（石油与天然气工程专业论文）套管钻井技术在胜利油田的应用研究.pdf

套管钻井技术在胜利油田的应用研究 论文作者：牛洪波( 石油与天然气工程) 指导教师：黄根炉( 副教授) 赵金海( 高级工程师) 摘要 在大量的文献调研和方法研究基础上，以形成套管钻并技术基础和技 术发展框架思路为目标，通过总结分析国外应用套管钻井技术的成功经验 和失败教训，针对表层井眼套管钻井管柱安全问题和钻进参数合理配置进 行了理论研究、分析，提出了钻具组合优选方案和钻进参数优选方案；在 总结整理套管钻井技术在国内应用所必需的钻机条件、工具条件、地质条 件、井型和井段选择等有关因素的基础上，结合胜利油田钻井装备和配套 工具现状，提出了套管钻井关键装备和工具的研制方案。以此为基础，结 合胜利油田浅海油区的地质特点，制定了表层井眼套管钻井技术方案：在 顺利、安全完成首口套管钻井试验井之后，针对试验过程中存在的各种问 题进行了总结、分析，并进行了必要的工艺改进和工具完善，从而大幅提 高了第二口试验井的技术指标。在完成现场试验和总结分析国外回收式套 管钻井技术特点的基础上，结合已形成的技术基础，提出了从两个方面全 面发展套管钻井技术的整体框架思路。胜利油田的应用实践表明，套管钻 井技术与传统钻井技术相比具有很强的技术创新空间和发展潜力。同时， 通过逐步完善，套管钻井技术在降低中深井综合成本，提高浅层油气藏开 发经济效益方面具有较好的推广应用前景。 关键词：套管钻井，钻进参数，技术方案，配套工具，现场试验 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fc a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y i ns h e n g l io i lf i e l d n i uh o n g - b o ( o i l g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n gg e n - l ua n ds e n i o re n g i n e e rz h a o j i n - h a l a b s t r a c t b a s e do np l e n t i f u ld o c u m e n t s i n v e s t i g a t i o na n dp r a c t i c a lm e t h o d sr e s e a l c h , a l s ot a r g e t i n gt oc o n s t r u c ti n i t i a lt e c h n i c a lb a s ea n dd e v e l o p i n gf r a m e p l a no f e a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y , t h ef u l l l e n g t hp a p e rh a ss u m m a r i z e dt h e s u c c e s s f u le x p e r i e n c ea n db e a t i n gl e s s o n sf r o mf o r e i g na p p l i c a t i o no ft h e t e c h n o l o g y t h e n , d e p e n d i n go nt h et h e o r ya n a l y s i sr e s u l t o fs e c u d t y e v a l u a t i o no nb h ao fc a s i n gd r i l l i n gt h a tc a nb eu s e di ns u r f a c eh o l e ， o p t i m i z e dt e c h n i c a lp r o g r a mo nb h aa n dd r i l l i n gr e c o m m e n d a t i o nh a v e f o r m e d a f t e rt h i s ，n e c e s s a r yt e c h n i c a lc o n d i t i o ns u c ha sd r i l l i n gr i g s ，t o o l s ， g e o l o g i c a lc o n d i t i o n , w e l lm o d e la n ds e c t i o ni ns h e n # io i lf i e l dh a sb e e n s e l e c t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f c a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y , c o n s i d e r i n gd r i l l i n g e q u i p m e n ta n dt o o l sc o n d i t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s oh a sw o r k e do u tt h e d e v e l o p i n gp l a no nc r i t i c a le q u i p m e n ta n dt o o l sf o rc a s i n gd r i l l i n g b a s e do n t h e s e ，s u r f a c eh o l ep i l o te x p e r i m e mp l a nf o rc a s i n gd r i l l i n gh a df o r m e d ， w h i c hh a st a k e ng e o l o g i c a le n v i r o n m e n to fs h e n g l is h a l l o wo c e a no i lf i e l d i n t oa c c o u n t a sw er e s p e c t e d ，t h ep r o c e d u r eo ft h ef i r s tc a s i n gd r i l l i n gt e s t w a ss a f ea n ds u c c e s s f u l b u tt e c h n i c a lq u e s t i o nh a ss t i l lb e e ns u m m a r i z e d a n ds t u d i e d s o ，u s e f u lt e c h n i c a li m p r o v e m e n ta n db e t t e rt o o l sc a l l _ b eu s e di n t h es e c o n dw e l l t h u s , e v e nb e t t e rt e c h n i c a li n d e xa p p e a r e d f r o mt h e no n , n l d e p e n d i n go nu s e f u le x p c l i e n c ea n dt h et e c h n o l o g yo b t a i n e d 们m t h ep i l o t t e s ta f l dt h ei n v e s t i g a t i o no ff o r e i g nt e c h n o l o g y , i nt w oa s p e c t s ，t e c h n i c a l d e v e l o p i n gf r a m e ds t r u c t u r eo nc a s i n gd r i l l i n gh a sf o r m e d t h e 印p l i c a t i o no fc a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g yi ns h e n g l io i lf i e l di n d i c a t e d t h a tt h et e c h n o l o g yh a sw i d ei n n o v m i o ns p a c ea n dd e v e l o p i n gp o t e n t i a l i t y i n a d d i t i o n , t h r o u g hf u r t h e ri m p r o v e m e n t , c a s i n gd r i l l i n gs y s t e mc a nb e t t e ro i l & g a s r e s e r v o i re x p l o i t a t i o na n dl o w e rs y n t h e t i cc o s to fm e d i u m - d e e pw e l l s s o ，t h i st e c h n o l o g yh a s aw i d e rf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：c a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y ，d r i l l i n gr e c o m m e n d a t i o n ， t e c h n i c a lp r o g r a m ，m a t c h i n gt o o l s ，f i e l dt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究i 作及取得 的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：2 塞迭纠年牛月2 歹日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 扣7 年斗月西b 2 叩年4 月j 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 套管钻井技术( c a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y ) 是从早期采矿业绳索取 芯技术发展起来的一项新兴钻井技术。所谓的套管钻井技术就是指在钻 进过程中直接采用套管替代传统的钻杆向井下传递机械及水力能量，井 下钻具组合接在套管下面，边钻进边下套管，完钻后做钻柱用的套管留 在井内做完井管柱用的钻井方法。其特点是放弃了常规钻杆，利用套管 代替钻杆钻进，可利用钢丝绳进行井下钻具组合的起下作业。该特点使 套管钻井技术与传统钻井模式相比具有明显的技术优势。套管钻井技术 有效地解决了高压地层易发生井涌、井壁坍塌、缩径以及低压易漏失或 不确定地层易发生钻井液漏失、卡钻等井下意外事故的问题；对于易漏 失的稠油油藏和低压低渗透油藏的开发，套管钻井技术是一种行之有效 的钻井技术。同时，随着近几年国内外石油勘探开发力度的加大，这种 边钻进边下套管的钻井技术在解决勘探新区不确定地层的井壁稳定问题 方面有着明显的技术优势。另外，由于海洋钻井受自然条件的限制，在 钻井液配浆、生产组织调度等方面存在诸多不利因素，生产环境简洁、 优质、快速、高效的钻井模式才是从根本上降低海洋钻井成本的首选方 法，套管钻井技术正是这样一种新型的钻井模式。目前，国外的海洋钻 井己将其作为一项重点技术进行推广应用。由于套管钻井技术卓有成效 地解决了石油勘探开发中的诸多问题，使得此项技术在国外迅速发展， 并逐步趋于成熟，目前已经进入工业化推广应用阶段。 随着勘探开发力度的不断深入，我国的油气勘探开发领域逐步向地 层岩性、前陆盆地山前冲断带、海相碳酸盐、隐蔽油气藏等方向发展， 勘探目标愈来愈复杂，勘探难度愈来愈大，油气开发成本的控制难度相 应加大；老油田总体上进入高含水、高采出程度阶段，产量递减；新增 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章绪论 储量品位下降，低渗、特低渗、稠油储量所占比例逐年加大，开采难度 加大。为此，必须加大核心技术的攻关力度，进一步降本增效。套管钻 井技术无论是在提高老油区钻井作业效率、实现低成本开发，还是在降 低新探区勘探作业风险、缩短投资回报周期方面都具有非常显著的技术 优势。 然而，国内在套管钻井技术研究开发方面起步较晚，尚未形成完善 成熟的工艺技术。而套管钻井技术又是一项完全有别于传统钻井技术的 新型钻井技术，涉及到钻井工艺、机械加工、自动控制、材料学、完井 技术等多个学科领域，对钻井装备的设计开发有着相当高的要求，即便 是国外公司也采取了共同投资联合攻关的方式，依靠近5 0 年的技术积 累、近2 0 0 0 万美元的研究经费和数以百计研究人员的努力，花费了五年 以上的时间才逐步发展成型。相比之下，国内在钻井重大装备的研究开 发能力、钻井技术投入等方面与国外还存在一定的差距。因此，国内套 管钻井技术的研究开发应当本着由易入难，稳妥开发的原则开展相关工 作。鉴于此，胜利油田选择了使用无需回收钻头的一次性套管钻井技术 在浅海油区平原组、明化镇组地层首先开展表层井眼套管钻井现场试验， 为全面发展套管钻井技术进行技术积累。 本文调研整理了国内外套管钻井技术的发展现状；重点针对胜利油 田套管钻井试验所涉及的表层井眼套管钻井管柱安全、钻进参数优选、 水力参数优选、关键工具配套等问题进行了初步的研究、探讨，为现场 试验成功实施作了前期技术准备；对试验结果进行了总结分析；初步给 出了胜利油田套管钻井整体研究框架，拟定了相关研究内容技术的发展 思路从回收式套管钻井技术和一次性套管钻井技术两个方面以及配套技 术的研究开发提出了建议，希望有助于推动该技术的发展、成熟。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 第2 章套管钻井技术的发展 2 1 套管钻井技术的优势 套管钻井技术是从早期采矿业绳索取芯技术发展起来的一项新兴 钻井技术。套管钻井技术就是用标准的油田套管边钻边封隔井眼，套管 起着钻柱的作用，将机械动力和液压动力通过与最下部套管相连的钻具 组合传给钻头，以实现钻进和钻井液循环，钻达设计井深后，起出下部 钻具，并进行固井的钻井方法其特点是放弃了常规钻杆，利用套管 代替钻杆钻进，可利用钢丝绳进行井下钻具组合的起下作业。这种“套 管跟进”的钻井方式保证了地层开孔后始终有套管在井眼中对己形成 的井壁进行机械强化，该特点使套管钻井技术与传统钻井模式相比具有 明显的技术优势。套管钻井的主要优点： ( 1 ) 钻井和下套管同时进行； ( 2 ) 不用钻杆和钻铤； ( 3 ) 不需要起下钻作业： ( 4 ) 减少意外事故； ( 5 ) 提高钻井安全系数； ( 6 ) 降低钻机成本； ( 7 ) 降低油井成本： ( 8 ) 大大地降低了钻井成本： ( 9 ) 钻机轻便，易于搬迁和操作。 套管钻井的现场试验表明，在无事故井中进行套管钻井可节省钻井 成本1 0 1 5 。在钻速较快的陆地井中估计可节约钻井成本3 0 0 1 。 对于易坍塌地层，套管钻井已经证明是一种更加经济有效的方法，可节 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 省更多的钻井费用。对己有的钻井技术如定向钻井、注水泥、测井、取 心和试井等作业采用套管钻井、固井来替代常规的钻杆钻井，其速度比 常规钻杆钻井快5 1 0 倍。因此，套管钻井作为一项前沿技术已推动钻 井工业进入新世纪。这一降低钻井成本的重大举措，对石油工业的发展 具有重大影响。 由于套管钻井技术有效地解决了高压地层易发生井涌、井壁坍塌、 缩径以及低压易漏失或不确定地层易发生钻井液漏失、卡钻等井下意外 事故的问题，对于易漏失的稠油油藏和低压低渗透油藏的开发，套管钻 井技术是一种行之有效的钻井技术。同时，随着近几年国内外石油勘探 开发力度的加大，这种边钻进边下套管的钻井技术在解决勘探新区不确 定地层的井壁稳定问题方面有着明显的技术优势。另外，由于海洋钻井 受自然条件的限制，在钻井液配浆、生产组织调度等方面存在诸多不利 因素，生产环境简洁、优质、快速、高效的钻井模式才是从根本上降低 海洋钻井成本的首选方法。而套管钻井技术就是这样一种新型的钻井模 式，国外的海洋钻井己将其作为一项重点应用技术推广。由于套管钻井 技术卓有成效地解决了石油勘探开发中的诸多问题，使得此项技术在国 外迅速发展，目前已经进入工业化应用阶段。 2 2 套管钻井技术发展状况 2 2 1 国外套管钻井技术发展状况 有关套管钻井的专利最早出现在2 0 世纪6 0 年代。1 9 8 9 年至1 9 9 5 年期间又出现了一些有关套管钻井的钻井工具、钻机装备和钻井工艺的 专利。这一期间是现代套管钻井技术酝酿和形成的阶段。1 9 9 6 年至1 9 9 8 年，国际油价持续下滑，整个油气行业陷入极端萧条之中，各油气公司 纷纷兼并、裁员以降低成本。同时，许多著名公司把套管钻井作为一种 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 有效降低钻井成本，显著提高投资回报率的研究开发项目，继对其进行 了研究和开发，但研究开发的初衷和技术路线不同，因而又各具特点。 这一时期套管钻井进入了快速发展的阶段。 加拿大t e s c o 公司1 9 9 5 年起研究开发的套管钻井技术是在2 0 世 纪8 0 年代后期斯阿科研究开发公司( a r c or & d ) 的绳索连续取心技 术基础上发展起来的，其出发点是节省钻井时间、降低钻井成本。液压 技术是t e s c o 公司的专长，在其套管钻井技术中得到了充分的体现。 该公司已经研制开发了一种全液压套管钻井车载钻机及一套颇具特色 的配套设备，分为地面设备和井下工具两部分。为了保证井下钻具组合 的安全起下，t e s c 0 公司研制出了由钢丝绳防喷器、分体式天车、分体 式游车、钢丝绳绞车等组成的地面专用设备。使用的钢丝绳直径1 6 r a m ， 最大可承受拉力1 9 0 k n 。其关键的井下钻具组合系统由3 部分组成：一 是起下工具；二是井底钻具组合；三是座底套管。进行套管钻进时，井 下钻具组合锁定在座底套管的锁定短节上。而钻井方式可以是旋转钻进 方式、滑动钻进方式或者滑动旋转复合钻进方式。需更换钻头或井下钻 具组合时。往套管内部下入起下工具并解锁锁定装置，起出井下工具组 合，更换完毕后，再将并下工具组合从套管内送入井底，锁定在套管柱 末端的座底套管上，起下过程中可保持钻井液的循环和钻柱的转动。套 管钻井用的套管没有浮箍，固井时需要采用新的固井方法。最早的固井 作业中使用了1 个柔性刮塞和1 个顶替塞。顶替塞由铝和橡胶制成，具 有较好可钻性。固井时先向套管内泵入1 个能刮去管壁滤饼的刮塞，通 过加压，刮塞可被很容易地剪断并从套管鞋泵出。注完固井水泥后接着 用顶替液泵入1 个顶替塞，顶替塞坐放并锁定在轴向锁定接箍上作浮箍 使用，顶替塞可把水泥的上返压力密封在顶替塞之下。需要继续钻进时， 可在水泥凝固后，用较小直径的套管钻井系统下入到井底，将刮塞、固 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 井浮箍和水泥环钻掉后继续钻进吲。1 9 9 8 年6 月t e s c o 公司进行了首 口套管钻井试验井，钻成了一个定向井眼和侧钻井眼。在另外一1 3 试验 井中，该公司用套管钻井技术钻成了一个水平井眼和一个s 型井眼，并 实现了分别用0 2 2 9 2 m m 、0 1 9 3 7 m m 、0 1 7 7 8 m m 、0 1 3 9 7 m m 、0 1 1 4 3 m m 五种尺寸的套管钻进，总进尺达2 7 7 4 m ，证明了套管钻井的可行性。在 完成了研究开发阶段后，于1 9 9 9 年将该技术在钻井市场上推出，套管 钻井进入工业应用阶段。在加拿大阿尔伯特郡完成了数1 3 浅层直井后， 又完成了一口定向井，以进一步评价套管钻井技术及相关的配套工具。 此后该公司不断改进有关工具并进行现场应用。截止1 9 9 9 年年底， t e s c o 公司已钻成了数1 3 定向井和水平井并进行了取心作业【引。 2 0 0 0 年以来，为了提高套管钻井效率，国外专门为套管钻井设计了 混合型钻机，既可用于套管钻井，也可用于常规钻井。新一代混合型钻 机的额定钻深能力为3 0 0 0 m ，包括一台带整体式顶驱装置和绞车的双腿 式伸缩井架，一台5 8 8 4 k w 的三缸泥浆泵，一台井架返出管线清洁器， 一座高5 4 m 的吊装底座。钻机设备由液压装置驱动，并受数字式可编 程逻辑控制器( p l c ) 的控制。混合型钻机运输和安装方便，提高了操 作和钻井效率，从而提高了套管钻井的经济性。钻机设备采用模块化设 计，可减少井场占地。t e s c o 先后与雪佛龙、荷兰壳牌、p d o 等公司 合作，在墨西哥湾、阿曼、北海陆续完成了2 0 余1 3 井的套管钻井作业。 2 0 0 2 年1 月t e s c o 公司在美国怀俄明南部的w a m s u t t e r 地区又完成了 1 5 口井深从8 0 0 3 0 0 0 m 不等油、气井，并实现了欠平衡条件下的套管 钻井作业。截至2 0 0 4 年4 月，t e s c o 公司已经利用套管钻井技术完成 各类井1 2 5 口，最大井深3 9 6 9 m ( 1 3 0 0 0 f t ) 。为了降低深水钻井的成本， s p e r r y - s u n 公司利用套管钻井技术开展了海上无隔水管钻井作业的 研究，以此来节省下套管时间，缩短建井周期。该公司还希望借助这项 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 技术解决裸眼井段“时间敏感性地层”的并眼稳定问题，实现在这种地层 中快速钻进和下套管。s p e r r y - s u n 公司开发套管钻井技术的结构和原 理与t e s c o 公司基本相同。该公司目前使用了0 3 3 1 m m 套管钻井系统 在海上钻0 4 4 5 m m 的表层井眼，这种套管钻井系统使用了外径为 0 2 2 9 m m 或0 2 0 3 m m 的泥浆马达，可输出的最大扭矩为l3 5 6 k n n l ，泥 浆马达所接钻头的最大外径为m 3 l l m m ，井下钻具组合可通过的最大钻 井液流量为4 5 m a m i n ，可承受的最大钻压为2 5 0 k n 。s p e r r y - s u n 利 用其多分支井技术中使用的液压回收工具，在海上进行套管钻井时实现 了用钢丝绳或钻杆两种方法回收井下套管钻井系统。其套管钻井技术的 特点是在起、下可回收式井下钻具组合时，利用钻杆回接m 2 2 9 m m 井下 液力回收工具完成起下作业。使用液压回收工具( h r t ) 前，要将其接 到钻杆上并开泵进行测试，观察液力回收工具齿扣的收缩情况，确保其 工作状态正常。完钻后用钻杆下入液力回收工具，观察到钻柱转动后， 表明h r t 液力回收工具已到达位置，对液力回收工具施加一定的钻压， 停止循环。通过提升钻柱确定液力回收工具已经与锁定总成连结，解锁 锁定总成并将井下钻具组合从锁定接箍中提出，起出井下钻具组合后固 井。回收管下扩眼器的切削齿时，有时不能完全收缩，卡在套管鞋处。 因为套管鞋上镶装有硬质合金材料，这时要先解锁总成，再用液压回收 工具旋转井下工具组合铣削掉套管鞋以下部分。在井较浅的情况下，使 用钢丝绳来进行井下钻具组合的下入和回收，此时在打捞简上方配置了 震击器，钢丝绳的最大承受强度为1 1 8 k n 。固井时使用了一个置于套抓 篮中的固井塞，借助套抓篮，固井塞坐放并锁定在套管柱末端的用于锁 定可回收式井下钻具组合的锁定短节中，与套管结合成一个整体，这样 可采用常规的固井工艺固井。注水泥过程中该固井塞可封堵住水泥浆的 返压，不必在套管中使用顶替液来保持回压。固井塞是可钻的，需要继 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 续套管钻进时，下入较小直径的套管钻井系统，钻掉固井塞和水泥环后 即可继续钻进。套管钻井技术实现了海上无隔水管钻井作业，降低了深 水钻井成本。 井下钻具组合在运往钻井平台之前均在工厂内进行组装和测试，主 要测试锁定总成从锁定接箍起出时需要的锁定载荷和钢丝绳回收工具 的断裂值。在钻井平台上对整个井下钻具组合进行最后组装和地面测 试，测出管下扩眼器完全张开时钻井液的排量，同时测试管下扩眼器的 工况。其中的2 口浅井使用了m 2 0 3 m m 的泥浆马达、m 3 1 8 r n m 的铣齿钻 头和0 4 4 4 5 m m 的管下扩眼器，在完钻后用钢丝绳将井下钻具组合从锁 定接箍起出时都遇到了困难。钢丝绳回收工具下入抓牢井下锁定总成 后，解锁锁定总成，钢丝绳虽可上拉一定距离，但难以确定锁定总成是 否已被解锁，增加钢丝绳的拉力也无法拉动锁定总成。缓慢下放套管柱， 将钻头置于井底，将套管柱的重量施加到井下钻具组合上以推动其相对 上移，以便与锁定接箍脱离。加大钢丝绳的拉力，直到观察到总成的移 动后才将整个总成从套管中起出。另2 口较深的井使用了0 2 2 9 m m 泥浆 马达、0 3 1 8 m m 的p d c 钻头和4 4 5 m m 的管下扩眼器和液力回收工具。 在地面对h r t 液压回收工具进行测试以确保其工作正常，用h r t 液力 回收工具成功地对井下钻具组合进行了回收1 3 1 。 施工中遇到的困难及解决的方法。( 1 ) 管下扩眼器的切削臂在地面 处于非锁定状态、井下钻具组合和坐底套管的长度较大给运输带来了困 难。运输时需将整个系统分成0 4 4 5 m m 管下扩眼器加泥浆马达、锁定总 成和0 3 3l m m 坐底套管3 个部分运输。( 2 ) 套管钻进时遇到了管下扩眼 器的切削部件在张开位置被卡死，将套管柱连同井下钻具组合一起起 出。( 3 ) 目前使用的回收工具与锁定总成结合后，不能在现场将其分离， 还需要送回组装车间拆开分离p 】。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 1 9 9 6 年6 月墨西哥p e m e x 公司结合小井眼设计和无油管完井技术开 始尝试用油管代替钻杆钻进生产套管井段，完钻后再将其下入井内作生 产套管和无封隔器油管使用。利用此项技术，该公司已经完成了1 5 0 口 气井，并在油管钻井的基础上已经用套管代替钻杆钻井。由于不存在从 套管内回收井底工具的问题，此项技术的操作更为简单、实用，大大降 低了墨西哥北部气井的钻井成本。 随着技术合作的国际化，几家公司采取联合资助、共同开发、成果 共享的方式来加速套管钻井技术的发展。1 9 9 6 年，美孚技术公司( m o b i l t e c h n o l o g yc o ) 、b p a m o c o 公司( b p a m o c o ) 、雪佛龙公司( c h e v e r o n ) 、 德士古公司( t e x a c o ) 和休斯克里斯坦森公司合作成立了一个名为 m o b p t e c h 的研究小组，该小组将套管钻井中的水力学条件列为首要 的研究内容。首先，建立水力学模型用来确定钻头清洁、井眼清洁和泥 浆等效当量循环密度的最佳状态，然后将该模型在套管钻井中更大的范 围内推广应用。其中的环空水力学模型考虑到了西3 1 1 1 m m ( 1 21 4 ”) 以下井眼中，钻柱的偏心和钻柱在小环空间隙条件下旋转对井下流场的 影响。试验工作是在美国俄克拉荷马州的贝克休斯油井试验中心进行 的。2 0 0 0 年上半年，t e s c o 公司与斯伦贝谢油田专业服务公司 ( s c h l u m b e r g e ro i l f i e l ds e r v i c e s ) 成立了一个提供全方位套管钻井专业 服务的联合体。t e s c o 公司负责提供套管钻井作业中使用的可回收井下 钻具组合及相关工具的服务和开发，斯伦贝谢油田专业服务公司提供钻 井、采油和管理服务。美国t r i m a xi n d u s t r i e s 公司于1 9 9 6 年开展了套 管钻井技术的研究开发。该公司的研究目的就是如何在表层套管尺寸一 定的情况下，最大限度地增加生产套管尺寸，降低深水钻井成本。该公 司设计使用了可伸缩随钻扩眼器进行钻井作业，并于1 9 9 7 年首次对这 种工具进行了现场试验，现在已经设计、制造出了第二代产品，并陆续 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 在墨西哥湾和地中海海域进行了系列工业应用。 英国b b l 公司也对套管钻井工具进行研究开发，设计并制造了几种 套管钻井鞋等产品，在东南亚的4 口井中得到了成功的应用。但随着该 公司被美国w e a t h e r f o r d 公司收购，此项技术及产品的所属权已经成为转 到w e a t h e f f o r d 公司名下。近几年来，b b l 公司对这种可钻式一次性钻 鞋进行了不断地开发、完善，目前已经形成了能够配合西1 1 4 1 咖 0 5 0 4 8 m m 各种规格套管进行套管钻井的成系列的钻鞋规格。但是，由 于钻鞋不能进行回收，这种类型的套管钻井技术只限于在钻进井段较 短，能够使用一只钻头钻至目的层的井中使用，因此，其应用范围较窄， 多数为表层井眼。截至2 0 0 3 年年底，w e a t h e r f o r d 公司应经在4 0 0 余口 井上实现了套管钻井技术的商业应用。 休斯克里斯坦森公司研制出一种可替换的、特制的套管钻井钻头。 贝克休斯公司的套管钻井井底钻具组合包括了高效率的泥浆马达和 m w d l w d ，这种钻井系统可用于钻表层井眼和侧钻。使用套管钻井时， 所使用的管材连接方法必须能抗较高的周期扭曲载荷，克服扭曲载荷的 密封能力以及较高的抗疲劳性。g r a n tp r i d e c o 公司在a p i j j f l 强接箍的基础 上，研制出一种耦接接箍。这种接箍具有较高的抗扭强度和抗疲劳强度。 h u n t i n g 能源公司研制出一种优质接箍( 在加拿大和美国的钻井中已 经使用过) h u n t i n g 偏梯形k c 可转换接箍，接箍的j 形区内镶有钢质密 封环。这种钢密封环可大幅度增加接箍的抗扭能力，并能稳定接箍的抗 屈曲和抗疲劳能力。 2 2 2 国内套管钻井技术发展概况 套管钻井技术一出现就引起了国内有关专家和学者的注意，在各种技 术刊物上发表了一定数量的论文和译文。国内各油田相继开展了套管钻并 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 技术的初步尝试。 2 0 0 2 年。大港油田滩海工程公司与美国a p a c h e 公司合作，在赵东油 田利用w e a t h e r f o r d 公司的可钻式钻鞋技术完成了2 2 口井的表层井眼套管 钻进，并于2 0 0 3 年使用同类技术独立完成了3 口井的表层井眼。 中国石油天然气总公司将石油套管钻井技术列为“十五规划中的科 研项目，已经开始实施该项技术的研究工作。2 0 0 3 年1 0 月2 5 日至2 0 0 3 年1 1 月8 日，中国石油勘探院机械所与吉林油田合作开发的套管钻井系 统在吉林油田首次进行了简易套管钻井技术现场试验。试验地点为吉林油 田套保地区白9 2 区块，试验井号为套b + 3 - 4 井。该井设计井深3 1 8 5 m ， 井眼直径为0 2 4 4 5 m m ，采用的套管规格为0 1 7 7 8 69 1 m m ，套管钢级为 j 5 5 。 简易套管钻井技术立足国内陆上油田钻井 装备的现实条件，本着降低钻井成本的研究目 标，主要适用于陆上油田浅开发井，该技术的 主要特点为： ( 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，中途不更换 钻头的技术要求。 图2 - 1 简易套管钻井示意图 ( 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，连接在方钻杆下，工作在 导管内，无需增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，可实现对油层段的测井。 简易套管钻井的工艺过程如下： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 进行套管钻井时，方钻杆下连接着套管夹持头，套管夹持头对套管 柱进行夹持，套管柱下端通过特制的固井短节与钻头相连。如必须进行 主力油层的裸眼测井时，在钻头上方加入钻头脱接装置，完钻后通过投 球丢手方式，将钻头与套管柱脱开，钻头落入井底，然后就可以上提套 管柱3 5 根，暴露出主力油层，以满足裸眼测井的需要。测井过程完 成后，将套管柱重新下入并实施固井工艺过程。固井时，利用特殊设计 的固井自封式胶塞，实现注水泥后固井胶塞的碰压及通过固井胶塞的自 锁功能实现敞压候凝i ”。 在该井的试验过程中，虽然研发出来的专用工具的使用效果不理想， 但是已经初步形成了国内套管钻井技术研发的雏形。大庆油田也于2 0 0 4 年6 月完成了一口井表层井眼的套管钻井试验，但试验使用的主要工具仍 然是国外产品。目前大庆油田也根据试验情况研究开发出了相应的工具和 配套技术，具备了一定的基础。 胜利油田于2 0 0 4 年开展了先导性科研攻关课题的研究工作。2 0 0 4 年 3 月，胜利油田滩海油区的垦东3 4 1 井成功实现了使用0 3 3 9 7 m m 表层套 管进行套管钻井，试验井深达到了4 5 2 8 m 。2 0 0 4 年8 月，胜利3 号钻井 平台在冀东油田老堡l 井利用改进技术进行了第二次试验，试验井深达到 了5 0 0 m 。 综上所述，套管钻井技术在国内的发展仍然着眼于一次性的套管钻井 技术，尚未针对回收式套管钻井技术开展深入的研究工作，总体上还处于 非常初步的雏形阶段。即便是一次性的套管钻井技术，包括钻井工艺流程 在内的各项工艺、技术尚未成形，所作的试验工作也只是小范围的，针对 表层井眼的初步尝试，技术含量相对较低，准确地讲，此类技术只能属于 套管钻井的边缘技术，其相应的应用范围和推广价值相对较窄。而适应大 井段钻井和深部钻井的钻头管内回收技术这一真正意义上的套管钻井技 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套管钻井技术的发展 术在国内基本处于空白状态。 2 3 小结 套管钻井技术已经有了近半个世纪的发展历程，但其真正得以快速 发展也只是近几年的时间，目前，国外的套管钻井技术已发展到了一个 较高的水平。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 研制并成功制造出了性能较为稳定的新型套管钻机： ( 2 ) 研制了各种尺寸的专用钻头； ( 3 ) 研制并成功使用多种随钻扩眼器： ( 4 ) 建立了各种尺寸和工况条件下的水力模型： ( 5 ) 形成了一套较为先进的套管钻井设计技术； ( 6 ) 形成并完善了套管钻井井眼轨迹控制技术及相关软件开发； ( 7 ) 套管钻井固井技术及有关工具的研制； ( 8 ) 已经能够成功完成各种直井、定向井、水平井的钻井任务； ( 9 ) 高性能钻井液、完井液技术。 以上述技术为基础，套管钻井技术今后的发展方向则主要在以下几 个方面： ( 1 ) 能够尽量多地使用现有钻井技术的套管钻井系统； ( 2 ) 领眼钻头与随钻扩眼器的水力优化配置： ( 3 ) 随钻扩眼器切削机构的优化设计，提高其寿命及破岩效率，实 现与领眼钻头寿命及钻速的合理匹配： ( 4 ) 设计开发更加合理，成功率更高的钢丝绳起、下工具； ( 5 ) 大斜度定向井、水平井套管钻井技术研究； ( 6 ) 一次性钻头应用于套管钻井技术。 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章钻进参数优选 第3 章钻进参数优选 3 1 套管钻井钻进参数调研分析 钻压等钻进参数从一个侧面反映了对套管钻井专用钻头、锁 紧总成和套管等井下关键工具的性能要求。因此，对近年来国内 外套管钻井技术现场实际应用情况进行了分析研究，籍此希望在 借鉴国外成功经验的基础上，完成套管钻井管柱力学安全性评估， 并提出合理可行的套管钻井钻进参数优选方案。 3 1 1t e s c o 公司经验 t e s c o 公司曾在位于怀俄明州中南部的大格林谷地的 w a m s u t t e r 地区进行过1 5 口气井的套管钻井施2 1 2 5 1 。该区块的主 要产层是阿尔曼德砂层。该层是硬度高、结构致密的砂岩，孔隙 压力大。上部是第三系白垩纪砂页岩互层，下部是煤层和粘土夹 层。上部地层清水钻进时钻速很快，而产层却相当致密，研磨性 强。 在w a m s u t t e r 地区测试套管钻井系统之所以有吸引力，有几 方面的原因。首先，与其他可以使用套管钻井技术的区块相比， w a m s u t t e r 地区的钻井作业费用低；其次，该地区已经有足够的 测井资料，常规的裸眼测井已经不做要求。故该项目可以做相对 灵活、资金充足的钻井计划。 在1 5 口井中，每一口井的表层井眼都是用0 2 1 9 0 8 m m ( 8 - 5 8 ”) 套管钻至3 7 0 m ( 1 2 0 0 f t ) 。1 5 口井的表层都是由扩眼器 + 领眼钻头构成的钻具组合完成的。在第l 、2 口井中使用牙轮钻 头，其余1 3 口井使用p d c 钻头。前8 口井用的是同样的扩眼器 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章钻进参数优选 和切削臂。钻井液则是直接从储水池中抽取的清水，排量为 1 3 2 4 8 9 l m i n ( 3 5 0 g p m ) 。 由于表层井眼的尺寸为0 2 7 9 4 m m ( 1 r ) 左右，根据图3 1 井深、扭矩的变化，可以推算出井下钻压在2 0 1 0 0 k n ，而 0 2 1 9 0 8 m m ( 8 - 5 8 ”) 套管的线性重量为5 3 6 2 k g m ( 壁厚 1 0 1 6 r a m ) ，由此可推断出：表层井眼是用套管自重为钻头提供钻 压的。 图3 - 1 钻压、扭矩在各井段效果对比图 由图3 1 可以看出：随着套管不断增多，钻压也逐渐增大， 机械钻速也从6 1 6 8 m h ( 2 0 0 f t h ) 增至1 5 4 2 m h ( 5 0 0 f t h ) ，表 层钻进共用8 h ，从开钻到固井结束用时1 3 h 。 表层井眼套管钻井技术之所以能够节约作业时间，主要因为 省去了接钻铤、组织套管队和下套管的时间。采用常规钻井方式 通常需要8 1 2 h 才能打完表层井眼，从开钻到固井结束则需要大 约1 9 h 。套管钻井技术能够在1 3 1 4 h 内完成钻进、下套管和固 井，最快时仅1 1 3 h 。 钻进生产井段所用的中1 1 4 3 m m ( 4 - 1 2 ”) 、1 7 8 k g m ( 1 1 6 1 b i t ) 的套管是用楔形螺纹连接的。为了控制定向井轨迹、井眼曲率， 防止磨损及保证固井时套管居中，选用了刚性大的特殊扶正器。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章钻进参数优选 同时，为了把并眼尺寸从领眼钻头外径0 9 8 4 m m ( 3 7 8 ”) 扩大 到0 1 5 8 8 m m ( 6 1 4 ”) ，选用了一个m 9 8 4 m m 1 5 8 8 m m ( 3 - 7 8 ”6 1 1 4 ”) 具有切削作用的套管鞋( 类似大内径的取芯钻 头) 。之所以有这种选择主要是考虑小尺寸扩眼器可靠性相对较 差。 在钻进5 号和7 号井时，钻头上没有接扶正器。尽管出现了 井斜的情况，扭矩也只是相对地稍高一些。在第8 到第1 5 口井的 钻柱中增加了一种一体式的满眼扶正器。这种扶正器的使用显著 降低了井斜、摩阻以及井下扭矩，如图3 2 所示。 图3 - 2 使用一体式满眼扶正器降低扭矩和井斜的效果图 图3 3 套管钻井与常规钻井在软顾地层中的机械钻速对比 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章钻进参数优选 8 号井的建井周期只有8 1 d 。其钻井速度在英国石油公司 w a m s u t t e r 地区开发的数百口井中列第三位。如图3 3 所示， 该井在1 8 5 0 4 m ( 6 0 0 0 f i ) 以下井眼中的机械钻速与邻井相仿，其 主要差别是：套管钻井在上部浅地层有极高的机械钻速。图3 3 中所示的常规钻井周期是在该区块同一时期完成的两口相对较近 的邻井。与一般情况下套管钻井需要1 5 0 1 7 0 h 的纯钻进时间相 比，该井的纯钻进时间只有9 5 h 。导致该井大幅度降低建井周期 的原因虽然没有固定的解释，但多数人认为是钻头设计的不同。 在后续的几口井中，对钻头进行了一些变动，以期获得同样的钻 井效果，但是这种期望并没有实现。相反，在某些情况下，这些 变动却使情况变得更糟。 3 1 2w e a t h e r f o r d 公司经验 w e a t h e r f o r d 公司在马来西亚s e f i a 油田为壳牌b r u n e i 石油公 司( b s p ) 进行了的表层井眼套管钻井试验。表层套管是一种具 有新型v a m 接箍、n 8 0 钢级的0 2 4 4 5 m m ( 95 1 8 “) 套管。之所 以选用新型v a m 接箍是因为这是标准套管配置，而不是出于套 管钻井的考虑。同时，对钻进扭矩进行了详细的估计。根据其他 地区0 2 4 4 5 r a m ( 95 8 ”) 套管钻井的经验，1 4 5 0 0 1 b n ( 1 9 6 5 9 n m ) 的最佳套管上扣扭矩对于套管钻井已经足够。但是，这并没有考 虑除了按照设计参数正常钻进以外的任何复杂情况。而实际扭矩 无一例外的要比设想的低，钻进过程中一直保持在不值一提的 2 0 0 0 3 0 0 0 1 b f t ( 2 7 1 l 4