顶驱旋转下套管工艺技术

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本文摘要：（由ai生成）

顶驱下套管技术通过自动连接、旋转和泥浆循环，解决常规下套管方法效率低、风险高的问题。该技术减少套管阻力和安全隐患，提升作业速度和成功率。国内外均有研发和应用，包括Tesco、Weatherford和国内石油钻井工程研究所等。作业流程需注意安全和设备功能测试。顶驱下套管技术显著提高了套管作业的安全性、质量和效率。

常规下套管的缺陷：常规下套管方法是利用动力套管钳旋转套管上扣。在下套管期间不能进行钻井液循环、套管柱旋转和上下活动，该方法不仅效率低、动用的人员多，存在的风险也高。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，会面临各种各样的问题，如难以下入缩颈及全角变化率大的井段；在套管长时间与井壁接触易时发生粘卡；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。根据统计分析，30%～50%的井下损坏或质量问题是由于下套管操作不当造成的。由此可见，控制作业质量和防止套管事故发生的关键是下套管操作，也是提高下井套管质量的关键工序环节。随着井下套管作业的要求越来越严格，国内常规下套管方法越来越无法满足这些高难度的要求。

顶驱下套管的优势：顶驱旋转下套管装置是一种安装在顶驱系统上，集机械、液压控制于一体的下套管设备，可作为国内钻井广泛使用的套管钳等工具的替代品。充分发挥顶驱的优点和实用性，既实现了套管柱的自动连接，又提高了旋转套管和循环泥浆的能力，大大降低了套管阻力，套管粘连等安全隐患。它大大提高了套管运行的速度和成功率，为设备提供了保障。作为国内钻井设备的重大技术升级，顶驱套筒装置促进了我国钻井设备机械化和自动化的发展。它主要扩大了顶驱的应用范围，具有良好的推广价值和市场前景。

顶驱下套管装置是随着顶部驱动钻井系统的应用而发展起来的用于下套管作业的集机械和液压于一体的装置。分为内部驱动和外部驱动，主要包含以下结构：与顶驱相连的螺纹、驱动卡瓦的液压驱动机构、卡瓦机构、密封机构以及导向接头(见图1)。

顶驱下套管技术的实施需要借助顶驱下套管装置及辅助系统完成，主要包括主执行器和监控部分。其技术参数如下表

顶驱旋转下套管的国内外技术情况：

国外技术现状：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公司顶驱套管装置开发较早，广泛应用于套管钻井和下套管作业中。其顶驱套装置通过顶驱液压源向驱动机构的上下缸内注入油。推动驱动机构上下移动，使夹紧机构和壳体松开或夹紧。该装置的夹紧机构称为卡瓦齿结构，驱动机构为楔锥结构。该结构的下套管装置随着下管柱重力对管柱夹紧力的增大而增大。当下管柱的重力过大时，会造成卡瓦齿夹紧机构对管柱表面的损伤。因此，该结构下套管装置仅适用于中浅井。在美国，Weatherford定义了一种顶级驱动器外壳设备，其工作方式与Tesco公司的产品相似类似。该设备已在英国，俄罗斯，阿尔及利亚和中国的番禺海域使用。它与tesco的顶驱壳体装置的主要区别在于它与重力补偿装置相结合;内部安全锁定机构可防止套管柱脱落;形成了外夹紧机构的专利技术。主要产品有液压驱动的TorkDriveTM 350和TorkDriveTM750 HD。其中TorkDriveTM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47.45kN·m (35000lbf·ft) 。TorkDriveTM750 HD的额定载荷是7500kN，适用于168.3～355.6mm (6～14in) 的套管，最大旋转扭矩为108kN·m (80000lbf·ft) 。美国SureGripTM的工作原理与使用液压驱动技术的Tesco公司类似。不同之处在于SureGripTM采用新型钢球保持机构，可实现套管柱的微痕夹持，适用于深井作业环境。在极深的井和其他恶劣环境中。

国内技术现状：顶驱套管装置的研发近年来才在我国开始，作为我国套管钻井的先驱, 我国石油钻井工程研究所已成功开发了一个简单的机械设备外壳。该装置具有提升和降低管柱、驱动套管钻井、保持钻井液循环、减少套管螺纹损坏等功能。但是最主要的操作是靠人力完成, 操作过程中的工序比较复杂。它们的操作原理类似于由的Tesco公司的产品，采用液压驱动装置，主要产品有XTG178和XTG244。该装置完成了顶部驱动套管装置的现场应用，大大提高了下管柱的效率。

顶驱旋转下套管作业原理及其装备：实际上，顶驱套管系统是一个集液压和机械为一体的顶驱钻井系统。根据套管的大小, 可以分为两种结构：内部动力和外部动力。无论套管的尺寸如何，两种结构的主要结构都是相同的。它们都是连接螺纹、液压传动机构、滑移机构和导向接头。结构如图1所示。但在实际操作中，为了保证操作的安全，还是需要建立一些辅助机构的。

顶部驱动轴与装置的上端连接在一起，当外壳工作时，顶部驱动可以精确地控制外壳上的扭矩。在工作过程中，顶部驱动装置中的液压源可以有效地驱动结构的上下油室充满油。同时，充油会自动上升到额定压力。通过气缸的上下运动，驱动滑块的结构打开或复位，通过传动力夹紧或松开套筒，通过转动传递达到起升载荷的目的，实现起升和下套管的动作。为了提高顶部驱动壳的运行质量、效率和安全性，必须增加一些配套设备。这些设备和驱动套管设备工作在一起形成顶部驱动钻井装置。在操作时, 其顶部驱动设备可以提供所需的电源, 如液压动力来源, 套管弯曲扭矩等等。同时，在支撑装置的保证下，套管可以安全升降。

各配套装置的作用如下：

(1）下套管装置。该部件与上驱动主轴的上部结构连接，便于下端即插即用套管和非螺纹连接。其主要功能是举升套管、传递扭矩和实时建立循环。

(2）吊环。实际上顶驱套管本身也具有举升功能，但由于下驱深度较大或井下环境复杂，很难保证其安全。所以需要使用吊环来辅助吊装，以确保安全。

(3）套管吊卡。为了抓住一个套管，将向下的套管管柱提起，增加了套管吊索。通过这种方式, 不需要气动升降夹套管没有领时降低, 不需要建立一个承载平台。操作起来既非常方便又特别安全。

(4) 气动卡瓦。为了提高顶驱套管作业的安全性和自动化水平，必须采用气动卡瓦，使司钻能够实现卡瓦和套管柱的远程控制。当然，这并不是一成不变的，而是要根据实际场景来设置，如果没有气动卡瓦，普通卡瓦仍然可以发挥作用。

(5）视频监控系统。为了随时监控套管，顶部驱动套管设备上还安装了视频监控系统。该系统能够提高套管作业的可视化程度，并始终处于监控状态。在井架上安装彩色摄像机是一种常见的做法，该监控系统不仅可以监控井架的运行是否正常，还可以及时掌握碗体磨损、滑损等情况。

(6）智能防撞装置。当套管与下套管装置连接时，无论是内卡还是外卡，挂钩都应下降到一定高度。一旦过了头，整个重力就会落在套管上，导致套管变形或套管上的螺纹塌陷。因此，增加了一种智能防撞装置。当吊钩放下时，智能防撞装置会实时注意吊钩的距离。一旦与机匣上的联轴器接触，信号会自动返回到司钻的空室，司钻会及时刹车，确保人员、机匣管柱和设备的安全。

在传统套管作业的基础上，对顶驱套管作业设备的配套工艺流程进行了改进，其工艺流程与传统的套管作业没有太大的区别。

顶驱下套管作业流程及注意事项

顶驱下套管的作业程序主要包括两大部分，顶驱下套管装置连接和下套管作业。

(1)连接套管驱动系统作业程序及注意事项

1)工具及地面设备到达井场，协调安排工作间等地面设备的安装。

2)严格遵守作业现场各项作业安全管理制度，进行地面设备安装前的安全作业分析，保证所有的作业安全有序进行。

3)从顶驱上卸掉吊卡、引导管。井架工盒上背钳装

上防转支架，如有必要卸掉安全接头和接头卡瓦。

4)用吊车或绞车将套管驱动系统提至钻台。

5)连接套管驱动系统和顶驱，上扣。

6)安装防转工作臂。

7)测试工具各项功能，确保每个部件都正常工作，

没有泄漏，检查压力。

(2)下套管作业程序及注意事项

1)设置顶驱的扭矩和转速。

2)下放单根吊卡，套在单根套管上，插好安全销，

上提套管。

3)入扣，备钳打在套管本体处。

4)将套管驱动系统卡瓦插入套管，启动套管驱动系统卡瓦卡住套管，顶驱旋转上扣。

5)提起套管串，提开卡瓦，下放套管串入井。

与普通套管操作相比, 顶部驱动旋转套管操作的优势更明显。首先, 夹紧机制, 无论是内部或外部, 更大的面积与套管接触, 大大降低了单位面积上的压应力, 有效地减少压力套管损坏的概率, 具有重要意义, 提高套管的生活和油井。其次，在使用顶驱式套管作业时，既能充分发挥顶驱式钻井的优点，又能进行套管举升、旋转、循环钻井液作业，既降低了作业难度，又提高了作业质量和效率，确保了作业的安全性和效率。

来源：现代石油人