多级径向涡轮水力驱动套管鞋在海上油田的应用

张新平 刘晓民 华泽君 薛宪波 黄杰 关皓纶

摘要：为解决大斜度井、水平井井段套管下入困难、下不到位的难题，同时提高井眼质量与固井效率，研制出一种多级径向涡轮水力驱动套管鞋。该工具由定子总成、转子总成以及轴承系统三大模块组成，定子与转子互相配合，利用水力驱动，通过多级专用的径向涡轮增大驱动扭矩，配合外侧镶嵌有合金齿的螺旋筋条，增强耐磨、修整井眼和扩眼的能力。该工具长度为传统涡轮结构套管鞋的1/3～1/5，结构简单可靠，尺寸紧凑，通过狗腿度能力强，输出扭矩可达传统划眼工具的5～10倍。多口现场案例井作业表明，该工具可保障复杂井段套管安全下入到位，大幅减少固井过程中的非生产作业时间和通井时间。

关键词：套管鞋；径向涡轮；水力驱动；下套管

中图分类号：TE952文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.010

随着水平井、页岩气井、大位移井等各种复杂结构井数量逐渐增多［1-3］，下套管作业面临的挑战也日益增加。如钻遇复杂地层，井眼缩径、井壁坍塌、摩阻大［4-7］等多种因素可能会造成下入套管困难，严重增加作业时间和成本。

下套管作为固井作业的一个关键性环节［8-9］，如果下入不到预定深度，则无法顺利完成固井，进而影响目的层油气资源的开采。为了保证套管顺利下入到目标深度，通常采用通井作业，或通过井口的机械动力旋转套管［10-11］来实现划眼，进而顺利通过由于缩径［12］、坍塌等原因造成的困难井段，但该方法需动用额外的设备，占用钻井作业时间，具有较大的局限性。此外，由于套管施加扭矩过大易发生变形［13-14］，受到套管螺纹或者地面设备的扭矩限制［15］，往往不能实现套管旋转。而常规套管鞋辅助下套管时，存在驱动扭矩不足的问题，因此遇到坍缩、摩擦阻力较大等复杂井段时，容易遇阻或需多次下入。

第53卷第2期张新平，等：多级径向涡轮水力驱动套管鞋在海上油田的应用石油矿场机械2024年3月 一次性下入套管到预定井深，对后续的固、完井作业起到十分重要的作用。因此，为解决常规套管鞋扭矩不足的问题，提高固完井作业效率，本文从套管鞋结构设计展开研究，研制出多功能多级径向涡轮水力驱动套管鞋，该工具设计了一种特有的径向涡轮节结构，增大套管鞋的驱动扭矩，从而保障套管在裸眼井段的顺利下入。

1技术分析

多级径向涡轮水力驱动套管鞋通过水力驱动套管鞋转动，进行划眼，可有效改善井下流态，促进套管通过狗腿度大、缩径、台肩等裸眼井段，降低套管下不到位的风险，尤其适合在大斜度井、水平井等存在下套管困难的井。

1.1工具结构

多级径向涡轮水力驱动套管鞋的整体结构如图1所示，套管鞋内部主要包括定子及转子结构，其装配示意图如图2所示。

定子总成主要由上旋流定子、下旋流定子以及芯轴等组成。定子总成上部与套管相连接，上旋流定子与下旋流定子分别通过特殊的八棱柱结构固定在芯轴外侧，当液体从上旋流定子流过时，形成旋流驱动转子转动，产生动力扭矩。套管与定子固定连接，套管鞋工作时不会发生转动，避免了套管本身产生额外的扭矩。

图1多级径向涡轮水力驱动套管鞋整体结构图

图2定子、转子装配示意图

转子总成由上旋流转子、下旋流转子、划眼引鞋头等组成。上旋流转子转动产生扭矩，可与下旋流转子产生的扭矩进行叠加，为套管鞋提供较高的扭转驱动力，由于不同井段下套管所需的扭转力不同，两级转子产生的扭矩可能不足以支撑套管鞋顺利穿过阻碍井段，因此可根据井下实际状况，优化转子数量。

1.2工作原理

下套管遇阻时，开泵循环，液体通过上部套管内部流入芯轴的旁通孔，然后分别流经上、下旋流定子形成旋流，并带动双级转子旋转，产生叠加扭矩，最后液体通过第二级斜孔进入划眼引鞋头内腔，并通过第三级斜孔流出。套管鞋通过水力进行驱动，旋流带动转子旋转，進而实现工具旋转。当划眼作业时，液体分别流经多个定、转子组合，产生的叠加扭矩增强了工具驱动力，从而提高划眼作业效率。

旋转套管鞋使用时，为了能够有效实现划眼，需具备足够的扭矩，因此至少设置为一个下旋流转子和下旋流定子，使旋流转子和定子形成两级或者多级转动结构，扭矩与级数成比例增加，从而提供足够的扭转驱动，有效实现划眼。根据井下摩阻和工况，优化调整定转子级数，防止旋转套管鞋因扭转力不足空转，既扩展了旋转套管鞋的使用范围，又提高了工具的实用性。

1.3技术参数

多级径向涡轮水力套管鞋的工具尺寸和结构参数如表1所示，可用于177.8 mm和244.5 mm两种尺寸的套管进行划眼操作，且工具本体与引鞋外径相同，可最大限度提高划眼效率。

分别对两种尺寸多级径向涡轮水力驱动套管鞋工具的压降与扭矩性能参数进行测试，测试结果如图3～4所示。工具压降与排量近似成抛物线关系，相同测试排量下，177.8 mm套管鞋压降高于244.5 mm套管鞋，当测试排量为37.8 L/s，177.8 mm套管鞋压降为3 MPa。相同测试排量下，177.8 mm套管鞋扭矩近似等于244.5 mm套管鞋，但177.8 mm套管鞋的启动排量（工具出现扭矩的排量）低于244.5 mm套管鞋，244.5 mm套管鞋的启动排量仅约为6.3 L/s，而177.8 mm套管鞋的启动排量为3.78 L/s。

2工具特点

2.1结构特点

本工具创新性地采用了径向涡轮以及扭矩增强结构，能够实现多级扭矩叠加，且工具结构简单可靠，长度为传统涡轮结构的1/3～1/5，增强了大狗腿井段的可通过性，工具内部设置有2～6个可调水眼，通过改变水眼数量可以调整工具启动排量（0.3～1.0 m3/min）。空转时无轴向载荷，仅当水力驱动时，受到来自于水力反作用力的轴向载荷，有利于提高寿命。下套管过程中，工具遇阻憋停后，能快速反应，启动液体流动，开泵循环即可转动，及时进行划眼作业，优于传统划眼浮鞋。

此外，套管鞋引鞋设有6个45°水眼，液体可快速从此处流出，优化井眼清洁和碎屑清除，改变流态，从而提高固井质量。针对不同地层和井眼，多级套管鞋可以改变引鞋结构，将引鞋头更换为适合当前井下划眼作业的引鞋结构，244.5mm套管鞋芯轴材质采用易钻的铝合金材质。

2.2工具优势

1）多种引鞋结构，能有效避免侧钻出井眼。

井下地层结构较为复杂，对于松软地层，传统划眼工具可能会侧钻出额外新井眼，而本工具引鞋头前端为光面，无切削功能，不会在划眼作业中钻出新井眼，降低了划眼的攻击性，且可以通过增加偏心引鞋的长度，提高划眼作业的效率。

针对中硬地层及稳定性较好的地层，可将PDC、聚晶、硬质合金等与套管鞋配合使用，提高引鞋硬度，防止在硬地层划眼造成破坏，延长工具寿命。

2）径向涡轮结构，高效利用水功率。

图5所示为套管鞋的径向涡轮结构，其单位长度可产生传统划眼工具5～10倍的涡轮扭矩，大扭矩保证了划眼作业的正常进行，既提高了划眼作业效率，又节约成本，且扭矩不会施加于套管上，可有效保护套管。径向涡轮结构为轴对称结构，径向受力平衡，无多余载荷对工具产生冲击，也不会产生轴向载荷。

3）适用于多种井段。

本工具能够通过缩径、坍塌、台肩、沉沙等复杂井段，并进行划眼作业，可降低固井窜槽风险，提高固井质量。此外，井下常有各种杂质，套管鞋的全金属材料具有耐腐蚀能力，提高划眼作业成功率，并且在冲沙、磨铣等修井作业中，套管鞋也能发挥作用。

2.3施工流程

该工具现场应用时，安装及作业要求按如下进行：

1）引鞋上端连接套管提升接头。

2）用启动绞车提升动力引鞋到钻台。

3）将动力引鞋放入井口，坐挂卡瓦，安装安全卡瓦。

4）参考钻完井设计，动力引鞋上部连接浮箍，并连接一根套管，按照相关标准紧扣。

5）按照顶驱辅助下套管的步骤，将密封胶筒插入套管内，上提管柱到与引鞋连接的套管接箍的下端位于钻台面，开泵循环，确保動力引鞋可正常旋转。

6）当下套管遇阻时，连接井口循环系统，开泵循环，先上提释放钻压，然后慢慢下放通过遇阻段。

3现场应用

1）渤海某大位移水平井。

渤海油田某井井眼尺寸为311.2 mm，下入套管尺寸为244.5 mm，裸眼井段1 820～3 958 m，井眼轨迹复杂，水平位移长达3 116 m，水垂比2.34，该井属于典型的复杂轨迹大位移水平井，是渤海区域下套管难度较大的井。套管一次性下入到位风险较大，因此选用多级径向涡轮水力驱动套管鞋，套管下至3 926 m，遇阻400 kN ，至井深3 926.8 m，悬重全压上仍不能通过，随后启动该工具，当排量从1.8 m3/min增加到2.2 m3/min，该工具扭矩和排量呈指数关系，套管鞋扭矩增加约50%，顺利引导套管通过遇阻点并下入至设计深度。

2）美国德克萨斯州某井。

井眼尺寸为215.9 mm，下入套管尺寸为177.8 mm，裸眼井段为1 997.05～2 263.14 m（6 552～7 425 ft）。该井段井壁稳定性差，下套管到指定位置风险极高，且需要高扭矩完成下套管作业，为避免旋转套管，采用多级径向涡轮水力驱动套管鞋辅助套管下放指定井段，作业10 h，顺利完成套管的成功下入，未发生套管变形等状况。

3）美国墨西哥湾某油井。

井眼尺寸为311.2 mm，下入的套管尺寸为244.5 mm，裸眼井段为5 148.68 m～5 708.29 m（16 892～18 728 ft）。该井段邻井存在不稳定页岩且井眼轨迹复杂，正常下入套管十分困难，传统下放方式可能会引发井段坍塌的风险。采用多级径向涡轮水力驱动套管鞋，6次启动该工具，循环时间4 h，套管顺利下至设计井深，达到技术要求，节省44 h下套管前的通井时间。

4结论

1）多级径向涡轮水力驱动套管鞋可高效地进行辅助下套管作业，相较于传统的套管引鞋，该工具利用多级定、转子结构产生的叠加扭矩增强工具驱动力，从而提高划眼作业效率。

2）多级径向涡轮水力驱动套管鞋可根据地层软硬程度，对工具引鞋进行优化调整，能有效避免侧钻出井眼，适用于井壁稳定性差、井眼轨迹复杂、大位移水平井等复杂井段。

3）现场应用表明，多功能套管鞋具有结构稳定、性能可靠的优势，可通过多次划眼、持续循环、改变排量增加扭矩等方式顺利引导套管进入预定深度，能显著提高一次性下套管成功率，具有广阔的应用前景。

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