黑龙江省齐齐哈尔市161000
摘要：随着顶驱装置在世界范围内的广泛应用，顶驱下套管装置以其高成功率、高效率等成为国内外石油公司的研发热点。本文重点论述了顶驱下套管驱动工具现状与发展建议。
关键词：顶驱；下套管驱动工具；现状；建议
国外顶驱下套管工具有成熟的系列化产品；国内制造商已生产了一些型号的顶驱下套管产品，但尚未形成系列化。因此，通过科研机构、油田部门和高校的合作，在消化吸收国外技术的基础上，自主研发下套管系统的动力机构、执行机构、控制和监测系统等关键部件，从而进一步研究海洋平台顶驱下套管系统的力学行为，使其能应用于海洋钻井领域。
一、顶驱下套管驱动技术
1、结构组成。顶驱下套管作业系统管串为：顶驱+顶驱下套管驱动工具+套管(套管接头内安装联接扭矩环)+旋转扶正器+耐磨带+扩眼器+引鞋。顶驱下套管驱动工具是整个下套管系统
中最关键的工具，根据其功能可分为五部分：动力总成、连接总成、限位总成、卡瓦总成、密封导向总成。其中，动力总成由心轴、活塞、弹簧、活塞缸等组成，主要完成卡瓦的撑开和收缩；连接总成用于连接动力总成和卡瓦总成，实现传递力与力矩功能；卡瓦总成由卡瓦心轴和卡瓦组成，完成卡紧套管的功能；在密封导向总成中，导向头引导顶驱下套管驱动工具进入套管，密封皮碗用于防止注入泥浆时泥浆回返。辉县市教育局
沙鸥翔集锦鳞游泳2、工作原理。①用抓管钳抓取单根套管，将其吊至井口悬挂的套管接头处，借助导向头将驱动工具插入单根套管至限位卡环；②活塞下行使卡瓦相对于瓦心轴滑动，迫使卡瓦卡紧套管并压缩弹簧；③顶驱带动顶驱下套管驱动工具旋转，使卡紧的单根套管与悬挂在井口的套管对接上扣；④下放套管，启动泥浆循环系统，套管下放到位后，液缸泄压。卡瓦在弹簧反向驱动力作用下上行，卡瓦从卡紧状态下释放，完成单次下套管作业，并为下放下一根套管做好准备。
3、特点。①套管可循环、下推、旋转运动，减少因粘卡和缩径等引起的停产事故。②配备多个安全联锁装置，防止套管坠落等事故发生，提高作业效率及安全性。③常规下套管作业无需套管钳、吊卡等配套设备，不仅减少了相关作业人数，而且提高了下套管作业的可靠性及安全性。
二、国外发展现状
国外对顶驱下套管驱动工具的研究远早于国内，比如，Tesco、Weatherford、Canrig、BJ TubularServices等公司已生产了一系列顶驱下套管驱动工具，可移动114.3～0508.0mm(4％～20英寸)套管的下套管作业。虽然各公司生产的顶驱下套管驱动工具各部分功能相同，但结构与性能存在差异。北邮最强女周倩如现状
1、动力总成。21世纪初，BJ Services Company、Weatherford公司采用径向推动卡瓦抱紧套管技术，当套管到达指定位置时，活塞推动卡瓦径向移动，卡瓦在液压力作用下抱紧套管。缺点是套管重力必须通过动力产生的摩擦力平衡，随着套管质量的提高，所需摩擦力越来越大，其能耗高，安全性能低。随后，Weatherford、Tesco公司开始引入轴向压卡瓦抱紧套管技术，活塞沿轴向下移，卡瓦相对于壳体中的锥面滑移，同时，挤压抱紧套管，只要锥面背锥角与套管外表面摩擦系数和壳体内锥面摩擦系数满足一定条件，即能保证卡瓦抱紧套管。下压式套管驱动工具特点是壳体与膏瓦座相互挤压，壳体提供套管的支持力，降低了能耗，提高了顶驱式下套管驱动工具的可行性及安全性。
卡瓦轴向移动推动有三种方式：弹簧、齿轮和活塞。在这三种方式中，弹簧式和齿轮式使统计与决策
用较少，主要是因它们需一个独立的动力控制系统，并且在传动中使用了很多零件，易出现故障，增加了后期维护难度。此外，齿轮式动力总成中的卡瓦将随转子旋转，增加卡瓦内锥面和心轴外锥面间的磨损。活塞式的应用更为广泛，其能借鉴成熟的液缸技术，所以活塞推动式通用性强，承载能力强，速度快，可靠性高。
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限位总成。在顶驱下套管驱动工具准备卡紧套管时，其进入深度难以控制，需限位总成来协助控制驱动工具的进入深度。从目前各公司的产品来看，限位总成可分为三类：①Tesco公司采用的挡板减振限位；②Weatherford公司的结构限位；③Weatherford公司最新设计的送管控位机构。挡板减振限位模式是在顶驱下套管驱动工具的适当位置添加限位挡环，当套管接触限位挡环时，表明顶驱下套管驱动工具已达到设定位置。结构限位是通过将抓管钳上的花键槽插入顶驱下套管驱动工具液缸外壳上的花键槽来限定套管位置。为便于抓管钳花键槽的导入，在液缸外壳的花键槽下端设有燕尾口。
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3、卡瓦总成。卡瓦总成决定了顶驱下套管驱动工具的承载能力，卡瓦是其承受载荷的关键。当前，Weather-ford、Tesco等公司均采用传统的三角形卡瓦齿，仅齿的相关参数和布
齿方式等有所不同。三角形卡瓦齿的使用不仅易损坏套管，而且限制了卡瓦的最大承载能力。Canrig公司设计了球形卡瓦齿，将卡瓦与套管的接触方式由传统的点对面接触改为面对面接触，增加了卡瓦与套管的接触面积，降低了卡瓦齿对套管的损伤度。经试验表明，与传统卡瓦相比，球形卡瓦的环向应变降低了200%～400%，提高了卡瓦的承载能力，克服了顶驱下套管工具提升套管时的载荷上限(>6804 kN)。
三、国内现状与建议
虽然国外许多公司都有成熟的顶驱下套管驱动工具，并已在世界各地的许多油田成功应用，但我国在该领域的研究却很少。大庆、吉林油田在依托转盘钻井工况下，对下套管设备进行了改造，或研发简易套管钻井设备。对于顶驱钻井，只有北京石油机械厂及宝鸡石油机械有限公司开始研发相关产品。其中，北京石油机械厂自主研发的顶驱下套管驱动工具，通过上下驱动活塞运动来驱动卡瓦复位及张开，该装置已成功应用于四川门西001-h3气井套管回接工艺中；宝鸡石油机械有限公司与西南石油大学合作设计了一种新型顶驱下套管装置及其配套的抓管、对管、监控系统，目前仍处于试制阶段。
从功能上看，我国现有顶驱下套管驱动工具基本具备国外先进套管送入系统基本功能，但
其运用吊环和吊卡来抓取套管，系统性差，无法达到整个下入系统的自动化程度。与国外顶驱下套管驱动工具相比，国内技术仍存在差距，需在分析研究国外先进技术基础上，对顶驱下套管配套系统进行深入研究。
1、监控功能设计。监控系统主要实现对套管驱动工具的扭矩、拉力、转速及位置的监控，并能完成作业过程的参数、图像采集、存储与监控，为顶驱下套管驱动工具及套管作业过程的优化与事故处理提供依据。
2、驱动和控制系统的创新性设计。该部分可由液压缸和控制器实现，主要提供套管驱动工具的动力和控制。当前，顶驱和下套管系统分别设计，动力和监控系统完全独立，致使系统结构复杂，操作不便，若两套装置配合不好，可能会发生相应的事故。因此，可综合考虑顶驱和下套管驱动装置的液压力及控制系统，简化整个系统结构，提高系统的协调操作控制能力。
3、卡瓦牙及密封皮碗的优化设计。卡瓦牙决定了卡瓦的使用寿命及卡瓦对套管的损坏程度，也限制了顶驱下套管工具的承载能力，因此，有必要对卡瓦与套管的接触方式、牙板齿形、材料和表面处理等进行更详细的研究，以提高下套管工具的承载能力，保证套管不
受损坏。皮碗是保证钻井液循环及固井试压的关键，但下套管条件复杂，易导致胶筒硬度、强度、弹性、抗裂性等下降，因此，有必要对胶筒结构、材料配方及成型工艺、力学性能分析等进行研究，以提高密封导向总成性能和顶驱下套管工具的可靠性。
参考文献：
[1]肖绍嵩.新型套管下入系统的结构组成[J].石油矿场机械，2016(05)．
[2]梁政.顶驱下套管驱动工具现状与发展建议[J].石油矿场机械，2016(01).
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