旋转接头的介绍与应用
时间：2023-04-21 20:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
陈志德，张永涛，阎兴涛，龚宏伟，陈书豪
(1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司，广东 深圳 518064；
2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 518064)
旋转接头是安装在工作管柱上的工具，在不对管柱或底部钻具组合下面施以旋转力或扭矩的情况下旋转管柱上部，从而解决潜在的卡钻和钻柱悬重损失问题，还可锁定机构允许将全部扭矩传递至底部钻具。旋转接头显著减轻其上方管柱摩阻，旋转下放允许更多的有效钻杆重力去帮助管柱下放到位(图1)。该工具有效作用力的显著增加和摩阻的下降有利于大位移井中复杂设备的下放或回收，预防此前可能出现的此类工具落井问题。
图1 旋转接头示意图
1.1 工作原理
旋转接头在下入管柱过程中，与下部管柱组件独立旋转，显著降低下入管柱的磨阻，并增加了重力将管柱顺利下放至设计深度。压力达到预设点后剪切销钉，推动滑套啮合，以达到旋转接头与钻具一起旋动。
1.2 应用范围
旋转接头可用于：下部筛管完井装置、水平衬管、割缝衬管或预射孔衬管、砾石充填装置、TCP枪部署、打捞、射击罐、深层封隔器部署、多分支井完井装置、尾管下入等。
1.3 技术参数
钻 杆 尺 寸：5″；
外 径 (最大)：7.5″；
内 径 (最小)：2.813″；
长度 (Shoulder to Shoulder)：109″；
总长度 (最大)113.6″；
连接扣型：4.5″内平扣；
上扣扭矩 (最小)：23 000 ft.lbs；
重量：1 000 lbs；
扭力：37 000 ft.lbs；
拉力 (注：如达到此数值，工具将不会旋转)：440 klbs；
压力(注：如达到此数值，工具将不会旋转)440 klbs；
推荐最大工作压差范围-内部：34.47 MPa；
推荐最大工作压差范围-外部：34.47 MPa；
静态轴承拉力 (最大)：240 klbs；
静态轴承压力 (最大)：200 klbs；
旋转速度 (连续)：≤40 r/min；
旋转速度 (间歇)：60 r/min；
剪切销钉值(平均)：±1.72 MPa；
剪切销钉数量 (最大)：12 个；
使用标准黄铜螺钉转换压力(最大)：±20.68 MPa；
工作压力(最大)：75%剪切力。
1.4 基地实验
旋转接头在试验基地的水平井进行，通过井口组合7″尾管和旋转接头，模拟海上平台下7″尾管工艺流程，旨在检验旋转接头能否有效减小下套管的难度，有效传递钻杆钻压，以及提高裸眼段水平井下套管的成功率，从而解决水平井下套管磨阻大，钻杆钻压传递不完全，致使套管不能完全下入到预定完井深度的情况；
另外，通过解锁、锁定工具锁定装置开关，验证工具锁定装置是否稳定、可靠，在锁定后可实现尾管挂旋转脱手。
1.4.1 地面测试
钻具组合：十字浮鞋+7″尾管(500 m) +变扣(BTC*410) +球座(411*410)+5″旋转接头+ 5″钻杆；
接旋转接头后，做地面测试。旋转接头下接头打备钳，旋转接头连短钻杆，接顶驱，开转速10 r/min，工具运行正常，无憋扭现象。
1.4.2 中途测试
在1 200 m以后进入第二造斜段，实测井斜达70°，因此在1 200 m至井底，每隔100 m分别测试管柱在旋转和非旋转状态下的上提下放悬重，考察在大斜度井段，旋转接头在增加钻具悬重方面的效果，借以判定旋转接头对于在复杂井段下入尾管是否能起到帮助，试验流体介质为清水[1-2]。
通过测试数据得出如下结论：旋转状态下管柱下放悬重大于静止状态下管柱下放悬重，在工具允许范围内，转速越高旋转下放悬重增加较静止下放悬重增加更明显。旋转接头能明显降低其上方管柱摩阻，更多钻柱有效重力传递使得尾管下放更容易。
1.4.3 井底测试
(1)悬重对比测试。工具下钻至井底，探底深度1 783.64 m，测试静止和不同转速下管柱上提下放悬重，可得出旋转状态下管柱下放悬重大于静止状态下管柱下放悬重，更多钻柱有效重力传递至管柱下方。
(2)工具锁定测试。旋转接头的压力一般会锁定在低于尾管挂和封隔器应用压力，工具在达到预设压差后会锁定，从而将扭矩传递至工具下方的底部钻具组合，确保衬管悬挂器或封隔器的送入工具在需要利用旋转对送入工具进行机械解锁的情况下顺利解锁[3]。
分别于种植体植入术前及术后12周，用口腔CBCT (西诺德，德国)对所有患者的上下颌骨进行扫描，扫描条件：电压85 kV，电流5～7 mA，分辨率100 μm，视野80 mm×80 mm。然后用SimPlant Pro 11.04软件(Materialise Dental，比利时)测量受植区颌骨的HU值。
此次试验工具预装4颗剪切销钉(销钉剪切值：±1.72 MPa/个)，投球后开泵泵送到位，分别打压8.27 MPa×5 min、9.65 MPa×5 min，销钉剪切，工具锁定。工具锁定前后分别测试钻具在下压10 t情况下低转速(5 r/min)旋转扭矩，辅助判断旋转接头是否锁定。旋转接头出井后对工具进行检查，剪切销钉已完全剪切，滑套上移，工具处于完全锁定状态。
通过此次模拟下7″尾管作业，得出如下总结：(1)旋转接头可实现在管柱上部施以旋转力或扭矩的情况下，底部钻具组合不旋转的功能，旋转下放使得更多的有效钻杆重力帮助尾管挂和下部管柱下放到位，提高大位移井或水平井下套管的成功率，在工具参数推荐范围内，转速越高，旋转下放悬重增加较静止下放悬重增加越明显，更有利于管柱下放到位；
(2)旋转接头锁定机构是可靠的，在作业需要时，工具可随时锁定，保证旋转扭矩传递至旋转接头下方。另外，旋转接头锁定压力可以根据现场需要随时调整。
该次旋转接头应用于南海东部深水油田，该井水平段接近1 800 m，还采用三维反扣的井眼轨迹，根据所用钻杆参数和防砂管柱结构，在摩擦系数为套管内0.30、裸眼0.40的情况下对本井进行下入悬重模拟计算，结果显示无法正常下入到位。为解决超长水平段磨阻大，有效作用力传递不完全，致使防砂管柱下入困难，使用旋转接头降低管柱下入磨阻，并增加重力，确保防砂管柱顺利下入到设计完井深度。
2.1 井眼和管柱参数表
井眼和管柱参数表见图2。
图2 井眼和管柱参数表
2.2 模拟下入分析
(1)在转速40 r/min、起下钻速度2 m/min时，可减少90%的阻力。旋转接头不会限制起下钻的速度。通常情况下，转速/起下钻速度的比越高，减阻率越接近90%，反之亦然。模拟计算出了完井管柱起下过程中，在井底4 221 m处的悬重(非旋转和旋转两种状态下)。通过模拟发现，在摩擦系数为套管内0.30、裸眼0.40的情况下，完井管柱在下入过程中存在螺旋屈曲风险。通过旋转上部钻具可以有效减少轴向摩阻，并能够在下钻时增加93 klbs的重量。
(2)模拟算出了下至井底4 221 m时的管柱张力。在摩擦系数为套管内0.30、裸眼0.40的情况下，5-1/2″钻杆在0～500 m处，可能出现螺旋屈曲情况。旋转下入则可以避免管柱螺旋屈曲。
(4)模拟算出了管柱下入的扭矩。在摩擦系数为套管内0.30、裸眼0.40的情况下，可旋转至井底4 130 m，模拟计算的扭矩为12.7 kft.lbs。
2.3 模拟下入结论
(1)在摩擦系数为套管内0.30、裸眼0.40的情况下，在不旋转下入的情况下，预估管柱在下入过程中可能会发生管柱螺旋屈曲；
(2)安装旋转接头，通过管柱的连续旋转能够有效降低管柱螺旋屈曲的风险，并为下钻时增加93 klbs的重量；
(3)旋转压缩和拉伸载荷值均处于工具安全范围内；
(4)在当前工况条件下，管柱在旋转下入过程中，模拟计算的地面扭矩为12.7 kft.lbs。
3.1 数据收集
在使用旋转接头时，地面记录下最后一次完井前通井起钻时钻具的扭矩十分有用，这个数据可以指导使用旋转接头时预期的最大扭矩值，此数据应该当钻头还在套管鞋内时读取。
3.2 作业前准备
(1)服务工程师到达现场后，再次检查工具尺寸，确认旋转接头工具安装的剪切螺钉数量和总剪切值；
(2)卸掉螺纹保护帽，确认连接扣没有损坏；
(3)确认旋转接头滑套在运输中没有移位或损坏，滑套应该硬顶在芯轴止肩上；
(4)与现场总监和完井工程师讨论和确认旋转接头工具在管柱的位置；
(5)确认工具连接扣型与管柱一致；
(6)确认安装销钉数量和总剪切值；
(7)建议管柱连续旋转速度为20～40 r/min；
(8)检查旋转接头工具管柱的通径，包括所有变扣转换头、接头短节或其他需要通过旋转接头工具内部件的最大外径，诸如坐封球等，需与第三方供应商确认；
(9)如果需要使用激发飞镖捕捉器，要检查：正确选用激活捕捉器的翼片尺寸；
测量激发飞镖捕捉器的通径，包括所有的变扣转换头，接头短节或其他需要通过捕捉器部件的最大外径，诸如坐封球和飞镖等，需与第三方供应商确认；
在激发飞镖中的破裂盘比旋转接头销钉剪切力至少高于3.45 MPa；
激发飞镖底端可通过管柱所有内径，特别注意管柱中旋转接头上可能有第三方提供的部件；
(10)召开作业前安全会议，讨论如何安全操作和使用旋转接头工具；
(11)确保所有人员知道如何正确使用旋转接头工具禁止在有标记区域(印刷字和油漆处)使用管钳或卡钳；
(12)吊装旋转接头工具时务必小心，保证起吊器和旋转接头工具滑套的清洁，旋转接头工具吊起移至钻台时务必小心，在吊装工具期间，检查旋转接头滑套是否移动或损坏，如果发现移动或损坏迹象，使用备用旋转接头；
(13)旋转接头与钻杆组合完毕后，需对旋转接头工具进行旋转检查，旋转前确保支撑点，在旋转接头工具上部使用链钳，完成两次旋转测试。
3.3 施工步骤
旋转接头入井期间中，最大立管压力不能超过工具转换压力的75%。在作业过程中，旋转接头服务工程师必须在钻台，记录运行参数并按照完井作业要求作业，记录每一柱的下放悬重并与预测的下放悬重图进行对比。
(1)如果对下放悬重没有要求，则按照完井作业程序继续下入至完钻井深；
(2)如遇有效悬重降低而出现管柱下入困难时，则与监督组和完井工程师讨论是否需要旋转帮助管柱达到完钻井深；
(3)如果需要管柱旋转，则按照下列指令将剩余管柱下入井中：拔出滑块并缓慢提管柱到中心点；
缓慢施加旋转到指定转速；
按照完井作业程序并记录扭矩和下放悬重；
对每一柱重复以上步骤，直到到达完钻井深。
一旦到达设定深度，记录最终的上提、下放悬重以及自由旋转扭矩；
按照完井要求或第三方尾管挂程序，投球至阀座，坐封尾管挂或封隔器；
继续运行下入工具液压释放程序；
旋转接头工具提出井后，必须小心摆放，如连接时所注意的一样，确保夹具和滑块不能夹持在滑套或上部接头处。
其他还需注意以下几点：由于工具含液压滑套，应避免在运输，吊装、安装过程中损伤工具；
管柱中含有其他井下液压驱动工具，需要合理设计各工具之间的压力匹配范围；
在工具转换前管柱内压力不得超过剪切压力的75%；
在剪掉打压球座前确保工具已转换，因为悬挂器的送入工具的应急丢手要旋转；
旋转接头利用井下工具附带的打压球座，需确保其匹配性。
3.4 应急方案
(1)使用下入工具机械释放选项在特殊情况下，由于尾管挂或封隔器下入工具不能液压坐封或无法使用，则需要通过旋转机械释放下入工具，该情况下请采用以下程序：①确保管柱在下入工具处于零重；
②参考尾管挂/封隔器坐封前的自由旋转扭矩读数；
③按照第三方工程师指导下密切监测扭矩，旋转管柱，释放下入工具。
注意：如果旋转接头工具没有被锁定却处于旋转模式，这很可能液压缸没有完全锁止并移回到旋转位置(在尾管挂或封隔器坐封过程中，如果管柱没有旋转，这种情况时有发生)，这种情况下，旋转时施加大约1.38 MPa内部压力将套筒移回到锁定位置。
(2)当传统方法加压不能或效果不理想的情况下，如果有必要释放下井工具，可以使用投镖。具体施工程序如下：①召开有关投镖作业安全会议；
②检查管柱上的组件以确保其内径不小于旋转接头工具内径，因为这是飞镖的最小内径，特别注意可能位于旋转接头工具上使用的第三方组件，如果管柱有第三方组件(如循环短节)，务必告知现场工程师进行检查；
③进行体积计算，以确定激活飞镖到捕捉器的流体体积；
④务必进行循环测试以确保循环通畅和保持。循环是飞镖的必要条件，这样才能使飞镖到达坐封位置，循环能力不足可能会使飞镖不能到达预定位置，测试时按4 bbls/min运行以确保循环通畅；
⑤飞镖装入工具前外表面需涂抹润滑油，将工具连接到钻杆；
将工具塞杆插入工具套筒并下压至底部顶端突出；
⑥飞镖应该在钻杆内，在施工期间要手握塞杆把手，避免夹住手指；
拆卸工具并检查钻杆顶部以确保飞镖已经安装到位；
⑦在钻台将泵计数器清零，开启泵，以4～5 bbls/min速度脱镖，拉动滑套上提管柱到零点；
⑧以1～2 r/min转速缓慢旋转管柱，设定顶驱扭矩限制器刚好在自由旋转扭矩值之上；
当飞镖捕捉器在5 bbls内时降低泵速到1 bbls/min，记录扭矩，密切观察压力表，以判断飞镖何时坐封，缓慢增加压力直到旋转接头开始旋转(其表现为扭矩增加)，在飞镖盘破碎前增加扭矩并停止旋转；
⑨旋转接头工具现在确定已经锁定，如果需要，释放完井工具或其他下入工具；
⑩所有操作完成后，继续增加压力，直至破裂盘破碎，压力释放。
旋转接头在南海东部深水油田下防砂管柱作业中的成功应用，为后续在大位移井、水垂比高的复杂井型中下部完井管柱、尾管下入提供了参考，可大幅降低下部完井管柱、尾管不能顺利下入到位的风险，有效节省作业时间。
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