旋转尾管固井工具的研制与试验

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1、旋转尾管固井工具的研制与试验马兰荣马开华阮臣良张金法(中国石化石油勘探开发研究院德州石油钻井研究所，山东德州253005)摘要：旋转尾管悬挂固井技术在解决复杂井钻井作业问题方面发挥了巨大的作用。使用旋转尾管悬挂器可在尾管下入及注水泥过程中旋转尾管，从而可协助排除遇阻等复杂情况，并可大大提高水泥浆顶替效率。开发了旋转尾管悬挂器、液压丢手、旋转水泥头等旋转尾管固井工具，并进行了充分的地面试验和入井模拟试验。本文介绍了旋转尾管固井工具的结构原理、特点，及试验情况。关键词：旋转尾管固井旋转尾管悬挂器旋转水泥头液压丢手轴承地面试验入井模拟试验一、概述旋转尾管固井技术是在下尾管和注水

2、泥期间从地面通过动力源（用顶驱或卡瓦带动送入钻具旋转）旋转钻柱，由钻杆经旋转尾管悬挂器将扭矩传递给尾管，使尾管柱旋转（包括下套管过程和尾管悬挂器座挂后循环处理钻井液及注水泥过程），保证尾管顺利下到井底、水泥浆更充分地顶替钻井液，达到提高水泥浆顶替效率和胶结质量的目的。与常规尾管固井相比，旋转尾管具有以下优点：（1）有助于尾管顺利下到设计位置。如在尾管入井过程中遇阻，使用旋转尾管悬挂器转动尾管串，同时结合循环冲洗，有利于克服阻力，使尾管顺利到达设计位置。（2）有助于改善顶替效率，提高尾管固井质量。旋转尾管并结合循环，利于冲洗掉井壁上的泥饼。水泥浆流动过程中，转动尾管对水泥浆

3、产生搅拌作用，利于水泥浆自身的胶结、水泥与套管的胶结及水泥与井壁的胶结。（3）有助于解决小间隙固井问题。在小间隙井中，旋转尾管可帮助尾管顺利下到设计位置，尾管的旋转可使水泥浆均匀地分布在尾管周围。（4）有助于解决定向井套管偏心顶替效率差的问题，并有助于防止环空窜流通道的形成。尾管在井眼中偏心会大幅度降低顶替效率，偏心环空也是引发水泥浆窜槽的主要原因之一。在注水泥过程中旋转尾管，可使大间隙处的水泥浆进入小间隙处，而小间隙处的滞留泥浆被拖曳和反冲进大间隙处，然后再被大间隙处流动的水泥浆带走。这样，尾管周围均有水泥浆通过，可避免窜流通道的形成。尽管旋转尾管固井工具在国外已经是较

4、成熟的技术，并在国内进行了一些成功应用，但是国内目前还没有旋转尾管悬挂器及配套工具，其核心技术均掌握在国外大公司手里，一直未能在我国得到大量推广。因此，为解决深井、大位移井、小间隙井等复杂井固井质量问题，打破国外公司的技术垄断，推进旋转尾管固井技术的国产化进程，研制了具有自主产权的旋转固井工具系统。二、旋转尾管固井工具主要设计要点1.旋转尾管悬挂器及其液压丢手工具（1）将座挂压力、丢手压力及球座剪脱压力依次设计为：7—8MPa、13—14MPa、18—19MPa；7图1旋转尾管悬挂器总成（2）鉴于悬挂器负荷能力较大（800～1000kN），悬挂器结构采用双锥双卡瓦式结构，

5、以增加卡瓦受力面积，减小座挂时局部应力；（3）考虑到固井时液缸要随悬挂器本体一起转动，故将液缸与推杆支撑套间设计为易于相对转动的销钉-环槽结构；（4）考虑到井下条件恶略，泥浆及水泥浆中的固相可能对悬挂器轴承造成不良影响，且轴承载荷过大，常规滚动轴承难以满足要求，故采用多组滑动密封轴承，同时上下各安置一止推铜垫作为副轴承，在滑动轴承失效后，起辅助滑动作用；液压丢手工具与密封外壳间，采用弹性爪结构用来传递轴向载荷，并能脱手时迅速分离尾管与送入钻具；设置紧急丢手装置，以便在液压丢手失效时，确保丢手成功；（5）应充分保证液压丢手工具具有足够的强度，便于排除井下异常情况；（6）丢手

6、工具与密封外壳间设置扭矩传递机构，实现由钻具带动尾管转动的功效。2、旋转水泥头如图3所示。（1）旋转接头与水泥头本体间应设置密封防砂装置，以保证泥浆及水泥浆中的固相进入引起旋转密封和轴承失效；且该密封装置应具有防磨、耐高温等特点；（2）旋转接头与外套间应设置旋转密封装置，其密封能力应大于50MPa，且具有耐磨、耐高温特点；（3）旋转接头与水泥头本体间应设置上轴承，用于承受水泥头本体等的自重，防止因旋转而损伤端面及其密封；（4）旋转接头与外套间应设置推力轴承,确保水泥头在承受部分钻具重力时仍能自由旋转。图2旋转尾管悬挂器总体方案三、旋转固井工具的结构及原理1、旋转尾管悬挂器

7、如图1所示,悬挂器总成包括上接头、轴承、锥套、悬挂器心轴、卡瓦、推杆支撑套、液缸、扶正块等组成。扶正块位于套在心轴的下部，其直径最大，可扶正作用，同时用于保护液缸，避免其在入井过程中受到碰撞。轴承组套在心轴的外圆周上、且位于锥套的上方、上接头的下方，用于旋转尾管。主轴承为复式轴承，包括三组摩擦组件，轴承为密封式，且耐高温，适合于井下特殊工矿；副轴承可在主轴承失效后起到辅助旋转作用。上接头位于悬挂器的最上方，与心轴通过螺纹连接，在入井过程中承受整个尾管的重量，在注水泥过程旋转尾管时，尾管及部分钻具的重量又通过该件及轴承组下压到卡