第9講套管鉆井技術

第九講套管鉆井技術CasingDrilling1一、引言套管鉆井是指使用套管或尾管作為鉆柱進行鉆進，在一個鉆井過程中同時完成鉆井與固井作業(yè)。套管鉆井技術的最初目的在于處理復雜地層，如易坍塌段、壓力異常段、鹽膏巖地層等，套管只要鉆過該段，封隔住復雜段，即達到目的。與其他技術一樣，套管鉆井技術也是因需要而產(chǎn)生的，淺層氣、鹽丘上下的碎石層、薄弱的衰竭產(chǎn)層產(chǎn)生的許多問題可以應用套管鉆進技術予以解決。2④套管鉆井方式：一、轉盤驅動系統(tǒng)，底部帶有一個特殊的鉆頭；二、馬達驅動系統(tǒng)，可帶擴眼器；三、套管下面使用一次性馬達,鉆井作業(yè)完成后，把它留在井內。⑤套管鉆井是降低鉆井成本解決鉆井問題的有效方法。目前多數(shù)套管鉆井都集中于鉆直井，但定向套管鉆井系統(tǒng)也獲得發(fā)展并已投入商業(yè)運營。3套管鉆井技術并不是一個新的概念，早在50年代許多陸上鉆井公司用油管鉆生產(chǎn)井，鉆達油氣層后對油管進行固井作業(yè)，鉆頭留在井下的方式，可以說是套管鉆井技術的開始。而真正利用套管進行鉆井作業(yè)始于1990年，并在其后得到快速發(fā)展。套管鉆井技術可以應用于各種直井、定向井、水平井和開窗側鉆井中，所用套管尺寸φ114.3mm～339.7mm，井深已超過2000m。4套管鉆井技術的優(yōu)勢1、縮短了完井周期，2、減少井下事故，3、改善井控狀況，4、保持起下鉆時鉆井液的連續(xù)循環(huán)，5、改善水力參數(shù)、環(huán)空上返速度和井筒清洗狀況。6、可以減小鉆機尺寸，簡化鉆機結構、降低鉆機費用。7.節(jié)省與鉆桿和鉆鋌有關的采購、運輸檢驗、維護和更換等過程有關的大量人力、物力與費用。8、若在鉆穿產(chǎn)層井段使用，由于可直接進行固井作業(yè)，大大減少了鉆井液對儲層的浸泡時間，可降低鉆井作業(yè)對儲層的傷害，有效地保護油氣層。5

因此，從技術和經(jīng)濟兩方面，該項技術已經(jīng)出現(xiàn)強勁的發(fā)展勢頭，正日益引起國內外石油工程界的關注，具有廣闊的發(fā)展前景,甚至有國外公司將該技術稱為繼頓鉆、旋轉鉆井后鉆井發(fā)展的一個新紀元。6

由于套管鉆井沒有起下立柱的問題，因此，鉆機高度可以降低到20米左右，并且結構也可以簡化。二、套管鉆井設備

1、套管鉆機71套管鉆機※安裝了一個鋼絲繩起升系統(tǒng)，能夠下入和起升井下工具串?！惭b了一個分離的游動滑車、天車、以及頂驅，以有助于通過套管下入鋼絲繩?！陧旘屔厦姘惭b了一個鋼絲繩防噴器和鋼絲繩密封裝置?！黾恿颂坠軍A緊驅動頭。82、井下工具串

套管鉆井鉆具的主要構成有套管、扶正器、軸向承載殼體、承扭殼體、套管鞋、密封器、軸向鎖定器、止位環(huán)、扭矩鎖定器、擴眼器、鉆頭等，這些工具與常規(guī)鉆桿鉆井工具不同或者技術參數(shù)要求不同，它們構成了套管鉆井獨特的技術特征。套管扶正器套管鎖定短節(jié)套管扭矩短節(jié)套管鞋下井和回收工具密封器軸向鎖定器止銷扭矩鎖定器泥漿馬達擴眼器鉆頭9三、套管鉆井技術

1、表層套管鉆井技術套管鉆鞋介紹鉆鞋冠部中心部分由鋁合金制成，為各種鉆頭可鉆式。刀翼前緣由熱穩(wěn)定金剛石切削元件和高密度碳化鎢組合構成。刀翼外緣鑲有PDC切削齒該工具類似PDC鉆頭，能在低鉆壓的條件下快速鉆進，具有低鉆壓高扭矩的特性102、技術套管鉆井系統(tǒng)

Tesco套管鉆井系統(tǒng)以常用的油田生產(chǎn)套管作為鉆桿同時進行鉆井和下套管作業(yè)。套管把水力能和機械能傳遞給懸掛在套管底部接箍上的下部鉆具。組合鉆具上部的鉆井鎖（DLA）把鉆具與套管進行機械連接（軸向和扭矩）和液壓密封。同時在套管柱處安裝了一個嵌入和取出的機械裝置。鉆具組合的最下部是導向鉆頭，有時也可能包括其它常規(guī)鉆柱組件，如管下擴眼器、泥漿馬達、取心工具或導向系統(tǒng)等。11套管

在套管鉆井中，希望套管有足夠的抗扭能力，因為整個鉆井的旋轉機械能量都是由它來傳遞。一方面要使套管絲扣有較大的承扭能力，另一方面要保證不能因為絲扣的改進，使套管的成本有較大的提高。

從表上可以看出，對于尺寸相當?shù)奶坠芎豌@桿，其最大屈服扭矩基本相同，因此，用套管代替鉆桿連接絲扣強度可以達到工程要求。12套管扶正器套管扶正器主要用來防止套管及套管接箍磨損，同時還可以起到便于注水泥和輔助清除巖屑，減少套管與井壁的接觸力和套管的彎曲的作用。13套管與套管扶正器14井下鎖定裝置

井下鎖定裝置是套管鉆井技術中最具特色的技術，它具有的功能是：當鉆進時，井下工具串要鎖定在套管上，不得有轉動和軸向竄動。當起鉆頭時，鎖定器都要解鎖，井下工具串從套管內打撈到地面。15套管鞋

在套管柱最下端應安裝套管鞋。該套管鞋主要用來處理井下工具串卡鉆事故。當井下工具串卡在井下時，通過鋼絲繩打撈矛使套管與井下工具串脫開，旋轉套管柱進行套銑作業(yè)。直至使井下工具串卡點被套銑掉，整個工具串才能提出井口。16密封器密封器用來實現(xiàn)井下工具串與套管柱之間的密封。圖為密封膠套，它隨井下工具串一起下入到井底，并與套管柱貼緊，從而實現(xiàn)對泥漿的密封。17鉆頭、擴眼器、鉆鞋在套管鉆井中，要求鉆頭既能通過套管內徑，又要鉆出比套管接箍外徑大的井眼。因此，鉆頭必須具有變徑功能。即在提升、下放時鉆頭尺寸小于套管內徑，在鉆進時鉆頭尺寸大于套管接箍外徑。采用領眼鉆頭加擴眼器的方式來實現(xiàn)鉆頭的變徑功能。領眼鉆頭和擴眼器有牙輪和PDC兩種形式。目前，PDC領眼鉆頭和PDC擴眼器配合使用可獲得更高的機械鉆速，使用壽命也高于牙輪鉆頭和牙輪擴眼器。鉆鞋是指在擴眼器本體上鑲嵌的PDC牙齒，它使領眼鉆頭切削尺寸合理地過渡到擴眼器切削尺寸，使擴眼器使用壽命與領眼鉆頭使用壽命更加接近。

18鉆頭與擴眼器牙輪鉆頭配擴眼器19套管鉆井工藝過程鉆進起鉆下鉆固井20該套技術現(xiàn)場應用情況1）套管鉆井系統(tǒng)與常規(guī)鉆井系統(tǒng)的鉆井時間大致相同；2）在20多口井的作業(yè)中，工具串起下的成功率為70%；3）在早期的試驗中，套管出現(xiàn)磨損；采用了前文所述的套管扶正器后，克服了這一問題；4）套管鉆井與常規(guī)鉆井系統(tǒng)相比，鉆柱工作的更加穩(wěn)定。21（二）、威得福套管鉆井系統(tǒng)：

威得福套管鉆井系統(tǒng)與Tesco套管鉆井系統(tǒng)原理及設備基本相同，只是威得福套管鉆井系統(tǒng)更側重表層（或技套）的施工，立足于一只鉆頭打完全部進尺。其所用PDC鉆頭為特制，胎體由易鉆材料制成，通過一個特殊裝置（丟手）與套管相接。套管內可預先放置易鉆固井浮箍（簡易承托環(huán)），鉆至預定井深后，利用特殊裝置將下部鉆頭脹裂落入井底，然后進行固井作業(yè)。下次開鉆時可將鉆頭體方便的鉆碎，由鉆井液攜帶到地面排除。而進行生產(chǎn)層鉆井時鉆頭可直接與套管下部接箍連接，鉆至設計井深后和生產(chǎn)套管一起進行固井，不必與套管分離。22國外的可回收式套管鉆井系統(tǒng)應用領域廣泛，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，但其對工藝技術水平要求嚴格，且成本較高（國外一套設備價格大約在2000—3000萬元之間，且多數(shù)公司只提供設備及技術服務），目前尚屬于試驗階段，且成功率也不是令人滿意。如Tesco公司在20多口井的作業(yè)中，工具串起下的成功率也只有70%。因此，國內可在現(xiàn)階段針對不回收式套管鉆井進行研究，主要側重于以下兩方面：三、套管鉆井技術在國內推廣試驗的幾個方向231、針對表套、技術套管鉆井，研究采用一只鉆頭打完進尺的可鉆式PDC鉆頭，該項技術可在海上鉆井、沙漠鉆井中進行廣泛的推廣應用。在上述地區(qū)采用套管鉆井技術，可節(jié)約鉆井時間，且避免了海上平臺（沙漠）鉆表層套管起鉆后下套管因無法找到原井眼而失敗的事故。24四、套管鉆井技術國產(chǎn)化的裝備配套研究

鑒于國外套管鉆井技術為使用有頂部驅動裝置的鉆機，對鉆井設備要求比較嚴格，且其設備、技術多只提供服務的情況，國內進行套管鉆井應立足于國內鉆井設備實際情況，以采用常規(guī)鉆機，通過轉盤傳遞扭矩為前提，主要需研制以下設備（工具）。25在套管鉆井中，套管被用來傳遞扭矩。轉盤的扭矩如果直接由套管扣來傳遞，就有可能造成套管絲扣的損壞。因此，在方鉆桿與套管柱上端之間設置了套管驅動頭。套管直接與套管驅動頭連接，由內部卡瓦加緊，鉆機的扭矩由方鉆桿傳到套管驅動頭上，再由套管驅動頭傳到套管上，套管的絲扣不參加扭矩的傳遞。套管驅動頭有三個功能，一是起到起升作用，二是傳遞扭矩，三是密封鉆井循環(huán)泥漿。1、套管夾緊驅動頭26圖1吉林套管驅動頭設計簡圖27圖2機械所套管驅動頭設計簡圖28進行套管鉆井時，如地質部門要求必須進行主力油層的裸眼測井時，在套管柱下方與