等井径钻井技术概述.pdf

第 3 3卷 第 2期 2 0 1 1年 3月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG P RODUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 ． 3 3 No ． 2 Ma r ．2 01 1 文章编号1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 1 0 20 0 1 20 4 等 井径钻 井技术概 述 徐丙贵 吕 明杰 黄翠英 尹洪 伟 1 ． 中国石 油集 团钻 井工程技术研 究院钻井机械所 ， 北京1 0 0 0 9 5 ； 2 ． 北京控股磁 悬浮技 术发展有 限公 司， 北京1 0 0 0 3 6 摘要等井径钻井技术可解决深井、 超深井及复杂井的钻遇问题， 在不损失井眼尺寸和不影响后续钻井作业的情况下， 可 降低钻遇风险并改善井身结构， 同时能确保目的层的顺利钻达。阐述了等井径钻井技术的最新发展动态， 国外已成功实施的现 场先导性试验及 其施 工工艺、 配套_ T - 具 ， 国 内已开展 了相 关技 术研发 并完成 了关键 工具 的室 内台架试验 ；介绍 了该技术的关键 在 于膨胀管管材及连接方式的研究、 施工工艺及配套工具的研发；分析了该技术在节约钻井成本、 提高钻井作业安全可靠性、 保护资源和环境等方面的技术优势和较好的市场应用前景；指出该技术与大位移钻井 E R D 技术联合应用。 将会大幅度地加 快钻 井工程 的发展进程 。 关键词 膨胀管；钻井；井身结构； 搭接技术；等井径 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 A Ov e r v i e w o f mo no ho l e dr i l l i ng t e c hno l o g y X U B in g g u i ， L V M in g j ie ， H U A N G C u iy in g 2 ， Y IN H o n g w e i 1 ． Dr i l l i n gMe c h a n i c a l De p a r t m e n t ； C NP CDr i l l i n gR e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 1 9 5 ， C h i n a ； 2 ． Be ij i n gHo ld i n gMa g l e vT e c h n o l o g yDe v e l o p me n t C o ． Ltd ． ， B e ij i n g1 0 0 0 3 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e mo n o h o l e d ril l i n g t e c h n i q u e i s u s e d t o s o l v e t h e i s s u e s o f d ril l i n g d e 印 ， u l t r a - d e e p ， a n d c o mp l e x we l l s ． S i n c e i t wo u l d n o t d e c r e a s e the we l l b o r e r a d i u s n o r i mp a c t t h e f o l l o w- u p d r i l l i n g o p e r a t i o n ， the t e c h n i q u e c o u l d d e c r e a s e the d r i l l i n g r i s k a n d i mp r o v e w e l l b o r e s c h e me ， wh a t i s mo r e ， e n s u r e r e a c h i n g the o b j e c t i v e f o r ma t i o n s mo o t h l y ． T h e p r o c e e d i n g o f mo n o h o l e d r i l l i n g t e c h - n o l o g y wa s i l l u s t r a t e d ． Th e p i l o t t e s t h a s b e e n s u c c e s s f u l l y c a r r i e d o u t o v e r s e a s ， i n c l u d i n g the u s e o f o p e r a t i o n t e c h n o l o g y , a n d d r i l l i n g t o o l s ． Do me s t i c a l l y , t h e r e l a t e d t e c h n o l o g y RD h a v e b e e n c a r r i e d o u t a n d fi n i s h e d the i n d o o r e x p e ri me n t o f k e y t o o l s ． T h e k e y o f t h e t e c hn i q u e a r e t h e e x p a n d i n g t u b e ma t e ria l ， t h e c o n n e c t i o n t y p e ， o p e r a t i o n t e c hn o l o g y an d d r i l l i n g t o o l s ． Th e a d v a n t a g e s o f t h e t e c h n i q u e we r e i l l u s t r a t e d ， s u c h a s s a v i n g d r i l l i n g c o s t ， i mp r o v i n g t h e s a f e t y r e l i a n c e o f d r i l l i n g o p e r a t i o n ， a n d p r o t e c t i n g e n v i r o n m e n t ． I t wa s p o int e d o u t t h a t t h e h y b rid o f mo n o h o l e d r i l l i n g an d E RD wo u l d s i g n i fic a n t l y q u i c k e n the d r i l l i n g e n g i n e e ri n g d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s e x p an d i n g tub e ； d r i l l i n g ； we l l b o r e s c h e me ； b o n d i n g t e c hn i q u e ； mo n o b o r e ． 随着油气勘探 与开发事业 的发展， 钻井工程面 临恶劣的作业条件 、 高额的钻井费用和严重的环境 破坏等 一系列 问题。虽然先进钻井装 备与技术 的 应用起到了积极作用 ， 但钻井事故仍是影响钻井周 期和费用的主要 因素之一。在复杂地层钻井 、 海洋 深水钻井等高投入 、 高风险环境下 ， 如何有效地解决 钻遇问题、 提高钻井效率和节省钻井成本对钻井工 程提出了更高的要求。等井径钻井技术的出现和 日 益完善为实现这一 目标创造了条件， 所谓等井径钻 井技术就是利用相 同的钻柱结构形成相同井径 的井 攻关项 目中国石 油集团科技管理部课题 “ 等直径钻井及 智能完井技术研 究 ” ， 合 同号 2 0 0 8 A - 2 3 0 5 。 作者简介 徐丙责， 1 9 8 0 年生。2 0 0 7 年毕业于中国石油大学 北京 机械设计及其自 动化专业， 获硕士学位， 现主要从事石油装备中井下 工具的研发设计 。电话 0 1 0 5 2 7 8 1 7 3 2 。E ma i l x u b g d r i c n p c ． c o rn．c n 。 徐 丙贵等 等井径钻井技术概述 1 3 眼， 逐级下人膨胀管膨胀到设计尺寸 ， 实现全井井眼 尺寸相同 ， 且不改变后续施工工艺的一项新技术。 在具有复杂地层 的深井 、 超深井传统钻井作业 中， 随着下入套 管层数 的不断增 加 ， 井 眼井径将不 断缩小 ， 会导致最终无 法钻达 目的层或 目的层井 眼 太小 、 妨碍后续作业 的问题 。等井径钻井技术可有 效地解决这些 问题 。该技术 利用特殊 材质管材 的 弹塑性形变特点 ， 通过膨胀锥挤压使管材发生塑性 形变 ， 实现全井井眼尺寸相 同， 从而 获得较大通径 ， 为后续作业提供足够 的井眼通径 ， 并顺利钻达 目的 层 。 1等井径钻 井技术发展现状 等井径 钻井技术从 根本上变 革 了传统 的钻井 施工工艺， 将会逐渐发展成为钻井设计 中考虑的技 术手段之一 。国外从事该项技术研究的公司主要有 E n v e n t u r e Gl o b a l T e c h n o l o g y 亿万奇全球技术公司 、 We a t h e r f o r d 、 S h e l l 、 B P等， 从 2 0 0 2年起 开展 基础 研 究工作 ， 经历 了充分论证和现场试验并正在逐步发 展成为一项成熟技术 。 亿 万奇全球技 术公 司是 最早提 出等 井径钻井 技术 的概念 ， 经过充分 的前期研究 ， 于 2 0 0 2年 7月 在美 国得克萨斯州南部完 成 了一 口先 导性概念井 试验 ， 该井采用了两次膨胀扩管系统 ⋯。首先采用 常规膨胀扩管施工工艺 采用液压扩管方法 自管材 下端 向上膨胀 ， 使膨胀 管悬挂于上一级套管 内壁 ； 然后采用液压和机械扩管相结合 的方法 ， 自膨胀管 的上端 向下 膨胀使之达到 最终要求 的内径 。该 概 念井 的试验虽取得 了大量 的技术成果 ， 验证了钻井 施工工艺膨胀工艺 串的可靠性 ， 但在膨胀管搭 接悬 挂处 的密封性及管材 的抗击强度 等方 面存在问题 ， 仍未达到商业性应用 的水平。为此 ， 该公 司在 明确 基本 膨胀 原理 的基础 上 ， 吸收原 有膨 胀 管技术 优 点 ， 设计 出系列配套工具 ， 以此来 降低 作业 风险和 钻井成本 ， 更好地满足油 田现场的需求 。 2 0 0 4 年底 ， 该公 司将等井径钻井技 术的配套工具 进行 了井下 试验 ， 主要测试 配套工具 的安全 可靠性 ， 试验表 明 配套工具基本达到设计要求 ， 但部分专用工具还有 改进完善的必要 。2 0 0 6年 ， 该公司宣称 已成功地完 成了等井径建井系统主要工具 的改进与完善 ， 随后 进行 了现场试验 ， 进一步确定配套工具在等井径建 井中的适用性 ， 并准备将其 进行商业化运作。同年 9月 ， 贝克石油工具公 司在俄克拉何马州东南部 的 一 口生产井 中顺 利完成世 界首个投入 商业 应用 的 等井径膨胀衬管系统l i n E xx 的安装 。该系统 通过从顶部到底部一次性扩管实现 了 02 4 4 ． 4 8 mm 套管 的 “ 延伸 ” 。 2 0 0 7 年是等井径钻井技术发展具有里程碑意义 的一年 。7月 2 6日， 亿万奇全球技术公司使用其最 新 的等井 径钻井 Mo n o ． Di a me t e r d r i l l i n g 技术 ， 在 俄克拉荷马州一 口现场评价井 中成功地将 3节尾管 内径膨胀至 2 6 4 ． 1 6 m m， 膨胀总长度达 5 3 3 m， 使等 井径从概念变为现实 J 。该次施工主要作业步骤包 括如下方面。 首先下入 0 5 0 8 mm表层套管和 0 2 9 8 ． 4 5 mm套 管 ， 进行 固井作业后 ， 依 次下入并膨胀 3节膨胀管 。 第 1 节膨胀管长 7 6 ． 2 m， 倾斜角 1 0 。 ；第 2节膨胀管 长 1 5 2 ． 4 m， 倾斜角 2 0 。 ；第 3节膨胀管长 3 0 4 ． 8 mm， 倾斜角 5 5 。 。每节膨胀管下人后 ， 注入 固井水泥。在 候凝过 程 中 利 用模 块化配套 工具进行 膨胀作业 ， 实现膨胀管搭接部位金属对金属密封 ， 可承受 2 9 ． 6 5 MP a的压力 。其模块化工具 由割管器 、 锚定器、 加力 器 、 扩展器 、 可收回式膨胀锥以及封隔器等组成 ， 确保 施工的顺利完成。 国内研究单位主要有中国石油集团钻井工程技 术研究 院和 中石化胜利油 田钻井院。其 中， 中石油 钻井院在成熟套管补贴系统和在研裸眼系统与悬挂 系统的基础之上 ， 进行了等井径钻井技术的研究 ， 并 形成了相应的施工工艺方案 ， 设计了配套施工工具 。 该施工工艺采用单行程膨胀锥一次变径的方案 ， 配 套_丁具已完成地面试验并获得多项专利。 等井径 钻井技术是 一项 富有 生命力 的新 兴技 术 ， 涉及 内容繁多， 是一项复杂 的系统工程 ， 其应用 领域也 日趋广泛。 目前该技术在国内还只是处在研 发 阶段 ， 需 开展钻井 、 机械 、 钢材制造等领域的联合 大攻关 ， 尽快掌握该项技术 ， 为海洋钻井、 超深井钻 井和复杂井钻井提供更多的技术手段和解决方法， 缩短与国外先进技术的差距并有所突破。 2 等井径钻井关键技术 等井径钻井技术是 2 1 世纪油气井钻井 工程领 域的新技术之一 ， 能改善传统建井模式 ， 降低建井成 本和提高建 井安全 可靠性 ， 同时可经济地开采深层 及深海 的油气藏。该技术 的成功应用依赖于多个关 键技术的有机结合 ， 其 中主要包括膨胀管管材 _ 3 ] 、 膨 胀管连接方式 、 施工工艺及配套工具等方面的研究。 石油钻采． 2 2 艺2 0 1 1 年 3月 第 3 3卷 第 2期 2 ． 1 膨胀管管材研究 膨胀管管材研究主要包括管材几何尺寸及加工 精度 、 管材表面处理工艺 、 管材弹塑性性能要求以及 膨胀后管材机械性能要求等方面 的研究。其 中， 管 材外形几何尺寸及加工精度的研究是指如何满足管 材椭圆度、 同轴度以及加工过程 中的精度要求 ；在 管材表面处理工艺方面的研究主要体现在如何提高 管材光洁度、 表面硬化强度等处理工艺， 以此来降低 膨胀压力及减少膨胀锥损伤等 ；在管材弹塑性性能 以及膨胀后管材机械性能方面研究 主要表现在如何 优化管材膨胀率 、 膨胀压力和膨胀速度等方面的相 互关系 ， 研究膨胀后管材的抗 内外压 、 残余应力及防 腐能力等方面内容 。 管材要满足膨 胀过程 中的应 力一应变性 能要 求 ， 具有足够的强度、 良好的塑性变形能力和一定的 抗腐蚀能力。同时， 膨胀后要求管材的机械性能均 一 、应力集 中尽可能得低 ， 满足不同地层需求的管材 应达到 A P I 标准 中N8 0 钢级或者更高级别。 2 ． 2 膨胀管连接方式研究 该方面的研究是指如何选择适合的膨胀管连接 方式及搭接方式 ， 确保连接部位的密封 、 锚定悬挂的 安全 可靠性 ， 主要包括连接螺纹的选择和搭接方案 的选择 。 膨胀管连接方式研究是实施等井径钻井技术的 重点和难点之一。膨胀 管之间的连接螺纹一般采用 非 A P I 标准螺纹 的特殊螺纹 J ， 要求这种螺纹在膨 胀前后和膨胀过程中都能保持较好的密封性能和较 高的连接强度， 所以一般的螺纹是很难做到的， 必须 是经过专 门设计并试验的特殊螺纹才能达到这一要 求。另外 ， 膨胀管管段 间的悬挂 、 锚定密封技术 搭 接技术 ， 是确保膨胀后 能获得相同井眼通径的关键 之一 ， 也是保证膨胀管的使用寿命 、 井下操作安全可 靠的关键 。 2 ． 3 施工工艺及配套工具的研制开发 等井径钻井施工工艺及配套工具的研发是确保 现场施工顺利进行的关键因素。其中， 完善可行的 膨胀 工艺和可变径膨胀锥工具 的研制至关重要 。施 工工艺主要有多行程胀管和单行程胀管两种技术路 线 多行程胀管系统是指通过两次或多次起下钻来 实现上下级套管相 同井径 ， 从而实现全井等井径的 技术体系 ； 单行程胀管系统 如图 1 所示 是指通过 一 次起下钻来完成上下级套管等井径 ， 多次重复即 可实现全井相同井径的技术体系。 日 t - 欣 膨胀罐 第⋯级 膨肷锥 膨胀 磨铣 彬胀管 膨胀 膨胀 变 结束 套管鞋 图 1 单行程胀管系统 配套施工工具 主要包括锚定 与坐封悬挂工具 串、 膨胀工具 串和安全应急工具 串 三大部分 。其 中， 锚定 与坐封悬挂工具 串主要用于密封膨胀管底 部 ， 形成压力发射腔为打压胀管时提供压力 ， 在注水 泥时用作 固定器和提升下放时悬挂管柱等 ； 膨胀工 具串主要用来扩张膨胀管 ， 直到封 隔器坐封 ， 确保整 个施工过程的顺利完成 ；安全应急工具 串主要用来 应对压力泄漏 、 胀锥无法收回等特殊情况 ， 以确保施 工的安全可靠性。 3 市场应用前 景 当钻井作业发生钻遇问题 卡钻 、 坍塌 、 井涌 时， 等井径钻井技术能在不损失井眼井径 的情况下回避 风险， 提高钻井效率和安全性。与传统钻井技术的 发展类似 ， 该技术经历了充分论证 、 先导性试验、 现 场试验和经济评估等 阶段 ， 正在逐步发展成为一项 成熟技术 。国内外公司已将此技术作为可带来 巨大 经济利益的技术而密切关注 ， 同时 ， 准备将该技术和 大位移钻井 E R D 技术联合起来 。这两大前沿技术 的联合将会极大加快钻井工程的发展进程 ⋯。 等井径钻井 技术不仅 能解决 由于渐 缩式井身 结构导致的尾管尺寸小 、 影响产油能力等问题 ， 也可 以在不牺牲井眼尺寸的情况下封隔复杂地层规避风 险 ， 优化钻井作业 ， 降低 总的开采成本 ， 减少对地层 的切削量、 固井水泥和钻井液的使用量 、 配套管材的 使用量等。同时 ， 等井径 的井身结构不会造成井径 损失， 可增加大位移井水平段与油藏的接触， 提高单 井产量 ， 减少井数和建井设备 ， 从而提高油田开发的 经济性 。该技术 的另一个优势是对环境有利 ， 如井 眼的减小可减少钻井液的使用 、 排放 ， 允许使用较小 的井架等。研究表明在同等条件下， 与常规钻井技 术相比， 利用等井径钻井技术完成设计井深为4 0 0 0 m 的油气井可降低 4 4 ％ 的钻井液用量 、 4 2 ％ 的固井 水泥用量、 4 2 ％的套管用量和 5 9 ％的钻屑生成量， 可节省 3 3 ％- 4 8 ％ 的总建井的费用 。 徐 丙贵等 等井径钻 井技术概述 1 5 综上所述 ， 油气勘探与开发事业 的进一步发展 ， 对钻井装备和技术发展的需求与 日俱增 ， 等井径钻 井技术将会推动油井井身结构设计和施工方式根本 性的变革 ， 并逐渐发展成为钻井设计 中考虑的技术 手段之一。该技术可对因钻井成本太高或最终井眼 尺寸受 限而无法开采的油气井进行开发 ， 能最大限 度地发挥油层的生产潜能 。该技术在提高钻井安 全可靠性 、 节约钻井成本与保护环境等方面具有突 出的优点 ， 因此具有传统钻井方式无法 比拟的技术 优势 ， 尤其在深井 、 超深井和复杂井的开发上具有广 阔的市场前景。 4 结论与认识 1 等井径钻井技术正逐步向商业化推广迈进。 2 满足膨胀施工性能要求 的管材的选取 ， 密封、 锚定及悬挂可靠 的膨胀管连接方式 的研究 ， 完善快 捷的施工工艺及安全可靠 的配套施工工具的研发 ， 均是等井径钻井施工 的关键技术。 参考文献 [ 1 ] F U R ．L O W E x p a n d a b l e c a s i n g p r o g r a m h e l p s o p e r a t o r h i t T D wi t h l a r g e r t u b u l a r s[ J ]． O f f s h o r e ， 2 0 0 0 4 8 ． 5 1 ． [ 2 ] WADDE L L K． R e a l i z i n g s i n g l e d i a me t e r we l l b o r e t e c h n o l o g y[ R] ， S P E 9 6 6 5 5 ， 2 0 0 6 ． [ 3] 徐丙贵， 张燕萍， 王辉， 等 ． 数值模拟在膨胀管修复套损 井技术中的应用 [ J ]． 石油勘探与开发， 2 0 0 9 ， 3 6 5 6 51 65 7． [ 4] HAR ML S J ， DUG GA NA M， I NNE S G L． T h e a p p l i c mi o n s o f r o t a r y e x p a n s i o n t o s o l i d e x p a n d a b l e t u b u l a r R J ． S PE 7 454 8， 20 02． [ 5] ME R RI T T R a n d y M． We l l r e me d i a t i o n u s i n g e x p a n d a b l e c a s e d h o l e l i n e r s[ J ]． Wo r l d Oi l ， 1 9 9 6 ， 2 1 7 7 6 1 ． [ 6] S UMRO W Mi k e ． E x p a n d a b l e t u b u l a r s g a i n i n g i n d u s t r y c o n fi d e n c e[ J ]． Oi l ＆ Ga s J o u r n a l ， 2 0 0 2 一 O 1 ． [ 7] COOK L a n c e ． S o l i d e x p a n d a b l e t u b u l a r t e c h n o l o g y i n c r e a s e s p r o d u c t i o n r a t e s i n d i ffi c u l t d ri l l i n g e n v i r o n me n t s [ M ]． J P R R， 2 0 0 2 ． 0 6 ． [ 8] 张建兵， 毛连海， 施太和， 等 ． 膨胀管膨胀过程中不均匀 变形的试验研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 4 ， 2 6 2 9 - 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