套管钻井技术进展和前景.pdf

～ l 6 6 ～ 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第 3 9卷第 l O期 ． I 专题综述 套管钻 井技术进展和前景 贺 涛 张宏英 罗西超 高建 平 i 北京石油机械厂 摘要 在 简述套管钻井技术的特点以及与常规钻杆钻井相 比具有的优势，详细介绍 了T e s c o 公司的可回收式钻具组合套管钻井技术及最新的尾管钻 井技术 ，分析 了这 2种钻井技术配套装备 的结构组成及工作原理。最后简要介绍了我国套管钻井技术的发展，并结合北京石油机械厂 的顶 驱下套管技术，探讨 了套管钻井技术在我国的应用前景和推广价值。 关 键词 套 管钻 井 尾 管钻 井 导 向套 管钻 井 顶驱 0 引 言 套管钻井用套管来代替钻杆钻井 ，是一种钻井 与下套管同时进行的全新的钻井工艺技术 。常 规的钻井方法是通过钻柱将扭矩传输至钻头 ，从而 切削岩层 ，实现钻进。当钻至预定井深或者需要更 换钻头和井底钻具组合时需要起出井 内钻柱。而套 管钻井采用顶驱装置或转盘驱动套管传输扭矩到套 管底部的钻头和可膨胀式扩孔器实现钻进 ，使钻井 和下套管作业 同时进行 ，完钻后套管留在井内直接 固井 。 目前从事套管钻井技术研究推广的国外公司主 要有加拿大的 T e s c o 公司以及美国的 We a t h e r f o r d和 B a k e r H u g h e s 等公司。虽然国内很多油 田和单位也 在相关领域进行了研究和试验 ，但尚未推广应用 1 套管钻井技术的优势和发展 套管及尾管钻井技术在过去 1 0年间取得 了很 大的进展 ，逐步走向成熟 。与常规钻井相比，套管 钻井 主要具有 以下优 点 。 节 省起 下钻 时 间 ；提 高井身稳定性和井身质量 ，节省洗井时间 ；减少井 下事故 ；改善井控状况 ；有效保护储层 ，提高单井 产能；节省与钻具有关的采购 、运输 、检验和维护 等带来的费用。特别是在易漏失层 、松软地层和孔 隙压力变化大的地层，套管钻井具有相当明显的优 势 。2 0 1 0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 We a t h e r f o r d公 司 的主 打技 术。这 种钻 井 系统 使 用一 种称 为 钻鞋 d r i l l s h o e 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 T e s c o 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 ，T e s c o 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。 2 T e s c o公 司的套管钻井技 术 2 ． 1 可回收式钻具组合套管钻井技术 如图 1所示 ，井下可回收式钻具组合系统 由起 下 工 具 、井 下 钻 具 组 合 和 坐 底 套 管 3部 分 组 成 。 一 。 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 l 0期 贺 涛等 套管钻井技术进展和前景 起下工具包括 打捞矛 、震 击器和加 重杆等工 具。其中打捞矛可以与井下钻具组合连接 、锁紧和 松开 ，用来将井下钻具组合坐放到井底的坐底套管 上 或者 起 出井 下 钻具组 合 。 1 置蹿嘲躅 a 起下工 具和 井下 工具组 台 9 1 0 l 2 1 3 14 a 套 管 钻 井 总 成 图 1 T e s c o公 司 的 井 下钻 具 组 合 1 一起下工具；2 一轴 向锁定器 ；3 一止销 ；4 一扭矩锁定器 ； 5 、 1 3 E 扩眼器 ； 6 一钻头 ； 7 一接头 ； 8 一耐磨环 ； 9 一 套管 ； 1 O 一 套管锁定短节 C P N ； 1 1 一扶 正器 ； l 2 一 套管鞋 ； 1 4 一钻 头 。 井下钻具组合包括钻头、扩眼器 、钻井锁 、稳 定器 、液压马达 、随钻测 量仪器 和旋 转导 向系统 等。钻井锁是井下钻具组合的核心部件 ，由轴 向锁 定器、扭矩锁定器和定位止销组成 ，可以在套管柱 与井底钻具组合之间传递扭矩和轴向载荷 。 坐底套管位于套管柱末端 ，由扶正器 、套管锁 定短节和套管鞋等组成 。 钻进时 ，井下钻具组合通过钻井锁锁定在坐底 套管的锁定短节上，形成套管钻井总成。用套管和 可回收式钻具钻井时 ，要求切削结构要小到能够穿 过套管同时又能钻出比套管外径大的井眼，这是通 过小直径 的领 眼钻头 和后 面的管下扩 眼器来 完成 的。管下扩眼器的切削齿采 用 P D C切削元件 ，在 下人和回收过程中，切削臂处于收缩状态 ，可以顺 利通过套管 ；在 钻井液压力 的驱动下 ，切 削臂张 开。当需要取 出井底钻具组合 时，收缩管 下扩 眼 器 ，通过钢丝绳起下工具将井底钻具组合起 出，而 坐底套管 留在井下。另外 ，套管钻井需要应用强度 较高的特殊螺纹套管 以避免套管螺纹受损。 据 T e s c o公 司介 绍，截至 2 0 1 0年底 ，可 回收 式钻具组合套 管钻井技术 已经在 6 0 0多处井段 应 用 ，其中包括中东 、亚太和北美等地区，证明了套 管钻井在松软地层和易漏失地层应用 的优势 ，提高 了这些区域的钻井成功率 ，缩短了建井周期 ，得到 了用户的好评 。 另外 ，T e s c o 公司与 S c h l u m b e r g e r 等公司合作 ， 将套管钻井技术和随钻测量 、旋转导 向技术集成 ， 形成了导 向套管钻井技术 。导 向套管钻井技 术 已经在美 国德州南部、欧洲北海和南美等地区成功 应 用 ，套 管 直径 为 1 3 9 ． 7 3 3 9 ． 7 mm，能够 适 应从 直井到水平井的各种井型。 2 ． 2 尾管钻井技术 尾管钻井是套管钻井的一种类型，通常指常规 钻井工艺钻到一定井深后 ，用钻柱与尾管钻井系统 连接进行钻进 ，完钻后通过钻杆将尾管内的井下工 具取 出，而尾管 留在井底固井的工艺。尾管钻井作 为套管钻井技术的延伸 ，为衰竭油气藏和大压差地 层的钻井施工提供了一种有效的钻井方法 ，尤其对 存在井壁坍塌等复杂情况的深井 ，使用尾管钻井技 术具有重要 意义 J 。另外 ，尾 管钻井技术 也可 以 有效地控制海上钻井的浅层流体 、松软表层和不稳 定层 。 T e s c o 公司的尾管钻井系统如图 2所示 ，主要 包括钻杆接头、尾管下人工具 、可重复悬挂式尾管 悬挂器和套管锁定短节等结构。在工作 中，平台操 作人员根据预先计算好 的尾管悬挂深度 ，在井 口连 接套管柱并通过套管卡瓦悬挂在井口，然后钻柱通 过钻杆接头与尾管钻井系统连接并通过钻井锁机构 锁紧，将尾管钻井系统下入井内并开始钻进。当需 要更换钻头或者固井前需要 回收井下工具时，通过 可重复悬挂式尾管悬挂器将尾管柱悬挂在套管内壁 上 ，回收井下工具。可重复悬挂式尾管悬挂器的悬 挂次数应该不少于 3次。T e s c o 公 司就这项技术 申 请 了专利 ，但 目前还没有进行商业应用 。 图2 T e s c o公 司的尾管钻 井系统 1 一钻杆接头 ；2 一尾管下人工具 ；3 一可重复悬挂 式尾管悬挂器 ； 4 一尾管接人点 ； 5 一套管锁定短节。 3 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 3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 。2 0 1 0年 5月 ，北 石 顶 驱 下 套 管 装 置 在四川门西 0 0 1一H 3井套 管 回接过程 中进行 了成 功 应用 1 0 ] ，如 图 4所 示 ，整个 作 业 过 程 中套 管 旋 一 1 6 8一 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 O期 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。 图 3 北石顶驱 下套 管装置 1 一井架 ；2 一大钩 ；3 ～顶驱 ；4 ～ 顶 驱下 套管 装 置 ； 5 一 动力 卡 瓦 。 图 4北 石 顸驱 下套 管装 置 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 ， 可 覆 盖 的套 管 包 含 油 管 尺 寸 范 围是 表 1 北石顶驱下套管装置技术参数 0 ． 3～ 5 0 8 ． 0 m m，其中 6 0 ． 3～1 3 9 ． 7 m m套管采 用外卡式下套管装置 ， 1 6 8 ． 3～ 5 0 8 ． 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 X T G 1 6 8型号的下套管装置作业范围就可 覆盖 1 6 8 ． 3～ 2 4 4 ． 5 m m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 出的动力传递至套管 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 国内套管钻井技术的发展及前景 展望 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l 1 ，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 8 6 3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 引、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。 根据 国外及我国前期套管钻井经验 ，套管钻井 目前在我 国油气资源埋藏较浅的地 区应该有 比较大 的应用前景 ，例 如在 我 国的渤海湾地 区和松辽地 区。另外 ，针对新疆准噶尔盆地彩南油田地 区存在 严重的易漏失地层 ，江汉平原地区存在大面积的松 软地层 ，也可以考虑采用常规钻井与套管钻井相结 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 O期 贺 涛等 套 管钻 井技 术进展 和前景 合 ，在某些井段使用套管钻井技术来保证顺利通过 这些松软易漏地层 ，从 而达到安全钻进及经济效益 最 大化 的 目的 。 5 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 陈维 荣 ，黄涛 ．国外套 管钻井 技术 的发展 和现状 [ J ]．石油钻探技术，2 0 0 2，3 0 1 1 61 8 ． R o b e r t T ，Ma d e l l G ．降低钻 井费 用的革 新方 法 套管 钻井 [ J ]．汪海 阁，译 ．国外 石油 机械 ， 1 9 9 9 ，1 0 4 91 8 ． 黄志潜 ．再谈套管钻井技术 及其 装备 [ J ]．国外 石 油机械 ，】 9 9 9 ，1 0 1 6 0 6 2 ． 沙东 ，王光奇 ，李健 ，等 ．套管 钻井技 术在 庄 海 5井 中 的应用[ J ]．石 油钻 探技 术 ，2 0 0 3 ，3 1 6 2 32 4 ． 马认琦，郭巧合 ，赵建刚 ． T E S C O套管钻井技术 [ J ]． 石油矿场机械，2 0 0 6 ，3 5 2 8 1 8 3 ． 陈维荣，孙家祥 ．可回收式井下钻具组合在套管钻 井中的应用 [ J ]．石油钻采工艺 ，2 0 0 2，2 4 1 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 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d v a n c e s i n t h i s y e a r ’ S b i t d e s i g n s [ J ] ． Wo r l d O i l ， 2 0 0 7 ，2 2 8 1 1 7 9 ． [ 7 ]L e a v i t t T ． S t e e ri n g f o r S u c c e s s b e n e a t h t h e s a l t [ J ]． O ff s h o r e ，2 0 0 8 1 ． [ 8 ] Mo e l l e n d i c k E ． C a s i n g d ri l l i n g i m p r o v e s m a t u r e fi e l d P r od u c t i o n， e l i mi n a t e s flu i d l o s s e s，di r e c t i o na l l y d r i l l s w e l l s[ J ]． D r i l l i n g C o n t r a c t o r ，J u l y ／ A u g u s t 2 0 0 8 7 6 7 9． [ 9 ] Wa r r e n T ，L e s s o B ． C a s i n g d i r e c t i o n a l d r i l l i n g[ C]． AADE 一05一NTCE一48． p r e s e nt e d a t t h e AADE 2 0 05 Na t i o na l Te c hn i c al Co n f e r e n c e a n d Ex hi b i t i o n， Ho us t o n， April 57，2 00 5． [ 1 0 ] 马清明，许俊良，王瑞和．石油钻井用机械式P D C 随钻扩眼工具的研制 [ J ] ．制造业自动化，2 0 0 6 ， 2 8 3 2 02 2 ． 刘乃震 ，丁文正 ，李壮 ，等 ． R WD一1 5 2型随钻 扩孔 工具 的研 制 与 应 用[ J ] ．石 油 机 械 ，2 0 0 7 ， 3 5 96 87 0 ． 第一作者简介 闫永宏 ，高级 工程 师 ，生 于 1 9 6 8年 ， 2 0 1 0年获西安交通大学工程硕 士学位 ，现从 事石 油钻采装 备的研究工 作。地 址 7 2 1 0 0 2 陕 西 省宝 鸡 市。 电话 0 9 1 7 3 4 6 2 8 6 5。Ema i l y y h b o mc o ． c n 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 81 9 本文编辑谢 守平 1 J 1 j]j 1 j 1 J 1 j l 2 3 4 5 6