变径套管头的研制与应用

变径套管头的研制与应用

杨文冉史辉王新来

中石化中原石油工程有限公司管具公司技术发展中心457331

摘要：在钻井施工作业中，会遇到需要增大井壁与套管之间的环空间隙的情况，有时候需要在现有防喷器等配套设备不变的条件下，增大钻井直径，选用稍大直径的钻头进行钻井，但如果选用的钻头直径超过套管头最小内径的情况下无法实现下钻操作，导致现有的套管头适用性较差。本文介绍了一种变径套管头的结构、工作原理、优点，这种变径套管头结构设计合理、抗压和载荷能力满足要求。这种变径套管头在中石化文23储气库的成功应用，解决了上述提到的技术难题，缩短了作业时间，节省了作业成本，有很好的推广价值。

关键词：套管头变径最小内径顶丝组件

套管头是油气井工程中重要的连接控制装置，用于连接套管并支撑套管的重力，密封各层管间的环形空间，为安装防喷器、油管头，采油树提供过渡连接，并且通过套管头本体上的两个侧口，可进行补挤泥浆、监控和加注平衡液等施工作业。

现有的套管头通常包括套管头本体和顶丝组件，套管头本体具有法兰段，套管头本体的内部设置有座挂台肩，用于支撑下层套管的悬挂器，因此，套管头本体的最小内径位于座挂台肩位置，套管头本体的最小内径一般小于法兰段的内径20mm~24mm，顶丝组件径向设置在法兰段中，用于向套管头本体的中心顶出。在下钻过程中，该套管头能够允许直径小于套管头本体最小内径的钻头通过，完成下钻后，再起出钻头进行固井施工，固井施工中，将套管下入套管头中，当套管下到悬挂器与套管头本体内部的座挂台肩支撑接触时，完成套管的下放，最后将顶丝组件向套管头本体的中心顶出，通过顶丝组件卡柱悬挂器，防止悬挂器向上退出，完成固井施工。

但是，在实际施工作业中，会遇到需要增大井壁与套管之间的环空间隙的情况，有时候需要在现有防喷器等配套设备不变的条件下，增大钻井直径，选用稍大直径的钻头进行钻井，但如果选用的钻头直径超过套管头最小内径的情况下无法实现下钻操作，导致现有的套管头适用性较差。

所以如何提高套管头的适用性，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

一、变径套管头主要组成结构

1、变径套管头主要组成结构

变径套管头由套管头本体、上顶丝组件、下顶丝组件组成。

套管头本体上设置有法兰段，法兰段的内径小于或等于套管头本体其余管段的内径；法兰段下方的管段上设置有旁通孔。套管头本体上设有上顶丝组孔（法兰段上）和下顶丝组孔（法兰段下方的管段上）。

上顶丝组件有多个，每个上顶丝组件由上顶丝和上顶丝密封组成。上顶丝组件设置于法兰段中并沿周方向均匀布置，根据需要数量设置为8~12个。

下顶丝组件也有多个，且每个下顶丝组件由下顶丝和下顶丝密封组成。下顶丝组件设置于套管头本体的位于法兰段下方的管段上且沿套管头本体的圆周方向均匀布置，根据需要数量设置为8~12个。

变径套管头的设计图如图1所示。其中1为套管头本体、1-1为法兰段、1-2为旁通孔、2为上顶丝组件、3为下顶丝组件。

二、变径套管头工作原理和优势

结合剖面图2，对变径套管头在实施中的工作原理和优势进行清楚、完整地描述。其中1为套管头本体、1-1为法兰段、1-2为旁通孔、2为上顶丝组件、2-1为上顶丝密封、2-2为上顶丝、3为下顶丝组件、3-1为下顶丝密封、3-2为下顶丝、4为套管悬挂器、5为套管。

该变径套管头的工作原理和工作过程是：下钻前，将上顶丝组件和下顶丝组件均旋于套管头本体内部，套管头的最小内径为法兰段的内径，可以送入直径小于法兰段内径的钻头，钻头正常钻进，完成钻进操作后，起出钻头准备进行固井施工。在进行固井施工时，将套管下放到套管头中，当套管下放到指定位置时，将下顶丝组件从套管头本体内向套管头本体中心旋出到指定位置，然后放入悬挂器悬挂套管，悬挂器被旋出的下顶丝组件支撑，最后将上顶丝组件向套管头本体中心旋出到指定位置，卡住悬挂器，防止悬挂器向上退出，完成固井施工。

变径套管头的优势：由于该套管头中没有设置座挂台肩，因此，套管头的最小内径为法兰段的内径，只要钻进的钻头直径小于法兰段的内径即可，且通过下顶丝组件替代了座挂台肩对悬挂器和套管进行定位支撑，下顶丝组件所限定的套管头内部最小尺寸可以进行调节，根据施工需要可以选择合适直径的钻头和套管，因此提高了套管头的适应性。

三、变径套管头的应用及推广

中石化文23储气库建设过程中就使用了26套变径套管头，解决了技术难题，取得了很好的效果。

文23储气库井在第一轮井施工中，发生了两口井卡套管、多口井固井质量不合格事故。经专家分析卡套管的主要原因是：环空间隙小、使用套管扶正器较多，采取措施是扩大套管与井壁间隙和减少套管扶正器数量。固井质量不合格的主要原因是：环空间隙小、水泥环薄；以及顶替效率低造成钻井液和水泥浆混浆，从而影响了固井质量，因文23属于沙岩易漏地层，高压大排量提高顶替效率的方案不可取，只有扩大环空间隙一个方案可行。而扩大环空间隙过程中面临最大难题是原一开TF13-5/8″×10-3/4″套管头最小通径为φ324，无法通过φ340钻头，将套管头标称通径提高一个通径级别至TF16-3/4″（425），只能选配13套21-1/4″（527）×35Mpa通径防喷器，该类型防喷器国内仅有5套且正在使用，厂家不仅没有库存且短期内不可能生产出满足文23储气库生产需要的大通径防喷器。

在这种情况下，使用研制的变径套管头解决了这一难题，在文23储气库井施工过程中将普通套管头座挂台阶用变径套管头的下顶丝组件替代，前期钻进时下顶丝组件隐藏在套管头本体内，保持与F35-35防喷器一致的φ346通径，确保φ340钻头能够顺利通过。当下入套套管悬挂器时，将下顶丝组件伸出使内径变为φ300，套管悬挂器坐在下顶丝组件上，由高强度下顶丝组件承载套管重量。

变径套管头在文23储气库中应用是国内首次使用变径套管头。在初期安装投入使用4套变径套管头取得很好效果后，又陆续使用了22套，共使用26套，较好的解决了文23储气库施工难题。

四、结语

本文介绍了一种变径套管头的结构、工作原理、优点以及在中石化文23储气库中的使用情况。这种变径套管头不但可以满足正常钻井施工作业中对井口的要求，而且还可以满足在现有防喷器及配套装备不变的条件下，选用稍大直径的钻头进行钻井时对井口的要求。这种变径套管头在文23储气库施工中发挥了极大的作用，解决了技术难题，缩短了作业时间，节省了作业成本，具有重大的社会效益和经济效益，也可以在同行业进行应用和推广。

参考文献：

[1]章国华.可伸缩式热采套管头的研制【J】.石油钻采工艺，2013，35（2）：117-118.

[2]刘文科.一种新型套管头的设计与应用【J】.科技创新2016年第8期：210。