井下工具课程论文套管钻井.docx

浅谈套管钻井新技术摘要：套管钻井技术是近年美国和加拿大开发的一种新型钻井技术，因其具有 降低钻井成本等许多优点，已大量应用于钻井施工。文中对套管钻井技术及其配 套设备进行了介绍，对套管钻井系统的工作原理、钻具结构及相关技术进行了阐 述。关键词：套管钻井技术钻具组合钻井系统引言在油田开发中后期，要通过采用新技术来不断地降低钻井成本和提高投资 收益率。套管钻井正是在这种情况下应运而生的。采用套管钻井无需钻杆，套管 始终保留在井下，钻头和其它井下工具都通过套管采用钢丝绳起下，下入后固 定在最后一节套管上。套管钻井可以极大地降低钻井成本，加快完井速度，钻井时间比常规井快 30%。在套管钻井中不使用钻杆，也不必为更换底部钻具组合而起出整个钻柱， 可以省去钻杆的采购、装卸、检查、运输和起下钻费用，节省了钻杆的起下和连 接时间。更重要的是，常规起下钻作业可能引发许多意想不到的情况，套管钻井 由于套管始终保留在井下，保持了井眼的完整性，因此可大大减少常规钻井工 艺所存在的事故隐患，如井眼坍塌，井壁冲刷等，还能够减少因划眼、打捞和处 理起下钻中所发生的井涌而耽误的钻井时间。此外，在套管钻井中能够连续循环 钻井液，因而套管钻井比起下钻时不循环钻井液的常规钻井更安全。采用套管钻 井，经济效益明显，更主要的是能够满足安全和环境(HSE)的要求，因此具有 广阔的应用前景。1套管钻井工艺套管钻井工艺是用套管代替钻柱，通过套管向钻头传递水力和机械能的。它 采用一种可回收式再进入钢丝绳井下钻具组合钻进，并且起下钻具组合不需要 起下套管。这种井下钻具组合是由能穿过套管的领眼钻头和扩孔器组成的。钻进 时由领眼钻头先钻出领眼，再打开其后面的张合式扩孔器进行扩孔，把领眼扩 成与套管留有一定间隙的井眼。在钻定向井时，井下钻具组合还包括螺杆钻具和 随钻测量仪等必备的定向钻井设备，并可同时下入随钻测井仪或取心工具。套管钻井与常规的转盘钻井的主要区别在于：套管钻井需要的是一种特制 钻机，也可对常规钻机进行改造，使其适用于套管钻井。套管钻机必须使用顶驱 来旋转套管，它还要有一个大型钢丝绳装置来起下钻具组合。用套管钻井系统钻 进时，要求钻头能穿过套管，同时又能钻出尺寸比套管直径大的井眼。套管钻井 所钻出的井眼无法用常规的测井仪进行测井，而是用套管内测井仪进行随钻测 井。用这种钻井工艺其造斜率要比常规钻井的造斜率高，但注意易产生较高的狗 腿度。2套管钻井技术的优势和发展套管及尾管钻井技术在过去10年间取得了很大的进展，逐步走向成熟。2.1套管钻井优点(1) 钻井和下套管同时进行；(2) 不用钻杆和钻铤；(3) 不需要起下钻作业；(4) 减少意外事故；(5) 提高钻井安全系数；(6) 降低钻机成本；(7) 降低油井成本；(8) 大大地降低了钻井成本；(9) 钻机轻便，易于搬迁和操作2.2发展2010年，导向套管尾管钻井被中国石油集团科技发展部评为国际十大石油 科技进展之一，在未来具有广阔的应用前景。套管钻井技术发展至今，从装备及 技术角度划分应该有5个层次，由低到高依次为：用顶驱下套管装置进行下套管 作业；不可回收式井下工具(可钻钻头式)套管钻井；可回收式钻具组合套管 钻井；可回收式尾管钻井技术；泵送可回收式套管钻井技术(原理样机阶段)。 可钻钻头式套管钻井技术为Weatherford公司的主打技术。这种钻井系统使用一 种称为钻鞋(drill shoe)的特殊钻头接在最下面的一根套管上，旋转套管进行 钻进。当钻至设计井深后，可以立即进行固井作业。钻鞋为可钻式，可以在随后 被钻掉。该技术通常用1只钻头钻完全部进尺，不在套管内起下工具串，侧重于 表层套管的施工，在我国的大港油田得到了成功应用，并收到了良好的效果。可 回收式钻具组合套管钻井技术和可回收式尾管钻井技术均为Tesco公司所有。由 于要通过钢丝绳下放和回收井底钻具组合，所以需要改变钻机游车结构，使钢丝 绳从顶驱顶部接入。另外，Tesco公司专门设计了套管驱动器，用以夹持套管并驱动套管转动。3国内外套管钻井技术3.1国外套管钻井技术国外套管钻井技术的主要代表是以绳索回收技术为基础的回收式套管钻井 技术（以加拿大TESC O公司为代表）和可钻式单行程套管钻井技术（以美国 Weatherford公司为代表）。3.1.1 TESCO公司的套管钻井系统该公司生产的套管钻井系统是用常规油田套管为钻柱、边钻进边下套管，套 管井底钻具组合传递水力和机械能量以及给钻头施加钻压。钻具组合通过钢丝绳 起下，并悬挂在井底套管上的座底短节上，组合顶部装有锁紧总成（DLA），其 作用是提供其与套管之间轴向和径向的机械连接、水力密封及连接和脱离套管柱 的机械装置，组合的最下部是领眼钻头，也可以加装其他常规钻井工具（如井下 扩眼器、动力马达、取心或定向装置）。井下锁定装置是套管钻井技术中最具特色的技术，其功能是：钻进时将井下 工具串锁定在套管上，使之不能转动和轴向窜动；起钻时锁定器解锁，从套管内 可以将井下工具组合打捞全地面。国外井下锁定装置主要由锁定活塞、承载键、 承载壳体等3个部件组成（图1），锁定活塞下行时，承载键被嵌入承载壳体内， 此时承载键可承受较大的钻井扭矩和钻压；当通过打捞矛上提锁定活塞时，承载 键被挤出承载壳体，锁定装置解锁，整个井下工具组合可提离井底。1-胡椰川我I出立一密且耕3轴向恻定器*止精；sTl拒械史器* 一怙件波四仕口一忙眼松sTA头用一症。Ui-UilJl-fSn辄定版节;12Tfc轮扭拒版节;13食时髓图1 TESCO公司的一种井下回收工具TESCO公司的一种井下回收工具使用顶部驱动旋转套管，接套管单根时先从 套管架上吊起单根放入鼠洞，顶驱延伸至鼠洞处接好单根上端螺纹，然后提至井 口与套管柱连接，最后以常规方式钻完该单根。钻井过程中主要采用旋转钻进方 式，只是在使用马达定向时以滑动方式钻进。多数情况下，井下扩眼器与领眼钻头配合使用，将井眼尺寸从领眼钻头直径 扩大到设计尺寸。领眼钻头的尺寸足以通过套管，而扩眼器扩开的井眼尺寸则是 下套管的常规井眼尺寸。3.1.2 Weatherford公司的套管钻井系统与TESCO公司相比，Weatherford公司生产的套管钻井系统的原理及设备基 本相同，对套管钻井技术的认识更为简单、有效，在降低钻井费用及处理钻井问 题等方面具有非常明显的技术优势。使用Weatherford公司的系统进行套管钻井 时，通常不需要起出钻具组合即可完成固井等作业，中途无需间断施工。为了有效地提高利用套管钻井工具“迅速固井”的能力，Weatherford公司 一直致力于芯部可钻式钻鞋的研究开发，目前已经拥有了第三代产品。虽然 Weatherford公司的套管钻井技术发展迅速，在一次性浅井作业具有明显的优 势，但同一井眼内钻头不能更换，一只钻头须打完全部进尺，不用在套管内起下 工具组合，因而限制了该项技术的使用范围。如果套管钻井向深层次发展，必须要更换钻头，所以加拿大TESCO公司的套管钻井技术值得借鉴。3.2国内套管钻井现状3.2.1现状目前，国内各油田根据自己的实际情况开展了不同程度的研究工作。如吉林 油田针对浅开发井钻井，立足于现有钻井装备的配套，采用常规钻机，通过转盘 传递扭矩为前提，首先在套保油田0244 mm井眼、0177.8 mm套管的常规开发井 井身结构的基础上，通过钻井技术试验，实现了一只钻头钻达完钻井深，避免起 下钻头等复杂工艺过程。目前，该油田已完成多口几百米深的井和一口 1160 m的套管钻井。胜利、 大庆、长庆、大港等油田也在用套管直接连接钻头进行套管钻井作业，各自完成 了不同数量的套管钻井。国内生产的套管钻井系统主要由套管夹持头（套管螺纹 承扭保护器）、特制接箍、钻头脱接装置及固井短节组成。方钻杆下直接连接机 械式套管夹持头，套管夹持头通过内（外）卡瓦对套管柱进行夹持套管间通过特 制的接箍连接，套管柱下端通过特制的固井短节、钻头脱接装置与钻头相连。钻 井时，转盘驱动方钻杆旋转，方钻杆带动夹持头及整个钻柱旋转，实现正常钻井。当钻井过程完成后，通过投球丢手方式，将钻头丢弃于井底。之后根据需要 上提钻柱至一定高度，即可对主力目的层进行裸眼测井。测井过程完成后，重新 下入钻柱并实施固井工艺过程，如果不需要进行裸眼测井，则采用套后测井的方 法提供后续生产所必要的油藏数据。3.2.2北石顶驱下套管装置中国石油集团钻井工程技术研究院北京石油机械厂成功研制了北石顶驱下 套管装置，如图2所示。该装置上端接头与顶驱主轴相连，下端通过卡瓦机构（内 卡或外卡）卡紧套管，实现套管的上、卸扣。下套管装置是集机械、液压为一体 的设备，由顶驱提供动力源（套管上、卸扣扭矩、液压源），充分扩展顶驱功能， 安全高效地完成套管上、卸扣；同时可以在下放套管柱遇阻、遇卡时旋转套管柱 和循环钻井液，减小潜在危害，避免复杂事故的发生。图2北石顶驱下套管装置1一井架；2一大钩；3一顶驱；4一顶驱下套管装置；5一动力卡瓦2010年5月，北石顶驱下套管装置在四川门西001 H3井套管回接过程 中进行了成功应用，如图3所示，整个作业过程中套管旋扣平稳，上扣扭矩控制 精确，安全高效，得到了甲方和乙方的一致认可。北京石油机械厂在成功研发顶驱下套管装置的基础上，对顶驱下套管的配套 设备进行了研发，目前有动力卡瓦装置、井口套管扶正装置、智能防碰装置、视 频监控系统和智能作业指导软件等，可保证整个下套管过程更加安全高效。目前， 北石顶驱下套管装置已经系列化，如表1所示，表1北石顶驱下套管装置技术参数产品型号逢盖套管 旦径,mm额定抗 强航k物定扭矩/ kN *mjXT； 340273. 1 -50S.04 5(1065 000244244.550 000177. R3 15050 000XT； 1 佃I6R. 3 244.51旬30 000XT； R960 3 139 73 15030 000可覆盖的套管（包含油管）尺寸范围是0 60.30 508.0 mm，其中0 60.3 0 139.7 mm套管采用外卡式下套管装置，0168.30 508.0 mm套管采用内卡 式下套管装置，可以满足各种尺寸规格的套管作业需求。经过不断地摸索和改进，北京石油机械厂创新性地设计开发了可更换钳牙的 下套管装置，只需在现场更换钳牙，1套装置就可以覆盖多种尺寸规格的套管作 业，大大提高了产品的适用性。例如XTG168型号的下套管装置作业范围就可覆 盖0 168.30 244.5 mm的套管。顶驱下套管装置作为套管驱动装置，也是基 于顶驱的套管钻井技术的核心装备之一。通过该装置可以完成套管上、卸扣，在套管钻进过程中夹持并驱动套管，将 顶驱输出的动力传递全套管以及钻头。基于顶驱的套管钻井技术，可以充分发挥 顶驱钻井的优势，更加安全高效。该装置的成功研发与应用，使我国在下套管作 业技术和装备的机械化与自动化水平上进一步提高，为复杂深井安全高效下入套 管提供了 “利器”，也为下一步研究开发基于顶驱的套管钻井技术打下了坚实的 基础。4. 套管钻井系统加拿大Tesco公司的套管钻井技术目前在世界上处于领先地位，已基本形 成了一套颇具特色的套管钻井配套设备和工艺技术，并进入工业应用阶段，取得 了良好的应用效果。4.1.1地面装备为了适应钢丝绳起下钻作业，套管钻井专用钻机配置了中开分体式天车、游 动滑车，以及钢丝绳防喷器和密封装置。在钻进中套管用来传递扭矩，但如果直 接由套管传递有可能造成套管丝扣的损坏。因此，在顶驱输出轴与套管柱上端之 间设置了套管驱动头。套管直接与驱动头连接，由内卡瓦夹紧，钻机的扭矩由顶 驱主轴传到套管驱动头上，再由驱动头传到套管上，套管丝扣不参与扭矩的传 递。套管驱动头起下钻、传递扭矩和密封循环钻井液的作用。4.1.2井下钻具系统适用于套管钻井的井下钻具系统主要由下井回收工具、底部钻具组合、连接 在套管柱末端的坐底套管3部分组成。Tesco公司已开发出0 3391.7,0 2241. 5, 01931.7, 0 1771.8, 0 1391.7 和0 1141.3 mm 等6种尺寸的井下钻具系统。Tesco 公司套管钻井用的下井回收工具包括锁定捞矛、震击器、测量桶、加重杆、对中 扶正器、上部张力缓冲器、旋转短节、紧急释放短节和电缆插头等。用钢丝绳起 下的底部钻具组合一般由锁定和密封总成、分隔箍、钻井浮箍、扩眼器和领眼钻 头等组成。坐底套管位于套管柱末端，由扶正器、轴向锁定短节（套管锁定短 节）、扭矩锁定短节（套管扭矩短节）以及定位台肩、定位止动器、定位槽等组 成。钻进时，底部钻具组合锁定在坐底套管的锁定短节上。4.2威德福公司的套管钻井系统美国威德福公司开发出一种与丁 esco公司完全不同的套管钻井系统。该系 统采用一种专门设计的钻头，直接连接在套管柱的底部，由连接在顶驱上的转 换接头传递扭矩，通过旋转套管以常规方式进行钻井作业。专用钻头可以被常规 钻头完全钻掉，且由于有一个浮箍作为套管柱的一部分一同下井，钻至设计井 深后可以立即进行注水泥作业，可以实现一趟钻完成钻井、固井等作业，对节省 钻井时间和降低作业成本有重要作用。在全球范围内200多次的现场应用中，该 套管钻井系统的成功率达99%,钻进井段施工顺利，套管尺寸从最大的5081.0mm到最小的1141.3 mm槎寸装置、'套管图1威德福怂司的登管牯井住动装置5、可回收式钻具组合的结构和原理5.1可回收式钻其组合的结构其结构主要有领眼钻头、扩眼工具、座底套管、锁定总成和回收装置等组成（1）扩眼工具。为保证可回收钻具组合从套管内起出和下入，领眼钻头尺寸必 须小于钻井用套管内径，因而形成的井眼尺寸较小，需要实施随钻扩眼，以满足 套管下入和固井要求。设计的扩眼工具结构采用液压伸臂式，即在有液力的情况 下切削臂伸出进行扩眼作业，当液力消失时，在外力的作用下切削臂恢复原位。 扩眼工具下边直接连接领眼钻头，上边连接动力钻具，在进行套管钻井时，可以 使用转盘转动套管与动力钻具的复合钻进，也可单独使用动力钻具或转盘转动套 管带动扩眼工具及领眼钻头钻进。（2）座底套管。该件属专门设计，其作用是上连套管、下接套管鞋，在座底套 管内设计特殊结构与锁定机构配合进行可回收工具的锁定，套管鞋帮助修理扩眼 后的井壁，在不用动力钻具时座底套管被用来传递钻头和锁定工具的扭矩。是一 个套管与可回收工具组合的连接件，起到承接上下与转动的关键体（3）锁定总成。该件设计在座底套管的上部，其作用是使套管柱与井底可回收 工具组合固定，在转动套管时，由座底套管通过锁定总成给钻头传递扭矩，在给 钻头施压时，整个压力通过座底套管传递给锁定机构、动力钻具、扩眼工具及领 眼钻头。当领眼钻头或扩眼工具损坏或着钻到设计井深时需要提出可回收工具组 合时，锁定机构又能释放可回收工具组合与座底套管之间的连接，与回收装置配 合提出领眼钻头等件，实现钻头更换等功能。（4）领眼钻头。设计领眼钻头主要考虑与其他工具的配合性，尤其是领眼钻头的最大外径与座底套管的最小内径之间的关系， 间隙大了钻头外径太小，影响机械钻速和钻头寿命，增大扩眼工具的工作量，进 而影响扩眼工具的寿命。如果间隙太小，钻头外径大，但下入时有时困难，因而选择合 适的通过间隙5.2.可回收式钻具组合回收原理回收井下套管钻具总成有两种设计考虑：1.使用钢丝绳回收（tesco。公司）；2使用钻杆回收作（spreey-sun公司）5.2.1翎丝绳井下钻具组合系统的下入井下钻具组合一般采用泵送下人，下人过程中钻具组合上的旁通处于打开 状态阁，钻井液绕过并下钻具组合的中心流道从旁通孔流过，管下扩眼器的切 削臂处于收缩状态不会张开。当钻具组合上的止动器到达坐底套管定位台肩位置 时，激发震击器进行几次震击，使旁通关闭，同时轴向镇定装置和扭矩锁定装 置也分别与轴向锁定短节和扭矩镇定短节锁定，下人工具脱开钻井液流向井下 钻具组合中心流道，进人管下扩眼器。由于此时管下扩眼器的切削臂和钻头已经伸出到套管鞋之外，当钻井液的 压力增加到一定值时，管下扩眼器的控制阀打开，管下扩眼器中的驱动机构在 钻井液压力的驭动下将扩眼器的切削臂张开。一些常规的井下定向工具湾夕院泥 浆马达、无磁钻具、MWD工具和LWD工具爆挂在工具组合下伸到套管鞋外面。5.2.2井下钻具组合系统的起出当完钻或要更换并下工具时，先将钢丝绳起出工具泵送到并下，打捞矛下 人到井底后与井下钻具组合系统上的打捞颈对接。上提钢丝绳，激发液力震击器, 使井下钻具组合上的旁通打开，同时解锁轴向锁定装置和扭矩锁定装置，此时 钻井液不再流经钻具组合的中心，而从旁通孔流出，扩眼器切削臂在回位弹簧 的作用下自动收缩复位，这时即可用钥丝绳起出工具起出钻具组合。5.2.3固井作业和钻水泥塞套管钻井用的套管没有浮箍，固井时需要采用新的固井法。最早的固井作业 中使用了1个柔性刮塞和1个顶替塞，顶替塞由铝和橡胶制成，具有较好可钻 性。固井时先向套管内泵人1个能刮去管壁滤饼的刮塞，通过加压，刮塞可被很 容易地剪断并从套管鞋泵出。注完固井水泥后接着用顶替液泵人1个顶替塞，顶 替塞坐放并锁定在轴向锁定接箍上作浮箍使用，顶替塞可把水泥的上返压力密 封在顶替塞之下。需要继续钻进时，可在水泥凝固后，用较小直径的套管钻井系 统下人到井底，将刮塞、固井浮报和水泥环钻掉后继续钻进。6展望及前景现场试验表明，在无事故井中进行套管钻井可节省钻井成本10%15%。在钻 速较快的陆地井中估计可节约钻井成本30%。对于钻易坍塌地层，如果套管钻井 被证明是一种更加经济有效的方法，则有可能节省更多的钻井费用。对已有的钻 井技术如定向钻井、注水泥、测井、取心和试井等作业采用套管钻井、固井来替 代常规的钻杆钻井，其速度比常规钻杆钻井快510倍。因此，套管钻井作为一项前沿技术已推动钻井工业进入新世纪。这一降低钻 井成本的重大举措，对石油工业的发展具有重大影响。目前国内一些机构正在开展套管钻井技术的研究工作。大庆油田开展了表层 套管钻井技术的试验研究，该技术为可钻钻头式套管钻井技术，实现了非顶驱钻 机的表层套管钻井所需的设备改造，完成了所需仪器和工具的研制，并成功进行 了4 口井的试验，证明套管钻井的平均机械钻速高于常规钻井，可以缩短钻井周 期。中国石油集团钻井工程技术研究院与吉林油田共同承担了国家863计划项 目的“先进钻井技术与装备”之“套管钻井技术”专题，先后研究开发了简易套 管钻井技术及专用配套工具、可更换钻头套管钻井工具及工艺。这些技术对钻机 并没有特殊要求，采用转盘驱动，在吉林油田成功进行了现场试验。可以看到，国外的套管钻井技术是依托顶驱来实现的，而目前国内的套管钻 井都是基于转盘驱动的简易套管钻井，在装备和技术上还有一定差距。套管钻井 是一个庞大的系统工程。国内的公司和科研机构也可以尝试进行联合开发攻关， 取长补短，在套管钻井的核心装备技术上实现突破。7结束语套管钻井技术作为一种全新的钻井工艺技术，发展升级迅速，应用范围不断 扩大。我国目前的套管钻井技术还停留在转盘驱动阶段，而且也没有得到广泛的 推广应用，从装备、技术水平和应用等方面都与国外有较大的差距。下一阶段应 该考虑开发基于顶驱的套管钻井技术，并且扩大其应用范围，使得这项技术能够 为我国钻井技术的水平提升做出贡献。参考文献：【1】 郑锋辉，韩来聚，杨利，孙明光，彭军生.国内外新兴钻井技术发展现状（J）. 钻井与完井，2008 36（4）: 5-7【2】 朱德武.国内外新型钻井设备技术新进展（J）.中外能源，2011 16（7）： 42-47【3】王俊芳，曹鸿斌，孙朝林，朱丽娜，赖东红国外套管钻井技术综述（J）.断块油 气田，2011 8 （6）： 67-68【4】 王绪华.套管钻井技术发展与应用（J）.焊管，2009 32（10）： 33-36【5】 贺涛，张宏英，罗西超，高建平 套管钻井技术进展和前景（J）.石油机械，2011 39 （10）： 166-169【6】陈军海，金衍，陈勉.套管钻井技术进展与应用前景分析（J）.石油天然气学报 （江汉石油学院学报），2007 29（3）： 444-446【7】 许俊良，朱杰然，张俊杰，宿振国，周富刚.套管钻井可回收井底钻具组合方案设 计（J）.石油钻采工艺，2008 30（4）： 24-28【8】宿振已，马睛明，布备妹套管钻井可回收式钻具组合技术研究（J）.胜利油田职 二大学学报,2007 21： 108-109【9】 宋金初，孙坤忠，蔡清，王小建.套管钻井新工艺（J）.断块油气田，2004 11（5）： 77-79【10】刘宏丽.套管钻井新技术（J）.西部探矿工程,2002 78（5）： 128【11】聂上振.套管钻井工艺技术J.石油钻采工艺，2000 22（ 3）: 40- 41.