頂驅下套管技術在東海的運用效果研究

孫乾坤

(中海油能源發展股份有限公司工程技術上海分公司，上海 200335)

1 概述

深度開發深層氣藏及依托現有生產設施滾動擴邊是東海海域增儲上產的主流方向之一，對建設華東清潔能源基地戰略具有不可替代的作用。東海深層氣藏具有巖性、壓力系統、流體組分、氣水關系均復雜等特點，導致鉆井作業周期長、成本高、鉆井難度大等問題日益突出。

為更加深刻認識儲層特性，在鉆井技術及鉆井工藝不斷進步的穩定加持下，同時滿足油氣勘探開發的需要，各類深井、超深井及大位移井應運而生。其中，大位移井由于其裸眼延伸段較長、鉆遇巖性復雜多樣、壓力窗口小，隨井深及裸眼延伸段的不斷增加，鉆進過程中扭矩、泵壓及設備負荷逐漸增大，容易導致鉆井作業復雜情況的發生，一旦發生復雜情況，均會影響井壁的穩定性。井壁失穩將會極大程度影響后續下套管、固井作業的順利實施，常常導致導管無法下入到位的現象發生。而海上油氣開發由于其特殊性，主要以大斜度井及水平井為主，為了綜合兼顧地層評價及開發要求，經常會設計多個靶點進行兼顧開發評價，造成井眼軌跡愈加復雜，進一步導致下尾管以及尾管固井作業的難度逐漸加大，使得下套管作業成為一種既耗時間又存在極大風險的現場作業。在鉆完井作業中，普遍使用的下套管技術是使用動力套管鉗旋轉套管完成上扣，該方法不僅效率低、質量差，而且參與人員多、風險高，對高時效、高日費的鉆井船影響十分顯著[1-3]。

傳統的下套管模式在套管下入過程中，若出現套管遇阻卡的情況，無法進行鉆井液的循環及上下活動或轉動管柱，容易出現阻卡而導致套管無法下入到位的現象，進一步增加后續井段作業的風險，并影響整體的工程質量。特別是目前油氣勘探開發中，深井、大位移井、大斜度井及高溫高壓井等高難度井越來越多，會面臨如井眼垮塌、沉砂堆積、定向軌跡復雜、壓差大、井控風險高的情況。傳統的下套管方法越來越不能滿足這些困難的井下套管作業的要求，而頂驅下套管技術彌補了傳統工藝的不足，提高了下套管作業的成功率。頂驅下套管技術作為新技術，在使用過程中較傳統下套管方式有諸多優勢，但在實際應用過程中，也存在一些缺陷。

目前我國油氣勘探開發作業難度有所提升，常規下套管技術越來越難以滿足高難度井的作業需求，而頂驅下套管技術給鉆完井的下套管作業帶了更好的技術支持。這項技術給作業井在下套管過程中處理復雜情況提供了更加便捷有效的手段，提升了下套管作業的效率和成功率，提高了鉆井作業效率。此外，頂驅旋轉下套管設備減少了鉆臺上使用的設備和參與作業的人員，消除了動力鉗和吊卡等其他手動工具，大大提高了作業安全性[4-6]。

2 頂驅下套管工作原理及裝備介紹

2.1 工作原理

頂驅下套管系統是安裝在頂驅系統上的裝置，其集成了機械和液壓控制系統，動力系統通過其驅動機構用于松開或夾緊套管。在頂驅轉動和提升載荷的作用下，系統完成套管的上扣、卸扣、提升、下降、旋轉等操作[7-8]。由于該系統本身具有自密封機構，自密封機構可與夾緊的套管實現內部密封。

與傳統下鉆方式類似，該裝置的上端與頂驅主軸相連，通過頂驅可以精確控制下套管過程中的上扣扭矩；通過液壓站的液壓源，驅動機構的上下油室充油并升至額定壓力；頂驅油缸上下移動，驅動滑動機構服務或打開，然后松開或夾緊套管，傳遞旋轉和提升載荷。該裝置采用自密封皮碗密封套管，可在下套管作業過程中循環，減少或避免復雜情況的發生，降低海上作業風險，提高作業效率。

2.2 裝備介紹

頂驅下套管系統主要由遠程控制系統、扭矩監測系統、頂部驅動工具、液壓動力系統等一系列系統、設備構成，具備高度機械化與智能化，可滿足直徑在114～508 mm 的套管快速下入作業。

3 頂驅下套管的技術優勢

頂驅下套管技術作為一項新技術，具有以下優點：

(1)可快速對套管串進行灌漿，且灌漿方便、循環建立快。頂驅裝置密封套管與頂驅之間的連接，確保鉆井液在任何時候都能快速循環，以清除井筒中的砂子，確保井筒清潔，確保下套管作業的安全、順利和高效。該功能在深井、超深井和大位移井的下套管作業中尤為適用，極大程度降低了作業風險，提高了作業成功率[9]。

(2)可快速處理復雜情況。下套管過程中遇到復雜情況，反應時間越短越容易處理。該頂驅系統可在下套管過程中起、下、旋轉甚至下壓套管柱，有效避免了套管阻掛、壓差卡鉆等復雜井下情況。頂驅下套管技術還具有使套管居中、消除扶臺使用的優勢，有效降低了人員安全風險。

(3)微型抓卡技術是頂驅下套管技術的作業亮點之一，可減少套管損壞。頂部驅動下套管裝置上的滑動面積較大，這增加了滑動件與套管之間的接觸面積，受力面積更大，受力更均勻，對套管的損傷更小，甚至可以忽略不計。與傳統套管鉗相比，頂驅下套管裝置的使用減少了上扣過程中對套管的損壞，提高了套管的耐化學腐蝕能力，延長了套管的使用壽命，節省了作業費用。

4 頂驅下套管作業流程

步驟一：使用可延伸吊環和單根吊卡將套管從斜坡上吊起，將單根套管放置在井口，降低頂部驅動裝置，放置好套管卡瓦，防止套管滑動，安放單根吊卡；

步驟二：重復步驟一，使吊起的第2 套管與放置在井口的套管對正，下放頂驅，被提起套管的公扣進入井口套管的母扣；

步驟三：擺動擺臂使套管對正，繼續下放頂驅，使扭矩爪進入套管，利用控制系統激活扭矩爪抓住套管壁，利用頂驅上扣；

步驟四：重復以上步驟進行套管下入和上扣。

5 頂驅下套管注意事項

(1)安裝頂驅下套管設備至頂驅時，人員配合要溝通到位，專人指揮，無關人員遠離運行路線。

(2)接電布線，將液壓控制管線與下套管的液壓控制面板連接，最后通電，測試液壓動力站的電機是否工作正常。

(3)測試工具功能，以確保每個部件均能正常工作，無泄漏，檢查壓力并將其設置為正常工作值。

(4)設置頂部驅動的扭矩和速度，若不能滿足相應的螺紋參數，過大的扭矩會導致螺紋卡住、變形和過熱。

(5)下放單根吊卡扣在套管上，安裝好安全銷后再上提套管。在對扣時，若司鉆下放過快，會導致公扣端直接壓在母扣接箍上，造成套管絲扣損壞。另外，將公扣推入母扣中易導致公扣和母扣掛扣，若發生公母扣掛扣，不能使用單根吊卡直接上提，易造成單根吊卡連接處拉斷，造成設備損壞，影響作業進度甚至造成其他事故。

(6)將扭矩爪插入套管至防撞環以下，啟動扭矩爪撐住套管并以預定的轉速上扣，確保井架盡可能居中。在扭矩爪進入套管后施加扭矩前，確保工具到位并撐住套管，并監控上扣扭矩是否滿足要求。

(7)卡瓦卡住套管單根，并確認井口卡瓦坐穩后，通過調節控制系統液壓油壓力，改變扭矩爪的狀態嘗試提出扭矩爪釋放套管，并檢查扭矩爪卡瓦狀態。

(8)拆卸頂驅下套管設備時，卡瓦卡最后一根套管時應盡可能放低，扭矩爪松開，安裝托盤插入，擺臂打開。收回工具時，注意移動件和手的位置，以防擠壓。

6 頂驅下套管現場應用情況

Tesco 公司已經利用頂驅下套管裝置完成了1 152 井次的套管鉆井作業施工，其中定向井110 口、水平井25 口、海洋鉆井66 口。頂驅下套管技術在中石油、中石化、中海油均已有過應用案例，總井數也已超過百口[10]。東海油氣田在鉆井作業中不斷求新改進，借鑒國內外頂驅下套管技術的成功案例，在近期鉆井作業中成功應用，該設備使用便捷，下套管提效明顯，處理復雜情況快速有效。

6.1 東海平湖油氣田

某D1 井，一開17-1/2″井眼2 505 m，最大井斜72°，穩斜段930 m，穩斜穩方位鉆進至中完，泥漿體系為海水開路鉆進。套管尺寸及扣型為直徑339.7 mm、61PPF N80 BHC 扣。

使用頂驅下套管技術后，2 505 m 的13-3/8″套管安全下至井底，用時12 h，平均每小時下入19～20 根套管，最快效率為一個小時下入24 根套管。該設備在使用中充分體現了快速開泵建立循環的優勢，在大井斜段遇阻的情況下，快速開泵循環解決了套管串遇阻卡的問題，順利將套管下至設計深度。

6.2 東海西湖油氣田

某D2/3/4 井，一開17-1/2″井眼均在2 500 m，最大井斜22°～32°，穩斜穩方位鉆進至中完，泥漿體系為海水開路鉆進。套管尺寸及扣型為直徑339.7 mm、61PPF N80 BHC 扣。

使用頂驅下套管技術后，三口井2 500 m 的339.7 mm 套管全部順利下至井底，用時11～12 h，平均每小時下入19～21 根套管，最快效率為1 h 下入24 根套管。該設備在使用中的作業效率較傳統下套管有15%～20%的提升。

7 結論

(1)頂驅下套管技術要求頂驅和井口之間高度居中，使用過程中一旦發現井口與頂驅居中度稍有偏差，扭矩爪入扣則較為困難，會降低下套管作業效率。液控擺臂無法精準控制擺動幅度，在對扣時操作精細度無法把控，需多次嘗試對扣插入，影響作業效率。

(2)頂驅下套管技術對套管外壁的平整度要求很高，一旦出現單根吊卡沿著套管下行過程中遇到套管外壁有木屑粘附或其他突出物時，就會導致擺臂壓彎，需重新更換擺臂。

(3)頂驅下套管裝置的密封皮碗為橡膠材質，密封膠皮在液壓錨頭頻繁插入使用的過程中會造成磨損，導致密封失效。破損的密封皮碗膠皮易脫落，掉入套管內會堵塞套管內流道，不僅容易導致灌漿量減少，使得套管下入困難，還會附著在井壁，給固井作業帶來困難。

(4)頂驅下套管技術完全依靠頂驅的旋轉功能來進行套管上、下扣。當頂驅的旋轉功能失效時，設備將失去上扣動力，喪失作業能力。

(5)使用前，作業人員需提前檢查井口居中情況，通過調整井架等手段對正井口。改進擺臂的擺動幅度，精細控制擺動距離以精準對扣；改進擺臂材料，提高其機械強度；改進密封皮碗材質，增加耐磨損度。下套管作業前對頂驅功能需進行全面檢查，保證作業期間旋轉正常，并且備用常規下套管工具。