顶驱旋转下套管技术在川渝页岩气的应用

顶驱旋转下套管技术在川渝页岩气的应
用
摘要：顶驱旋转下套管装置是高端下套管技术，能够有效解决下套管过程中不能旋转下入和泥浆不能循环的问题；降低大位移井、水平井遇阻导致套管下不去、下不到位的情况；大大减少大位移井、水平井工程事故复杂率。

本文就顶驱下套管技术的背景、技术及设备情况及进行分析与介绍。

关键字：顶驱；下套管作业系统；驱动工具
一、顶驱旋转下套管技术简介
常规下套管方法是利用动力套管钳旋转套管完成上扣,在下套管期间不能快速循环､旋转和上下活动套管柱｡该方法不仅效率低､质量差,而且动用的人员多､风险高｡在油气田的勘探开发中,深井､大位移井､大斜度井等高难度井越来越多,在这些井的下套管作业中,会面临着例如缩颈及全角变化率大的井段难以下入;套管长时间与井壁接触易发生粘卡;下入套管柱时产生压力激动压漏地层;遇阻后无法下入时,需要将套管柱全部起出,重新组合通井钻具进行通井,降低作业时效等问题｡常规下套管方法越来越无法满足这些高难度井下套管作业的要求｡
顶驱下套管装置具有以下优点: 能够同时实现套管的旋转、上提下放及钻井液循环，极大地提高下套管作业的成功率; 取代了传统下套管作业中动力套管钳和吊卡等装备，减少下套管作业中施工人数，提高了作业的安全性和效率; 能够为套管管柱传递一定的下压力等。

系统本身具有自密封机构,能够实现与被夹持套管的内部密封。

二、顶驱旋转下套管国内外应用情况
国外顶驱下套管装置研发较早，主要生产厂家有Canrig､Volant、Weatherford、Franks、Offshore Energy、Tesco及 Premiere 等。

装备的主要
特点如下：
加拿大Tesco公司的顶驱下套管装置研发较早，并广泛应用在套管钻井及下
套管作业中，该公司的顶驱下套管装置通过顶驱的液压源，使驱动机构上、下油
缸充油，推动驱动机构上、下运动，进而实现夹持机构与套管的松开或夹紧。

该
装置的夹持机构为卡瓦牙结构，驱动机构为楔形锥面结构。

这种结构的下套管装
置对管柱的夹持力随下放管柱重力的增大而增大，当下放管柱的重力过大时，卡
瓦牙夹持机构会损坏管柱表面，因此该结构的下套管装置适用于中浅井。

美国Weatherford公司的顶驱下套管装置的工作原理与Tesco公司的产品相似。

该顶驱下套管装置已经在英国、俄罗斯、阿尔及利亚以及中国的番禺海上等
地成功应用。

其不同特点有：与重力补偿装置集成一体化；内部安全锁定机构能
够防止套管柱的脱落；形成了一套外夹持机构的专利技术。

主要产品有液压驱动的TorkDrive TM350和 Tork-Drive TM750 HD｡其中TorkDrive TM的额定载荷是3500kN,适用于114.3~244.5 mm(4~9in) 的套管，最大旋转扭矩为47.45 kN·m (35000 lbf·ft)｡TorkDrive TM750 HD的额定载荷是7500 kN，适用于168.3~355.6mm(6~14in) 的套管，最大旋转扭矩为108 kN·m (80000lbf·ft) ｡
美国SureGrip TM的工作原理与 Tesco 公司的产品相似，都采用液压驱动｡其不同之处是：SureGrip TM采用新型的钢球夹持机构，能够实现套管柱的微痕夹持，特别适合在深井、超深井等恶劣环境中应用。

（二）国内技术现状
国内最近几年才开始对顶驱下套管装置进行研发，中国石油钻井工程技术研
究院作为国内套管钻井的先驱，己成功研制出了一种纯机械式简易下套管装装置。

其装置具有可上提下放管柱、驱动套管钻进、保持钻井液循环、减少套管螺纹损
伤等功能。

但是主要操作由人力完成，操作工序复杂。

研究的另一种顶驱下套管装置，其工作原理与Tesco公司的产品相似，都采用液压驱动的方式，其主要产品有XTG178和XTG244两种型号。

该厂已经完成了顶驱下套管装置的现场应用，大大提高了管柱下放效率。

三、顶驱旋转下套管在川渝页岩气地区的应用
页岩气井水平位移大，狗腿度高，页岩的理化特性井场导致井眼失稳，沉沙和掉块严重，且后期面临高泵压大排量压裂等难题，很难确保套管顺利下入。

部分页岩气井水平段长度超过2000米，井斜角度最高可达112°，狗腿高达
9.94°/30米，此种情况导致下下套管磨阻大，套管下入困难，套管承受较大的
压应力，容易产生破坏。

以焦页194-12HF井为例，该井计算井身结构：φ244.5mm套管
×825m+φ215.9mm井眼×3009m。

钻井液性能：密度1.29g/cm³，塑性粘度
23mPa.s，动切力8Pa。

该井完钻井深3068m，水平段长1588m。

产层套管生产厂
家为天钢，套管尺寸为139.7mm，壁厚12.34mm，扣型为TP-CQ，上扣扭矩为21-16.5kN.m最佳扭矩为18.5kN.m,下入产层套管共计271根。

下套管作业前，通过软件模拟（套管下入可行性判断经验：下放的钩载＞30%静止的钩载，即可保证套管正常下入），使用常规下套管技术，套管下入至
3009m，下放的钩载254.2kN，静止的钩载542.3kN，下放钩载远远大于静止钩载的30%。

当套管下至2700m时，发生螺旋屈曲，该作业方式不能能保证本井套管
顺利下入。

利用软件计算结果显示，套管下入至3009m，下放的钩载414.9kN，静止的
钩载542.3kN，下放钩载远远大于静止钩载的30%。

且预测管柱下入过程，未发
生螺旋屈曲，该作业方式能保证本井套管顺利下入。

下钻到底，旋转套管扭矩14.02kN·m。

该井实际施工情况：焦页194-12HF于2021年4月22日23:00开始作业，
下入时速5分钟/根。

4月23日20:30下入至约2500米遇阻，按照上一根套管下入的钩载无法正常下放，此时开始旋转旋转下放，转速30r/min，扭矩13kN.m下放正常。

此后一直按照上述扭矩转速旋转下放套管至4月24日凌晨0:30全部套
管下入完毕，下入时速8分钟/根。

作业过程中每20根灌满泥浆，未建立循环。

套管下完后用旋转下套管设备循环至4月24日3:30,开始拆甩设备。

四、结束语
旋转下套管技术能显著降低长水平井、上倾井和其他复杂井眼轨迹情况下的套管下入难度，确保套管安全下放到位。

由于下套管过程中可旋转套管串并适时循环钻井液，旋转下套管技术的应用可有效避免下套管遇阻等事故的发生。

相比于传统“上提下放”的下套管方式，旋转下套管方式降低了下套管过程中的过大的冲击载荷，降低了因套管串发生疲劳后造成的损伤概率，进而降低了套变发生的可能性。

从现场应用效果评估，旋转下套管技术的应用在一定程度上降低了压裂丢段率和丢段长度，对保持页岩气井筒完整性起到了一定效果。

参考文献:
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