顶驱下套管

石油装备新技术题目：顶驱下套管技术姓名：老师：学号：专业：机械电子工程顶驱下套管技术西南石油大学，成都610500摘要：下套管作业是钻井作业过程中的一个非常重要的环节,作业质量好坏直接影响固井质量、采油产量及油井的寿命。顶驱下套管技术具有作业效率高、套管上扣质量高、现场作业安全度高、劳动强度低等优点。通过对顶驱下套管技术的工作原理，结构，技术参数的研究，对顶驱下套管技术具有重大工程指导意义。关键词：顶驱；下套管；原理机构1.引言石油钻井工程是石油工业中一项为石油天然气增储上产而开辟油气通道和采集地下信息的入地工程。下套管作业作为钻井工程中的的一项常规作业，是指把大直径管子（套管）按照设计下放到裸眼井的预定深度的作业。套管是指从地表下入已钻井眼作为衬壁的管子，根据下入阶段和深度不同依次分为导向套管、表层套管、技术套管、生产套管和射孔段等，如图1-1所示。1-1套管结构图1.1.常规下套管技术常规的下套管工艺流程是使用简易吊卡提升单根套管；安装对扣护套对扣；在连接时使用液压套管钳旋转顶部套管单根；启动上部气动卡瓦，松开下部钻台启动卡瓦，使上部气动卡瓦支撑套管柱的全部重量，下放套管柱；按要求及时向套管柱内灌注泥浆，完成一根套管下入井内【1】。重复以上流程，直至把全部套管连接并下入井底。传统下套管技术存在如下缺点：（1）套管旋扣操作复杂、扭矩不易精确控制；（2）悬挂在井眼中的套管柱不能旋转；（3）不能根据需要随时循环泥浆；（4）下套管作业效率不高，存在极大的安全隐患。图1-2常规下套管作业1.2.顶驱钻井系统为避免传统下套管技术作业的缺点[1]，在下石油装备领域，顶驱钻井系统已成为代替传统下套管技术的一种必然趋势。顶驱套管送入装置是一种基于顶部驱动钻井系统，集机械、液压于一体的新型套管送入装置，该装置需针对不同规格的套管配套相应系列工具，以适应相同规格各种常用壁厚的下套管作业。利用顶驱套管送入装置进行下套管作业具有作业效率高、套管上扣质量高、现场作业安全度高、劳动强度低等优点，大大减少下套管遇卡、遇阻等潜在的安全危害，极大地提高了下套管作业的成功率，可降低或避免井下事故的发生，降低钻井综合成本。从世界钻井机械的发展趋势上看，它符合21世纪钻井自动化的历史潮流。现在我国赴国外打井的队伍，如果没有安装该系统将不允许在投资竞争中中标，由此可见顶部驱动钻井系统已经到了非用不可的地步【2】。1.3.顶驱下套管技术顶驱套管送入装置，它是顶驱装置的延伸产品，它扩大了顶驱装置的应用范围，除了钻井作业外还可完成下套管作业，替代了目前普遍应用的液压套管钳等设备【3】。顶驱套管送入装置是一种基于顶部驱动钻井系统，集机械、液压于一体的新型套管送入装置，该装置需针对不同规格的套管配套相应系列工具，以适应相同规格各种常用壁厚的下套管作业。利用顶驱套管送入装置进行下套管作业具有作业效率高、套管上扣质量高、现场作业安全度高、劳动强度低等优点，大大减少下套管遇卡、遇阻等潜在的安全危害，极大地提高了下套管作业的成功率，可降低或避免井下事故的发生，降低钻井综合成本。配备相应的装备是保证套管顺利下入预定深度的前提。应用顶驱套管送入装置可以极大减少下套管作业事故的发生，提高下套管质量和效率，降低钻井成本，因而具有良好的发展前景。1-3顶驱下套管作业设备顶驱下套管结构1.4.国内外下套管现状国外研制和生产顶驱下套管系统的厂家较多，目前生产该工具的公司主要有Tesco、Weatherford、Canrig、BJTubularServices、Volant、Frank's、NationaloilwellVarco等，其装置的基本结构和各部分功能大体相同，但外形结构略有差异，这里选取Tesco公司部分公司的顶驱下套管工具进行介绍。加拿大Tesco公司作为国际钻井界技术创新的典范，结合其在顶驱和套管钻井等方面的技术优势，研制出一套适用于顶驱下套管的新技术。该技术能发挥顶驱钻井的优点，并结合套管钻井技术的工艺，可以在下套管的同时实现套管柱旋转、提放及循环泥浆等工作，在遇到缩径井段时还可以扩眼，最大限度地保证了套管能正常下到井底。与常规下套管的方式相比，不再需要铺放套管、提升套管柱、扩眼、重钻和修补等工作，具有安全、高效等特点，有效提高了下套管的成功率，在油田有着较好的推广价值和市场前景【4】，如图1-4所示。1-4Tesco公式尾管钻井系统国内主要研究顶驱下套管技术的公司已北石为主。北京石油机械厂研发的新型机械化、智能化的顶驱套管送入装置，该装置拟代替目前国内外钻井广泛使用的套管钳等下套管设备，充分发挥顶驱的优越性，不仅实现下套管主动自动化连接，而且可以提供旋转套管以及循环钻井液的能力，大大减少卡钻、遇阻等潜在安全危害，极大地提高下套管的成功率，为套管顺利下入到计划深度提供装备保证，同时还减少下套管人员具有安全、高效等特点。从功能上看，北石顶驱套管送入装置基本具备了国外先进下套管工具的基本功能，但是其利用吊环、吊卡来进行套管的抓取，系统性不强，仅具有套管送入工具系统的部分功能，成本较高。如图1-5北京顶驱下套管设备2.顶驱下套管主要部分顶驱下套管装置如图2-2所示，它一种基于顶部驱动钻井系统，用于下套管作业的集机械，液压于一体的装置。顶驱下套管系统包括：顶驱+顶驱下套管驱动工具+套管（套管接头中有联连轴扭环）+选择扶正器+防磨带+扩眼器+引鞋【】。2.1.重要配套装置分析2.1.1.顶驱装置顶驱下套管驱动工具在整个系统中最为关键，其结构如图2-1所示，按功能分为动力总成，连接总成，限位总成，卡瓦总成，以及密封导向总成五部分组成。图2-1顶驱下套管工具（内插结构）动力总成主要由轴心，活塞，弹簧，活塞缸等组成，主要完成卡瓦的撑开与收缩作业；连接总成用于连接动力总成，实现传递力和力矩的功能；卡瓦总成主要由卡瓦轴与卡瓦组成，完成卡紧套管的功能；密封导向总成中，导向头完成引导顶驱下套管驱动工具进入套管，密封皮碗用于防止注入泥浆时泥浆回返。2.1.2.吊环事实上顶驱下套管自身也具有提升功能，但是下进的深度比较大或者地下环境比较复杂，这时就难确保其安全性，因此设置了吊环来辅助提升，保证安全性。2.1.3.套管吊卡为了抓取单根的套管，提升下放的套管，就加设了套管卡瓦。这样，下放无接触的套管时就不需气动吊卡，更不必搭建承力高台，操作时就十分便捷安全。2.1.4.气动卡瓦为了提升驱动下套管作业的安全性与自动化水平，采用了气动卡瓦。这样钻司就能够控制卡瓦与下放套管柱。当然这个并不是一成不变的，而是要根据实际现场去设置，如果确实没有气动卡瓦，普通卡瓦依然能够起到作用。2.1.5.视屏监控系统为了时时监控下套管，在顶驱下套管设备上安装了视屏监控系统，该系统能够提高下套管的可视化，时刻在监控中。普通的做法就是在井架上面装彩色相机。这种监视下不但能够控制作业是否正常，还能够及时掌握皮碗磨损、卡瓦受损等情况。2.1.6.职能防碰装置作业之时，在套管和下套管装置的时候，无论是内卡还是外卡都要将大钩下到一定的高度，一旦下放过度就可能让整个重力落到套管上，导致套管变形或者套管的螺纹被压溃，因此加设智能防碰装置，当大钩下放的时候，智能防碰装置会时刻关注大钩下放的距离，一旦和套管的接箍接触上，就自动将信号返回到钻司的控制房，钻司就会及时制动刹车。这样就能确保人员、套管柱、设备的安全。2.2.顶驱分类根据套管尺寸的不同分为内部驱动和外部驱动2种。当套管直径小于177.8mm时采用外部驱动装置，当套管直径大于或者等于177.8时采用内部驱动装置。2种装置都包含以下主要结构：与顶驱相连接的螺纹，用于驱动卡瓦复位或者张开是液压机构，用以传递工作载荷（拉力和扭矩）的卡瓦机构，用以实现循环钻井液的密封机构以及用以是套管对中的导向头，其中内部驱动从安全角度考虑也可以增加辅助机构，以确保下套管安全。3.顶驱下套管原理和过程顶驱套管送入工具的基本功能是完成单根套管从抓取到送入的全过程，并且在需要的时候能够传递所需的钻井扭矩，将顶驱施加的驱动扭矩传递给套管进行套管钻井。在钻杆钻井同样可使用顶驱套管送入工具，这就要求在钻完井眼后，卸下钻杆吊卡、吊环及保护接头，将整套套管送入系统可以安装在顶驱下部。首先选择和套管尺寸及重量相配套的装置和工具，吊到钻台上，采用专门设计的快速接头，套管驱动装置可以很容易直接和顶驱相连。3.1.工作原理该装置上端与顶驱主轴相连接，可以通过顶驱精确控制下套管作业时套管的上扣扭矩。其工作原理如下：通过顶驱的液压源，使驱动机构上下油腔充满又并升至额定压力，驱动油缸上下运动来驱动卡瓦机构复位或张开，进而松开或卡紧套管，以传递旋转以及提升载荷，完成上扣及提放套管动作。该装置采用自密封皮碗密封，可以在套管作业的同时循环钻井液，以减少或避免复杂事故的发生。3.2.工作过程利用顶驱套管送入工具进行下套管作业，其整个下套管过程和常规接钻杆作业一样，主要动作包括:①抓管钳抓取单根套管，提升至井口悬挂的套管接头处于其对接，驱动工具在导向头的辅助下插入当根套管至极限卡位环处；②活塞下行使卡瓦与卡瓦心轴相对滑动，迫使卡瓦卡紧套管同时压缩弹簧；③顶驱带动顶驱下套管工具旋转，使卡紧的单根套管与井口悬挂的套管对接上扣；④放下套管并开启泥浆循环系统，套管放下到位后液压缸泄压，卡瓦在弹簧的反向推力的作用下上行，解除卡瓦卡紧状态，完成单次下套管作业，同时为下一根套管做好准备【5】。在下套管过程中，遇到井眼缩颈、井壁坍塌、岩沉淀问题时，可以通过顶部驱动钻井装置主轴水眼和顶驱下套管装置中心孔，向单根套管和套管柱内壁灌注泥浆并循环泥浆；另外，启动顶部驱动钻井装置的旋转上扣机构，带动单根套管旋转，使单根套管与套管在井内旋转，能解决井眼缩径、井壁坍塌、岩屑陈店带来的问题，保证套管柱能顺利正常下到井底。3.3.工作特点（1）可对套管进行循环，下推和旋转运动，减少因卡钻，缩径等导致的生产事故。（2）配备多个安全联锁装置，可以使防止套管坠落等事故，提高作业效率和安全性。（3）不需要常规下套管作业所需的套管钳，吊卡等配套下套管工具，减少相关作业人员数，也大幅度提高了下套管作业的可靠性和安全性。图3-1下套管工具4.总结顶驱下套管装置扩大了顶驱装置的应用范围，应用顶驱下套管装置可以大大减少下套管作业事故的发生，提高下套管质量和效率，降低钻井成本。因而具有良好的前景和重要的推广价值。驱下套管技术已具备成熟的系列化生产；国内已有厂家生产出部分型号的顶驱下套管产品，但是未形成系列化，而且也没有的得到广泛推广应用，从装备、技术水平和应用等方面都与国外有较大的差距。因此，下一阶段应该考虑开发基于顶驱的套管钻井技术，并扩大其应用范围，是得这项技术能够为我国钻井技术的水平提升做出贡献。可以通过科研机构与油田部门，高等院校合作的方式，在消化吸收国外技术的基础上，自己研发下套管系统的关键部件。为了更好开展套管送入和套管钻井等技术研发和在国内外油田上的运用应用，达到降低成本，提高安全性的目的。在以后的工作中建议开展如下工作：（1）更好完善工具的系列化研究，进一步开展相关试验工作与实现。（2）开展套管钻井和下套管其余配套井下工具特别是套管钻井钻头的研究。（3执行机构以及控制，监测系统等方面的研究。参考文献:[1]康晓雷.提高下套管作业质量的技术及配套设备，钻采工艺，1998，21（2）：4～8.[2]肖文生，钟毅芳.顶驱钻井动力学研究及其虚拟样机设计系统.石油工业出版社.2008年11月.[3]张宏英，李东阳，黄衍福，贺涛，马瑞.顶驱下套管作业装备配套及工艺初探.石油矿场机械，2011，40(3)：20～23.[4]王平.新型套管下入系统.胜利油田职工大学学报，2006年2月，20(1):50～51[5]RogerShields.Large-DiameterClory-HoleDrilling:EvolutionForm12-ftto20-ftDiameter.SPE22122,1994．