涡轮驱动式振荡旋转套管引鞋研制及应用

针对长水平井以及大斜度斜井套管下入摩阻大、易卡套、下入难等问题，研制了井下涡轮驱动式振荡旋转套管引鞋。建立了工具的三维模型，并通过Fluent软件搭建了涡轮定子、转子流场计算数值模型，探究了不同叶轮安放角对叶片压力及表面流速的影响，进而对叶轮结构参数进行优化设计。搭建了套管动力引鞋工具地面测试试验平台，对其关键性能参数进行测试，结果满足设计需求，并开展了相关现场试验。试验结果表明：该工具可通过钻井液循环带动井下引鞋头旋转，从而进行井壁的修整和井筒的冲洗，并帮助完井套管柱的顺利下入，极大提高了作业效率。该研究可为水平井以及大斜度井完井管柱降阻下入工具的研制与应用提供技术借鉴，进而提高完井作业效率，降低施工成本。

水平井；岩屑床；涡轮驱动；套管引鞋；井下动力引鞋

TE925

A

DOI： 10.12473/CPM.202403073

Development and Application of Turbine-Driven

Oscillating Rotary Casing Guide Shoe

Chen Xiaoyuan1" Wu Bo1" Shi Huaizhong2" Xiong Chao3" Qu Zixiao2" Wang Wei1" Zhou Zhigang4

（1.Sinopec East China Oil Engineering Company Limited;2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering， China University of Petroleum （Beijing）;3.College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum （Beijing）;4. Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation）

To address the issues of high friction， possible sticking and difficult running of casing in long horizontal wells and highly deviated wells， a downhole turbine-driven oscillating rotary casing guide shoe was developed. A 3D model of the tool was built， and numerical models for the flow fields of the turbine stator and rotor were built using the Fluent software. The blade pressure and surface velocity at different impeller set angles were investigated， and then the structural parameters of the impeller were optimized. A ground test platform for the casing power guide shoe was established to test the key performance parameters， and the results met the design requirements. Relevant field test was also conducted. The test results show that the tool can rotate the downhole guide head through the circulation of drilling fluid， thereby dressing the sidewall and flushing the wellbore， and helping to smoothly running the completion casing string. The research results provide valuable reference for the development and application of drag reduction running tools of completion string in horizontal wells and highly deviated wells， thereby improving the completion operation efficiency and reducing the construction costs.

horizontal well;cuttings bed;turbine-driven;casing guide shoe;downhole power guide shoe

基金项目：中石化石油工程公司2019年科研项目“动力引鞋辅助下套管装置的研发与应用”（SG19-89K）的部分研究成果。

0" 引" 言

陈小元，等：涡轮驱动式振荡旋转套管引鞋研制及应用

“十三五”以来，我国原油消费量稳居世界第二位，但目前国内石油勘探开发面临着“优质石油资源发现难、已开发主力油田产量稳定难”的挑战，国内原油产量远不能满足需求量。致密油气、低渗油气及页岩油气藏等特殊油气资源是能源重大战略的接替领域，低本高效开发非常规油气，对增加清洁能源供应，改善我国能源结构，形成油气勘探开发新格局，提高资源安全水平具有重要意义。针对以上非常规油气资源的开发利用，长水平段水平井技术具有更大限度地提高产量和采收率的技术优势［1-2］。然而由于垂深短、水平位移大导致钻进过程中井眼轨迹控制难、岩屑床堆积以及井径变化大等问题［3-4］，增加了下入套管过程中管柱所受摩阻［5］，导致难以顺利将套管下入井底。

针对上述问题，国内外专家通过研发多种套管下入辅助工具和装置，如扩眼工具、漂浮接箍［6-9］、顶驱旋转下套管装置［10-12］、Turbocaser工具、水平井专用多功能套管鞋、旋转自导式套管浮鞋以及钻扩固一体化下套管动力牵引器等，以此提高套管下入效率。张明昌等［6］研制开发了新型XPJQ系列下套管漂浮减阻器，依据套管在下入过程中的受力大小、状态及影响因素，利用漂浮接箍或漂浮减阻器将水平段套管内部全部掏空，以有效降低套管正压力、减小套管下入摩擦阻力，并在胜利油田胜2-平-17井开展现场试验，斜井段640.34 m，水平段长315.66 m，试验过程中有效降低了套管的下入难度。周战云等［7］针对页岩气水平井套管下入困难、水平井眼套管居中度差等问题，研制了偏转自导式套管引鞋以及偏心式套管刚性滚轮扶正器；该扶正器通过自导偏转结构，减小下入套管时所受阻力，并成功在焦页87-3HF井开展试验及应用，试验井段占封固井段93.3%以上。李维等［8］预测了大位移水平井采用常规下套管工艺的摩阻载荷，分析了漂浮下套管的技术原理与优势，计算了漂浮接箍安放在井深不同位置处的摩阻载荷，对摩阻载荷随井深的变化趋势进行了分析，并对不同漂浮接箍的初始安放位置进行摩阻测试，得到了最优安置区间。虽然，通过漂浮接箍可以有效减小套管与井壁间摩阻，但针对井眼井径差更大的水平段，该技术仍存在无法使套管安全高效下入的问题。对此，美国Weatherford公司研制了一种顶驱下套管装置，并且在英国、俄罗斯及阿尔及利亚等国成功应用。其主要特点为：①与重力补偿装置集成一体化，②内部安全锁定机构能够防止套管柱的脱落，③形成了一套外夹持机构的专利技术［13］。该技术通过顶驱驱动套管旋转，以此减小套管下入时阻力，但对于岩屑床堆积严重的长水平段，套管下入难度依旧较大。

针对上述问题，笔者提出一种涡轮驱动式振荡旋转套管引鞋工具，通过水力能量驱动套管引鞋破碎井眼中岩屑床，当遇到缩径严重的水平段时，可通过破岩适当扩大井眼尺寸，以此保证套管的顺利下入。该技术对安全下入套管、缩短下入时间、保证套管密封效果、提高固井质量等具有重要意义。

1" 技术分析

1.1" 结构及工作原理

该引鞋整体结构如图1所示，主要由偏心旋转引鞋、涡轮马达动力短节、振荡短节及安全旁通阀、壳体等组成。

壳体上端有内螺纹，用于与套管连接；壳体内有涡轮组，下端与偏心旋转引鞋连接。偏心旋转引鞋带有金刚石复合片刀翼，刀翼之间有水眼，加工专用简易循环头，实现地面方钻杆或顶驱与套管连接，并建立循环。下部偏心旋转引鞋可自由转动，引导套管下入，遇阻严重时，带涡轮组的动力短节可在开泵情况下驱动偏心旋转引鞋，将扭矩传递到旋转头上，使之旋转破坏遇到的台阶、岩屑床等障碍物；同时振荡短节进行纵向振荡，将静摩擦转换为动摩擦，减小套管的下入摩阻。当套管下到预定位置注替水钻井液固井时，振荡短节持续振荡及偏心旋转引鞋继续旋转，振动波从井底向上传递，可在一定长度的环形空间形成振动波场。在振动波的作用下，套管柱和钻井液产生振动，实现振动固井，提高顶替效率，避免微间隙的产生，从而提高固井质量。

1.2" 关键部件结构设计

1.2.1" 偏心旋转引鞋

偏心旋转引鞋放置于整体工具的最前端，与常规引鞋结构不同，其采用了刀翼式及顶端非对称的偏心结构，并在刀翼上镶嵌PDC切削齿，如图2所示。在套管下入过程中，若遭遇阻力大、套管难以下入等问题，可通过钻井液驱动引鞋上端的涡轮动力组合，带动偏心引鞋，进而破碎长水平段岩屑床，改善井眼清洁度。为了提高携岩性能及工作强度，射流孔径设计为9 mm。

1.2.2" 涡轮马达动力短节

涡轮马达动力短节结构如图3所示，主要由涡轮组、心轴、壳体及悬挂支承轴承等组成，实现输出轴转动，驱动前端偏心旋转引鞋旋转，除去砂桥、台阶、掉块、岩屑床等下套管障碍。涡轮设计低速大扭矩叶片，可实现低转速、高扭矩。

涡轮结构如图4所示。涡轮的定子与转子是涡轮动力的核心结构，通过它可以将高速流动的钻井液的动能转化为旋转动能。

其中涡轮最大外径为114 mm，叶片高度11 mm，叶片数量16个。

1.2.3" 振荡短节

振荡短节结构如图5所示，上端接安全旁通阀，下端接涡轮短节与偏心旋转引鞋。基于流体附壁效应自激振荡原理，其特殊腔室在循环时产生附壁效应［14］，引起周期性压力激动，伸缩短节在波动压力的作用下产生振动，对套管柱产生冲击，实现套管串的轴向振荡，轴向振荡使套管串与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦，降低套管下入摩阻，在固井阶段振荡有益于提高固井质量。

2" 涡轮流场模拟及动力分析

涡轮是将钻井液的动能转化为引鞋旋转动能的核心结构，其性能直接影响到工具的使用效果。本研究针对涡轮结构，建立三维模型，并通过Fluent软件进行流场模拟计算。将定子入口设置为速度入口边界，入口流速设计为30 L/s，定子及定子域壁面设置为无滑移壁面，定子域设置为静止;转子及转子域壁面设置为旋转壁面，转子域设置为旋转流域，旋转轴为z轴。单级涡轮的叶片压力分布如图6所示。

由图6可知，叶片压力面附近压力大于吸力面附近压力，而最大压力区域位于定子前缘附近，随着转速增大，定子与转子流场内最大压力值有增加的趋势。当转速较大时，定、转子叶片吸力面出现轻微脱流现象，脱流区域的压力一般较低。而工具定、转子吸力面最大厚度位置处流体速度最大，故这里的压力最小，甚至出现了负压值。为了增加叶轮叶片强度，改良受力状态，分析了排量为30 L/s时，不同安放角度下叶轮表面所受的最大压力，如图7所示。

叶片工作面的最大受压随排量的变化趋势如图8所示。由图8可知，当排量越大时，叶片工作面所受的最大压力越大。

为了维持叶轮组的稳定工作，延长叶片的使用寿命，选取工作排量范围为25～30 L/s。由图9所示结果可知，当叶片的安放角度越大，叶片工作面最大受压力越小，为了延长叶轮的使用寿命，应尽量设计更大的安放角。但安放角越大会导致叶轮转子转速降低，从而影响了叶轮组的动力输出能力。因此需要明确安放角变化对转速的影响规律。

转速随安放角变化关系如图10a所示。由图10a可知：叶轮转速随着安放角的增大而减小，排量较大时接近线性减小；排量较小时，转速减小的速度越来越快。安放角越小，相同条件下作用于叶轮的水力扭矩越大，转速越高。安放角为66°，排量为15 L/s时，叶轮转速最低为216" r/min；安放角由30°增加至63°时，不同排量下转速的平均减幅为648" r/min。为了满足引鞋破岩转速需求，设置安放角为52°。

图10b所示为该参数条件下，叶轮表面流体速度分布云图。由图10b可以发现，定子吸力面尾部有轻微脱流现象，转子未出现脱流现象，说明叶型设计较合理。

3" 动力性能测试及现场试验

3.1" 动力性能测试

搭建涡轮组测试试验平台如图11所示，工具测试时循环介质为清水。通过钻井泵将清水从液罐中泵入待测工具中，通过工具前后压力传感器测得清水经过工具后的压力差、压降幅值、振荡力以及振荡频率等参数。其中振荡力由力传感器数值显示的波峰与波谷差值计算而来。

不同压降、压降幅值、振荡力及振荡频率随排量变化规律如图12所示。由图12可得：压降、压降幅值、振荡力以及振荡频率随排量的增加均增加；压降与排量近似为线性变化关系；随着排量不断增大，压降幅值及振荡频率增加更为明显。当测试排量为25 L/s时，测得工具振荡力为34.1 kN，满足设计要求。除此之外，压降幅值为2.87 MPa时，满足转速所需的2.5 MPa压降值。经过测试试验可得，该工具的各向参数均满足设计要求。

3.2" 现场试验

3.2.1" 朝16X井试验

朝16X井是海南福山凹陷朝阳构造带一口定向预探井，该井定向点浅（260 m），“五段制”剖面，实际完钻井深3 742 m，最大井斜53°，最大位移2 302 m。由于流沙岗组地层水敏性强、坍塌压力高，导致完钻后垮塌严重、井斜大、岩屑床厚、轨迹起伏、摩阻大等问题。同时，该井在测深3 000 m以后由于砂泥岩夹层多、井径极不规则，在多个井段进行反复划眼，下套管过程中遇阻严重。为确保套管下至预定井深，采用动力引鞋：139.7 mm钢级P110动力引鞋×2.56 m+短套管×2.04 m+浮箍×0.22 m+套管×11.35 m+浮箍×0.22 m+套管串×3 602.92 m。试验过程如下：

（1）入井前，进行了井口测试，结果显示，钻井液密度1.49 g/cm3，黏度132 s，排量达到30 L/s时，工具串压耗为5.5 MPa，满足现场固井施工要求。

（2）该井套管串下至3 000 m以后，数十个井段遇阻，其中在3 160和3 199 m井深遇阻情况最为严重，多次活动无法下入。随后，接顶驱开泵，排量30 L/s，开泵驱动引鞋旋转破除台阶、岩屑床等，一次通过，最终确保套管下至预定深度。

（3）随后进行固井作业：注水钻井液排量1.8 m3/min，最高泵压12 MPa；钻井泵替浆35 m3左右，随后固井车顶替（5 m3左右），排量0.45 m3/min，泵压从18 MPa逐渐上升碰压后加压至25 MPa，稳压约5 min不降，固井施工顺利完成。

经检测，固井质量为优。该动力引鞋的应用，为该井创造福山油田朝阳区块井深、套管下深最深的纪录打下了坚实的基础。

3.2.2 ""徐36斜井试验

徐36斜井位于江苏省扬州市境内，是一口定向预探井，设计井深3 908.62 m，井斜33°～34°。该井施工期间，钻至3 030 m（戴南组），由于设计钻井液密度较低（1.22 g/cm3），黑色高导泥岩发生垮塌，后续下钻过程中多次遇阻。随后下入涡轮驱动式振荡旋转套管引鞋：动力引鞋+套管+浮箍（浮球式）磁性短套管+套管+封隔器+磁性短套管。试验过程如下：

（1）入井前进行了井口测试结果显示，排量18 L/s时，泵压1.1 MPa；排量30 L/s时，泵压4.55 MPa，井口振动明显，测试正常，满足入井条件。

（2）该套管工具串下至3 078 m后遇阻严重，上提套管串后下划，提高排量至20 L/s，施加钻压20～40 kN，用时30 min下放至预定井深3 084.20 m，下套管结束。

（3）与同地区盐城5井相比，下套管时间缩短了39.34 h，下入套管效率提高168.42%。

4" 结" 论

（1）研发的涡轮驱动式振荡旋转套管引鞋在复杂的“八段制”轨迹、大井斜、“糖葫芦”井眼多、“岩屑床厚”、起下钻不畅通、划眼时间长的朝16X井及徐36斜井进行了应用，有效地辅助了该井套管的顺利下入，解决了套管下入难题，确保了该井的顺利完井。表明该工具是一种有利于复杂井况条件下套管的安全下入、保证套管密封、提高固井质量的高效辅助下套管装置，达到了设计目的。

（2）涡轮叶片压力面附近压力大于吸力面附近压力，最大压力区域位于定子前缘附近。并且随着转速的增大，定子与转子流场内最大压力值有增加的趋势。当转速较大时，定、转子叶片吸力面出现轻微脱流现象，脱流区域的压力一般较低。

（3）涡轮寿命直接影响了动力引鞋的使用效果。当排量越大时，涡轮叶片工作面所受的最大压力越大。同时叶片的安放角度越大，叶片工作面最大受压力越小，为了延长叶轮的使用寿命，应尽量设计更大的安放角。但安放角过大会导致叶轮转子转速降低。因此，需要在强度允许的范围内尽量增加安放角。

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第一陈小元，高级工程师，生于1969年，1994年毕业于江汉石油学院钻井工程专业，现从事钻井工程技术研究及管理工作。地址：（225261）江苏省扬州市。电话：（0514）86761877。email：chenxy1.oshd@sinopec.com。

通信作者：史怀忠，研究员。email：shz@cup.edu.cn。

2024-03-19" 修改稿收到日期：2024-07-01

南丽华