石
油
机
械 2008 年 第 36 卷 第 9期
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新产品开发
CH I NA PETROLEUM M ACH I NERY
顶驱下套管装置的研制
张国田 邹连阳 黄衍福 张宏英 周家齐
( 北京石油机械厂 )
摘要 鉴于常规下套管作业的局限性, 通过对国内外相关技术的调研, 根据国内油田的需要, 研制开发了顶驱下套管装置 。该装置是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 。根据套管尺寸的不同, 分为内部驱动和外部驱动 2种结构 。重点介绍了该装置的 结构、工作原理 、技术参数及功能试验情况。样机的一系列原理试验表明, 各项试验结果满足设计 及使用要求。该装置的应用 , 将使下套管作业变得更为简单和高效, 钻井综合成本将大大减少。 关键词 下套管装置 顶驱 结构 原理 试验 工程技术研究院机械所研 制出了简易套管 钻井技
赵连禄 )
( 010) 62097692。 E - m a i: l bpm zhangg t @ v ip 163 com。
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( 上接第 81页 )
表 1 Y 422
井号 文 73- 45 胡 7- 36 文 95- 78 文 34- 75 文 12 - 9 胡 7- 83 文 65- 37
引
言
术, 包括用于下 套管的机 械式套 管夹持头
[ 4]
, 夹
鉴于常规下套管作业的局限性, 各国石油钻井 公司积极开发更安全、高效的下套管装备。如美国 B J Tubu lar Serv ice公司开发出了一种用于油田下套 [ 1] 管和 油 管 作 业 的 全 机 械 化 系 统 。 可 用 于 下 177 8~ 914 mm ( 7~ 36 英寸 ) 的套管, 大大提
25- 28
第一作者简介 : 张国田 , 工 程师 , 生于 1975 年 ,
1998
年毕业于西安石油学 院机械设 计及制 造专业 , 现任 北京石 油机械厂技术工程部 副主任 , 主 要从事 石油钻 采机 械设备 的研究开发工作。地址 : ( 100083) 北京市 海淀区。 电话 : 收稿日期 : 2008- 07- 22
参 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 江先雄译 石油机械 , 2004 大港油田钻采院 59 2005- 07- 14 冯 来, 王 循环下套管装置 : 中国 , 力 0326619 考 文 献
定压力 , 停泵保压 5 m in , 观察有无泄漏并记录其 最大压降。 ( 2) 试验结论 在顶驱液压源的最大额定压
造成影响性能的致命损伤; 用以实现循环钻井液的 密封机构也必须可靠耐用, 不仅要能保证自动灌钻 井液和循环钻井液的正常作业, 还要具有满足特殊 固井需要试高压的能力。因此, 在该装置的研制过 程中 , 专门计划安排了样机的原理试验 , 以验证上 述功能的可靠性。 1 额定压力下扭矩试验 ( 1) 试验方法 ! 对该装置 的驱动机构上腔 加压 , 使卡瓦复位 , 然后插入套管内孔 , 使套管端 面与限位机构相贴。 ∀ 把该装置整体装在可连续旋 转的液压扭矩拆装架上 , 一端夹紧该装置心轴, 一 端夹紧套管外壳。 # 给该装 置的驱动机构 下腔加 压, 使得卡瓦张开撑紧套管内壁。 ∃ 用记号笔在卡 瓦与套管处作标记。 % 套管端固定不动 , 开动拆装 架施加扭矩, 心轴可随拆装架旋转而传递扭矩。 & 随着扭矩的增大, 观察卡瓦与套管之间是否发生相 对滑动。 ( 2) 试验结论 在顶驱液压 源的最大额定压 力下 , 施加扭矩到表 1 最大工作扭矩的 1 5 倍, 卡 瓦与套管之间不发生相对滑动, 即可以实现精确传 递扭矩的功能。 2 额定压力下拉力试验 ( 1) 试验方法 ! 给该装置 的驱动机构上腔 加压 , 使卡瓦复位 , 然后插入套管内孔 , 使套管端 面与限位机构相贴。 ∀ 把该装置整体放入推拉试验 台上 , 一端固定该装置心轴 , 一端固定套管外壳。 # 给该装置的驱动机构下腔加压 , 使得卡瓦张开撑 紧套管内壁。 ∃ 用记号笔在卡瓦与套管处作标记。 % 套管端固定不动 , 开动推拉试验台, 向心轴施加 拉力 , 心轴可通过卡瓦机构而传递拉力。 &随着拉
利用顶驱下套管装置进行下套管作业 , 可以充 分发挥顶驱钻井的所有优点, 在下套管作业过程中 可同时完成套管柱的旋转、提放以及循环钻井液等 工作, 减少了复杂情况的发生 , 极大地提高了下套 管作业的效率和质量 , 具有安全、高效等特点。 ( 1) 顶驱控制上 扣扭矩, 确保 套管连接螺纹 上扣扭矩的精确性, 提高下套管作业质量。 ( 2) 液压方式驱动卡瓦机构复位 /张开 , 以传 递扭转和提升载荷, 实现下套管作业的自动化。 ( 3) 皮碗式 ( 自封作用 ) 设计, 保证了循环 钻井液和固井试压的密封可靠。
英寸Байду номын сангаас) 套管 ,
在遇到困难井眼时配套附件还可以扩眼。以上新型 下套管设备都可以在下套管作业时使套管柱同时完 成旋转、提放及循环钻井液等工作, 最大限度地保 证了套管能正常下到井底。 国内大港油田钻采院成功研制出 2种循环下套 管装置 , 一种是顶 驱自动灌 浆解卡装 置, 另一 种是转盘钻自动灌浆解卡装置 , 均可以在下套管过 程中, 随时在井口灌 钻井液, 无须 停止下套管作 业 , 在下套管过程中出现遇阻现象还可以立刻建立 循环, 利用破岩磨铣引鞋清除砂床。中国石油钻井
英寸 )
76 ( 3英寸 ) 35 / 70 4 500 6
5 8
水眼密封压力 /M Pa 最大抗拉载荷 /kN 最大工作扭矩 / ( kN m ) 上端接头螺纹 ( AP I) 6
35 /70 3 150
5 8
25 REG
50 REG
功能原理试验
由于下套管作业的安全、效率直接关系到钻井 工程的成败和效益, 对顶驱下套管装置的可靠性要 求极高。从下套管装置的使用要求来看, 用以传递 扭矩及提升载荷的卡瓦机构必须安全可靠 , 不仅要 能实现旋转和提升套管柱的功能, 而且不能对套管
114型双 向卡瓦封隔器现场试验数据
项目 分注 封上 采下 压裂 压裂 分注 压裂 分注 油层温 度 /∗ 130 135 150 145 140 130 135 井深 / m 2 780 2 480 3 390 3 140 3 210 2 680 2 900 70 66 37 57 31 油管压 套压 / 力 /M Pa M Pa 29 3 21 33 32 10 27 5
图 1 内部驱动结构示意图
1 连接螺纹 ; 2 驱动机构 ; 4 卡 瓦 机构 ; 5 3 限位机构 ; 导 向接 头 密封 机 构 ; 6
2 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, 使驱动机构的上、下 油腔充油并升压至额定压力, 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 , 以传递旋转及提升载 荷, 完成上扣 及提放套管动 作。该装置采用自封式皮碗密封套管 , 可以在下套 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 主要技术参数 表 1 为适用于常用套管 ( 177 8 和 的顶驱下套管装置的主要技术参数。
结
论
( 1) 该封隔器适用于深井 和高温、高 压等油 水井 , 可作为采油、压裂、分注的配套工具。 ( 2) 在实际 应用 时, 封 隔器 上设 计 有旁 通, 易于解封 , 大大降低了卡瓦式封隔器在井眼中易卡 的可能性。 ( 3) 该封隔器坐、解封灵活, 操作简单。
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螺纹处溢水时用丝堵将其封堵。 ∋ 逐步升压到预
( 4) 弹簧防液压失效及吊环 防卡瓦失效安全 设计 , 使该装置更安全可靠。 ( 5) 顶驱下套管装置的应 用, 将使下 套管作 业变得更为简单和高效 , 钻井队将不再需要雇用专 业的下套管作业队 , 钻井综合成本将大大降低。
用 于下套 管和 油管作 业的 机械化 系统 2006, 34 ( 9): 94
E li T esco Bu lletin 40000e , Casing R unn ing Syste m,
结
论
辉, 王
简易套管 钻井技 术及专 2007, 35 ( 5 ):
用配套 工具 研究
石 油 钻探 技术 ,
表 1 主要技术参数
型 号 XTG 178 177 8 57 ( 2
1 4
244mm )
XTG 244 244
适用套管外径 /mm 水眼直径 /mm
力的 增 大, 观察 卡 瓦与 套 管 之间 是 否 发生 相 对 位移。 ( 2) 试验结论 在顶驱液压 源的最大额定压 力下 , 施加拉力到表 1的最大抗拉载荷 , 卡瓦与套 管之间不发生相对位移 , 即可以实现安全提升套管 柱的功能。 3 额定压力下密封试验 ( 1) 试验方法 ! 将试压接 头与下套管装置 连接在一起。 ∀ 将套管与套管接头连接在一起。 # 给该装置的驱动机构上腔加压, 使卡瓦复位 , 然后 插入套管内孔 , 使套管端面与限位机构相贴。 ∃把 该装置整体放入推拉试验台上, 调整推拉试验台油 缸, 使其与试压 接头 之间有 10 mm 左 右的间 隙。 % 给该装置的驱动机构下腔加压 , 使得卡瓦张开撑 紧套管内壁。 & 启动试压水泵。待套管接头的 NPT
高了作业的安全性和效率。美国 W eatherford 公司 开发了一种用于套管钻 井的 DwC 内驱动套管系 统 , 该系统既能安全快速地连接单根套管 , 也能够 驱动深度不超过 4 500 m 的
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244~
339 7 mm ( 9
~ 13 3 英寸 ) 套管柱 或深度不超过 1 500 m 的 8
力下, 水眼分别升压至表 1 的水眼密封压力, 试验 过程中未发现渗漏现 象, 最大压降 均小于许可压 降 , 即可以实现循环钻井液及固井试压的功能。 综上所述, 通过样机的一系列原理试验, 各项 试验结果均满足设计及使用要求, 仅存在一些加工 制造的小问题需要进行设计更改, 为正式产品的研 制成功打下了坚实的基础。