第9講套管鉆井技術(shù)

第九講套管鉆井技術(shù)CasingDrilling1一、引言套管鉆井是指使用套管或尾管作為鉆柱進(jìn)行鉆進(jìn)，在一個(gè)鉆井過(guò)程中同時(shí)完成鉆井與固井作業(yè)。套管鉆井技術(shù)的最初目的在于處理復(fù)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(guò)該段，封隔住復(fù)雜段，即達(dá)到目的。與其他技術(shù)一樣，套管鉆井技術(shù)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(wèn)題可以應(yīng)用套管鉆進(jìn)技術(shù)予以解決。2④套管鉆井方式：一、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，底部帶有一個(gè)特殊的鉆頭；二、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可帶擴(kuò)眼器；三、套管下面使用一次性馬達(dá),鉆井作業(yè)完成后，把它留在井內(nèi)。⑤套管鉆井是降低鉆井成本解決鉆井問(wèn)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(yùn)營(yíng)。3套管鉆井技術(shù)并不是一個(gè)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(dá)油氣層后對(duì)油管進(jìn)行固井作業(yè)，鉆頭留在井下的方式，可以說(shuō)是套管鉆井技術(shù)的開(kāi)始。而真正利用套管進(jìn)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(shù)可以應(yīng)用于各種直井、定向井、水平井和開(kāi)窗側(cè)鉆井中，所用套管尺寸φ114.3mm～339.7mm，井深已超過(guò)2000m。4套管鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(shí)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(jī)尺寸，簡(jiǎn)化鉆機(jī)結(jié)構(gòu)、降低鉆機(jī)費(fèi)用。7.節(jié)省與鉆桿和鉆鋌有關(guān)的采購(gòu)、運(yùn)輸檢驗(yàn)、維護(hù)和更換等過(guò)程有關(guān)的大量人力、物力與費(fèi)用。8、若在鉆穿產(chǎn)層井段使用，由于可直接進(jìn)行固井作業(yè)，大大減少了鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的浸泡時(shí)間，可降低鉆井作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層的傷害，有效地保護(hù)油氣層。5

因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，正日益引起國(guó)內(nèi)外石油工程界的關(guān)注，具有廣闊的發(fā)展前景,甚至有國(guó)外公司將該技術(shù)稱為繼頓鉆、旋轉(zhuǎn)鉆井后鉆井發(fā)展的一個(gè)新紀(jì)元。6

由于套管鉆井沒(méi)有起下立柱的問(wèn)題，因此，鉆機(jī)高度可以降低到20米左右，并且結(jié)構(gòu)也可以簡(jiǎn)化。二、套管鉆井設(shè)備

1、套管鉆機(jī)71套管鉆機(jī)※安裝了一個(gè)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(gè)分離的游動(dòng)滑車、天車、以及頂驅(qū)，以有助于通過(guò)套管下入鋼絲繩?！陧旘?qū)上面安裝了一個(gè)鋼絲繩防噴器和鋼絲繩密封裝置?！黾恿颂坠軍A緊驅(qū)動(dòng)頭。82、井下工具串

套管鉆井鉆具的主要構(gòu)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(kuò)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(shù)參數(shù)要求不同，它們構(gòu)成了套管鉆井獨(dú)特的技術(shù)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(dá)擴(kuò)眼器鉆頭9三、套管鉆井技術(shù)

1、表層套管鉆井技術(shù)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(gòu)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(jìn)，具有低鉆壓高扭矩的特性102、技術(shù)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(shí)進(jìn)行鉆井和下套管作業(yè)。套管把水力能和機(jī)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(jìn)行機(jī)械連接（軸向和扭矩）和液壓密封。同時(shí)在套管柱處安裝了一個(gè)嵌入和取出的機(jī)械裝置。鉆具組合的最下部是導(dǎo)向鉆頭，有時(shí)也可能包括其它常規(guī)鉆柱組件，如管下擴(kuò)眼器、泥漿馬達(dá)、取心工具或?qū)蛳到y(tǒng)等。11套管

在套管鉆井中，希望套管有足夠的抗扭能力，因?yàn)檎麄€(gè)鉆井的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量都是由它來(lái)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?yàn)榻z扣的改進(jìn)，使套管的成本有較大的提高。

從表上可以看出，對(duì)于尺寸相當(dāng)?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(qiáng)度可以達(dá)到工程要求。12套管扶正器套管扶正器主要用來(lái)防止套管及套管接箍磨損，同時(shí)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(shù)中最具特色的技術(shù)，它具有的功能是：當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)，井下工具串要鎖定在套管上，不得有轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向竄動(dòng)。當(dāng)起鉆頭時(shí)，鎖定器都要解鎖，井下工具串從套管內(nèi)打撈到地面。15套管鞋

在套管柱最下端應(yīng)安裝套管鞋。該套管鞋主要用來(lái)處理井下工具串卡鉆事故。當(dāng)井下工具串卡在井下時(shí)，通過(guò)鋼絲繩打撈矛使套管與井下工具串脫開(kāi)，旋轉(zhuǎn)套管柱進(jìn)行套銑作業(yè)。直至使井下工具串卡點(diǎn)被套銑掉，整個(gè)工具串才能提出井口。16密封器密封器用來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)泥漿的密封。17鉆頭、擴(kuò)眼器、鉆鞋在套管鉆井中，要求鉆頭既能通過(guò)套管內(nèi)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(shí)鉆頭尺寸小于套管內(nèi)徑，在鉆進(jìn)時(shí)鉆頭尺寸大于套管接箍外徑。采用領(lǐng)眼鉆頭加擴(kuò)眼器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆頭的變徑功能。領(lǐng)眼鉆頭和擴(kuò)眼器有牙輪和PDC兩種形式。目前，PDC領(lǐng)眼鉆頭和PDC擴(kuò)眼器配合使用可獲得更高的機(jī)械鉆速，使用壽命也高于牙輪鉆頭和牙輪擴(kuò)眼器。鉆鞋是指在擴(kuò)眼器本體上鑲嵌的PDC牙齒，它使領(lǐng)眼鉆頭切削尺寸合理地過(guò)渡到擴(kuò)眼器切削尺寸，使擴(kuò)眼器使用壽命與領(lǐng)眼鉆頭使用壽命更加接近。

18鉆頭與擴(kuò)眼器牙輪鉆頭配擴(kuò)眼器19套管鉆井工藝過(guò)程鉆進(jìn)起鉆下鉆固井20該套技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況1）套管鉆井系統(tǒng)與常規(guī)鉆井系統(tǒng)的鉆井時(shí)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(yàn)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(wèn)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(shè)備基本相同，只是威得福套管鉆井系統(tǒng)更側(cè)重表層（或技套）的施工，立足于一只鉆頭打完全部進(jìn)尺。其所用PDC鉆頭為特制，胎體由易鉆材料制成，通過(guò)一個(gè)特殊裝置（丟手）與套管相接。套管內(nèi)可預(yù)先放置易鉆固井浮箍（簡(jiǎn)易承托環(huán)），鉆至預(yù)定井深后，利用特殊裝置將下部鉆頭脹裂落入井底，然后進(jìn)行固井作業(yè)。下次開(kāi)鉆時(shí)可將鉆頭體方便的鉆碎，由鉆井液攜帶到地面排除。而進(jìn)行生產(chǎn)層鉆井時(shí)鉆頭可直接與套管下部接箍連接，鉆至設(shè)計(jì)井深后和生產(chǎn)套管一起進(jìn)行固井，不必與套管分離。22國(guó)外的可回收式套管鉆井系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，但其?duì)工藝技術(shù)水平要求嚴(yán)格，且成本較高（國(guó)外一套設(shè)備價(jià)格大約在2000—3000萬(wàn)元之間，且多數(shù)公司只提供設(shè)備及技術(shù)服務(wù)），目前尚屬于試驗(yàn)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(guó)內(nèi)可在現(xiàn)階段針對(duì)不回收式套管鉆井進(jìn)行研究，主要側(cè)重于以下兩方面：三、套管鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)推廣試驗(yàn)的幾個(gè)方向231、針對(duì)表套、技術(shù)套管鉆井，研究采用一只鉆頭打完進(jìn)尺的可鉆式PDC鉆頭，該項(xiàng)技術(shù)可在海上鉆井、沙漠鉆井中進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用。在上述地區(qū)采用套管鉆井技術(shù)，可節(jié)約鉆井時(shí)間，且避免了海上平臺(tái)（沙漠）鉆表層套管起鉆后下套管因無(wú)法找到原井眼而失敗的事故。24四、套管鉆井技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的裝備配套研究

鑒于國(guó)外套管鉆井技術(shù)為使用有頂部驅(qū)動(dòng)裝置的鉆機(jī)，對(duì)鉆井設(shè)備要求比較嚴(yán)格，且其設(shè)備、技術(shù)多只提供服務(wù)的情況，國(guó)內(nèi)進(jìn)行套管鉆井應(yīng)立足于國(guó)內(nèi)鉆井設(shè)備實(shí)際情況，以采用常規(guī)鉆機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)盤傳遞扭矩為前提，主要需研制以下設(shè)備（工具）。25在套管鉆井中，套管被用來(lái)傳遞扭矩。轉(zhuǎn)盤的扭矩如果直接由套管扣來(lái)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(shè)置了套管驅(qū)動(dòng)頭。套管直接與套管驅(qū)動(dòng)頭連接，由內(nèi)部卡瓦加緊，鉆機(jī)的扭矩由方鉆桿傳到套管驅(qū)動(dòng)頭上，再由套管驅(qū)動(dòng)頭傳到套管上，套管的絲扣不參加扭矩的傳遞。套管驅(qū)動(dòng)頭有三個(gè)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(qū)動(dòng)頭26圖1吉林套管驅(qū)動(dòng)頭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖27圖2機(jī)械所套管驅(qū)動(dòng)頭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖28進(jìn)行套管鉆井時(shí)，如地質(zhì)部門要求必須進(jìn)行主力油層的裸眼測(cè)井時(shí)，在套管柱下方與