单行程套管钻井技术研究与应用.pdf

3 4 钻 采 工 艺 DRI I J I JI NG ＆ P R0DUCT 1 0N I ECHN0L 0GY 2 0 0 8年 1 1月 NO V ．2 o o 8 单行程套管钻井技术研究与应用 李祖光 ，王 力 ， 翟应虎 ， 郑万江 ， 张嵇南 1中国石油大学石油工程教育部重点实验室2中国石油吉林油田公司钻井工艺研究院 李祖光等．单行程套管钻井技术研究与应用． 钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 1 6 3 4 3 6 摘要套管钻井是近几年新兴的一项钻井技术， 目前表现出强劲的发展势头。吉林油田针对套管钻井的特 点， 立足于工艺及工具设备国产化原则， 进行了套管钻井工艺及工具配套技术的研究， 并在吉林油田套保、 扶余及 新民地区进行了1 1口套管钻井的现场试验， 采用改进型钻头脱接装置， 根据地质要求进行了主力油层裸眼测井， 并完成了井深 1 0 0 0 m以上的套管钻井， 取得 了良好效果， 证明国产化套管钻井技术经过完善后 ， 可望成为降低钻 井成本、 提高效益的钻井新技术， 具有广阔的发展前景。 关键词套管； 钻井； 设备配套；降低成本； 保护油气层 中图分类号 T E 2 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 7 6 8 X 2 0 0 8 0 6 0 0 3 4 0 3 套管钻井技术是指在钻进过程 中， 直接采用套 管 取代传统的钻杆 向井下传递机械能量和水力 能量 ， 井下钻具组合接在套管柱下面， 边钻进边下套 管， 完钻后作钻柱用的套管留在井内作完井用。套 管钻井技术将钻进和下套管合并成一个作业过程， 钻头和井下工具的起下在套管内进行 ， 不再需要常 规的起下钻作业。 套管钻井技术与常规钻杆钻井相比具有节省钻 进时间、 减少井下事故 、 改善井控状况、 保持起下钻 时钻井液的连续循环、 改善水力参数 、 环空上返速度 和清洗井筒状况等优势。可以减小钻机尺寸、 简化 钻机结构、 降低钻机费用、 节省与钻杆和钻铤有关的 采购、 运输检验、 维护和更换等有关的大量人力 、 物 力与费用。若在钻穿产层井段使用， 由于可直接进 行固井作业 ， 大大减少了钻井液对储层的浸泡时间， 降低钻井作业对储层的伤害， 有效保护油气层 。 因此 ， 从技术和经济两方面 ， 该项技术已经出现 强劲 的发展势头 ， 正 日益引起 国内外石油工程界的 关注， 具有广阔的发展前景 ， 甚至有国外公司将该技 术称为继墩钻、 旋转钻井后钻井发展的一个新纪元。 一 、国外套管钻井技术的主要工作原理 1 ． T e s c o 套管钻井系统 T e s c o 套管钻井系统 以常用 的油 田生产套管作 为钻杆同时进行钻井和下套管作业。套管把水力能 和机械能传递给悬挂在套管底部接箍上的利用钢丝 绳可回收的下部钻具。组合钻具上部的钻井锁 D L A 把钻具与套管进行机械连接 轴向和扭矩 和液压密封。同时在套管柱处安装 了一个嵌入和取 出的机械装置。在钻井锁下部钻具组合的最下部是 导 向钻头 ， 有时也可能包括其它常规钻柱组件， 如管 下扩眼器 、 泥浆马达、 取心工具或导向系统等。 2 ． 威得福套管钻井系统 威得福套管钻井系统与 T e s c o套管钻井系统原 理及设备基本相同， 但威得福套管钻井系统更侧重 表层 或技套 的施工， 立足于一只钻头打完全部进 尺 ， 而不在套管内起下工具串。其所用 P D C钻头为 特制， 胎体由易钻材料制成， 通过一个特殊装置 丢 手 与套管相接。套管 内可预先放置易钻固井浮箍 简易承托环 ， 钻至预定井深后 ， 利用特殊装置将 下部钻头胀裂落入井底 ， 然后进行 固井作业。下次 开钻时可将钻头体方便的钻碎， 由钻井液携带到地 面排除。 二、 吉林油田套管钻井技术研究 国外套管钻井技术为使用有顶部驱动装置的钻 机， 对钻井设备要求比较严格， 成本较高且多数公司 收稿 日期 2 0 0 8 0 51 0； 修 回日期 2 0 0 81 01 3 基金项 目国家 8 6 3计划资助 ， 课题名 套管钻井技术 ， 编号 2 0 0 6 A A 0 6 A 1 0 7 。 作者简介 李祖光 1 9 8 3一， 2 0 0 5年毕业于中国石油大学 北京 石油工程专业 ， 现为中国石油大学 北京 油气井工程专业在 读博 士研 究生， 从事岩石破碎与破岩工具 、 提高钻井钻速的技术与工艺领域的研究 。地址 1 0 2 2 0 0 北京市 昌平 区中国石 油大学 2 3 3信箱 ， 电话 0 1 0 8 9 7 3 3 7 0 6 ， Em a i l l i z u g u a n g q q ． t o m。通讯作者 翟应虎 ， 电话 0 1 0 8 9 7 3 3 8 2 8。 Em a i l z h a i y i n g h u 1 6 3 ． c o n 第 3 1 卷第 6期 V0 1 ． 3 1 No ． 6 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P RO D U C T I O N T E C HN 0 L 0 GY 3 5 - 只提供设备及技术服务， 难以在陆上低成本开发井 中推广应用 。吉林油 田套管钻井技术主要针对吉林 油田浅开发井钻井， 立足于吉林油田现有钻井装备 配套， 以采用常规钻机， 通过转盘传递扭矩为前提， 实现一只钻头打至完钻 的 目的 ， 避免起下钻头等复 杂工艺过程 ； 并充分考虑地质部 门允许不进行裸眼 测井和必须进行主力油层的裸眼测井两种情况 ， 形 成一套适合 吉林油 田浅开发井 的套管钻井工艺技 术 ， 并达到推广应用的条件。 1 ． 研究攻关思路 该套管钻井系统主要由套管夹持头 套管螺纹 承扭保护器 、 特制接箍 、 钻头脱接装置及 固井短节 组成。方钻杆下通过螺纹连接着机械式套管夹持头 或专用承扭保护器 ， 套管夹持头通过内 外 卡瓦 对套管柱进行夹持， 套管间通过特制的接箍进行连 接， 套管柱下端通过特制的固井短节、 钻头脱接装置 与钻头相连 。钻井时 ， 转盘驱动方钻杆旋转 ， 方钻杆 带动夹持头及整个钻柱旋转 ， 实现正常钻井。当钻 井过程完成后 ， 通过投球丢手方式 ， 将钻头丢弃于井 底。而后根据需要上提钻柱达一定高度， 就可对主 力 目的层进行裸眼测井。测井过程完成后， 将钻柱 重新下人并实施固井工艺过程 。如果不需要进行裸 眼测井 ， 则采用套后测井 的方法提供后续生产所需 的必要的油藏数据。 2 ． 进行的主要研究内容 2 ． 1 套管钻井工艺配套技术 低摩阻钻井液体系的研究； 钻头及钻井参数的 优选； 提高固井质量技术研究； 扭矩监测技术研究。 2 ． 2 套管钻井工具配套研 究 1 内卡式套管驱动头。在套管钻井中， 套管 被用来传递扭矩。转盘的扭矩如果直接由套管扣来 传递， 就有可能造成套管丝扣的损坏。因此， 在方钻 杆与套管柱上端之间设置了套管驱动头。套管直接 与套管驱动头连接 ， 由内部卡瓦加紧 ， 钻机的扭矩 由 方钻杆传到套管驱动头上， 再由套管驱动头传到套 管上， 最上一根套管的丝扣不参加扭矩的传递。套 管驱动头有三个功能， 一是起到起升作用， 二是传递 扭矩， 三是密封， 保证钻井液的循环。 2 钻头脱 接装置。进行套 管钻井时 ， 如地 质 部门要求必须进行主力油层的裸眼测井时， 在套管 柱下方与钻头连接处加入钻头脱接装置， 完钻后通 过水力作用 ， 将 钻头体与套管柱脱 开， 钻头落人 井 底 ， 从而可上提套管柱 3 5根 ， 暴露 出主力油层 ， 以 满足裸眼测井 的需要。 3 固井自封式胶塞及胶塞座。通过采用特殊 设计的固井胶塞及胶塞座， 以实现注水泥后 固井胶 塞的碰压及通过固井胶塞的白锁实现敞压候凝 ， 提 高 固井质量。 4 套管钢性扶正器。套管扶正器主要用来 防 止套管及套管接箍的磨损 ， 同时还可以起到便于注 水泥和辅助清除岩屑， 减少套管弯曲的作用。套管 扶正器是 由扶正器和调整套组成 ， 调整套是半开口， 外表为锥形 ， 可 以补偿套管尺寸误差。当扶正器热 装冷却后， 套管与扶正器紧紧地连在一起。套管扶 正器可以很好地解决套管的磨损问题， 基本满足了 工程要求。 5 套管螺 纹承扭技术。经分析研究 ， 在 目前 套管上使用螺纹承扭环提高螺纹承扭强度在技术上 不成熟 ， 经与天津钢管厂 、 宝山钢铁股份有限公司共 同分析 、 研究采用改制接箍 ， 除掉套管接箍中间的多 余螺纹部分， 套管对接时螺纹端面对顶， 即可实现提 高套管螺纹承扭强度 ， 或者采用 B G C梯型螺纹 ， 满 足套管钻井的施工要求。 6 套管钻井专用承扭保护器。该承扭保护器 主要为一接头 ， 上部与方钻杆连接 ， 下部接一双公短 套管， 短套管与下部套管串连接， 并可根据使用情况 随时更换短套管 。 2 ． 3 套后油水层识别的测井方法 利用 自然伽马划分储层利用补偿中子判断储层 孔隙度的变化 ； 利用 C ／ O测井识别油、 水层 。 通过上述研究， 形成了配套的套管钻井技术， 主 要有以下特点 1 该套管钻井系统钻井井深有一定限制， 即 必须保证一只钻头打到底的技术要求。因此， 该系 统主要适用于井深较浅的开发井。 2 该系统无需采用顶部 驱动钻井方式 ， 而是 采用转盘驱动钻井方式 。因此 ， 该系统对钻机无特 殊要求 ， 不会造成成本增加。 3 该系统采用了机械式套管夹持头 或套管 螺纹承扭保护器 连接在方钻杆下 ， 工作在导管内， 无需改变原钻机的液压系统 。 4 该系统包括专门的钻头脱接装置， 可实现 对油层段的裸眼测井 。 三、 套管钻井现场试验情况 通过技术研究与攻关， 首先在套保油 田进行 0 2 4 4井眼， D 1 7 7 ． 8套管的套管钻井工艺技术试验 ， 实现 了一只 0 2 4 4 ． 5 P 2钻头打至完钻的 目的。在此 基础上进行了 D 2 1 5 ． 9钻头 、 D 1 3 9 ． 7套管钻井工艺 技术试验， 在扶余采油厂完成了9口井， 新民采油厂 3 6 钻 采 工 艺 Dt t I U』NG ＆ 职 ODUC1 1 O N TE CHNOL OCY 2 0 0 8年 1 1月 N0 y 2 0 0 8 1口井。均实现了一只 0 2 1 5 ． 9 P D C钻头打至完钻 的目的； 通过试验， 形成了适合于套保、 扶余、 新民油 田的两三种规格套管的套管钻井工艺技术及工具配 套 ， 并为今后在其它地区的其它尺寸井眼中进行套 管钻井打下了良好的工艺技术基础。 1 ． 套保油田套管钻井试验 钻井主要设备 钻机 X J 一 3 5 0型 ； 泥浆泵 F 5 0 0 型一 台； 震动筛及离心机各一台。 试验 采 用 了 0 2 4 4 ． 5 P 2钻 头 ， 天 钢 生 产 的 1 7 7 ． 8 T P 5 5 D套管 ， 内卡式套管夹持头及专用套管 钻井完井连接器、 专用胶塞等特制工具和设备。 本井为国内第一 口过油层套管钻井试验井 ， 钻 进至井深 5 5 m时因夹持头夹紧机构 出现松动而启 动应急试验方案。采用套管螺纹承扭保护器代替套 管夹持头钻进。井深 2 2 5 ． 8 4 m因钻头泥包起钻。 现场采用钻杆钻井通过可能发生钻头泥包的层段 ， 钻进至井深 2 7 9 ． 8 6 m后， 采用改进后的套管夹持头 恢复套管钻井， 完成钻井设计井深 ， 完钻井深3 2 0 ． 4 0 m o 完钻后采用低温早强水泥浆固井 ， 水泥浆返至 地面 ， 固井质量优质 。 2 ． 扶余油 田套管钻井试验 钻井主要设备 钻机 J 一 3 5 0型； 泥浆泵 F 5 0 0 型一台； 震动筛及离心机各一台。 扶余地区已完成的套管钻井 ， 采用与常规井完 全相同的井身结构， 采用了 0 1 3 9 ． 7 7 ． 7 2 m m B G C 螺纹套管作为钻具， 直接钻井完井。钻井速度、 建井 周期等指标高于该地区常规钻井平均水平 ， 固井合 格率 1 0 0 ％ ， 优质率 5 0 ％。其 中西 2 5 0 1 1 井 ， 完钻 井深 5 3 5 m， 纯钻进时间为 8 ． 1 5 h ， 平均机械钻速为 6 2 m ／ h ， 平均单根套管用时不到 9 m i n ； 建井周期为 3 1 ． 1 2 h ， 钻井指标明显高于该地区常规钻井平均水 平， 实现新 的套管钻井记录。 在西 2 51 4 井采用 了改进型钻头脱 接装 置， 完钻后顺利将钻头丢人井底， 根据地质要求进行了 主力油层裸眼测井。 设计油层顶为 4 7 2／ 1 1 ， 完钻后 起出9 个套管单根， 使4 4 9 m～ 井底的井段裸露， 实 现裸眼测井。测井仪器共下井 3次， 测了 5项 双侧 向、 声速、 伽马、 电极器 、 连斜 。 3 ． 新民地区套管钻井现场试验 采用与本地区常规井完全相同的井身结构， 采 用 l 3 9 ． 7 x 9 ． 1 7 m m B G C套管作为钻具 ， 直接钻井 完井。在吉林油 田新 民采油厂顺利完成了 1口井深 1 1 5 8 IT I 的套管钻井现场试验。本井井深 9 7 1 m以 后使用了第三代套管夹持头钻至完钻。套管钻井周 期 7 1 ． 5 h ， 纯钻进时间 3 8 h ， 固井质量为优质 ， 建井 周期较常规井明显缩短。 四、 结论及认识 1 研究了低摩阻钻井液体 系、 钻头及钻井参 数的优选、 提高固井质量技术、 套管扭矩监测技术等 关键技术问题 ， 成功解决了浅开发井全井套管钻井 工艺的一系列关键问题 。 2 形成了适应转盘钻井驱动方式的浅开发井 套管钻井工具配套系统， 研究了套管夹持头、 钻头脱 接装置、 固井 自封式胶塞及胶塞座、 套管刚性扶正 器、 套管丝扣承扭技术 、 套管钻井专用承扭保护器等 关键技术和工具。 3 提出了套后油水层识 别的测井方法 ， 通过 实验验证了其有效性。 4 在西 2 5一l 4 井采用了改进型钻头脱接装 置 ， 完钻后顺利将钻头丢人井底， 根据地质要求进行 了主力油层裸眼测井。 设计油层顶为 4 7 2 1T I ， 完钻 后起出9 个套管单根， 使4 4 9 n l 一 井底的井段裸露， 实现裸眼测井 。测井仪器共下井 3次 ， 测了5项 双 侧向、 声速 、 伽马、 电极器、 连斜 。 5 现场试验结果表明， 套管钻井钻进速度与 钻杆钻井相 比， 高于该地 区平均水平 套 B3 4 井为第一 口试试验井 ， 钻进速度与钻杆钻井相 比， 低 于该地区平均水平 扶余套管钻井机械钻速4 4 ． 4 4 m ／ h ， 高于该地区平均机械钻速 3 9 ． 2 6 m ／ h水平 ； 新 民地区套管钻井机械钻速 2 6 ． 3 8 m ／ h ， 接近该地区 平均机械钻速 3 ．1 ． 5 4 m ／ h水平。 6 有待进一步深入研究的几个 主要 问题 套 管管柱力学研究、 完钻后套管柱疲劳寿命预测及完 钻后含有外表面磨损缺陷的套管柱剩余强度预测； 套管钻井井身质量保证技术及措施 套管钻井钻井 参数优化设计 ； 为适应井深 1 5 0 0 i n以上井套管钻 井应用的需要， 开展可更换钻头的套管钻井技术的 探讨与研究 。 编辑 黄晓川