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摘要：传统下套管技术采用人工辅助下套管方式，吊卡提起套管单根，安装对扣保护套，利用套管钳旋紧套管，最后向套管内注浆。这种传统下套管方式使得套管柱在井内静止时间长，易引起粘卡、缩径等事故，若遇下放受阻的情况，需接方钻杆才能建立循环。
关键词：顶驱下套管驱动工具现状;发展建议;
一、顶驱旋转下套管的背景
常规下套管方法是利用动力套管钳旋转套管上扣。在下套管期间不能进行钻井液循环、套关柱旋转和上下活动，该方法不仅效率低、动用的人员多，存在的风险也高。在油气田的勘探开发中，深井、大位移井、大斜度井等高难度井越来越多。在这些井的下套管作业中，会面临各种各样的问题，如难以下入缩颈及全角变化率大的井段;在套管长时间与井壁接触易时发生粘卡;下入套管柱时产生压力激动压漏地层;遇阻后无法下入时，需要将套管柱全部起出，重新组合通井钻具进行通井，降低作业时效等问题。根据统计分析，30%～ 50%的井下损坏或质量问题是由于下套管操作不当造成的。由此可见，控制作业质量和防止套管事故发生的关键是下套管操作，也是提高下井套管质量的关键工序环节。随着井下套管作业的要求越来越严格，国内常规下套管方法越来越无法满足这些高难度的要求。顶驱旋转下套管装置是一种安装在顶驱系统上，集机械、液压控制于一体的下套管设备，可作为国内钻井广泛使用的套管钳等工具的替代品。充分发挥顶驱的优点和实用性，既实现了套管柱的自动连接，又提高了旋转套管和循环泥浆的能力，大大降低了套管阻力，套管粘连等安全隐患。它大大提高了套管运行的速度和成功率，为设备提供了保障。作为国内钻井设备的重大技术升级，顶驱套筒装置促进了我国钻井设备机械化和自动化的发展。 它主要扩大了顶驱的应用范围，具有良好的推广价值和市场前景。
二、顶驱旋转下套管作业原理及其装备
实际上，顶驱套管系统是一个集液压和机械为一体的顶驱钻井系统。根据套管的大小， 可以分为两种结构：内部动力和外部动力。无论套管的尺寸如何，两种结构的主要结构都是相同的。它们都是连接螺纹、液压传动机构、滑移机构和导向接头。但在实际操作中，为了保证操作的安全，还是需要建立一些辅助机构的顶部驱动轴与装置的上端连接在一起，当外壳工作时，顶部驱动可以精确地控制外壳上的扭矩。在工作过程中，顶部驱动装置中的液压源可以有效地驱动结构的上下油室充满油。同时，充油会自动上升到额定压力。通过气缸的上下运动，驱动滑块的结构打开或复位，通过传动力夹紧或松开套筒，通过转动传递达到起升载荷的目的，实现起升和下套管的动作。为了提高顶部驱动壳的运行质量、效率和安全性，必须增加一些配套设备。这些设备和驱动套管设备工作在一起形成顶部驱动钻井装置。在操作时， 其顶部驱动设备可以提供所需的电源， 如液压动力来源， 套管弯曲扭矩等等。同时，在支撑装置的保证下，套管可以安全升降各配套装置的作用如下：（1）下套管装置。该部件与上驱动主轴的上部结构连接，便于下端即插即用套管和非螺纹连接。其主要功能是举升套管、传递扭矩和实时建立循环。（2）吊环。实际上顶驱套管本身也具有举升功能，但由于下驱深度较大或井下环境复杂，很难保证其安全。所以需要使用吊环来辅助吊装，以确保安全。（3）套管吊卡。为了抓住一个套管，将向下的套管管柱提起，增加了套管吊索。通过这种方式， 不需要气动升降夹套管没有领时降低， 不需要建立一个承载平台。操作起来既非常方便又特别安全。（4） 气动卡瓦。为了提高顶驱套管作业的安全性和自动化水平，必须采用气动卡瓦，使司钻能够实现卡瓦和套管柱的远程控制。当然，这并不是一成不变的，而是要根据实际场景来设置，如果没有气动卡瓦，普通卡瓦仍然可以发挥作用。（5）视频监控系统。为了随时监控套管，顶部驱动套管设备上还安装了视频监控系统。该系统能够提高套管作业的可视化程度，并始终处于监控状态。在井架上安装彩色摄像机是一种常见的做法，该监控系统不仅可以监控井架的运行是否正常，还可以及时掌握碗体磨损、滑损等情况。（6）智能防撞装置。当套管与下套管装置连接时，无论是内卡还是外卡，挂钩都应下降到一定高度。一旦过了头，整个重力就会落在套管上，导致套管变形或套管上的螺纹塌陷。因此，增加了一种智能防撞装置。当吊钩放下时，智能防撞装置会实时注意吊钩的距离。一旦与机匣上的联轴器接触，信号会自动返回到司钻的空室，司钻会及时刹车，确保人员、机匣管柱和设备的安全。
三、顶驱下套管驱动工具现状与发展建议
1.虽然国外已有多家公司拥有成熟的顶驱下套管驱动工具，并在全球很多油田成功运用，但国内在这方面研究甚少。大庆油田和吉林油田在依托转盘钻井情况下，对下套管设备进行改造或进行简易套管钻井设备研发。对于顶驱钻井，其中，北京石油机械厂已自主研制了顶驱下套管驱动工具，它是通过驱动活塞上下运动来驱动卡瓦的复位和张开，该装置在四川门西气井套管回接过程中成功应用口设计出一种新型的顶驱下套管装置及其配套抓管、对管与监测控制系统，尚处于试制阶段。从功能上看，国内现有的顶驱下套管驅动工具具有了国外先进套管送入系统的基本功能，但其利用吊环、吊卡来进行套管的抓取，系统性不强，还不能达到整个下入系统自动化的程度。与国外的顶驱下套管驱动工具相比，国内的技术还存在差距，应该在分析研究国外先进技术的基础上，开展顶驱下套管配套系统的深化研究。建议开展以下工作：
2.监测功能设计。监控系统主要实现对套管驱动工具的扭矩、拉力、转速、位置的监控，并可完成作业过程的参数、图像采集和存储与监控的工作，为顶驱下套管驱动工具和套管操作工艺的优化及事故处理提供依据。
3. 驱动与控制系统的创新性设计。该部分可通过液压缸、控制器来实现，主要提供套管驱动工具的动力与控制。目前顶驱与下套管系统均是单独设计，动力与监测控制系统均完全独立，导致系统结构复杂、操作不便，2套装置配合不好还可能发生相应的事故。建议将顶驱与下套管驱动装置的液压动力与控制系统综合考虑，简化整个系统的结构，提高系统的协调操作控制能力。
4.卡瓦牙和密封皮碗的优化设计。卡瓦牙决定了卡瓦工作寿命以及卡瓦对套管的损伤程度，同时也限制了顶驱下套管工具的承载能力，所以需对卡瓦与套管的接触方式、牙板的齿形、材料及表面处理等方面做更为详尽的研究，以便在保证套管不被损伤的情况下，增大下套管工具的承载能力。皮碗是保证钻井液循环和固井试压的关键，但下套管工况较复杂，易导致胶筒硬度、强度和弹性、抗裂等性能下降，所以需要从胶筒结构、材料配方与成型工艺、力学性能分析等方面进行研究，以提高密封导向总成的性能，提升顶驱下套管工具的可靠性。
结束语：国内已有厂家生产出部分型号的顶驱下套管产品，但尚未形成系列化。因此，可以通过科研机构与油田部门、高等院校合作的方式，在消化吸收国外技术的基础上，自主研发下套管系统的关键部件，例如动力机构、执行机构以及控制、监测系统等，进一步研究顶驱下套管系统在海洋平台上的力学行为，使其能应用于海洋钻井领域。
参考文献
[1] 田富林， 母全杰， 郑永生， 等. 套管作业自动灌浆循环装置： 中国，ZL [P].2020-06-21.
[2] 冯 来， 王 辉， 王 力. 简易套管钻井技术及专用配套工具研究[J].石油钻探技术，2017，35（5）：25-28.
[3] 王海娟， 张晓东， 张 毅， 等. 浅析套管钻井技术[J]. 石油矿场机械，2019，39（10）：25-28.
关键词：顶驱下套管驱动工具现状;发展建议;
一、顶驱旋转下套管的背景
常规下套管方法是利用动力套管钳旋转套管上扣。在下套管期间不能进行钻井液循环、套关柱旋转和上下活动，该方法不仅效率低、动用的人员多，存在的风险也高。在油气田的勘探开发中，深井、大位移井、大斜度井等高难度井越来越多。在这些井的下套管作业中，会面临各种各样的问题，如难以下入缩颈及全角变化率大的井段;在套管长时间与井壁接触易时发生粘卡;下入套管柱时产生压力激动压漏地层;遇阻后无法下入时，需要将套管柱全部起出，重新组合通井钻具进行通井，降低作业时效等问题。根据统计分析，30%～ 50%的井下损坏或质量问题是由于下套管操作不当造成的。由此可见，控制作业质量和防止套管事故发生的关键是下套管操作，也是提高下井套管质量的关键工序环节。随着井下套管作业的要求越来越严格，国内常规下套管方法越来越无法满足这些高难度的要求。顶驱旋转下套管装置是一种安装在顶驱系统上，集机械、液压控制于一体的下套管设备，可作为国内钻井广泛使用的套管钳等工具的替代品。充分发挥顶驱的优点和实用性，既实现了套管柱的自动连接，又提高了旋转套管和循环泥浆的能力，大大降低了套管阻力，套管粘连等安全隐患。它大大提高了套管运行的速度和成功率，为设备提供了保障。作为国内钻井设备的重大技术升级，顶驱套筒装置促进了我国钻井设备机械化和自动化的发展。 它主要扩大了顶驱的应用范围，具有良好的推广价值和市场前景。
二、顶驱旋转下套管作业原理及其装备
实际上，顶驱套管系统是一个集液压和机械为一体的顶驱钻井系统。根据套管的大小， 可以分为两种结构：内部动力和外部动力。无论套管的尺寸如何，两种结构的主要结构都是相同的。它们都是连接螺纹、液压传动机构、滑移机构和导向接头。但在实际操作中，为了保证操作的安全，还是需要建立一些辅助机构的顶部驱动轴与装置的上端连接在一起，当外壳工作时，顶部驱动可以精确地控制外壳上的扭矩。在工作过程中，顶部驱动装置中的液压源可以有效地驱动结构的上下油室充满油。同时，充油会自动上升到额定压力。通过气缸的上下运动，驱动滑块的结构打开或复位，通过传动力夹紧或松开套筒，通过转动传递达到起升载荷的目的，实现起升和下套管的动作。为了提高顶部驱动壳的运行质量、效率和安全性，必须增加一些配套设备。这些设备和驱动套管设备工作在一起形成顶部驱动钻井装置。在操作时， 其顶部驱动设备可以提供所需的电源， 如液压动力来源， 套管弯曲扭矩等等。同时，在支撑装置的保证下，套管可以安全升降各配套装置的作用如下：（1）下套管装置。该部件与上驱动主轴的上部结构连接，便于下端即插即用套管和非螺纹连接。其主要功能是举升套管、传递扭矩和实时建立循环。（2）吊环。实际上顶驱套管本身也具有举升功能，但由于下驱深度较大或井下环境复杂，很难保证其安全。所以需要使用吊环来辅助吊装，以确保安全。（3）套管吊卡。为了抓住一个套管，将向下的套管管柱提起，增加了套管吊索。通过这种方式， 不需要气动升降夹套管没有领时降低， 不需要建立一个承载平台。操作起来既非常方便又特别安全。（4） 气动卡瓦。为了提高顶驱套管作业的安全性和自动化水平，必须采用气动卡瓦，使司钻能够实现卡瓦和套管柱的远程控制。当然，这并不是一成不变的，而是要根据实际场景来设置，如果没有气动卡瓦，普通卡瓦仍然可以发挥作用。（5）视频监控系统。为了随时监控套管，顶部驱动套管设备上还安装了视频监控系统。该系统能够提高套管作业的可视化程度，并始终处于监控状态。在井架上安装彩色摄像机是一种常见的做法，该监控系统不仅可以监控井架的运行是否正常，还可以及时掌握碗体磨损、滑损等情况。（6）智能防撞装置。当套管与下套管装置连接时，无论是内卡还是外卡，挂钩都应下降到一定高度。一旦过了头，整个重力就会落在套管上，导致套管变形或套管上的螺纹塌陷。因此，增加了一种智能防撞装置。当吊钩放下时，智能防撞装置会实时注意吊钩的距离。一旦与机匣上的联轴器接触，信号会自动返回到司钻的空室，司钻会及时刹车，确保人员、机匣管柱和设备的安全。
三、顶驱下套管驱动工具现状与发展建议
1.虽然国外已有多家公司拥有成熟的顶驱下套管驱动工具，并在全球很多油田成功运用，但国内在这方面研究甚少。大庆油田和吉林油田在依托转盘钻井情况下，对下套管设备进行改造或进行简易套管钻井设备研发。对于顶驱钻井，其中，北京石油机械厂已自主研制了顶驱下套管驱动工具，它是通过驱动活塞上下运动来驱动卡瓦的复位和张开，该装置在四川门西气井套管回接过程中成功应用口设计出一种新型的顶驱下套管装置及其配套抓管、对管与监测控制系统，尚处于试制阶段。从功能上看，国内现有的顶驱下套管驅动工具具有了国外先进套管送入系统的基本功能，但其利用吊环、吊卡来进行套管的抓取，系统性不强，还不能达到整个下入系统自动化的程度。与国外的顶驱下套管驱动工具相比，国内的技术还存在差距，应该在分析研究国外先进技术的基础上，开展顶驱下套管配套系统的深化研究。建议开展以下工作：
2.监测功能设计。监控系统主要实现对套管驱动工具的扭矩、拉力、转速、位置的监控，并可完成作业过程的参数、图像采集和存储与监控的工作，为顶驱下套管驱动工具和套管操作工艺的优化及事故处理提供依据。
3. 驱动与控制系统的创新性设计。该部分可通过液压缸、控制器来实现，主要提供套管驱动工具的动力与控制。目前顶驱与下套管系统均是单独设计，动力与监测控制系统均完全独立，导致系统结构复杂、操作不便，2套装置配合不好还可能发生相应的事故。建议将顶驱与下套管驱动装置的液压动力与控制系统综合考虑，简化整个系统的结构，提高系统的协调操作控制能力。
4.卡瓦牙和密封皮碗的优化设计。卡瓦牙决定了卡瓦工作寿命以及卡瓦对套管的损伤程度，同时也限制了顶驱下套管工具的承载能力，所以需对卡瓦与套管的接触方式、牙板的齿形、材料及表面处理等方面做更为详尽的研究，以便在保证套管不被损伤的情况下，增大下套管工具的承载能力。皮碗是保证钻井液循环和固井试压的关键，但下套管工况较复杂，易导致胶筒硬度、强度和弹性、抗裂等性能下降，所以需要从胶筒结构、材料配方与成型工艺、力学性能分析等方面进行研究，以提高密封导向总成的性能，提升顶驱下套管工具的可靠性。
结束语：国内已有厂家生产出部分型号的顶驱下套管产品，但尚未形成系列化。因此，可以通过科研机构与油田部门、高等院校合作的方式，在消化吸收国外技术的基础上，自主研发下套管系统的关键部件，例如动力机构、执行机构以及控制、监测系统等，进一步研究顶驱下套管系统在海洋平台上的力学行为，使其能应用于海洋钻井领域。
参考文献
[1] 田富林， 母全杰， 郑永生， 等. 套管作业自动灌浆循环装置： 中国，ZL [P].2020-06-21.
[2] 冯 来， 王 辉， 王 力. 简易套管钻井技术及专用配套工具研究[J].石油钻探技术，2017，35（5）：25-28.
[3] 王海娟， 张晓东， 张 毅， 等. 浅析套管钻井技术[J]. 石油矿场机械，2019，39（10）：25-28.