旋转尾管固井工具设计与研制
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【摘要】在分析旋转尾管固井的工艺基础上，论述了相关的旋转尾管固井所需条件，及其施工过程中需要注意的问题，最后针对转尾管悬挂器设计要点和具体的结构设计进行论述，希望能够有效提高深井尾管固井的技术。
1、引言
目前，大多数深井都采用尾管固井方式，一方面能够降低施工费用，节约大量的套管和水泥，降低施工压裂，减轻钻机负担，另外一方面，还能有效保护储层。但是与常规固井相比，尾管固井技术存在着其尾管居中度不高而钻井液“死区”难以顶替；环空间隙小，水泥环薄问题；岩屑沉积易堵塞和管外低返等问题。深井下套管遇阻技术可以通过旋转尾管固井得到有效解决，还能保证固井质量，提高顶替效率。所以，为了更好提高深井固井质量，解决上述深井尾管固井存在问题，旋转尾管固井工艺经常应用于深井尾管固井施工中。
2、旋转尾管固井工艺
2.1旋转尾管悬挂器的原理
悬挂器上多一个止推轴承，这是旋转尾管悬挂器与普通尾管悬挂器最大不同之处。在施工过程中，做挂悬挂器以后，上层套管和悬挂器卡瓦相互卡住，在送放工具的驱动下，仍能旋转卡瓦以下部分，因此，在承受很重悬挂负荷的情况下，该轴承依然能够保持有效旋转。在液压脱手方面，未脱手之前，承载尾管串的重力则是依靠S型坐封筒内的凹槽和送放工具的有缝夹套的结合来进行。送放工具内的剪切销钉在悬挂器坐挂后脱手以后就被剪断，凸块在活塞推动作用下而向上运动，同时，凸块下端的承载爪则会收缩在扭矩里面，完成送放工具和S型坐封筒的液压丢手。在下钻遇阻的过程中，上部扭矩的传递则是靠凸块和S 型坐封筒上凹槽啮合完成，从而使得尾管旋转下入。
2.2旋转尾管固井的优点
钻井液的流动性能和水泥浆的顶替效率可以通过转动套管而得以有效改善，还能保证水泥环与地层的胶结质量，使得井眼和井壁的清洗效果更加明显，降低施工泵压。同时，如果在下套管过程中出现相关的遇卡情况，为了使得套管能够下入到设计位置，克服阻力则还可以通过套管串的转动来实现。
2.3旋转尾管固井所需条件分析
第一，对固井工艺的要求方面，并不需要特殊的固井工艺，其替浆工艺、注水泥等都和常规固井相同。
第二，对于井身质量与钻井液方面，与常规固井相比，旋转尾管固井技术要求井身质量的要求比较高，特别是在较长的裸眼井段情况下，一般要求狗腿度一般不能超过2.50/25m。且要求较低的钻井液粘度和切力，一般的漏斗粘度控制在50-65s。为了使得井底沉砂掉块携带出井口，应该在下套管前而进行充分的钻井液循环。
第三，对于套管要求方面，为保证在进行尾管旋转时不损坏套管，要求使用TM、NewVam、NSCC等气密套管扣型的台阶密封的高扭矩套管。对于针对套管下如遇阻的情况，应该考虑采用长圆扣或偏梯扣，以便进行适当的转动套管串。简言之，普通扣型套管可以配合可旋转尾管悬挂器送入，但当遇阻时，能够进行适当的套管串的转动。
第四，在钻机设备的要求方面，最好能够在有顶驱的情况下使用，但旋转尾管也是可以通过钻机转盘进行旋转操作的。方便调整控制转盘转速这是对于钻机的基本要求，还能对于转盘扭矩进行监测，另外，还应该保证灵活好用的转盘刹车系统。
第五，在入井附件的要求方面，螺旋刚性扶正器必须采用，而对于浮箍、浮鞋、球座则并没有特殊要求。对于水平井及斜井的情况来说，高温树脂螺旋刚性减阻扶正器质量最小，其过流面积还略大于锌铝合金扶正器，能够起到旋流作用，比较适合使用。
第六，在对旋转水泥头的要求方面，在固井过程中，水泥头所连接的钻杆需要转动，而固井管线并不能旋转，这就需要较为特殊的水泥头，可以通过抗高压和高载荷的轴承设置在水泥头与钻杆之间而得以上述要求，在用卡瓦卡住钻杆并旋转的情况下，保持水泥头的静止。水泥头上部通过NC50扣能够在有顶部驱动的钻机的情况下连接φ127.0mm钻杆。在较少应用顶驱的陆地钻井中，通过把一只旋转接头加入在现有常规的水泥头下面，完成与φ127.0mm钻杆相连，其中旋转接头上下都可以连接。这样，井口坐卡瓦转动钻具，带动尾管旋转，而旋转接头上面的水泥头并不转动。
3、转尾管悬挂器结构分析
3.1转尾管悬挂器设计要点分析
（1）坐挂压力为7～8MPa，丢手压力为13～14MPa，球座剪断压力为18～19MPa。
（2）双锥双卡瓦式结构能够保证悬挂器负荷较大情况下的正常工作，这样能够通过增加卡瓦受力面积有效减小坐挂时的局部应力。
（3）液缸要随悬挂器在固井过程中一起进行旋转，相对转动较为容易的销钉-环槽结构较为适应于液缸与推杆支撑套间结构。
（4）悬挂器轴承在恶劣的井下工况下，容易受到钻井液及水泥浆中的固相的不良影响，在过大的轴承载荷下造成失效，这里一般采用多组滑动密封轴承，同时考虑到滑动轴承失效后的备用方案，可以上下各安置一副轴承，还能起到一定的辅助滑动作用。轴向载荷的传递是通过设置在液压丢手工具与密封外壳间的弹性爪结构实现，这样能够保证送入工具在脱手以后能够迅速分离尾管；为确保丢手成功，预防液压丢手失效情况出现，应该设置紧急丢手装置。
（5）为更好处理井下异常情况，应该保证液压丢手工具的足够强度。
（6）为实现由钻具带动尾管转动的功能，应该设置扭矩传递机构在丢手工具与密封外壳之间。
3.2结构设计
悬挂器下部连接尾管，而上部连接密封总称；液压丢手工具相连于密封总成上端，另外，为保证尾管与送入工具之间密封，密封芯子应该安装在丢手工具的中心管与密封外壳之间；回接筒连接密封总成的上部，为了防止钻井液中的固相和其他杂物落入到回接筒内部，这样容易引起丢手操作失效，塞帽设置在液压丢手工具和回接筒的顶部。
对于旋转悬挂器的关键部件的轴承来说，其设计直接影响到能否保证旋转尾管作业顺利实施，其主要是用于承受尾管重量，位于上接头的下方和锥套的上方。在轴承的内孔、外圆位置，耐高温、耐磨的密封圈能够防止水泥浆中的固相、钻井液进入轴承轨道，轴承的承载能力和寿命可以在相对洁净的工况下得以有效保证。
把旋转尾管悬挂器及尾管送入设计位置后，悬挂起坐挂以后，液压丢手工具完成与尾管脱离。尾管在注水泥的过程中，依然可以通过液压丢手工具进行旋转。连接送入钻具与尾管的关键部件则是弹性爪，通过进入密封外壳的内环槽的凸台，弹性爪能够提起整个尾管。在进行坐挂完毕以后，通过下放钻具而完成憋压剪断液缸剪钉操作，在液压作用下，弹性爪上行则是由丢手液缸完成，这时能够从密封外壳的环槽内把弹性爪的凸台拽出，这样就完成了钻具与尾管的丢手。
4、结语
通过旋转尾管固井施工能够有效提高钻井液的流动性能，还能改善水泥浆的顶替效率，降低施工压裂，减轻钻机负担，还能有效保护储层。旋转尾管固井获得成功前提是应该做好井身质量和清洁的井眼条件等问题，另外，旋转套管还受到扶正器的安放位置和扶正器的型号的影响。
参考文献
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[2]张金龙，阮臣良，郭朝等.旋转尾管固井关键技术分析[J].石油机械，2011，39（5）.