旋轉(zhuǎn)尾管固井工具的研制與試驗(yàn)

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1、旋轉(zhuǎn)尾管固井工具的研制與試驗(yàn)馬蘭榮馬開華阮臣良張金法(中國石化石油勘探開發(fā)研究院德州石油鉆井研究所，山東德州253005)摘要：旋轉(zhuǎn)尾管懸掛固井技術(shù)在解決復(fù)雜井鉆井作業(yè)問題方面發(fā)揮了巨大的作用。使用旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器可在尾管下入及注水泥過程中旋轉(zhuǎn)尾管，從而可協(xié)助排除遇阻等復(fù)雜情況，并可大大提高水泥漿頂替效率。開發(fā)了旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器、液壓丟手、旋轉(zhuǎn)水泥頭等旋轉(zhuǎn)尾管固井工具，并進(jìn)行了充分的地面試驗(yàn)和入井模擬試驗(yàn)。本文介紹了旋轉(zhuǎn)尾管固井工具的結(jié)構(gòu)原理、特點(diǎn)，及試驗(yàn)情況。關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)尾管固井旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器旋轉(zhuǎn)水泥頭液壓丟手軸承地面試驗(yàn)入井模擬試驗(yàn)一、概述旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)是在下尾管和注水

2、泥期間從地面通過動力源（用頂驅(qū)或卡瓦帶動送入鉆具旋轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)鉆柱，由鉆桿經(jīng)旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器將扭矩傳遞給尾管，使尾管柱旋轉(zhuǎn)（包括下套管過程和尾管懸掛器座掛后循環(huán)處理鉆井液及注水泥過程），保證尾管順利下到井底、水泥漿更充分地頂替鉆井液，達(dá)到提高水泥漿頂替效率和膠結(jié)質(zhì)量的目的。與常規(guī)尾管固井相比，旋轉(zhuǎn)尾管具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）有助于尾管順利下到設(shè)計(jì)位置。如在尾管入井過程中遇阻，使用旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器轉(zhuǎn)動尾管串，同時結(jié)合循環(huán)沖洗，有利于克服阻力，使尾管順利到達(dá)設(shè)計(jì)位置。（2）有助于改善頂替效率，提高尾管固井質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)尾管并結(jié)合循環(huán)，利于沖洗掉井壁上的泥餅。水泥漿流動過程中，轉(zhuǎn)動尾管對水泥漿

3、產(chǎn)生攪拌作用，利于水泥漿自身的膠結(jié)、水泥與套管的膠結(jié)及水泥與井壁的膠結(jié)。（3）有助于解決小間隙固井問題。在小間隙井中，旋轉(zhuǎn)尾管可幫助尾管順利下到設(shè)計(jì)位置，尾管的旋轉(zhuǎn)可使水泥漿均勻地分布在尾管周圍。（4）有助于解決定向井套管偏心頂替效率差的問題，并有助于防止環(huán)空竄流通道的形成。尾管在井眼中偏心會大幅度降低頂替效率，偏心環(huán)空也是引發(fā)水泥漿竄槽的主要原因之一。在注水泥過程中旋轉(zhuǎn)尾管，可使大間隙處的水泥漿進(jìn)入小間隙處，而小間隙處的滯留泥漿被拖曳和反沖進(jìn)大間隙處，然后再被大間隙處流動的水泥漿帶走。這樣，尾管周圍均有水泥漿通過，可避免竄流通道的形成。盡管旋轉(zhuǎn)尾管固井工具在國外已經(jīng)是較

4、成熟的技術(shù)，并在國內(nèi)進(jìn)行了一些成功應(yīng)用，但是國內(nèi)目前還沒有旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器及配套工具，其核心技術(shù)均掌握在國外大公司手里，一直未能在我國得到大量推廣。因此，為解決深井、大位移井、小間隙井等復(fù)雜井固井質(zhì)量問題，打破國外公司的技術(shù)壟斷，推進(jìn)旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)的國產(chǎn)化進(jìn)程，研制了具有自主產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)固井工具系統(tǒng)。二、旋轉(zhuǎn)尾管固井工具主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器及其液壓丟手工具（1）將座掛壓力、丟手壓力及球座剪脫壓力依次設(shè)計(jì)為：7—8MPa、13—14MPa、18—19MPa；7圖1旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器總成（2）鑒于懸掛器負(fù)荷能力較大（800～1000kN），懸掛器結(jié)構(gòu)采用雙錐雙卡瓦式結(jié)構(gòu)，

5、以增加卡瓦受力面積，減小座掛時局部應(yīng)力；（3）考慮到固井時液缸要隨懸掛器本體一起轉(zhuǎn)動，故將液缸與推桿支撐套間設(shè)計(jì)為易于相對轉(zhuǎn)動的銷釘-環(huán)槽結(jié)構(gòu)；（4）考慮到井下條件惡略，泥漿及水泥漿中的固相可能對懸掛器軸承造成不良影響，且軸承載荷過大，常規(guī)滾動軸承難以滿足要求，故采用多組滑動密封軸承，同時上下各安置一止推銅墊作為副軸承，在滑動軸承失效后，起輔助滑動作用；液壓丟手工具與密封外殼間，采用彈性爪結(jié)構(gòu)用來傳遞軸向載荷，并能脫手時迅速分離尾管與送入鉆具；設(shè)置緊急丟手裝置，以便在液壓丟手失效時，確保丟手成功；（5）應(yīng)充分保證液壓丟手工具具有足夠的強(qiáng)度，便于排除井下異常情況；（6）丟手

6、工具與密封外殼間設(shè)置扭矩傳遞機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由鉆具帶動尾管轉(zhuǎn)動的功效。2、旋轉(zhuǎn)水泥頭如圖3所示。（1）旋轉(zhuǎn)接頭與水泥頭本體間應(yīng)設(shè)置密封防砂裝置，以保證泥漿及水泥漿中的固相進(jìn)入引起旋轉(zhuǎn)密封和軸承失效；且該密封裝置應(yīng)具有防磨、耐高溫等特點(diǎn)；（2）旋轉(zhuǎn)接頭與外套間應(yīng)設(shè)置旋轉(zhuǎn)密封裝置，其密封能力應(yīng)大于50MPa，且具有耐磨、耐高溫特點(diǎn)；（3）旋轉(zhuǎn)接頭與水泥頭本體間應(yīng)設(shè)置上軸承，用于承受水泥頭本體等的自重，防止因旋轉(zhuǎn)而損傷端面及其密封；（4）旋轉(zhuǎn)接頭與外套間應(yīng)設(shè)置推力軸承,確保水泥頭在承受部分鉆具重力時仍能自由旋轉(zhuǎn)。圖2旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器總體方案三、旋轉(zhuǎn)固井工具的結(jié)構(gòu)及原理1、旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器

7、如圖1所示,懸掛器總成包括上接頭、軸承、錐套、懸掛器心軸、卡瓦、推桿支撐套、液缸、扶正塊等組成。扶正塊位于套在心軸的下部，其直徑最大，可扶正作用，同時用于保護(hù)液缸，避免其在入井過程中受到碰撞。軸承組套在心軸的外圓周上、且位于錐套的上方、上接頭的下方，用于旋轉(zhuǎn)尾管。主軸承為復(fù)式軸承，包括三組摩擦組件，軸承為密封式，且耐高溫，適合于井下特殊工礦；副軸承可在主軸承失效后起到輔助旋轉(zhuǎn)作用。上接頭位于懸掛器的最上方，與心軸通過螺紋連接，在入井過程中承受整個尾管的重量，在注水泥過程旋轉(zhuǎn)尾管時，尾管及部分鉆具的重量又通過該件及軸承組下壓到卡