国内外尾管悬挂器技术进展

1996年9月

PETROLEUM　DRILLING　TECHNIQUES

Sep.,1996

!固井技术#

国内外尾管悬挂器技术进展

叶能传　　　魏新勇　　　任贵兴

(山东德州253005)　(库尔勒841000)　(山东德州253005)

　　提要　简要回顾了尾管悬挂器技术的发展历程,着重介绍了国外几种新型尾管悬挂器(封隔式尾管悬挂器、旋转尾管悬挂器、内藏卡瓦式双作用尾管悬挂器)的结构特点,同时介绍了我国几种有代表性的尾管悬挂器的应用情况,并提出了我国今后尾管悬挂器的发展方向。

主题词　衬管悬挂器尾管固井固井质量成功率送球器定向井水平井美国中国

<508mm×<406mm,小到<127mm×<8819mm,各种规格十分齐全,给钻井作业者选用合适的尾管悬挂器提供了许多机会。国外在发展和提高尾管悬挂器技术的同时,研制和开发了许多与尾管悬挂器相配套的各种附件和工具,如尾管回接工具,专用于封隔损坏套管或部分回接但不返至地面的回接尾管悬挂器,与尾管悬挂器相配套的尾管外封隔器和尾管内

(采油用的)封隔器。这些工具、附件的研制和开发

一、技术概况

尾管固井是一项风险高、技术复杂、施工难度大、质量要求高的特种固井作业。但由于尾管固井能节省大量套管和水泥等材料,多年来这种作业带来了巨大的经济效益,并且有效地改善了钻进条件。尤其在深探井和钻遇复杂地层的井,采用尾管固井已成为一种必备的工艺技术。

尾管悬挂器作为尾管固井的专用工具,在尾管固井施工中占有重要的位置。其性能和质量的优劣直接影响到尾管固井施工的顺利进行和施工的成败。

早在本世纪20年代,美国德克萨斯州钢铁厂

(以下简称TIW)已成功地研制和应用了机械式尾

成功,为现代固井工作带来了很大的方便。

二、国外尾管悬挂器技术进展

随着石油工业的发展,钻遇深井和复杂井的机会越来越多,如何提高复杂井眼条件下尾管悬挂器的座挂成功率;如何在破碎地层、易漏易喷地层及高压气井中借用行之有效的套管固井工艺技术(如通过活动套管提高顶替效率,用套管外封隔器对付易漏易喷地层及高压气井环空串槽等)来提高尾管固井质量,是当前需要认真考虑的两个问题。国外在

80年代研制和开发出了许多具有特殊功能的各种

管悬挂器,为固井工作开创了一种全新的思维方式。随着美国石油工业的发展和深井的增多,又研制和开发了液压式尾管悬挂器。经过历年来不断的努力,尾管悬挂器设计和制造技术已取得重大突破,应用技术逐步成熟,例如TIW生产的EJ2IB型双锥机械式尾管悬挂器曾创造了悬挂尾管最长(2963m)和最重(3319t)的世界纪录。

我国是在70年代末80年代初开始引进并研制尾管悬挂器的。

经过70多年的发展和改进,尾管悬挂器的质量和性能不断提高,结构更加完善,规格逐渐形成系列化。目前国外生产尾管悬挂器的几个主要厂家是:美国的TIW、Baker2Brown公司、Otis公司、Lindsey公司及加拿大的Cagem公司等,其生产的尾管悬挂器各有特色和优势。国外尾管悬挂器的尺寸,大到

新型尾管悬挂器,如封隔式尾管悬挂器、旋转尾管悬挂器、内藏卡瓦式双作用尾管悬挂器等,下面作一具体介绍。

1.封隔式尾管悬挂器

为能有效地提高易漏失地层和高压气层中的固井质量,同时阻断悬挂器处上下环空井段的压力传递和阻止环空气窜向上部运移,国外的几个主要厂商(包括Baker2Brown公司、TIW公司、Otis公司)都研制和开发了封隔式尾管悬挂器。图1为

Baker2Brown公司的D型封隔式尾管悬挂器,其最

・30・石　　油　　钻　　探　　技　　术　　　　　　　　　1996年9月

法使悬挂器座挂,使尾管旋转的结构及原理与机械式相同。

大的特点是在原普通机械式悬挂器的本体与回接筒之间增加一段封隔器短节。该型悬挂器与该公司的

C22型送放工具配套使用。当悬挂器下放至座挂位

置,先用普通机械方式完成正常的座挂、倒扣和注驱水泥工作,后给送放工具加压,通过送放工具上的座封挡块,将钻柱的重力传递到封隔器顶部,压紧封隔器的封隔单元封住套管环空,使锁紧机构锁死而实现封隔器永久座封,从而阻断封隔器处上下压力的传递,阻止环空气窜向上运移,提高固井质量。

图2　Baker2Brown公司RCM型旋转尾管悬挂器11承载轴承;21锥套;31卡瓦;41本体最近,TIW公司在非密封轴承基础上,进一步开发出了一种用氟塑料、酰胺纤维树脂等材料组成的多层式的密封型承载轴承系统。测试表明,其承载能力和寿命都比普通的非密封型滚珠轴承好。在

图1　Baker2Brown公司的封隔式尾管悬挂器

11封隔单元;21锥体;31卡瓦;41本体

49kN载荷和2r󰃗min转速下,非密封型滚珠轴承的

寿命只有315h,而密封型轴承系统在2415kN载荷和20r󰃗在2415kN载荷min转速下,寿命可达715h。和3413kN载荷下,转速分别为18r󰃗min和15r󰃗min时,旋转18h后,其旋转扭矩不增加。

当尾管需延伸和回接时,在管串中增加一个封隔器,以提高回接套管的固井质量或采用反循环固井。通常应用的封隔器有机械式和液压式两种。封隔器一般放在回接筒上面。机械式座封也是靠管柱重力作用在封隔器上,压紧密封元件,使锁紧卡瓦锁住外层套管而实现永久座封。高性能的液压式尾管封隔器依靠管柱内憋压,当压力大于17MPa时实现座封动作。

3.内藏卡瓦式双作用尾管悬挂器

美国Lindsey公司为防止尾管悬挂器在入井中碰环或碰掉卡瓦,尤其在大斜度井段和水平井段确保卡瓦安全顺利地抵达座挂位置,按指令可靠地动作,研究和开发了新的PS型卡瓦内藏式机械液压双作用尾管悬挂器(见图3)。其最大的特点是卡瓦在座挂前始终藏在本体内,入井时不会碰到井壁和上层套管,确保下套管作业的安全。悬挂器到达座挂位置后,可先用液压方式进行座挂,投球憋压;剪断液缸剪钉后,卡瓦从本体内伸出,通过下放钻具实现座挂。如果液压座挂失灵,则可采用机械方式进行座挂。先将尾管下放至井底,压上重量后转动钻具,待液缸剪钉剪断后,上提钻具至座挂位置,下压钻具实现座挂。同时兼备液压和机械两种作用的座挂方式,对提高悬挂器的座挂成功率有利。

2.旋转尾管悬挂器

为改善水泥浆的顶替效率,提高尾管固井质量,使尾管在注水泥过程中转动,美国Baker2Brown公司、TIW公司和Lindsey公司都分别研制了旋转尾管悬挂器,它们研制的机械式尾管悬挂器和液压式尾管悬挂器都保证在注水泥和泥浆顶替时能以3～

10r󰃗min的速度旋转尾管。图2为Baker2Brown公

司研制的RCM型旋转尾管悬挂器。与普通的尾管悬挂器相比,其最大的特点是有一个与本体分离的带槽的锥套,其上有一组支撑尾管重量的锥形活动轴承或滚珠轴承。其原理是,该型尾管悬挂器下到座挂位置后,用常规机械方法使卡瓦上行至活动锥套上,实现正常座挂和倒扣,尾管重力通过支撑轴承、锥套和卡瓦作用在上层套管上。当注水泥和顶替时,转动钻柱,通过与该型悬挂器相配套的2RH型送放工具带动尾管转动,从而改善顶替效果和提高固井质量。液压式旋转尾管悬挂器的区别仅是用液压方

图3　PS型双作用尾管悬挂器

11送放工具;21倒扣螺母;31液缸活塞;

41卡瓦;51挡块;61本体

第24卷第3期　　　　　　　叶能传等:国内外尾管悬挂器技术进展该型悬挂器的另一特点是改善了过水面积。一般悬挂器在本体部分因环空间隙,过水面积较小。而该型悬挂器除本体与套管间的环空中有较大的过水面积外,还能在本体内部过水,有利于水泥浆达到紊流顶替,改善顶替效率,提高固井质量。

的问题,进一步提高了座挂成功率。

・31・

地矿部石油钻井研究所生产的各型液压式和机械式尾管悬挂器,品种规格较齐全。其主要规格有:<24415×<17718mm,<24415×<13917mm,<17718×<127mm,<17718×<11413mm,基本上能满足国内各油田的需求。

最近,地矿部石油钻井研究所与渤海石油公司合作,在DYX2I型液压式尾管悬挂器的基础上,研制和开发出了大斜度井和水平井专用的尾管悬挂器,并已在渤海地区海上大斜度井中使用成功,其最大井斜角达62°。至今未见国内外有同类产品应用的报道。该型尾管悬挂器的研制成功为国内外独创,填补了大斜度井和水平井无合适、可靠的专用尾管悬挂器的空白。该型尾管悬挂器最大特点是,在原

DYX2I型尾管悬挂器下增加了一个专用的送球器。

三、国内尾管悬挂器技术进展

我国从70年代末、80年代初开展了尾管悬挂器的研制工作。在引进和吸收国外先进技术和成功经验的基础上,华北石理局钻井研究所研制和开发了<17718×<127mm󰂪型机械式尾管悬挂器。四川石理局井下作业处也研制出了<24415×

1982年,华北石<17718mm机械式尾管悬挂器。理局钻井研究所在以上两种尾管悬挂器的基础上,针对使用中出现的问题,又研制和开发了󰂫型<17718mm×<127mm机械式尾管悬挂器,并在华北油田内部进行推广。

80年代中期,华北石理局钻井研究所在机

该送球器确保投下的铜球在大斜度井段和水平井段内能准确到位、憋压;剪断液缸销钉,实现正常座挂;经倒扣后,顶替水泥浆时能实现正常碰压。最后,尾管悬挂器内的全套送放工具都可回收,确保尾管悬挂器内的最大通径,方便了继续钻进和下入各种井下工具。

械式尾管悬挂器成功应用的基础上,又研制和开发了液压式尾管悬挂器。该所经过不断的改进和提高,发展到目前的󰂭型液压式尾管悬挂器。该型尾管悬挂器与以前型号相比,倒扣接头处增加了弹子盘,倒扣时不需严格找中性点;顶替胶塞由以前的单胶塞改为大、小双胶塞;密封芯子有所改进,密封效果更好。华北石理局钻井研究所生产的机械式和液压式尾管悬挂器在东部油田应用较广,并在塔里木油田的深井中进行了试用,效果较好。

四川石理局井下作业处研制和生产的

CSX型液压式尾管悬挂器结构更简单,主要在四川

四、结　束　语

1.目前国内某些厂家生产的尾管悬挂器,无论

从性能、结构合理性、加工质量上,还是从使用的可靠性和成功率上都已达到或超过了国外同类产品,且价格只有进口产品的1󰃗4～1󰃗3。因此尾管固井应大力提倡使用国产精品。

2.随着我国各油田钻井越来越深,钻遇复杂地

油田内部应用。

地矿部石油钻井研究所从80年代中期开始深井尾管固井技术的研究。在应用和消化吸收国外先进技术的基础上,该所研制和开发了SYX2󰂪型双锥和DYX2󰂪型单锥液压式尾管悬挂器,并首先在地矿部石海系统的深探井中应用和推广。经过不断改进,结构更加合理,性能进一步提高和完善。特别是近几年来,因该两种尾管悬挂器座挂成功率高,倒扣容易,操作简单,密封效果好,可实现多次重复座挂,已在全国各油田中大量应用,使用量达到300井次,并已在渤海地区海上油田全面替代进口产品,在南海西部地区海上油田部分替代了进口产品。新开发的DYX2󰂫型液压式尾管悬挂器,克服了DYX2󰂪型尾管悬挂器使用中因在超重负荷时易造成液缸偏心

层的机会增加,并对封固复杂地层的固井质量要求更加严格,应进一步研制和开发封隔式尾管悬挂器和活动尾管悬挂器,以提高尾管固井质量,尤其是油气层和重叠段的固井质量。

3.随着各油田勘探、开发的难度增加,普遍开

始对老井进行加深和侧钻,以及近年来小眼井钻井技术研究的兴起和推广,建议尽早开展小尺寸尾管悬挂器的研制和开发工作,其规格主要有:<13917mm套管下挂<11413mm(或<10116mm)尾管;<127mm套管下挂<8819mm尾管。

作者附言:本文在写作过程中得到了毛克伟总工程师和马开华高级工程师的帮助和指导,在此致以谢意。

●1996205206收稿;1996207217改回

(下转37页)

第24卷第3期　　　　　　　刘振明等:刮刀钻头半自动氩弧焊接系统按照所选方案的自动程度并考虑到手动焊接的灵活性要求,设计控制面板如下:

控制面板具有手动和自动两种控制方式。手动部分用于手动控制N、X、Y三个坐标及四种斜线方向的运动;自动部分用于选择各种焊缝形状并实现自动焊接。

控制面板上还设计有起弧控制键,具有手动和自动两种控制方式。手动方式用于检测焊缝位置的空行程;自动方式用于自动连续焊接,当焊运动到焊缝位置时可自动起弧焊接。

控制系统的电源分两部分:一部分由220V电源经滤波和稳压后输出+5V和12V电压,用于单片机控制系统;另一部分经三相变压器降压和三相桥式全波整流后输出30V电压,用做步进电机电源。

步进电机的驱动由单片机根据工作程序控制各相的通电状态,控制步进电机的转速和转向。单片机输出的控制信号经光电隔离和放大后驱动VMOS大功率管,以决定步进电机各相是通电还是断电。

为了显示焊的当前位置和系统工作状态,在控制面板上设有N、X、Y三个方向的位置和程序代码显示。位置显示由五位发光二极管显示器组成,显示器分辨率分别为0101°和0101mm。在系统工作过程中,位置显示器连续显示各运动坐标的当前位置,显示内容由单片机的串行口控制。在单片机系统中扩展了并行接口芯片8155,用于控制键盘和显示器,两片555及外围电路用于调节各坐标的运动速度。工作程序存放在EPROM2732中。改变其中的工作程序,可以实现不同的工作方式。步进电机的运动由单片机的并行接口直接控制。

・37・

与钻头帽圆焊缝的连续自动焊接以及钻头体与刮刀片折焊缝的分段自动焊接,代替了沿袭多年的刮刀钻头手工焊接,尤其适合于批量制造。

采用该系统组焊刮刀钻头较手工焊接具有明显的优点:

(1)提高了焊缝质量。焊缝的致密性增强,避免

了补焊,因而焊缝强度高。形成的焊缝光滑平整,十分美观。

(2)生产效率提高了一倍多。(3)降低了工人的劳动强度,改变了多年来焊工蹲位焊接工作方式。钻头可自动翻转,由吊车上、卸。

焊缝无药皮不用清渣。

(4)操作者距钻头较远。因此,可减轻弧光的烘

烤,减少烟尘的吸入。工作环境得到了改善。

●1996-04-01收稿;1996-07-01改回

参考文献3篇(略)

作　者　简　介

刘振明,19年生。1985年毕业于大庆石油学校钻井专业。现任大庆石理局钻井生产技术服务公司工具分公司钻头厂副厂长。

王娜君(女),1959年生。1983年毕业于哈尔滨工业大学机械控制系。现任哈尔滨工业大学切削与控制试验室副主任,教授。

柏景海,1963年生。1985年毕业于大庆石油学校钻井专业。现任大庆石理局钻井二公司技术科工程师。

高智明,19年生。1986年毕业于大庆石油学院钻井专业。现任大庆石理局钻井二公司技术科工程师。

四、使用与评价

刮刀钻头半自动氩弧焊接系统可以实现钻头体

(上接31页)

参　考　文　献

[1]　BackerServiceTools.BackerHughesCo.,1992[2]　Overhalfacenturyexperienceinmanufacturing

Candservicingoilfieldequipment.TexasIronWorks,1984

[3]　LindseyHE,Jr.Newtoolsmakelinerrotation

dringcementingpractical,WoridOil,Oct.1981

[4]　杨贵盛.华北油田深井尾管固井工艺技术.钻采工

艺,1994,(1)

[5]　李江,陈书鸿.西达里亚地区尾管固井质量问题及

对策.石油钻探技术,1996,24(2)

[6]　GeorgeO.Suman,JrandRichardC.Eills.Cemen2

tingoilandgaswells,WorldOil,1977

作　者　简　介

叶能传,19年生。1986年毕业于石油大学钻井专业。现在地矿部石油钻井研究所从事固井工具的研究和开发工作,工程师。

魏新勇,1962年生。1985年毕业于西南石油学院。现任地矿部西北石油地质局采油大队技术总监。

任贵兴,1970年生。1995年毕业于中国地质大学机械专业。现在地矿部石油钻井研究所从事固井工具的研究和开发工作。