钻井下套管工艺的发展研究.pdf

钻井 下 套管 工艺的 发 展 研究 口刘勤志 - 口张国田 口王娜 口张宏英 口贺涛 1 ． 中国石油天然气集 团公 司 北京 1 0 0 0 0 7 2 ． 北 京 石 油 机 械 厂北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 介 绍了国内外下套 管作 业技 术及装备的发展概 况， 说明 了下套管工 艺的现状和 问题 。对就代表 目前下套管 作业技术装备发展水平的顶驱下套管装置 。 分别从 工艺流程 、 工艺特 点、 技术参数及现场应 用等 方面进行 了重点阐述。最 后就项驱下套管工 艺在 国内的推广前景进行 了展 望。 关键词 下套 管工艺 与流 程 技术参数 应用与发展 中图分类 - T H1 6 2 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 1 0 0 5 7 0 4 石 油 钻 井 工 程 是 石 油 工 业 中 一 项 为 石 油 天 然 气 增 储 上 产 而 开 辟 油 气 通 道 和 采 集 地 下 信 息 的 入 地 工 程 。 下 套 管 作 业 作 为 钻 井 工 程 中一 项 常 规 作 业 ．是 指 把 大 直 径 管 子 套 管 按 照 设 计 下 放 到 裸 眼 井 的 预 定 深 度 的 作 业 。 套 管 是 指 从 地 表 下 入 已 钻 井 眼 作 衬 壁 的 管 子 ， 根 据 下 入 阶 段 和 深 度 不 同 依 次 分 为 导 向 套 管 、 表 层 套 管 、 技 术 套 管 、 生 产 套 管 ／ 油 层 套 管 和 射 孔 段 等 ， 如 图 1所 示 。 在 石 油 钻 井 的施 工 过 程 中 ． 下 套 管 是 防 止 孔 壁 坍 塌 和 冲 洗 液 漏 失 等 孔 内 事 故 的 可 靠 而 有 效 的 措 施 其 中 ． 技 术 套 管 分 隔 油 气 水 层 示 意 图 见 图 2。 1 常用下套管方法 、作 为 大 多 数 钻 机 的 一 项 特 殊 作 业 ． 下 套 管 往 往 需 要 一 个 “ 套 管 工 作 队 ” 和 一 些 专 用 设 备 来 完 成 从 石 油 工 业 的 发 展 历 史 可 知 ． 国 内外 广 泛 采 用 过 如 下 几 种 下 套 管 方 法 [ 1 1 收稿 日期 2 0 1 2年 7月 机械制造5 1卷 第5 8 1 期 ① ODEX法 。② cHRI s T E Ns EN法 。③ S I M C AS 法 。④ C ABL E一 0一 C AS I NG法 。⑤ 双 回转 器下 套管 法 。 ⑥ 套 管 冲 击 器 下 套 管 法 。 以 上 6种 下 套 管 方 法 在 二 十 世 纪 后 期 的 国 外 局 部 钻 探 实 践 中 比 较 成 功 ．采 用 这 些 方 法 ， 无 论 钻 进 砂 砾 层 、 流 沙 层 、 大 厚 度 覆 盖 层 或 者 钻 井 遇 到 坍 塌 、 漏 失 、 破 碎 带 等 均 可 以 及 时 下 套 管 ， 保 证 施 工 的 正 常 进 行 。 ⑦ 转 盘 下 套 管 法 经 过 多 年 的 实 践 和 完 善 ． 国 外 在 二 十 世 纪 末 比 较 流 行 的 是 类 似 钻 柱 接 入 的 常 规 下 套 管 法 ．这 也 是 目前 国 内 应 用 最 广 泛 的 一 种 下 套 管 方 法 其 设 备 主 要 是 卡 瓦 型 套 管 吊 卡 和 气 动 及 液 压 动 力 套 管 钳 从 以 上 7种 方 法 中可 以 看 出 ． 它 们 均 能 够 有 效 地 将 套 管 单 根 组 合 在 一 起 ．但 悬 挂 在 井 眼 中 的 整 个 套 管 柱 不 能 旋 转 ．也 不 能 根 据 需 要 随 时 循 环 泥 浆 。 然 而 。 在 钻 井 过 程 中 ， 完 钻 后 的 井 眼 尤 其 是 裸 眼 经 常 出 现 缩 径 、 坍 塌 、 岩 屑 沉 淀 等 许 多 问 题 ， 这 些 问 题 如 果 不 能 及 时 通 过 循 环 泥 浆 、旋 转 套 管 等 措 施 有 效 解 决 ， 就 可 能 导 致 套 管 无 法 正 常 下 到 井 底 。 ⑧ 顶 驱 下 套 管 法 。 基 于 常 规 下 套 管 作 业 的 局 限 性 ． 各 国 石 油 钻 井 公 司 积 极 开 发 更 安 全 、 高 效 的 下 套 管 装 备 。 其 中 得 到 广 泛 应 用 的是 顶 驱 下 套 管 装 置 ． 即 一 种 基 于 顶 部 驱 动 钻 井 系 统 ， 用 于 下 套 管 作 业 的 集 机 械 、 液 压 于 一 体 的 装 置 。 利 用 顶 驱 下 套 管 装 置 进 行 下 套 管 作 业 ．可 以 充 分 发 挥 顶 驱 钻 井 的所 有 优 点 ． 在 下 套 管 作 业 过 程 中 可 同 时 实 现 套 管 柱 的 旋 转 、 提 放 以 及 循 环 泥 浆 等 工 作 。 减 少 了 复 杂 情 况 的 发 生 ．极 大 地 提 高 了 下 套 管 作 业 的 效 率 和 质 量 。 具 有 安 全 、 高 效 等 特 点 。 2常规 下套 管工艺 固 井 作 业 是 一 项 系 统 工 程 ．它 的 具 体 操 作 与 完 成 需 要 各 方 面 的 密 切 配 合 协 作 。从 井 眼 质 量 到 泥 浆 性 能 参 数 ， 从 固 井 方 案 到 具 体 操 作 ， 每 个 环 节 都 是 至 关 重 要 的 ， 无 论 哪 个 环 节 出 了 问 题 都 无 法 保 证 其 质 量 。 而 其 中 2 0 1 3 ／ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的 下 套 管 作 业 则 是 重 中 之 重 ．安 全 和 顺 利 将 决 定 固 井 效 益 下 套 管 作 业 lT艺 包 括 召 开 固 井 协 作 会 、 下 套 管 前 准 备 、 下 套 管 作 业 、 固 井 作 业 等 内容 下 套 管 作 业 前 ， 除 了 最 基 本 的 资 料 准 备 、井 眼 准 备 、 套 管 和 套 管 附件 准 备 外 ． 还 需 要 下 套 管 工 具 和 相 关 设 备 和 器 材 的 准 备 。 常 规 下 套 管 作 业 设 备 主 要 包 括 钻 台 上 用 于 固 定 下 端 套 管 柱 的 钻 台 气 动 卡 瓦 、用 于 旋 紧 松 套 管 扣 的 液 压 套 管 钳 、 用 于 断 续 灌 注 泥 浆 的 开 放 式 灌 泥 浆 装 置 、 用 于 提 升 整 个 套 管 柱 的 上 部 气 动 卡 瓦 、 用 于 提 升 套 管 单 根 的套 管 吊 卡 以 及 用 于 保 护 套 管 扣 的 对 扣 护 套 等 其 它 辅 助 丁 具 ． 见 图 3 多 年 来 下 套 管 的 流 程 几 乎 没 有 变 化 ．连 接 每 一 根 套 管 的 流 程 是 使 用 套 管 吊 卡 提 升 套 管 单 根 ； 安 装 对 扣 护 套 对 扣 在 连 接 时 使 用 液 压 套 管 钳 旋 转 顶 部 套 管 单 根 ； 启 动 上 部 气 动 卡 瓦 ， 松 开 下 部 钻 台 气 动 卡 瓦 ， 使 上 部 气 动 卡 瓦 支 撑 套 管 柱 的 全 部 重 量 ． 下 放 套 管 柱 按 要 求 及 时 向 套 管 柱 内灌 注 泥 浆 ． 完 成 一 根 套 管 下 入 井 内 。 重 复 以 上 流 程 ． 直 至 把 全 部 套 管 连 接 并 下 放 到 井 底 下 套 管 作 业 时 ． 为 了 保 证 套 管 柱 内 外 压 力 平 衡 ． 钻 井 工 艺 要 求 每 下 1 ～ 2根 套 管 都 要 向 管 柱 内 灌 满 钻 井 液 ． 传 统 灌 钻 井 液 是 靠 钻 工 拉 胶 管 操 作 ， 很 不 方 便 ， 而 且 劳 动 强 度 很 大 ． 并 且 还 经 常 漏 灌 ． 影 响 下 套 管 质 量 。 另 外 ． 在 下 套 管 遏 阻 时 ． 还 需 要 将 套 管 全 部 取 出换 上 钻 杆 钻 头 通 井 ． 再 重 新 将 套 管 一 根 一 根 连 接 下 入 井 内 ， 非 通 过 对 国 内 外 相 关 技 术 的 调 研 ．根 据 国 内油 田需 要 ． 北 京 石 油 机 械 厂 简 称 北 石 厂 研 究 开 发 出 了 一 种 用 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 进 行 下 套 管 作 业 的 方 法 。该 方 法 不 需 要 目前 国 内外 钻 井 广 泛 使 用 的 套 管 钳 等 下 套 管 设 备 ． 能 充 分 发 挥 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 的 优 越 性 ． 不 仅 实 现 套 管 柱 的 自动 化 连 接 ． 而 且 在 下 套 管 作 业 时 ． 能 同 时 实 现 旋 转 套 管 和 循 环 泥 浆 ， 大 大 减 少 卡 钻 、 遇 阻 等 潜 在 的 安 全 危 害 ． 提 高 下 套 管 作 业 的 成 功 率 顶 驱 下 套 管 作 业 使 用 的设 备 主 要 包 括 钻 台 上 用 以 固定 下 端 套 管 柱 的 钻 台 气 动 卡 瓦 、 用 以 提 升 整 个 套 管 柱 的 顶 驱 吊环 及 套 管 吊 卡 、用 以 旋 转 套 管 和 循 环 泥 浆 的顶 部 驱 动 钻 井 装 置 和 顶 驱 下 套 管 装 置 ． 见 图 4 顶 驱 下 套 管 的 流 程 C 4 ] 如 下 1 在 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 主 轴 的 下 端 连 接 顶 驱 下 套 管 装 置 2在 顶 驱 吊 环 下 部 连 接 套 管 吊 卡 ． 使 用 套 管 吊 卡 提 升 单 根 套 管 3利 用 顶 驱 下 套 管 装 置 下 端 的 导 向 头 和 皮 碗 扶 正 被 提 升 的单 根 套 管 ．并 且 使 被 提 升 单 根 套 管 下 端 螺 纹 与 钻 台 气 动 卡 瓦 上 支 撑 的 套 管 柱 上 端 螺 纹 对 扣 4通 过 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 液 压 源 驱 动 顶 驱 下 套 管 装 置 的 卡 瓦 向下 运 动 ． 并 夹 紧 单 根 套 管 内壁 或 外 壁 ； 5 启 动 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 的 旋 转 上 扣 机 构 ． 带 动 单 根 套 管 旋 转 上 扣 ．通 过 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 控 制 单 根 I圆 2 0 1 3 ／ 1 机 械 制 造 5 1 卷第 5 8 1 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 套 管 螺 纹 连 接 的上 扣 扭 矩 ．使 单 根 套 管 与 套 管 柱 可 靠 连 接 6松 开 钻 台 气 动 卡 瓦 上 支 撑 的 套 管 柱 ， 使 顶 驱 吊 环 和 套 管 吊 卡 支 撑 单 根 套 管 和 套 管 柱 的 全 部 重 量 7下 放 单 根 套 管 和 套 管 柱 ． 使 用 钻 台 气 动 卡 瓦 固 定 单 根 套 管 8通 过 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 主 轴 水 眼 和 顶 驱 下 套 管 装 置 中 心 孔 ． 向 单 根 套 管 和 套 管 柱 内 腔 灌 注 泥 浆 9重 复1 ～ 8 步 骤 ， 直 至 把 全 部 套 管 连 接 并 下 放 至 U 井 底 在 下 套 管 过 程 中 ， 遇 到 井 眼 缩 径 、 井 壁 坍 塌 、 岩 屑 沉 淀 问 题 时 ．通 过 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 主 轴 水 眼 和 顶 驱 下 套 管 装 置 中 心 孔 ． 向 单 根 套 管 和 套 管 柱 内腔 灌 注 泥 浆 并 循 环 泥 浆 另 外 ． 启 动 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 的 旋 转 上 扣 机 构 ． 带 动 单 根 套 管 旋 转 ． 使 单 根 套 管 与 套 管 柱 在 井 内 旋 转 ， 能 解 决 井 眼 缩 径 、 井 壁 坍 塌 、 岩 屑 沉 淀 带 来 的 问 题 ． 保 证 套 管 柱 能 顺 利 正 常 下 到 井 底 。 4 顶驱下套管工艺特 点 北 京 石 油 机 械 厂 跟 踪 国 外 套 管 作 业 技 术 的 发 展 ． 在 集 团 公 司 科 技 管 理 部 的 支 持 和 指 导 下 ． 借 鉴 钻 井 院 套 管 钻 井 工 艺 技 术 的 成 功 经 验 ．分 析 研 究 国 外 同 类 技 术 和 工 具 的 优 缺 点 ．独 立 自主 研 发 了集 机 电 液 和 信 息 控 制 技 术 于 一 体 的 新 型 下 套 管 装 置 ．适 用 于 不 同 规 格 和 壁 厚 套 管 的 下 套 管 作 业 该 装 置 在 结 构 和 控 制 技 术 上 与 北 石 厂 的 顶 驱 紧 密 集 成 ． 利 用 北 石 厂 的 顶 驱 控 制 系 统 ．可 以 在 人 机 界 面 上 选 择 套 管 规 格 并 自动 设 定 和 记 录 上卸 扣 扭 矩 。 与 国 外 结 构 和 技 术 相 比 ， 独 具 特 色 ． 自动 化 程 度 更 高 ， 使 用 更 安 全 。 顶 驱 下 套 管 工 艺 ．即 利 用 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 和 顶 驱 下 套 管 装 置 _ 5 ] 进 行 下 套 管 作 业 ． 代 替 目前 国 内 外 钻 井 广 泛 使 用 的 套 管 钳 下 套 管 方 法 ， 显 著 特 点 是 该 下 套 管 方 法 减 少 了作 业 设 备 ． 简 化 了 作 业 流 程 ． 可 根 据 需 要 及 时 旋 转 套 管 柱 和 循 环 泥 浆 ． 增 强 了下 套 管 作 业 的 自 动 化 程 度 ． 提 高 了生 产 效 率 和 安 全 性 与 目前 国 内 常 规 方 式 下 套 管 相 比 ． 利 用 顶 驱 下 套 管 装 置 进 行 下 套 管 作 业 不 需 要 用 液 压 套 管 钳 、灌 注 泥 浆 管 路 等 设 备 ． 减 少 了 操 作 人 员 ， 简 化 了 操 作 方 式 ． 所 有 操 作 只 需 司 钻 在 司 钻 房 通 过 视 频 监 控 系 统 、操 作 监 控 界 面 、 顶 驱 操 作 台 等 辅 助 设 备 顺 序 进 行 ， 用 液 压 方 式 驱 动 产 品 内 部 卡 瓦 的 打 开 和 关 闭 ．提 高 了 下 套 管 作 业 的 自动 化 和 智 能 化 水 平 。 大 大 降 低 了 工 人 的 劳 动 强 度 ． 司 钻 可 全 程 监 控 下 套 管 作 业 可 以 通 过 顶 驱 精 确 控 制 套 管 连 接 螺 纹 的 上 扣 扭 矩 ．程 序 上 自动 将 上 扣 动 作 分 解 为 低 扭 矩 旋 扣 和 大 扭 矩 上 扣 ．保 护 套 管 螺 纹 不 受 伤 害 ． 提 高 下 套 管 作 业 的效 率 和 质 量 ． 而 且 上 扣 扭 矩 可 以 机械制造 5 1 卷 第 5 8 1 期 通 过 顶 驱 监 控 系 统 实 时 记 录 并 存 储 到 电 脑 ．具 有 良 好 的 追 溯 性 相 比 国外 单 一 采 用 卡 瓦 来 提 升 套 管 柱 ．采 用 吊 环 和 卡 瓦 双 通 道 承 载 ． 以 吊环 提 升 为 主 、 卡 瓦 提 升 为 辅 的 设 计 不 仅 更 好 地 保 护 了套 管 不 受 损 伤 ．而 且 从 技 术 上 保 证 了该 技 术 适 用 于 无 接 箍 套 管 的 现 场 作 业 ．大 大 提 高 了 作 业 的 安 全 性 和 便 捷 性 另 外 ．卡 瓦 的 可 更 换 设 计 ． 使 一 个 本 体 可 以下 人 若 干 不 同 规 格 的 套 管 ， 提 高 了 产 品 的适 用 性 5 顶驱 下套 管装置主要技术参数 通 过 北 石 厂 近 两 年 的 研 发 和 完 善 [ ． 已 形 成 覆 盖 全 部 套 管 的 系 列 化 产 品 ． 其 主 要 技 术 参 数 见 表 1 。 表 1 北石厂系列顶驱下套管装置主要技术参数 套管 额定提 额定 水眼 整机 夹 紧 型号 范围 升载荷 扭矩 通径 高度 方式 ／ i n c h ／ U St o n ／ k N m ／ i n c h ／ i n c h XT G3 40 2 O ～1 3 5 o 0 5 0 0 0 0 3 ‘ XTG2 4 4 一 I l 3 3 ／ 8 ～ 9 5 ／ 8 5 0 0 5 0 O o 0 2 X T G2 4 4 9 5／ 8 5 0 0 5 O 0 O H D 2 内卡式 1 0 0 XTG1 6 8 一I 9 s } 8～ 6 s | 2 5 0 3 5 0 0 0 1 ． 5 XT G1 78 7 3 5 0 3 5 O 0 0 2 ． 2 5 X T G1 4 0 5 ／ 2 4 ／ 2 3 5 0 3 5 O 0 0 1 ． 5 外卡式 注 1 i n c h 2 5 ． 4 m m； 1 U S t o n 9 0 7 ． 1 8 4 7 k g 为 了 提 高 使 用 下 套 管 装 置 作 业 的 自动 化 和 智 能 化 水 平 ． 确 保 作 业 的 安 全 与 高 效 ． 在 配 套 辅 助 系 统 设 计 中 集 成 了连 接 体 、 运 移 架 、 套 管 扶 正 装 置 、 套 管 运 移 装 置 、 气 动 卡 瓦 、 行 程 开 关 、 压 力 变 送 器 、 视 频 监 控 系 统 等 。 6 顶驱 下套 管装置应用情况 北 京 石 油 机 械 厂 生 产 的 系 列 顶 驱 下 套 管 装 置 结 合 了 国 内外 工 程 实 际 。 考 虑 了 作 为 产 品 的 使 用 便 捷 性 、 联 机 快 捷 性 、 维 护 简 易 性 、 功 能 可 靠 性 和 作 业 安 全 性 ， 产 品 的 各 项 性 能 得 到 了 油 田用 户 的 广 泛 认 可 。 2 0 1 0年 5月 1 1日～ 5月1 2 E t ． 在 西 南 油 气 田分 公 司 所 属 川 庆7 0 5 1 6钻 井 队 承 钻 的 门 西 0 0 1 一 H3井 ． 国 内 首 次 顶 驱 下 套 管 装 置 取 得 了 成 功 应 用 ．利 用 顶 驱 下 套 管 装 置 累 计 下 入 了 2 8根 套 管 ． 下 入 套 管 长 度 逾 3 0 0 m ． 套 管 旋 扣 过 程 平 稳 ， 上 扣 扭 矩 精 确 ， 上 扣 后 对 套 管 几 乎 无 损 伤 ．产 品 的 主 要 性 能 优 良 ．各 个 部 件 工 作 正 常 ． 得 到 了 用 户 的 一 致 称 赞 。 2 01 2 年3 月1 日 至2 日 ． 由 北 石 厂 生 产 的 XT G1 6 8顶 驱 下 套 管 装 置 在 渤 海 钻 探 第 五 钻 井 工 程 分 公 司 5 0 2 5 2队 -d i 的 任 平1 0井 二 开 下 技 术 套 管 作 业 中 成 功 应 用 任 平 1 0井 二 开 实 际 井 深 1 9 2 2 m． 本 次 下 套 管 作 业 为 全 井 段 下 入 9 i n c h套 管 ， 累 计 下 人 套 2 0 1 3 ／ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m