通過水力進(jìn)行驅(qū)動，旋流帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)工具旋轉(zhuǎn)。當(dāng)劃眼作業(yè)時，液體分別流經(jīng)多個定、轉(zhuǎn)子組合，產(chǎn)生的疊加扭矩增強了工具驅(qū)動力，從而提高劃眼作業(yè)效率。

旋轉(zhuǎn)套管鞋使用時，為了能夠有效實現(xiàn)劃眼，需具備足夠的扭矩，因此至少設(shè)置為一個下旋流轉(zhuǎn)子和下旋流定子，使旋流轉(zhuǎn)子和定子形成兩級或者多級轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，扭矩與級數(shù)成比例增加，從而提供足夠的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動，有效實現(xiàn)劃眼。根據(jù)井下摩阻和工況，優(yōu)化調(diào)整定轉(zhuǎn)子級數(shù)，防止旋轉(zhuǎn)套管鞋因扭轉(zhuǎn)力不足空轉(zhuǎn)，既擴(kuò)展了旋轉(zhuǎn)套管鞋的使用范圍，又提高了工具的實用性。

1.3技術(shù)參數(shù)

多級徑向渦輪水力套管鞋的工具尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，可用于177.8 mm和244.5 mm兩種尺寸的套管進(jìn)行劃眼操作，且工具本體與引鞋外徑相同，可最大限度提高劃眼效率。

分別對兩種尺寸多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋工具的壓降與扭矩性能參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3～4所示。工具壓降與排量近似成拋物線關(guān)系，相同測試排量下，177.8 mm套管鞋壓降高于244.5 mm套管鞋，當(dāng)測試排量為37.8 L/s，177.8 mm套管鞋壓降為3 MPa。相同測試排量下，177.8 mm套管鞋扭矩近似等于244.5 mm套管鞋，但177.8 mm套管鞋的啟動排量（工具出現(xiàn)扭矩的排量）低于244.5 mm套管鞋，244.5 mm套管鞋的啟動排量僅約為6.3 L/s，而177.8 mm套管鞋的啟動排量為3.78 L/s。

2工具特點

2.1結(jié)構(gòu)特點

本工具創(chuàng)新性地采用了徑向渦輪以及扭矩增強結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多級扭矩疊加，且工具結(jié)構(gòu)簡單可靠，長度為傳統(tǒng)渦輪結(jié)構(gòu)的1/3～1/5，增強了大狗腿井段的可通過性，工具內(nèi)部設(shè)置有2～6個可調(diào)水眼，通過改變水眼數(shù)量可以調(diào)整工具啟動排量（0.3～1.0 m3/min）?？辙D(zhuǎn)時無軸向載荷，僅當(dāng)水力驅(qū)動時，受到來自于水力反作用力的軸向載荷，有利于提高壽命。下套管過程中，工具遇阻憋停后，能快速反應(yīng)，啟動液體流動，開泵循環(huán)即可轉(zhuǎn)動，及時進(jìn)行劃眼作業(yè)，優(yōu)于傳統(tǒng)劃眼浮鞋。

此外，套管鞋引鞋設(shè)有6個45°水眼，液體可快速從此處流出，優(yōu)化井眼清潔和碎屑清除，改變流態(tài)，從而提高固井質(zhì)量。針對不同地層和井眼，多級套管鞋可以改變引鞋結(jié)構(gòu)，將引鞋頭更換為適合當(dāng)前井下劃眼作業(yè)的引鞋結(jié)構(gòu)，244.5mm套管鞋芯軸材質(zhì)采用易鉆的鋁合金材質(zhì)。

2.2工具優(yōu)勢

1）多種引鞋結(jié)構(gòu)，能有效避免側(cè)鉆出井眼。

井下地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對于松軟地層，傳統(tǒng)劃眼工具可能會側(cè)鉆出額外新井眼，而本工具引鞋頭前端為光面，無切削功能，不會在劃眼作業(yè)中鉆出新井眼，降低了劃眼的攻擊性，且可以通過增加偏心引鞋的長度，提高劃眼作業(yè)的效率。

針對中硬地層及穩(wěn)定性較好的地層，可將PDC、聚晶、硬質(zhì)合金等與套管鞋配合使用，提高引鞋硬度，防止在硬地層劃眼造成破壞，延長工具壽命。

2）徑向渦輪結(jié)構(gòu)，高效利用水功率。

圖5所示為套管鞋的徑向渦輪結(jié)構(gòu)，其單位長度可產(chǎn)生傳統(tǒng)劃眼工具5～10倍的渦輪扭矩，大扭矩保證了劃眼作業(yè)的正常進(jìn)行，既提高了劃眼作業(yè)效率，又節(jié)約成本，且扭矩不會施加于套管上，可有效保護(hù)套管。徑向渦輪結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，徑向受力平衡，無多余載荷對工具產(chǎn)生沖擊，也不會產(chǎn)生軸向載荷。

3）適用于多種井段。

本工具能夠通過縮徑、坍塌、臺肩、沉沙等復(fù)雜井段，并進(jìn)行劃眼作業(yè)，可降低固井竄槽風(fēng)險，提高固井質(zhì)量。此外，井下常有各種雜質(zhì)，套管鞋的全金屬材料具有耐腐蝕能力，提高劃眼作業(yè)成功率，并且在沖沙、磨銑等修井作業(yè)中，套管鞋也能發(fā)揮作用。

2.3施工流程

該工具現(xiàn)場應(yīng)用時，安裝及作業(yè)要求按如下進(jìn)行：

1）引鞋上端連接套管提升接頭。

2）用啟動絞車提升動力引鞋到鉆臺。

3）將動力引鞋放入井口，坐掛卡瓦，安裝安全卡瓦。

4）參考鉆完井設(shè)計，動力引鞋上部連接浮箍，并連接一根套管，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)緊扣。

5）按照頂驅(qū)輔助下套管的步驟，將密封膠筒插入套管內(nèi)，上提管柱到與引鞋連接的套管接箍的下端位于鉆臺面，開泵循環(huán)，確保動力引鞋可正常旋轉(zhuǎn)。

6）當(dāng)下套管遇阻時，連接井口循環(huán)系統(tǒng)，開泵循環(huán)，先上提釋放鉆壓，然后慢慢下放通過遇阻段。

3現(xiàn)場應(yīng)用

1）渤海某大位移水平井。

渤海油田某井井眼尺寸為311.2 mm，下入套管尺寸為244.5 mm，裸眼井段1 820～3 958 m，井眼軌跡復(fù)雜，水平位移長達(dá)3 116 m，水垂比2.34，該井屬于典型的復(fù)雜軌跡大位移水平井，是渤海區(qū)域下套管難度較大的井。套管一次性下入到位風(fēng)險較大，因此選用多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋，套管下至3 926 m，遇阻400 kN ，至井深3 926.8 m，懸重全壓上仍不能通過，隨后啟動該工具，當(dāng)排量從1.8 m3/min增加到2.2 m3/min，該工具扭矩和排量呈指數(shù)關(guān)系，套管鞋扭矩增加約50%，順利引導(dǎo)套管通過遇阻點并下入至設(shè)計深度。

2）美國德克薩斯州某井。

井眼尺寸為215.9 mm，下入套管尺寸為177.8 mm，裸眼井段為1 997.05～2 263.14 m（6 552～7 425 ft）。該井段井壁穩(wěn)定性差，下套管到指定位置風(fēng)險極高，且需要高扭矩完成下套管作業(yè)，為避免旋轉(zhuǎn)套管，采用多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋輔助套管下放指定井段，作業(yè)10 h，順利完成套管的成功下入，未發(fā)生套管變形等狀況。

3）美國墨西哥灣某油井。

井眼尺寸為311.2 mm，下入的套管尺寸為244.5 mm，裸眼井段為5 148.68 m～5 708.29 m（16 892～18 728 ft）。該井段鄰井存在不穩(wěn)定頁巖且井眼軌跡復(fù)雜，正常下入套管十分困難，傳統(tǒng)下放方式可能會引發(fā)井段坍塌的風(fēng)險。采用多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋，6次啟動該工具，循環(huán)時間4 h，套管順利下至設(shè)計井深，達(dá)到技術(shù)要求，節(jié)省44 h下套管前的通井時間。

4結(jié)論

1）多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋可高效地進(jìn)行輔助下套管作業(yè)，相較于傳統(tǒng)的套管引鞋，該工具利用多級定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疊加扭矩增強工具驅(qū)動力，從而提高劃眼作業(yè)效率。

2）多級徑向渦輪水力驅(qū)動套管鞋可根據(jù)地層軟硬程度，對工具引鞋進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，能有效避免側(cè)鉆出井眼，適用于井壁穩(wěn)定性差、井眼軌跡復(fù)雜、大位移水平井等復(fù)雜井段。

3）現(xiàn)場應(yīng)用表明，多功能套管鞋具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠的優(yōu)勢，可通過多次劃眼、持續(xù)循環(huán)、改變排量增加扭矩等方式順利引導(dǎo)套管進(jìn)入預(yù)定深度，能顯著提高一次性下套管成功率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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