1、套 管 钻 井 技 术 可 创 造 显 著 效 益摘 要 套管钻井系统是由 Tesco 钻井技术部门开发研制的，其目的是为了降低成本，改善钻井效率，并通过边钻边下套管技术来减少各种井眼复杂问题。该系统历经 3 年的开发研制，并且经大量的试验证明，能够有效的用于直井和定和井。该技术在配置专用钻机和井下设备的条件下，才能作为一种联合钻井系统发挥作用。该系统使用标准的油井套管来向钻头传递机械和水力破岩的能量。一套有线可收回的钻具被销定在套管内，以从而省去了常规钻具所需的起下钻作业。 （译自 O.G.J.May, 17. 1999） 引 言 这套套管钻井系统，从传统油气井钻井手段中大胆地向前迈进了一步
2、。在传统的钻井过程中，一套钻柱由若干钻铤和钻杆组成，由它供给钻头机械能量（旋转动力和轴向载荷）以及给钻井液提供一条液流通道。当每次更换钻头、底部钻具结构或钻达预定井深时，钻柱需要从井眼中起出，然后再下入套管为井眼提供永久的通道。采用套管钻井系统的基本前提是钻完的井必须要下套管，那么才能够降低钻井成本。为实现这个目的需要重新设计一套地面钻井设备和井底钻井系统。成本的节约，可通过节省采购、储存、检查、运输及起下钻柱作业来实现，同时也减少了各种由起下钻引起的井眼问题。尽管通过减少钻柱的起下作业和操作时间，能适当地节约成本，但通过减少井眼问题来节约钻井成本，将变得更有其实际价值。许多情况所引起的井眼复
3、杂问题，如钻井液漏失、井控事故及井眼稳定问题，均可直接归结于钻柱的起下操作所引起。另外,由于井眼质量不好，使得钻柱从井眼中起出后，很难顺利下入套管。其中，有些井眼稳定问题，均可直接归结于钻柱振动所引起。 该套管钻井系统可通过节省钻柱的起下作业，并能使钻柱产生更小的振动，来减少这些事故的发生率。 井 底 钻 井 系 统 该套管钻井系统的钻井工序省去了常规钻井中的钻柱，它是利用套管向钻头传递机械和水力破岩能量（见图 1） 。一套有线可收回的井底钻具组合,被锁定在套管的底部，靠它钻一个足够大的井眼来保证套管自由顺利地向下延伸。 图 1 套管钻井示意图通过固定装置将底部钻具组合锁定在套管底部，使用一套
4、有线装置来放置和收回底部钻具组合，并不需要将钻柱起出井眼（见图2） 。图 2 套管钻井下部结构总成1- 下入、回收工具；2-轴向键（插入套管槽短节） ；3- 止推键（置于套管的止推台肩） ；4-扭矩锚；5-扩孔器；6- 钻头；7-锚定和密封总成（包括旁通阀） ；8-可加接泥浆马达；9-套管锁定槽短节；10- 扶正器；11-扭矩锚短节；12- 套管鞋。底部钻具组合由导向钻头和底部扩眼器构成，底部扩眼器作用是扩大井眼以便使“钻管“顺利通过，所钻的井眼能为“钻管“ 和后期固井提供足够的空间。在定向钻井时，底部钻具组合由一套弯外壳井底马达和随钻测量工具组成。其他设备如随钻录井或取芯工具也可下入，并能完
5、成任何常规钻井中需用钻柱来运送下入的作业。底部钻具组合进入下部的锚定装置，可与专用套管接头一起导引进入井眼，固定于锚定装置上的弹性锁销键与套管上的键槽短接相啮合。这套锚定装置主要用来传递钻压和承受下部钻具到套管上的钻进载荷。扭矩传递键嵌入套管上的扭矩凹槽短接内，用来提供旋转和传递套管到底部钻具组合的钻进扭矩。固定于锚定装置上的密封件用来封阻钻进中底部钻具组合猫定装置周围的液流。一套旁通系统使钻井液实现循环，并阻止底部钻具组合起下时刮削井眼和粘卡套管。装在钻具底部的钻头,用 PDC 切削齿镶装或碳化钨切削片镶装，以保证在套管进入之前钻出一个足够大的井眼，使套管顺利通过。钻头也被设计成有利于底部钻
6、具在起下通过套管时顺利收回。一套特制的坐挂收回工具用于底部钻具组合安放和收回。一套转环用于防止电缆旋转，以便在套管旋转时电缆不转。一 套 紧 急 脱 扣 接 头 ， 它 在 电 缆 张 力 达 到20000 磅 时 即 可 脱 离 。 一 旦 因 井 眼 缩 径 需 要 断 开 时 ， 可 在 紧 急 情 况 下 直 接 拉 脱,与锁定机构脱离。利用泵压坐挂的工具设计和试验取得了较好进展，并且利用电动机械使坐挂工具收回的构想，将在未来得到应用。套 管 钻 机利用特制钻机或改进常规钻机,均可以实现套管钻井。目前，该系统与一台特制钻机进行了配套应用，以检验该套系统的性能及套管钻井的最大效率。在钻井
7、过程中,需要一套专门设备,来解决套管操作和电缆对底部钻具组合的收放问题。为实现套管钻井，需要一套顶部驱动装置。另外，天车和游车应能很容易地使电缆能有效地通过电缆防喷器而进入套管顶部。为使底部钻具组合能顺利地下入和起出，需要一套较大的电缆装置及套管夹持工具。Tesco 钻井技术部门已制造出 3 台钻机，它们是经改装而组合的套管钻井和常规钻井钻机。四分之一基于原来的结构，它的设计是为满足套管钻井的需要。另外,上面提及的所配钻机,还包括其他特点，目的是整个钻井过程中实现更高工作效率。这些钻机设计应具备钻井泵的水功率、绞车、顶驱和电缆装置，减少设备重量，同时优化与之相配合的顶驱设计。所有这些设备的操作
8、均通过逻辑程序由计算机来控制。以最大限度地减少因人为操作而产生错误的隐患，优化设备工作性能，减少人力需求，方便数据采集。采用 5/8 英寸单股电缆的最大承拉能力为 42000 磅，这是非常适合商业需要的。电缆滚筒作为钻机的一个独立部件，被安装于绞车主机旁。采用液压和计算机来控制，可让司钻在其控制室内操纵电缆进行工作。液压驱动绞车类似电缆滚筒的刹带，它可控制钻柱运动，而不通过离合器释放钻柱。这就便于建立一个强有力的自动化钻进系统，同时也是研究钻头自适应控制系统的第一步。通过它可解释有关振动的动力学条件、套管与井眼接触状况、钻头与地层的相互作用、钻井液马达载荷以及其他动态不稳定因素的问题。套管钻井
9、技术最初预期的商业应用，是用于钻井费用相对较低的陆地钻井。因为这些井钻得很快，需要频繁搬迁，导致搬迁费用的大大增加。组装的套管钻机设计成能装入集装箱中，并能用标准拖拉机和现场多用机进行很快搬迁和组装。目前建造的套管钻机被装在拖车上，在设计中考虑使其载荷均布，以便实现其在加拿大内经常搬迁。套 管 钻 井 工 艺 中 的 许 多 特 殊 性 ， 要 求 设 计 的 钻 机 要 轻 。 套 管 作 为 一 个 单 根 从 钻 杆 架 上 提 起 ， 而 就 不 需 要 二 层 平 台 、立根盒以及常规钻机所需的重型井架。短小的井架减轻了风载及所需考虑的轻型井架底座的结构。套 管 钻 井 所 用 的
10、套 管 比 常 规 钻 井 所 用 的 钻 杆 和 钻 铤 的 内 径 大 ， 从 而 大 大 地 减 轻 了 液 流 阻 力 ， 因 此 套 管 钻 井 可 用 小 型 钻 井 泵 。而且较大外径的套管也比钻杆在低流速下,更能实现足够的环空上返速度。总的说来：该套管钻机轻便，有利于搬迁；只需要较少的投资成本；不用电力；只需要较小的钻井队伍。研 究 与 试 验 过 程套管钻井系统在 Tesco 的 Calgary 钻井现场进行了 2 口井的全规模试验。 分别采用 9 5/8、7 5/8、7、5 1/2和 4 1/2尺寸的套管进行钻井，总深度为 9100 英尺，并模拟了直井和定向钻井。通过试验证
11、实，套管钻井的基本理论是正确的，同时也暴露出许多有待改进之处。第一口试验井采用了 9 5/8、7 5/8和 5 1/2套管柱钻各井段，钻达深度为 3040 英尺。后来，这口井被回填，再用 5 1/2套管进行定向侧钻至井斜 86 度。该井再次回填并开窗侧钻，第二次造斜段扭方位 45，并造斜至 60 度。通过两次定向钻井，开始摸清了用套管钻井系统钻定向井的工作性能。第二口试验井连续定向钻井。第一井筒的造斜点位于井深 1738 英尺处，用 7套管以 8/100ft 的造斜率钻达 3100 英尺。用 4 1/2套管于 1640 英尺处开窗侧钻，另钻一个造斜、稳斜降斜的 S 型井眼至 2440 英尺。1
12、 套管连接最初的套管连接要使其经得起钻井过程中的扭转、轴向和弯曲载荷的考验，并使用于起下工具的电缆不受扭曲。另外，套管连接还应较好地满足钻井操作特点，包括便于钻机的操作、重复组装以及完井之后保持足够的压力。采用各种连接规范的几口井和套管已得到了试验。在第一口试验井选择了无接箍优质的完整连接，并已通过了单星技术有限公司（Lone Star Technologies Ins.）疲劳性能试验。这种连接性能理应是很好的，但由于操作和经济上的考虑只在钻第一口直井时使用。第二次选择（CNV-BTC）连接，是一种梯型螺纹剖面，其内装有承压密封圈，以提高其抗拉和密封性能。曾下入带和不带外部斜台肩的标准重量和具
13、有特定间隙的接箍。接箍被装在具有特制配合螺纹管套管的端部，以防止在钻井过程中再次紧扣或卸开连接时松扣。公扣螺纹被圆滑地加工并涂以硫化层，以防止上卸扣时擦伤螺纹。CNV-BTC 型接箍经过后来的测试证明配合得很好，只在第二口试验井的水平井段 7套管上发生了一次联接失效。典型的疲劳破坏发生于弯曲成 15 度/100 英尺狗腿的 K55CNV-BTC 型连接的公扣螺纹根部。通过检查发现，其它形式的套管连接没受到任何损伤，甚至没发生任何疲劳。减轻狗腿严重度、使用高强度标准厚度的接箍，均可减小应力集中，提高抗疲劳性能。2 钻头和下部扩孔器性能使用套管和有线可收回工具的钻井，需要一套足够小以致于能通过套管
14、的切削机构，同时还要求所钻井眼大于套管外径，这就必需在小领眼钻头后面加装一个下部扩孔器。分别进行了牙轮钻头和 PDC 钻头用做领眼钻头的试验。另外也另分别对两只和三只臂的 PDC 齿扩孔器进行了试验。其中有几趟钻只用套管上的钻鞋钻进，而不需用扩孔器钻进。在第一口直井钻井试验期间，对用铣齿钻头、钻铤和钻杆的常规钻具组合的钻速与用套管钻具组合的钻速进行了对比。3 底部钻具组合的下入和回收在试验期间，底部钻具组合的下入和回收系统经过几次反复试验的结果证实，它是钻直井的更加有效的系统。其解决的主要问题包括：（1） 功能可靠的旁通系统；（2） 充分地适应下入工具和套管中的钻具组合；（3） 一套足尺寸正向
15、止推可靠的锚定系统；（4） 实现有效的密封，保证岩屑不被泵入工具周围。还需要一定数量而有经验的操作者，甚至在有线机械系统充分地工作之时，也能保证可靠地操作该系统。在大斜度定向钻井中，一套泵送坐挂和回收的系统是很必要的。在日前进行的定向钻井试验中，套管需反复拉回直到套管鞋坐于足够低的斜度（约 30 度） ， 使有线系统能成功地工作。 一套泵送系统已经设计出来，但还未进行试验。4 地层评价除非把套管需上提到测井所认为重要区域之上，否则在钻井进行中，连续套管就会妨碍常规有线测井工具在裸眼段的测井。以后已能在下套管的井内进行测井，或在钻进中进行连续测井。在许多情况下，套管钻井系统将用于开发井。在已开采
16、的地区，已有的地层评价程序可用来弥补套管钻井的需要。由于较快的上返速度，使岩屑标本的采集在测试程序中不难实现。一套常规的取芯筒下到钻柱锁定装置之下，通过旋转套管与取芯筒将一段 25 英尺的岩芯切割下来。岩芯完全与操纵线脱离，与常规的取芯方法相比减少了取芯作业时间。5 固井与起钻由于套管没有浮箍，一旦水泥浆到达套管坐挂深度时，也不能截住水泥浆隔离塞。前置隔离塞会被替出套管底部，但顶替隔离塞则必须坐挂于套管内，其作用如同浮箍。经过摸索，设计了几种不同的塞子以期能坐挂于套管内的预定位置，能承受上下压力，并易于钻掉而不会残留于井眼内。采用复合材料制作的塞子，可实现这两个目的，使残留于井眼内的遗留物也不
17、多。使用复合材料制作塞子的结果，使我们大受鼓舞，但仍然有许多有关塞子制作和如何钻掉的工作有待去研究。用于侧钻的底部水泥塞不难放置。每段水泥塞约长 330 英尺，前后用水分隔并泵到预定位置。钻管提升至水泥塞上面，然后反向循环并采用固井质量测井来证实塞顶的位置。6 定向钻井能力在试验期间，用套管钻井系统共钻了四个定向井段。一般定向装置包括钻头、底部扩眼器、弯外壳钻井液马达、MWD、柔性钻具和钻井锚定机构，采用了 7和 51/2套管柱钻定向井段。其造斜率比常规定向装置所期望的稍强些，并且在相邻定向井段的顶部也能钻出高造斜率的井段。采用定向控制不难，而且井眼的扭方位也不比常规导向马达费力太多。在造斜操
18、作中，模拟造斜和扭方位及开窗侧钻都很成功。在较大斜度条件下，可看到飘移和旋转间钻速的正交变化，但既使在第二口井飘移出 90 度情况下，也没有太大的难度。一个预期不到的结果是，在旋转状态下定向装置的造斜角比预期大，与常规的导向马达装置性能相比，在较大斜度下比预期的飘移更小。少量操作问题必须解决,当底部扩眼器旋转出井底时，在井眼内容易产生台肩，这在泵送 MWD 测量仪时可发现。故在最初的两个定向井段钻进中，套管曾被阻卡了好几次。总的来看，套管钻井系统在定向钻井试验中均发挥了较好的作用，7套管柱能钻得相对较高的造斜率井段。7 钻井液和水力试验在钻试验井中，均采用水基钻井液，并采用不同的聚合物添加剂来
19、保证其粘度和粘土的稳定。在第一口直井钻井中，其环空返速约为 120130 英尺/分，而在第二口钻井中，其环空返速升至 300 英尺/ 分。在低返速时，不存在井眼净化问题；在高返速时，也不会对井壁产生冲蚀。第一口井遇到了一些钻头泥包问题。但这些只能归咎于较低的返速和钻头及扩眼器的结构设计。潜 在 费 用 的 节 约实践证明，在套管钻井试验中，套管钻井没有任何麻烦，并能节约钻井费用 1015%。对于相对较快的陆上钻井，我们可认识到，从更有效的钻机搬迁和消除与起下钻有关的井眼问题，则能节约总费用的 30%。在日费很高的海上钻井，通过节省时间可达到最有效的应用，并能钻进很深的地层。另外，此技术也避免了
20、在起下钻操作中所引发的井眼稳定问题。最终，将省去下全部套管柱作业的可能性是完全存在的。参 考 文 献(1)Santons,Helio,Placido,J.C.R,.and Wolter,Claudio,“Consequences and Relevance of Drill string Vibration on Well bore Stability.“SPE/IADC paper 52820,prensented at the SPE/IADC Drilling conference,Amsterdam,Mar.9-11,1999.(2)Laruent,Michael,Angman,Per
21、,and Oveson,Dale,“A New Generation Drilling Rig:Hydrulic Powered and Computer Controlled,“paper NO.99-120,presented at the CADE/IADC Spring Drilling conference,Apr.7-8,1999.(3)Tessari,R.M.,and Madell,Garret,“Casing Drilling-A Revolutionary Approach to Reducing Well Costs,“SPE/IADC paper 52789,presented at the SPE/IADC Drilling conrerence,Amsterdam,Mar.9-11,1999.(4)Tessari,R.M.,Madell,Garred,and Warren T.M.,“Casing Drilling-A Revolutionary Approach to Reducing Well Costs,“paper No.99-121,presented at the CADE/IADC Spring Drilling conference,Apr.7-8,1999.
