深水顶部驱动固井水泥头技术现状分析

于明武，阎永宏，荆 强，惠坤亮，孙 博

(1.中海油田服务股份有限公司 油田化学研究院，河北 三河 065201；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721000)

深水顶部驱动固井水泥头技术现状分析

于明武1，阎永宏2，荆 强2，惠坤亮2，孙 博2

(1.中海油田服务股份有限公司 油田化学研究院，河北 三河 065201；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721000)

介绍了国外最新典型深水顶部驱动固井水泥头的结构和功能原理，分析了其技术性能、产品特性，并对比了国外典型产品的优缺点。分析表明，国外深水顶部驱动固井水泥头具有高耐压、高承载及高承扭特点。建议根据我国深水固井作业实际需求，合理定位产品性能和产品特性，从产品功能实现、远程控制技术、固井自动化和一体化技术等方向，加快深水顶部驱动固井水泥头研制。

固井水泥头；远程控制；现状

随着海洋钻井技术向深水、超深水发展，固井管柱越来越长、工作压力越来越高、操作难度越来越大、作业时安全隐患越来越多。为提高固井质量和作业自动化，旋转尾管固井技术和水泥头远程控制技术得到广泛应用，这些对深水固井作业装备的产品性能、工作可靠性、安全性、自动化水平提出了更高要求。

国外Halliburton、Weatherford、Schlumberger等公司，近几年研发了各具特点的深水远程控制固井水泥头，产品可实现自动化固井，解决了海洋深水及复杂地质环境中的固井难题，提高了固井效率与质量，降低了开发成本和人工操作风险，是今后深水固井水泥头发展的方向。

1 典型产品

深水远程控制固井水泥头通常指通过气控、液控、电控等方式进行远程或无线控制，水泥头通过顶驱带动旋转实现旋转固井，能够自动完成投胶塞、投坐封球功能的高端固井装备。

1.1 Halliburton公司CommanderTM500/1000水泥头[1](CTDCH水泥头)

Halliburton公司500/1000 CTDCH水泥头是该公司新型高端固井深水水泥头产品，采用模块化和专利快接机构设计，可承受全部工作载荷和转矩，根据需要可增减模块，现场适应性强。如图1所示。

1—控制面板；2—注入由壬；3—快接装置；4—旋转阀；5—控制箱；6—自动投球；7—指示器。图1 CommanderTM 500/1000水泥头

水泥头本体采用双通流道及旋转阀结构，工作时将胶塞预装在本体内(本体偏心深孔制造工艺难度大)，胶塞在旋转阀顺序开启后，在流体作用下依次释放；自动投球机构最大规格为76.2 mm(3英寸)；具有多重胶塞指示保障措施，可靠性高；动力采用便携式气源，系统整体现场安装简便，无过多管线连接，减少爬高坠落风险，降低劳动强度；全程无线远程逻辑控制，确保旋转机构正确进行胶塞和投球投放，所有控制信息可记录并可以下载以进行操作分析。工作结束后，可对工具内部进行残液冲洗。

1.2 Schlumberger公司的Internal bypass cement manifold[2](CMIB水泥头)

Schlumberger公司的CMIB水泥头具有顶部驱动特性，采用旋转注入结构、旋转阀和投胶塞模块及坐封球功能化模块化设计；工具本体采用中心通道加环空通道机构，回转半径小，结构紧凑。根据需要可增减旋转阀和投胶塞模块，现场适应性强。工作时将胶塞和投球预装在本体内，装胶塞和投球无需拆卸任何部件，制造工艺性好；具有胶塞指示机构，动作可靠；全程可以采用手动操作进行固井作业，或加装远程逻辑控制系统后，能够控制旋转机构进行胶塞和投球投放。如图2所示。

1—旋转注入头；2—旋转阀；3—投球器；4—胶塞指示器。图2 CMIB水泥头

1.3 Weatherford公司BA-RCTDH水泥头[3]

Weatherford公司BA-RCTDH水泥头是满足深水固井而研制的一种加强型水泥头[4]，采用旋转注入头、胶塞旋转阀、投球器3部分在一个主体上的结构形式，结构紧凑。BA-RCTDH水泥头原理与Halliburton公司CTDCH水泥头在结构和工作原理相似，也是采用双通流道及旋转阀结构，同样本体偏心深孔制造工艺难度大；BA-RCTDH水泥头工作时将胶塞预装在本体内，坐封球预装到工具外侧的投球器中，投胶塞和投球均通过控制箱远程操作，且均可从指示器外部观察到，增强了指示可靠性，控制气源引自钻机气源，动力配套方便，但现场接线较多。如图3所示。

1—注入由壬；2—气路通道旋转装置；3—旋转阀；4—指示器；5—投球器；6—控制箱。图3 BA-RCTDH水泥头

1.4 Baker Hughes公司LaunchPROTM水泥头[5](LPROTDCH水泥头)

Baker Hughes公司LaunchPROTM水泥头采用中心通道加环空通道机构，采用专利瓣阀、滑套组合设计，胶塞释放器及投球器集成度高，整体回转半径小，结构紧凑，但结构复杂，制造要求高。与其它公司不同的是胶塞和投球需要提前放置在水泥头内；本体内部有一胶塞腔，胶塞腔与本体之间形成环空，胶塞置于瓣阀之上。泥浆经注入头进入水泥头内部，通过环空进入下部连接管柱；胶塞和坐封球亦是预装入水泥头的，全过程采用无线远程逻辑控制，内置传感器实时回馈投放信息到控制面板，按动投放胶塞按钮，瓣阀打开，胶塞释放。按动投球按钮，滑套上移，坐封球顺序释放，胶塞、坐封球顺序指示清晰，不仅肉眼可见，且有声音警示；其进口、出口及固井管线均可控，气源来自钻机气源，配套方便。如图4所示。

1—旋转注入头；2—胶塞容腔；3—投球装置；4—指示装置；5—控制面板。图4 LaunchPROTM水泥头

2 技术现状分析

2.1 产品性能

产品性能主要表现在该产品在固井作业时可实现的功能及完成作业的能力。4种国外典型深水顶部驱动固井水泥头的主要技术参数如表1。表1中额定载荷和转矩值为工具本体承载能力，而不包括螺纹。螺纹的承载能力，按照《API SPEC―8C 钻井和采油提升设备规范 第5版》中“4.3.8.3 承受提升载荷(钻柱载荷除外)的旋转台肩式连接”计算。钻杆接头强度由《API RP―7G钻柱设计和操作限度的推荐作法 第16版》查得。以标准6FH IEU-S135的内径为107.95 mm钻杆为例，上述国外公司典型的水泥头，在公螺纹内径相同的情况下，水泥头本体承载能力>水泥头连接螺纹承载能力>钻杆接头承载能力。

从表1可以看出，这几种产品均满足当前深水钻井平台配套的钻井系统能力，具有高承载、高耐压和高承扭的基本特征。

表1 国外典型深水顶部驱动固井水泥头主要技术参数

注：额定载荷取API SPEC―8C的2.25安全系数。

2.2 产品特性[6]

上述4种国外主流深水顶部驱动固井水泥头作为一种高端深水固井工具，与常规水泥头相比，对产品的可靠性、安全性要求较高。在产品特性方面有许多相同之处，但又各具特点，如表2所示。

表2 国外典型深水顶部驱动固井水泥头产品特性对比

表2(续)

2.3 现状分析

1) 在提高固井质量方面。产品均可实现不停转工作，且均可上提下放管柱，满足复杂井段套管送入和旋转固井工艺，可大幅提高固井质量。

2) 在产品结构和工作原理方面。主要包括旋转注入机构、投胶塞和转动阀机构、胶塞指示机构，都是通过操作控制面板，实现胶塞顺序投放。但在本体流道结构方面，主要包括采用中心通道加环空通道机构和采用双通流道结构2种型式，前者制造工艺性好，结构紧凑，后者制造要求高，本体尺寸较大。

3) 在安全和时效方面。围绕减少钻井时间，节约作业成本，深水顶部驱动固井水泥头均具有远程控制能力，操作者可远离防爆1区操作。远程控制箱与水泥头之间或为无线信号传输，或为有线传输。在固井结束后，启动清洗功能，对工具内部进行清洗保养。

4) 在产品配套方面。随着海洋深井、大位移井套管柱的安全、快速下入和固井问题日益凸显。国外油服公司除依靠深水固井水泥头以外，还结合顶驱套管送入工具、随钻扩眼器、动力套管鞋等产品组合，通过提供“井身建立—套管作业—水泥浆注入”一整套解决方案，获取巨大收益。

3 结论

1) 结合我国深水固井作业实际需求，在充分研究国外先进技术的同时，采用集成创新方式，合理定位产品性能和产品特性，抓紧研制具有自主知识产权的高效安全固井作业保障装备，打破国外垄断，实现海洋深井、大位移井固井作业提效降本、延长井筒寿命的目的，进而提升油服公司国际化竞争实力。

2) 从顶部驱动旋转方式、投放胶塞方式、控制系统等方面进行优化设计，加强便携式电气控技术在控制环节应用，实现胶塞投放固井管线等无线控制，简化水泥头机械结构。在满足胶塞机械指示同时，研究灯光、声音等在固井工具中指示应用，提高操作舒适性及安全性[6-8]。

3) 围绕套管送入及固井自动化、一体化技术方向发展，开展专业间技术合作，拓展深水固井水泥头的配套能力，从套管自动送入、固井自动化、固井泥浆体系等方面进行综合研究，不断提高深水固井质量和效率。

[1] Commander 1000 Top-Drive Cementing Head [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.halliburton.com/public/cem/contents/Data_Sheets/web/H/Commander%201000%20Cementing%20Head%20with%20Remote%20Control_H08971.pdf.[2] Internal bypass cement manifold [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.slb.com/～/media/Files/completions/product_sheets/liner_hangers/cmib_topdrive_cement_manifold_ps.pdf.

[3] Big Advantage Remote-Control Top-Drive Cementing Head (BA-RCTDH) [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.weatherford.com/weatherford/groups/web/documents/weatherfordcorp/WFT096961.pdf.

[4] Weatherford Products Help Safely Run and Cement 1.8 Million-lb Casing String in GOM，Saving Operator $2 Million [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.weatherford.com/dn/WWW019308.

[5] Wireless TD Cement Head [EB/OL].[2017-02-20].http：//www.bakerhughes.com/products-and-services/completions/well-completions/liner-systems-and-wellbore-isolation/surface-cementing-equipment/wireless-td-cement-head- surface.

[6] 惠坤亮，阎永宏，张宏桥，等.远程控制顶部驱动水泥头技术现状分析[J].石油机械，2014，42(11)：49-51.

[7] 张金法，马兰荣，吴姬昊，等.国内外水泥头现状与发展[J].石油矿场机械，2009，38(10)：24-26.

[8] 张金法，尹慧博，戴文潮.远程控制旋转水泥头技术现状与分析[J].石油机械，2012(5):20-23.

Research on the Present Situation of Deep Water Top-drive Cementing Head

YU Mingwu1，YAN Yonghong2，JING Qiang2，HUI Kunliang2，SUN Bo2

(1.Oilfield Chemical Research Institute，COSL，Sanhe 065201，China；2.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China)

The mechanism and function principle of the latest typical deepwater top-drive cementing head are introduced in this paper.Also，the technical performance and product characteristics are analyzes to compare the advantages and disadvantages of the typical foreign products，which indicates high pressure，high loads and high torque of remote control top-drive cementing head.According to the actual needs of deepwater cementing operations in China，reasonable determined of product performance and product characteristics，from the realization of product features，remote control technology and cementing automation，integrated technology to accelerate the development of deepwater top-drive cementing head.

cementing head；remote control；present situation

1001-3482(2017)04-0012-05

2017-03-01

中国海洋石油总公司科技项目“深水固井关键技术研究与应用”(YHB15YF007)

于明武(1978-)，男，高级工程师，主要从事海洋油气固井工程作业研究，E-mail：yumw@cosl.com.cn。

TE

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.004