馬蘭榮 ，達(dá)偉 ，韓峰 ，張瑞

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中海油研究總院，北京 100028）

高性能尾管懸掛器關(guān)鍵技術(shù)

馬蘭榮1，2，達(dá)偉3，韓峰1，2，張瑞1，2

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中海油研究總院，北京 100028）

針對深井與復(fù)雜井尾管下入難度大、尾管重疊段封固能力低等問題，研制了具有坐掛、旋轉(zhuǎn)、封隔等功能的新型尾管懸掛器。在旋轉(zhuǎn)封隔尾管懸掛器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開展了軸承、扭矩傳遞、高壓封隔等關(guān)鍵技術(shù)研究。利用ABAQUS軟件分析了重載軸承、扭矩套及封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變情況，據(jù)此優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了各部件的性能。地面試驗(yàn)表明，軸承在800 kN的載荷作用下，旋轉(zhuǎn)壽命達(dá)到55 h，扭矩傳遞裝置抗扭達(dá)到41 kN·m，高壓封隔器耐溫達(dá)150℃、耐壓達(dá)70MPa。在星火101井的現(xiàn)場試驗(yàn)中，取得了坐掛、丟手、旋轉(zhuǎn)尾管及封隔器坐封等作業(yè)的一次性成功。該井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)到了75.6%，尾管固井質(zhì)量相對鄰井有明顯提高，高性能懸掛器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性得到驗(yàn)證。

高性能尾管懸掛器；旋轉(zhuǎn)封隔尾管懸掛器；重載軸承；扭矩傳遞；高壓封隔

0 引言

近年來，隨著鉆井技術(shù)快速發(fā)展，鉆井深度在不斷增加，井溫也不斷升高。如塔河油田的塔深1井井深8404 m，井底溫度達(dá)到180℃，勝利油田的勝科1井井深7026 m，井溫達(dá)到了235℃，江漢盆地的簰深1井井深7053 m，溫度達(dá)到了170℃，并且在西南、西北等區(qū)塊，出現(xiàn)高溫、高壓、多重壓力系統(tǒng)并存的情況。上述情況的存在，對尾管懸掛器的入井安全性、坐掛可靠性、密封能力、耐溫能力等均提出了更高的要求［1］。常規(guī)的尾管懸掛器難以滿足日趨復(fù)雜的現(xiàn)場需求，在使用中存在一些問題。主要表現(xiàn)為：在大斜度井及深井的應(yīng)用中，懸掛器坐掛及丟手可靠性偏低；在小間隙井中，環(huán)空間隙小、水泥漿頂替效率低，尾管固井質(zhì)量難以保證；在深井、水平井及大位移井中使用時(shí)，尾管及懸掛器難以順利下到設(shè)計(jì)位置，反復(fù)上提下放，容易將卡瓦等外露件碰掉，造成更大的事故［2-3］。

針對現(xiàn)場深井、超深井、水平井等復(fù)雜井況的固井需求，在常規(guī)尾管懸掛器技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了旋轉(zhuǎn)懸掛單元、封隔單元、扭矩傳遞機(jī)構(gòu)、密封單元等各種功能單元，并進(jìn)行了技術(shù)集成，形成了集坐掛、旋轉(zhuǎn)及高壓封隔于一體的高性能尾管懸掛器［4］。

通過功能單元的集成，拓展了尾管懸掛器的使用范圍和對現(xiàn)場復(fù)雜井況的適應(yīng)能力。借助ABAQUS有限元分析方法對重載軸承、扭矩套及封隔鎖緊機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，攻克了旋轉(zhuǎn)軸承的承載和壽命難題，解決了封隔器漲封后的軸向鎖緊問題，實(shí)現(xiàn)了尾管入井、固井過程的旋轉(zhuǎn)操作及封隔器高壓封隔的穩(wěn)定性和長久性。由于具備了坐掛、旋轉(zhuǎn)、封隔等多個(gè)功能，高性能尾管懸掛器在復(fù)雜井中的作業(yè)可靠性得以提升。同時(shí)，通過新材料、新技術(shù)的引入，提高了懸掛器的關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)，如懸掛器承載能力、耐溫耐壓能力等。高性能尾管懸掛器在現(xiàn)場應(yīng)用后，有效地解決了現(xiàn)場復(fù)雜井固井問題，提高了尾管固井質(zhì)量，降低了作業(yè)成本［5］。

1 尾管懸掛器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高性能尾管懸掛器結(jié)構(gòu)組成見圖1。幾種功能單元可進(jìn)行選擇性組合集成，形成內(nèi)嵌卡瓦尾管懸掛器（機(jī)械丟手）、內(nèi)嵌卡瓦旋轉(zhuǎn)懸掛器（液壓丟手）、旋轉(zhuǎn)封隔式尾管懸掛器、內(nèi)嵌/封隔/旋轉(zhuǎn)等多功能集成型高性能尾管懸掛器。

圖1 高性能尾管懸掛器結(jié)構(gòu)組成

尾管懸掛器坐掛、旋轉(zhuǎn)、封隔一體化結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)思路為：1）為實(shí)現(xiàn)固井過程中的旋轉(zhuǎn)功能，需研制高承載、長壽命的軸承，并適應(yīng)井下水泥漿環(huán)境和高溫、高壓井況。2）為了實(shí)現(xiàn)尾管在入井過程旋轉(zhuǎn)解阻，需要通過鉆具將旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞到尾管上，應(yīng)在送入工具和懸掛器之間設(shè)置一套扭矩傳遞裝置。3）為保證封隔器的封隔能力均達(dá)到70MPa，并允許尾管快速下入及大排量循環(huán)，尾管頂部封隔器采取整體膠筒結(jié)構(gòu)方式，在膠筒兩端設(shè)置保護(hù)機(jī)構(gòu)，保證膠筒的高壓密封能力；同時(shí)設(shè)計(jì)內(nèi)、外雙重鎖緊機(jī)構(gòu)，確保封隔器密封的長久性。4）各個(gè)功能單元可實(shí)現(xiàn)選擇性組合集成，針對現(xiàn)場不同的技術(shù)需求，采取不同功能組合方式。

2 尾管懸掛器旋轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)

旋轉(zhuǎn)是高性能尾管懸掛器的重要功能［6］。在水泥漿頂替過程中驅(qū)動尾管旋轉(zhuǎn)，有效改善頂替效率，提高固井質(zhì)量［7］；尾管入井過程中遇阻時(shí)，可以通過旋轉(zhuǎn)鉆具幫助排除遇阻情況，可確保尾管能夠順利下到設(shè)計(jì)位置。懸掛器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能的技術(shù)關(guān)鍵是重載推力軸承及扭矩傳遞工具。

2.1 重載推力軸承

要實(shí)現(xiàn)懸掛器坐掛后的尾管轉(zhuǎn)動，須由轉(zhuǎn)盤帶動鉆具及尾管轉(zhuǎn)動，這就需要在懸掛器錐套與送入工具之間設(shè)置推力軸承。該軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)需要承受整個(gè)尾管的質(zhì)量，由于設(shè)計(jì)空間限制，軸承內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到了常規(guī)軸承承載能力的10倍，且井下的高溫、高壓工況及介質(zhì)中的固相及巖屑等不利因素，會影響到軸承的承載能力和壽命。

針對旋轉(zhuǎn)懸掛器的上述難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有密封能力的對數(shù)軸承。首先，為了加強(qiáng)對滾動體和跑道的保護(hù)，防止介質(zhì)中的固相及巖屑進(jìn)入，設(shè)計(jì)了軸承的內(nèi)外密封機(jī)構(gòu)；其次，為了滿足軸承高承載、長壽命的要求，在滾動體的結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了獨(dú)特的對數(shù)輪廓，通過仿真計(jì)算，優(yōu)化了滾動體的尺寸和形狀。另外，優(yōu)選了高強(qiáng)度、高耐磨性軍用材料，并采用特種熱處理工藝，使其抗拉強(qiáng)度達(dá)到2100MPa。對軸承進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，通過對軸承的外輪廓線進(jìn)行修型，軸承在同樣載荷作用下，最大應(yīng)力由3500MPa降至1227MPa，與直線母線滾動體相比，最大應(yīng)力下降了64.9%。承載面平均應(yīng)力為1200MPa，端部存在應(yīng)力集中的狀況。

圖2 軸承在承載800 kN情況下的Mises應(yīng)力云圖

對新型對數(shù)軸承進(jìn)行了模擬工況下的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為鉆井液，密度為1.6 g/cm3。試驗(yàn)中，施加軸向載荷為800 kN，轉(zhuǎn)速為20 r/min，φ177.8mm重載軸承旋轉(zhuǎn)扭矩穩(wěn)定在1050～1250 N·m，壽命達(dá)到了55 h。

2.2 扭矩傳遞工具

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扭矩傳遞工具是實(shí)現(xiàn)鉆具帶動尾管旋轉(zhuǎn)的另一關(guān)鍵部件，通過該部件可以將來自鉆具的驅(qū)動扭矩傳遞到尾管上。扭矩傳遞機(jī)構(gòu)示意見圖3。其工作原理是：通過上接頭連接鉆具，在固井過程中，轉(zhuǎn)動鉆具，通過扭矩傳遞機(jī)構(gòu)帶動尾管旋轉(zhuǎn)，達(dá)到邊旋轉(zhuǎn)邊注水泥、進(jìn)而改善頂替效率的目的。

圖3 扭矩傳遞機(jī)構(gòu)示意

2.2.2 仿真分析

扭矩傳遞工具中的上接頭、扭矩套及下接頭均設(shè)計(jì)有牙嵌，用于扭矩的傳遞。3個(gè)零件中扭矩套的下牙嵌受到尺寸的限制，內(nèi)部應(yīng)力較大、較為薄弱，為此開展了仿真分析［8］。圖4是扭矩套下部牙嵌的應(yīng)力云圖。從圖可看出，扭矩在41 kN·m時(shí)，局部發(fā)生屈服變形。為此，對牙嵌根部進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了牙嵌的厚度和根部圓角，消除了牙嵌承載后的應(yīng)力集中現(xiàn)象［9］。

圖4 扭矩套下部牙嵌的Mises應(yīng)力云圖

2.2.3 抗扭試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的抗扭能力，對扭矩傳遞機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)。使用上扣機(jī)對系統(tǒng)的上下牙嵌組合分別進(jìn)行測試，施加的扭矩為41 kN·m，維持15 min，工具外觀及牙嵌部位外徑均無變化。試驗(yàn)證明，扭矩傳遞系統(tǒng)抗扭能力達(dá)到41 kN·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 封隔器超高壓密封技術(shù)

尾管頂部封隔器是尾管懸掛器的關(guān)鍵部件［10］。注水泥完畢，通過下壓鉆具使其坐封，可以有效封隔尾管頂部環(huán)空，避免形成竄流通道。同時(shí)，該封隔器可承受較大的壓差，保證尾管重疊段的密封可靠性。常規(guī)的尾管頂部封隔器在一些深井、超深井等復(fù)雜井使用中，還有一定的局限性，如密封能力及耐溫低，在較大的循環(huán)排量下存在提前坐封的風(fēng)險(xiǎn)，為此，設(shè)計(jì)了新型的尾管頂部封隔器。

3.1 尾管頂部封隔器整體結(jié)構(gòu)

尾管頂部封隔器結(jié)構(gòu)見圖5。其工作原理是：固井完畢，下壓鉆具、通過回接筒下壓鎖緊套，剪斷上剪釘、推動卡瓦及錐套下行漲封封隔器，繼續(xù)下壓、剪斷卡瓦剪釘，卡瓦沿錐套下行張開與外層套管咬合，實(shí)現(xiàn)封隔器坐封與鎖緊。卡瓦是封隔器的外部鎖緊機(jī)構(gòu)，對膠筒起到支撐和保護(hù)的作用，保證了封隔器的高壓密封能力。鎖緊套內(nèi)部設(shè)計(jì)了一套內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)——鎖環(huán)，可將膠筒鎖定在固定位置，防止膠筒的松弛。另外，為了保證膠筒在大排量循環(huán)時(shí)不會提前坐封，設(shè)計(jì)了封隔器膠筒端部保護(hù)裝置——端環(huán)。該端環(huán)可隨膠筒膨脹，防止膠筒坐封時(shí)出現(xiàn)塞縫現(xiàn)象，對膠筒具有更好的支撐保護(hù)作用。膠筒內(nèi)部設(shè)計(jì)有金屬骨架，可對膠筒起到牽掣的作用，保證大排量循環(huán)時(shí)封隔器的可靠性，防止膠筒出現(xiàn)提前坐封。

圖5 尾管頂部封隔器結(jié)構(gòu)

3.2 封隔器外鎖緊機(jī)構(gòu)

為提高封隔器的長效密封和坐封可靠性，在封隔器的上方設(shè)計(jì)了整體式的反向鎖定卡瓦，在封隔器坐封后能夠與套管錨定，防止工具在高壓油氣作用下工具的軸向竄動，確保密封效果。通過將傳統(tǒng)卡瓦和推桿集成一體，保證了下入過程中的可靠性。根據(jù)卡瓦的工作原理，要求卡瓦齒部具有較高的表面硬度，而肋部需要有較大的變形，卡位整體要有較高的韌性。

為了保證推桿上的韌性，在推桿等處噴涂保護(hù)層，通過高頻淬火工藝提高卡瓦牙齒表面的硬度，進(jìn)而提高卡瓦與套管間的鎖緊力。

通過有限元分析（見圖6）發(fā)現(xiàn)，卡瓦的不同部位具有不同力學(xué)性能，在推桿與卡瓦間的內(nèi)表面是變形最大的地方，也是內(nèi)部應(yīng)力最大處。通過結(jié)構(gòu)上的圓角過渡，可消除此處的應(yīng)力集中。優(yōu)化后該處的應(yīng)力為925MPa，雖然已經(jīng)超出了材料的屈服極限，但是小于材料的強(qiáng)度極限（1200MPa）。所以，該處是安全的，不會發(fā)生破壞，只是出現(xiàn)塑性變形。

圖6 防退卡瓦的Mises應(yīng)力云圖

3.3 封隔器內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)

為了避免封隔器膠筒在漲封后出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可將封隔器膠筒鎖定在封隔位置［11］。根據(jù)其工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)雙面鋸齒螺紋鎖環(huán)，該結(jié)構(gòu)具有回退距離小、鎖緊能力強(qiáng)的特點(diǎn)。對內(nèi)、外表面的鋸齒螺紋進(jìn)行螺距及齒高等參數(shù)的匹配，以便同時(shí)保證螺紋的抗剪強(qiáng)度和鎖緊力，達(dá)到防止膠筒發(fā)生松弛回彈的目的，確保環(huán)空封隔密封的長久可靠性。優(yōu)化后，鎖環(huán)的內(nèi)部應(yīng)力僅為237MPa，相對于其760MPa的材料屈服強(qiáng)度，該結(jié)構(gòu)足夠安全。

3.4 封隔器性能測試

對尾管頂部封隔器進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。首先，進(jìn)行封隔器的耐沖蝕試驗(yàn)。在循環(huán)排量2m3/min情況下循環(huán)24 h，膠筒沒有任何損壞，證明了封隔器具有足夠的耐沖蝕能力。其次，進(jìn)行封隔器的漲封試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力為70MPa，試驗(yàn)溫度150℃，穩(wěn)壓15 min無壓降，證明了封隔器耐溫、耐壓及系統(tǒng)的內(nèi)外鎖緊能力均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

高性能尾管懸掛器已在現(xiàn)場推廣應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用中，最大井斜角達(dá)93°，最大尾管軸向載荷1150 kN，最高鉆井液密度1.73 g/cm3，坐掛成功率100%。在星火101井的應(yīng)用中，固井過程中持續(xù)旋轉(zhuǎn)尾管，轉(zhuǎn)速10～20 r/min，旋轉(zhuǎn)扭矩10～14 kN·m，目標(biāo)層段固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)到了75.6%，相對鄰井的尾管固井質(zhì)量提高30%。現(xiàn)場應(yīng)用情況較好地驗(yàn)證了高性能尾管懸掛器的可靠性。

5 結(jié)論

1）高性能旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器將懸掛、封隔、旋轉(zhuǎn)、扭矩傳遞等多種功能單元有機(jī)地結(jié)合在一起，解決了深井、水平井尾管下入困難、尾管固井質(zhì)量不高、高壓油氣井尾管重疊段密封不嚴(yán)的問題，填補(bǔ)了國內(nèi)同類產(chǎn)品空白。

2）通過對軸承母線進(jìn)行修型，消除了軸承的應(yīng)力集中現(xiàn)象，軸承的應(yīng)力降低了64.9%，φ177.8mm懸掛器軸承在承載800 kN的情況下壽命達(dá)到了55 h，滿足設(shè)計(jì)和現(xiàn)場使用要求。改進(jìn)了牙嵌設(shè)計(jì)參數(shù)，扭矩傳遞裝置的抗扭能力達(dá)到41 kN·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）高壓尾管頂部封隔器設(shè)計(jì)了膠筒的內(nèi)、外2套鎖緊機(jī)構(gòu)，確保封隔器在漲封后的長久密封能力。封隔器密封壓差能力達(dá)到70MPa，耐溫達(dá)到了150℃。

4）建議開發(fā)小尺寸（φ139.7mm 或 φ114.3mm）高性能尾管懸掛器，解決現(xiàn)場固井技術(shù)難題。

［1］馬開華，朱德武，馬蘭榮，等.國外深井尾管懸掛器技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（5）：52-55.

［2］馬開華，馬蘭榮，姜向東，等.國內(nèi)特殊尾管懸掛器研制現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2004，26（4）：16-19.

［3］馬開華.關(guān)于國內(nèi)尾管懸掛器技術(shù)發(fā)展問題的思考［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：108-112.

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［5］阮臣良，馬蘭榮，姜向東，等.內(nèi)嵌卡瓦尾管懸掛器的優(yōu)勢與現(xiàn)場應(yīng)用分析［J］.鉆采工藝，2013，36（2）：84-86.

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［11］馬蘭榮.封隔式旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：中國石油大學(xué)（北京），2015.

（編輯 史曉貞）

Key techniques for high-performance liner hanger

MA Lanrong1，2,DA Wei3,HAN Feng1，2,ZHANG Rui1，2
(1.State Key Laboratory of Shale Oil/Gas Enrichment Mechanism and Effective Development,Beijing 100101,China;2.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China;3.CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China)

To solve the problems of hard running-in and poor over-lap isolation of liner in deep and complex wells,a new type of liner hanger with function of setting,rotating and isolating has been developed.On the basis of overall structure design of rotating liner hanger with top packer,researches of key technology for bearing,torque unit and high pressure isolation were carried out.With ABAQUS software,the stresses were analyzed for bearing,torque transmitting mechanism and packer locking mechanism.Structure and design parameters were optimized,and the performance of components was verified by experiments.The ground test shows that the bearing′s rotating life reaches 55 hours under the load of 800 kN,the anti-torsion ability of torque device reaches 41 kN·m,the ability of temperature-resistance of top packer reaches 150℃,and the pressure capacity of top packer reaches 70MPa.The field application in Xinghuo 101 well shows that the operation of liner hanger,such as setting,releasing,rotating and packing,are all successful,and the quality ratio of cementing reaches 75.6%,higher than that of adjacent wells,which confirms the rationality and reliability of the high performance liner hanger developed.

high-performance liner hanger;rotating liner hanger;heavy-duty bearing;torque transmission;high-pressure isolating

國家科技重大專項(xiàng)專題“高壓油氣水平井固井關(guān)鍵工具的研制與應(yīng)用”（2016ZX05021-005-003）

TE256

A

10.6056/dkyqt201706028

2017-05-21；改回日期：2017-09-12。

馬蘭榮，女，1967年生，教授級高級工程師，博士，1989年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）機(jī)械系，現(xiàn)主要從事井下工具研發(fā)。E-mail：malr.sripe@sinopec.com。

馬蘭榮，達(dá)偉，韓峰，等.高性能尾管懸掛器關(guān)鍵技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2017，24（6）：859-862.

MA Lanrong，DA Wei，HAN Feng，et al.Key techniques for high-performance liner hanger ［J］.Fault-Block Oilamp;Gas Field，2017，24（6）：859-862.