（石油与天然气工程专业论文）套管钻井可回收式钻具组合设计及特性分析.pdf

摘要 套管钻井作为一种十分新颖并富有创造性的新技术，已经引起国际上各大石油公司 的重视。可回收式套管钻井技术是用一种可回收式和重新下入井中的钻具组合进行钻 进，其核心技术是可回收式井下钻具组合，钻头等井下钻具将通过绳索回收装置下至井 底，并在钻头失效后，可以回收至地面，更换钻头后再入井钻进。 本文介绍了可回收式井下钻具组合的结构原理、工艺过程，及井下工具串的理论分 析。设计成型了一套具有自主特色的套管钻井可回收式钻具组合，包括：领眼钻头、组 合式钻头、高强度井下扩孔工具、井下工具串送入和回收工具。理论分析了套管钻井底 部钻具组合造斜特性。对套管钻井随钻扩眼工具单、双稳定器底部钻具组合造斜特性分 别作了分析和对比，并最终优选出了单稳定器组合。对随钻扩眼工具工作过程中的应力、 接触压力以及p d c 切削齿的破岩受力等进行了模拟研究，结果表明：扩眼器工作条件恶 劣，扩眼刀翼区域是危险区域；工具与岩石问的摩擦力有助于改善工具的受力状态，但 摩擦力过大将会加剧扩眼刀翼等工具与岩石接触部分的磨损；扩眼刀翼轴倾角不宜过 大，推荐以1 0 0 左右为宜；p d c 切削齿破岩过程中所受载荷呈非均匀分布，有可能因局 部磨损剧烈而加速切削齿的整体报废；随着负前角的增大，p d c 切削齿所受的有效应力 逐渐增大，而岩石所受的有效应力则逐渐减小；随着切削深度的增大，p d c 切削齿接触 压力、摩阻应力和有效应力逐渐减小，岩石所受的有效应力则逐渐增大。为随钻扩眼工 具以及破岩工具的设计改进和使用提供了依据。 通过室内与现场试验证明套管钻井可回收工具组合的结构性能达到设计要求，结构 简单，技术先进，原理可行，可操作性强，基本满足现场的需要。 关键词：套管钻井；井下钻具组合；钻井工艺；回收工具；理论分析 t h ed e s i g na n dc h a r a c t e ra n a l y s i so f c a s i n g d r i l l i n gr e t r i e v a b l eb h a p a no u a n g h u i ( o i la n dg a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f b uy u h u a n s r e n g i n e e rx uj u n l i a n g a b s t r a c t c a s i n gd r i l l i n gb e i n g an e wa n dc r e a t i o n a r yt e c h n i q u e ，h a v ea l r e a d yc a u s ei n t e r n a t i o n a l a s c e n de a c hb i gp e t r o l e u mc o m p a n yo fv a l u e r e t r i e v a b l eb o t t o mt o o la s s e m b l yt e c h n i q u ei s t h a tr e t r i e v a b l ea n dt r i pi nw e l lo n c em o r et o o la s s e m b l yd r i l l ，i t st e c h n i c a lh e a r ti sr e t r i e v a b l e b o t t o mt o o la s s e m b l y ，b i tt h r o u g ht h er o p er e c o v e r ye q u i pd e s c e n dg ot ot h ew e l lb o t t o m a n d r e c o v e rt ot h eg r o u n da f t e rt h eb i tl o s i n ge f f i c a c y ，g oi n t ow e l la g a i nt od r i l la f t e rr e p l a c i n g b i t t h i sp a p e rs u r v e ya n da n a l y s er e t r i e v a b l eb o t t o mt o o la s s e m b l yc o m p o s i t i o nr u l e 、w o r k p r o c e s s ，a n dt h ed o w n h o l et o o ls t r i n gt h e o r ya n a l y s i s f o r m i n gas e to fd e s i g nf e a t u r e sw i t h o u ro w nt y p eo fc a s i n gd r i l l i n gb h a r e c y c l a b l e ，i n c l u d i n g ：p i l o td r i l lb i t , b i tm o d u l a r , h i g h - i n t e n s i t yd o w n h o l er e a m i n gt o o l s ，r u n i n ga n dr e c o v e r yi n t ot h ei n s t r u m e n ts t r i n g t h r o u g ht h ei n d o o ra n df i e l dt e s tp r o v e dr e c o v e r a b l ec a s i n gd r i l l i n gi n s t r u m e n tp o r t f o l i o s t r u c t u r et om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fp e r f o r m a n c e ，s i m p l es t r u c t u r e ，a d v a n c e d t e c h n o l o g y ，t h ep r i n c i p l eo fav i a b l e ，f e a s i b l e ，t om e e tt h eb a s i cn e e d so ft h es c e n e t h r o u g h t h ed e s i g ns t u d y ， c o m p l e t e dr e c o v e r a b l ec a s i n gd r i l l i n gd o w n h o l et o o ls t r i n g ，s a l v a g e e q u i p m e n t ，p r o c e s sd e s i g na n dk e yp i e c e so ft h em e c h a n i c a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ， a c h i e v e dt h ec o m b i n a t i o no fi n s t r u m e n tl o c k i n gm e c h a n i s ma n dt h es t r u c t u r eo fr e a m i n g i n s t r u m e n ti n n o v a t i o n m a k eat h e o r e t i c a l a n a l y s i s o fc a s i n g d r i l l i n g b h ab u i l d u p c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ec a s i n gd r i l l i n gr e a m i n gw h i l ed r i l l i n gt o o l w i t hs i n g l e ，d u a ls t a b i l i z e rb h a b u i l d u pc h a r a c t e r i s t i c s ，f i n a l l ym a d eas i n g l es t a b i l i z e rb h a m a k eas i m u l a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s s ，c o n t a c ts t r e s s e r eo ft h er w dt o o li n p r o c e s so f j o b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er w d t o o li np o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h er e g i o n a l o fr e a m e rw i n gi sad a n g e r o u sa r e a ；t h ef r i c t i o nb e t w e e nt o o l sa n dr o c k sh e l pt oi m p r o v et h e t o o l sf o r c es t a t u s ，b u tt o om u c hf r i c t i o nw o u l da g g r a v a t et h ew e a ra n dt e a ro fr e a m i n gw i n g b l a d ec o n t a c tw i t ht h er o c kp a r t ；r e a m i n gc u r e ra x i si n c l i n a t i o nn o tb et o ob i g ，a b o u t10 o t o r e c o m m e n da p p r o p r i a t e ；p d cc u t t i n gt e e t hi nt h er o c kb r e a k i n gp r o c e s sw a ss u b j e c tt o n o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o no fl o a d ，c u t t i n gt e e t hs e v e r el o c a lw e a rm a yb es p e e du pt h eo v e r a l l e n d o f - l i f e ；w i t l lt h en e g a t i v ea n t e r i o ra n g l ei n c r e a s e ，c u t t i n gt o o t he f f e c t i v es t r e s sg r a d u a l l y i n c r e a s e d ，b u tt h er o c k se f f e c t i v es t r e s sg r a d u a l l yd e c r e a s e d ；w i t ht h ed e p t ho fc u ti n c r e a s e ， p d cc u t t i n gt o o t hc o n t a c tp r e s s u r e ，f r i c t i o ns t r e s sa n de f f e c t i v es t r e s sg r a d u a l l yr e d u c e ，b u t t h er o c k se f f e c t i v es t r e s sg r a d u a l l yi n c r e a s e a l lo fi tw o u l dp r o v i d et h eb a s i sf o rt h eu s ea n d d e s i g no f t h er w da n dr o c k - b r e a k i n gt o o l s t h r o u g ht h ei n d o o ra n df i e l dt e s tp r o v e dr e c o v e r a b l ec a s i n gd r i l l i n gi n s t r u m e n tc o u l d m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dw i t hs i m p l es t r u c t u r e ，a d v a n c e dt e c h n o l o g y , t h ep r i n c i p l e o fav i a b l e ，f e a s i b l e ，c o u l dm e e tt h eb a s i cn e e d so ft h ef i e l dw o r k k e y w o r d s ：c a s i n gd r i l l i n g ；b o t t o mt o o la s s e m b l y ；d r i l l i n gt e c h n i c ；r e t r i e v a b l et o o l ； 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：一 日期： 日期： 年月日 年月 日 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 套管钻井技术作为一种正在发展中的新技术，正日益引起国内外石油工程界的关 注。套管钻井系统( c d s ) 是由t e s c o 钻井技术公司研究成功的【l 】。该公司自1 9 9 5 年开展 套管钻井技术研究，1 9 9 8 年6 月该公司对其研究的套管钻井工艺及其钻井装备进行了首 次钻井试验。套管钻井的目的是降低钻井成本，提高钻井效率以及用随时对钻完的井眼 下套管的方式来把井眼问题控制到最低程度。套管钻井是指在钻进过程中，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。动力通过与最下面的一根套管相连的钻具组合传 给钻头。下部钻具组合和钻具锁紧装置相连，被安装在套管下部一个满眼部件内，连接 到套管柱下端。钻具锁紧装置和下部钻具组合既可用绳索下入，也可泵送，但从套管中 取出时都用绳索。绳索式回收钻具锁紧装置是套管钻井的关键，它包括：可传递钻具轴 向压缩和拉伸载荷的轴向锁紧器，可抑制和传递扭转载荷的扭矩固定器，一只钻具扶正 器安装于套管鞋位置，限制套管内组合装置的侧向活动。套管扶正器使套管在井眼内居 中，防止偏磨。领眼钻头和套管下扩眼器通过钻井套管为钻井和完井提供一个清洁的井 眼。用绳索可将钻具锁紧装置和下部钻具组合从套管中取出，相当于常规钻井中的起下 钻，也可用来完成定向工具、取心工具、随钻测井工具的起下作业，以满足钻井特殊要 求。 采用可回收式钻具组合技术是套管钻井技术向着深井、复杂条件井钻进发展的重要 环节。它是在小井眼绳索连续取心钻进技术的基础上发展起来的。套管钻井不需要钻柱 ( 钻杆和钻铤) 的支持，不需要进行通常的起下钻作业。但钻头和下部钻具组合经过一定 时间的应用，应能顺利起下，以便更换。绳索式可回收式钻具组合技术解决了这一难题， 利用绳索将下部钻具从套管中取出来，从而可减少起下钻时间，避免因常规起下钻而引 起的抽吸、垮塌等井下复杂情况。 从某种意义上讲，可回收式钻具组合的套管钻井技术才是套管钻井技术的另外一种 层次上的新型技术。此项技术从实质上完全改变了以往的钻井模式。钻头等井下钻具将 第一章绪论 通过绳索回收装置下至井底，并在钻头失效后，可以回收至地面，更换钻头后再入井钻 进。这样的钻井模式对于缩短中深井钻井作业时间、降低易坍塌、易漏失地层、高、低 压地层，以及不确定性地层的钻井事故率将起到事半功倍的作用；同时也是简化井身结 构、大幅度降低钻井成本的重要技术支撑。 1 2 套管钻井技术的优势 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。 套管钻井工艺是取消常规钻杆，以套管代替钻杆，由此给钻井作业带来以下益处【2 】： ( 1 ) 整个钻井过程不再使用钻杆，从而可节省与钻杆采购、检验、存放、运输、修 复等过程有关的大量人力物力与费用； ( 2 ) 减少了起下钻时间。在钻井过程中不再有传统的起下钻过程，只利用专用绞车 通过纲丝绳起下钻头，十分迅速，比传统的钻杆起下钻大约快5 1 0 倍，大大节约了钻 井时间和费用； ( 3 ) 减少了钻井事故和复杂情况的发生。由于套管钻井的井眼自始至终由套管伴随 到井底，大大减少了常见的地层膨胀。避免了井壁坍塌、冲刷井壁、井筒内形成键槽或 台阶的现象。 ( 4 ) 因为井筒内始终有套管，起下钻时不会造成井筒内抽吸作用，使井控状况得到 改善。 ( 5 ) 起下钻时能保持钻井液连续循环，可防止钻屑聚集，减少了卡钻事故的发生。 ( 6 ) 改善了水力参数、环空上返速度和清洗井筒的状况。向套管内泵入钻井液时因 其内径比钻杆大，大大降低了管内压耗，从而可以减少钻机钻井泵的配备功率。又由于 套管与井壁之间的环空面积大大减小，显著提高了环空内的钻井液上返速度，改善了钻 屑的携出状况。 ( 7 ) 可以减小钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用。水力参数的改善降低了钻 机钻井泵功率的需求，可以取消二层平台和钻杆排放区域，套管钻井是基于单根套管进 行的，不再需要采用类似的双根或三根钻杆构成的立根钻井方式，因此井架高度可以减 小，底座的重量可以减轻。这对于钩载巨大的深井钻机而言，建造一台基于单根钻井的 钻机，其井架和底座需要的结构和重量比基于立根钻井的钻机简单得多。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 8 ) 钻机更加轻便，易于搬迁和操作。人工劳动量及费用都将减少。 由于其独到的技术特点，套管钻井技术有效解决了高压地层易发生井涌、井壁坍塌、 缩径；低压易漏失或不确定地层容易发生钻井液漏失、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，生产环节 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，国外的海洋钻井已将其作为一项重点研究推 广技术。由于套管钻井技术卓有成效地解决了石油勘探开发中诸多问题，使得此项技术 在国外发展迅速，并逐步趋于成熟。 1 3 套管钻井技术的适应性 套管钻井为在一些复杂和特定条件下钻井提供了一种可选择的方案，但该技术本身 并不能完全取代常规钻井。套管钻井技术特别适用下列情况【3 】： ( 1 ) 易坍塌、不稳定以及不确定性地层。在这些地层采用常规钻井工艺进行扩眼或 通井作业一般效果很差，而且容易出现卡钻等井下意外。 ( 2 ) 低压易漏失地层。在这种地层用常规钻井工艺施工，会因钻井液漏失严重而增 加钻井成本，而且在这种地层中钻进也容易出现井下意外事故。 ( 3 ) 高压地层。钻入高压地层后常常需要停钻，泵入高比重钻井液以防止地层流体 高速上窜，此时易出现井壁坍塌、缩径以及其它井下事故，以至于不能起下钻或起下钻 困难，另外在高压地层下套管作业时也常遇到困难。 ( 4 ) 因套管钻井不再需要钻杆和钻铤，而且钻机轻便，适合在边远、海上以及交通 不便地区钻井。 ( 5 ) 在陆地钻井时，适合于在井深3 0 0 0 m 以内的软到中软地层中钻进。 ( 6 ) 深水钻井时一般先下隔水管，通过隔水管钻表层井眼，再下表层套管，固井， 最后安装防喷器组。利用套管钻井技术可实现“无隔水管法 下表层套管，用表层套管 直接钻完上部井眼，解决了浅层水窜问题。 3 第一章绪论 1 4 国内外可回收钻具组合现状 1 4 1 国外研究和发展概况 国外套管钻井技术已经有了十余年的发展，形成了成熟配套的工艺技术，总体上可 以分为两大发展方向。一是以绳索回收技术为基础的回收式套管钻井技术，这一方向以 加拿大t e s c o 公司为代表；二是以美国w e a t h e r f o r d 公司所属技术为代表的可钻式一 次性套管钻头技术。 1 4 1 1t e s c o 套管钻井系统 t e s c o 公司的套管钻井系统是用常规油田套管作为钻柱边钻进边下套管【4 】。套管把 水力和机械能量传递给的井底钻具组合，钻具组合则是通过钢丝绳起下，悬挂在井底套 管上的座底短节上的。钻具组合顶部的锁紧总成是提供与套管之间轴向和径向机械连接 和水力密封，以及连接和脱离套管柱的机械装置。钻具组合的最下部是领眼钻头，但是 也可以加装一些其他的常规钻井结构，像井下扩眼器、动力马达、取心或定向装置。井 下锁定装置是套管钻井技术中最具特色的技术，它具有的功能是：当钻进时，井下工具 串要锁定在套管上，不得有转动和轴向窜动。当起钻头时，锁定器都要解锁，井下工具 串从套管内打捞到地面。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。2 0 0 2 年，t e s c o 公司与c o n o c o 石油公司、休斯克里 斯坦森公司合作【5 1 ，共同开发一种回收内核式p d c 钻头。这种钻头的工作机理研究已经 完成，目前正在进行切削结构的设计工作，预计很快会进入试验阶段。 l 、t e s c o 套管定向钻井系统 t e s e o 套管钻井系统提供定向钻进必需的多功能工具。一个能用绳索起出的定向钻 进组合，安装在套管的下端，取代了用于常规井底组合的定向工具。这些工具能在井斜超 过9 0 0 条件下起出和再下入，在下入和起出过程中确保不卡套管，套管能上下移动和循环 钻井液。使用7 ”( 0 1 7 7 8r m n ) 和9 - 5 8 ”( 0 2 4 4 5m m ) 套管的套管定向钻井系统已经 用于钻井斜为8 0 0 的高斜度商业井。但是，成功的定向套管钻井操作，不仅仅只需要拥有连 接套管底部的定向工具，与使用常规钻杆钻进相比，套管钻进的井底钻具组合( b n a ) 的反 应是十分不同的，并且需要不同的井底钻具组合0 3 r t a ) 设计，扭矩和阻力的传递是通过选 择套管连接，稳定器，泥浆性能和井场实际操作，井场上操作套管的特别设备改善了整个 套管定向钻进过程的效率。 套管定向钻进系统由井下和地面部件组成，可提供使用常规油田套管作为钻柱的能 4 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 力，以此可以同时钻进和下套管，可用绳索取出的钻进总成悬挂于一个接头上，该接头定 位在接近套管底部的地方，钻井液的循环是在套管内向下在套管和井眼构成的环空向上 返，所有的操作都用顶驱在地面转动套管，唯一例外是造斜，此时使用可控马达和弯接头 总成滑行钻进。 单个套管在“v ”形门处用液动单根吊卡提起，每一单根都用快速连接总成接到顶 驱上，这样就抓住套管并防止螺纹连接到顶部套管接头内。一只内部矛形总成提供了对 管子的液体密封，顶驱用于实现对套管柱的连接，快速连接防止对螺纹损坏，并允许套 管连接象钻杆连接一样快，将钻台连接动作减到最少，增加了钻台安全性。 套管定向井底部钻具组合( b h a ) 包括一只领眼钻头和井眼扩孔器，扩孔器用于将井 眼扩到最后尺寸，钻头尺寸能通过套管，而扩孔器能将井眼扩大到通常下套管的尺寸。 图卜1 显示了钻直井的典型钻柱组合。 内部底 图i - 1 直井眼钻进总成在领眼内的稳定器能提供垂直控制 n 9 1 一l l 、y p i c a ls t r a i g h th o r e h o l e b i t a 除了钻头和扩孔器以外，其它井下工具也可适当应用，在直井中钻进稳定器包括在 组合设置在领眼钻头和扩孔器之自j ，在定向钻进时，可控马达或旋转可控系统、m w d 和无 磁钻铤包括在井底钻柱之中。 使用钻进锁紧总成( d l a l 将钻进总成连接到套管底部，d l a 提供了将带有旋转肩部 的各种接头的普通钻进工具连接到套管上的能力，同时使工具下入和起出套管更容易。 d l a 也能提供井底钻具组合与套管的轴向和扭转方向的锁紧和解锁，密封套管引导钻井 5 第一章绪论 液通过钻头，它自身固定在一个对接接头上，不用依靠精确的绳锁测量，在下入和取出工 具时允许液体在工具周围经过。 在直井和小斜度井中，使用绳索上的释放和拉出工具，一次起下就可完成释放d l a 和 拉出井底钻具组合( b h a ) ，如果出现不同情况在第一次尝试不能拉出b h a ，释放工具能从 d l a 上解除连接，这样就可实施补救措施。 在一些定向井特别是高斜度井，希望在下入绳索拉出b h a 之前，通过泵入一只短矛来 释放d l a ，这样做的优点是允许套管在定向b h a 上下滑 2 4 3 8 - 3 6 5 8 m 以便在下入绳索 时保护b h a ，对大斜度井，取出工具和绳锁能同时泵入井内，直接拉出法和泵入短矛法都 靠泵压产生的轴向力来释放d l a 。 使用可控马达定向钻进系统钻进已试验几口井，该系统为此被开发。在这些最初的试 验并中，使用5 ”( 1 2 7 衄) 套管井斜达到了8 6 0 ，7 ( m 1 7 7 8m m ) 套管达到了9 0 0 。 这些试验可以证明使用套管进行定向钻进且井斜变化率也允许相对较高。某一种形状的 定向井使用1 3 3 8 ( m 3 3 9 7r a m ) 套管钻进井斜角达到1 9 0 ，这些试验在加拿大的卡尔加里 和美国的休斯敦完成，w a r r e n 对此做了更详细的描述。 套管定向钻进系统已经用于1 2 口商业井，定向钻进了大约1 0 3 6 3 2 m ，这些井包括使 用7 ”( 0 1 7 7 8 衄) 和5 8 ( 0 2 4 4 5m m ) 套管钻进的井段( 见表1 1 ) ，这些试验证明套 管定向钻井是有生存力的，但它仅是超过1 9 5 口并的2 7 4 3 2 0 m 套管钻井的很小一部分，这 些进尺都是用完全可回收套管钻进系统完成的，由于处于初期，定向套管钻井系统在这些 井中经历了曲折的路线。 在首次的商业应用的两口海上套管定向钻进中，使用了7 9 6 k g m 的0 2 4 4 5h i m 套管， 钻表层深度分别为1 0 1 5 6m 和1 1 6 9 8 m 【6 】，钻定向钻井的原因是防碰其它井，这些井是旧 平台悬臂式井架施工的。 第一口井用了1 5 0 的弯马达，第二口井用了1 8 3 0 的弯马达。造斜和沿着期望的增斜 稳斜降斜轨迹钻进没遇到任何问题。用1 8 3 0 的弯马达滑动钻进获得的平均增斜率为每 1 3 7 1 0 0 m o ，钻速与最近的常规井相似，套管钻进的定向效率与临井常规井相似，与类似 轨迹的临井相比，它需要1 2 次滑动而临井用1 1 次。 目前套管定向钻井最广泛的商业应用是在墨西哥，- - - - 口井( 4 ，5 ，和6 号井) 中间尺寸的 井段使用5 8 ( 0 2 4 4 5m m ) 的套管进行造斜和增斜，从中心平台钻这三口井，4 号井钻 到7 6 2m ，使用6 - 3 4 ( 0 1 7 2m m ) 的1 5 0 弯马达将井斜增加到4 0 0 9 方位角转到9 0 0 ，5 号井 使用了同样的定向b h a ( 井底钻具组合) ，但最后的井斜角只有1 5 0 ，最终的井斜角在井深 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 3 0 4 81 1 1 时达到，造斜率为每5 9 。1 0 0 m ，该井以恒定的井斜角钻到1 0 6 6 8r n ，同时采用转动 或滑动套管。 6 号井弯接头角减小到1 1 5 0 ，在马达的项部又加了一只8 ”( 0 2 0 3 珊) 稳定器，以减 少井斜角增加的速度并允许更多的转动钻进，该井钻到最终斜度为1 5 0 ，斜度增加速度为 每3 2 。1 10 0 m ，大约4 0 为滑动钻进。 表1 - 1 套管定向钻进的商业井 t a b l - ic a s i n gd i r e c t i o n a ld r i l l i n gc o m m e r c i a lw e l l s 套管尺寸深度位移 最大井 平均造斜率 井d d 类型d d 模式 i 1 1 mm 斜d e g d e g 10 0 m c o l l i s i o n l 9 5 8 。 1 0 39 1 24 6 6p d m a v o i d a n c e c o l l i s i o n 2 9 5 8 ” 1 1 21 0 5 74 6 6p d m a v o i d a n c e 3 7 一1 8 2 8 2 1 5 7 93 3 - 6 6b u i l d & h o l dp d m 4 9 5 8 “1 2 06 8 54 06 6 1 3 2b u i l d & h o l dp d m 59 5 8 ”1 2 09 6 71 73 3 - 6 6b u i l d & h o l dp d m 69 5 8 ”1 5 06 0 01 63 3 6 6b u i l d & h o l dp d m 77 6 4 51 3 4 61 6 t a n g e n t p d m 8 9 5 8 ”1 9 3 8 3 5 1 76 6v e r t i c a l & b u i l dp d m 97 ，1 3 5 l1 0 4 41 52 5p d m l o 7 ， 3 9 01 4 2 3 2 9 6 6 1 0r s s 1 19 5 8 ”2 7 3 93 4 18 05 + 5 t u mb u i l d & t i 腑p d m 1 27 1 5 2 68 6 62 51 0r s s & p d m 这些井都证明定向钻井从技术上是可以成功的，但也遇到一些问题使经济性受到负 面影响。这一工作的一个显著结果是学会了设计可控马达定向的b h a ( 井底钻具组合) 来 达到希望的结果，也学会了如何克服滑动钻进时的困难。 2 、旋转可控定向钻进系统 最近的定向钻井工作1 7 】展现了第一次使用旋转可控套管定向钻进的结果，并与使用 可控马达钻井进行了比较。本文所描述的钻井实践证明可以使用可控马达进行套管定向 7 第一章绪论 钻井，但是在较小井眼中效率降低，7 ( 0 1 7 78 皿) 套管所需的较小马达不能提供足够 的动力来控制扩孔器和钻头。 旋转可控系统能使用7 ”( 0 1 7 7 8 皿) 套管进行有效地钻井它能完全控制领眼的 方向引导较大的套管达到定向目标，在套管钻井时，选择喷嘴尺寸和b h a 井底钻具组合。 应充分考虑r s s 对压降和流量的需要。 在使用可控马达和旋转可控系统组合钻井过程中，增长了使用套管作为钻柱完成定 向工作解决实际问题的见识，这些实际问题在以下章节中予以概述。 在试验井和商业井上，使用可控马达总成，对套管定向钻进有三个问冠要特别考虑， 第一是要达到一个特别的曲率。该总成的几何形状与钻一个常规井不同：第二是使用的 特别马达选择需要考虑一些额外的问题；第三是使用套管钻进的现场操作实践与使用常 规钻柱的可控马达的钻进实践。 典型的套管定向钻进总成是将扩孔器放在马达的下边。且直接在领眼钻头之上( 图 l _ 2 ) ，这一设置需要马达同时为领眼钻头和扩孔器提供动力以允许滑动钻进时不用转动 管具，全尺寸( 与领眼尺寸相同) 的稳定器装在扩孔器体部紧接刀片下边，用来帮助钻一个 平滑的井眼曲率并提供井斜控制。 内辞井宜钻且蛆台出井庄钻 组台 i 韫嚣息咸 l 稳定暑无鬣 调整钻量 一 1 l e ；稳定善 捌置 l p 】 围1 - 2 可取出可控马达定向钻进总成 f i 9 1 - 2 r e m o v e da n dc o n t r o l l e d m o t o r d i r e c t i o n a la s s e m b l y 8 中雨石油大学华东) i 程砸学位论立 常规可控系统的定向工作由以下几方面控制：马达弯角、马达尺寸与钻头性能，安放 在马达或马达上边的稳定器，这些因素控制着使用套管定向钻进的定向反应，但是修正 这些因素的选择可能受到某些限制。 使用领眼钻头和扩孔器组成的装置用于可控马达套管定向钻进，这就影响了定向反 应，因为承受横向载荷的扩孔器臂上的垫片的尺寸受限制，紧接在扩孔器臂上的稳定器 补偿了在扩孔器上的最小保径垫片。定向反应也受钻头影响，困为钻头装在离马达弯接 头更下边的位置。 图l3 显示了常规可控马达总成定向控制的几何形状与套管定向钻进定向控制的几 何形状的比较，对常规总成，钻头、马达上的弯接头的扶正条、马达之上的扶正器确定 了不同的三点，这三点确定了造斜率的环形形状，上边的两点不切削，与这三点连接的结 构形状和韧性驱使钻头沿着环形路线切削地层。 对钻具可调马达组合 圈1 4 常规定向与可回收的总成控捌点相比更不同和可处理 f i g l - 3 c o m p a r e dc o n v e n t i o n a l o r i e n t a t i o n t or e c o v e r a b l e o r i e n t a t i o na s s e m b l y 这三点有固定形状的马达、确定选择稳定器的直径、特定马达长度及弯角，操作者 能确定预期的增斜率。 三点也确定使用套管定向钻进的可控马达的造斜率，但三点的位置不同且不好确 定。当然，下面的一点仍然是钻头，第二点不在马达弯接头处，因为对相应的井跟尺寸只 能使用较小尺寸的马达，这样才能从套管中取出，而弯接头的扶正条经常不能与井壁接 触，从而不能帮助控制造斜率。紧靠扩孔器臂下边的稳定器作为第二个接触点，尽管这 个接触点转动，如果要它提供方向控制，它必须设计为无切削能力。 弯型马达必须从用作钻柱的套管内部通过，对小于9 - 5 8 ( 0 2 4 45 皿) 的套管这将 限制马达使之比常规钻进同一尺寸井眼所用马达要小。例如，8 ”( 口2 0 3 衄) 或9 ”( m 2 2 86 蛳) 的马达使用钻杆可钻进1 6 ”( 母4 0 64 姗) 井服，这些马达也能通过1 3 - 3 8 ”( 0 ：3 3 97 9 第一章绪论 衄) 套管，而另一方面，6 ”( 0 1 5 2 衄) 马达在常规情况下能用于钻进8 1 2 一( 0 2 1 5 9m m ) 井眼，但是不大于5 ”( 0 1 2 7 衄) 的马达才能用于7 ”( 0 1 7 7 8 咖) 套管之下来钻同尺 寸的井眼，限制马达尺寸对大于7 ”( 0 1 7 7 8 咖) 的套管有所减少但在较小的套管内将 限制钻进效率嗍。 对相关的井眼尺寸与使用常规钻进相比，较小的马达也较柔软，这使定向反应有点 更难预料和控制，因为没有刚性的全尺寸扶正器( 相对井眼尺寸) 能安在马达之上。 套管钻井和常规钻杆定向总成的最终不同之处是马达的弯接头受限制，根源是前者 的总成必须通过一个较小的套管尺寸，这样一来能限制弯接头角度，在以预期的曲率钻 进时，与常规钻井相比，使用的角度要小，但是，经常能下入适当的弯角来钻出最大的 曲率且能在套管钻进时安全使用。 在小尺寸井眼钻井时经常希望有高的造斜率，此时定向控制有点比较困难，使用较小 马达和m w d 总成增斜比降斜容易的多。例如，控制造斜率达到2 6 0 l o o m 很容易，条件是 使用7 ( 0 1 7 7 8 咖) 套管钻进，6 ( 0 1 5 2 衄) 领眼钻头，8 7 8 ( 西2 2 5 4 咖) 扩孔器， 和1 8 0 弯套的4 ”( 0 1 0 1r m ) 可控马达。然而，一旦井斜达到水平马达将无法降斜，即使 马达朝向井眼低边且1 0 0 的滑动钻进，使用这一总成旋转钻进也能得到相对较高的造 斜率，如果在马达顶部下入可膨胀稳定器将减小转动钻进时的造斜率，并提供滑行钻进时 降斜的能力，但b h a 更复杂，尽管在商业上有可膨胀稳定器供应，但套管钻进所需的直径 范围大多不能提供。 在适当范围内提供可膨胀稳定器的好办法是在马达之上装上扩孔器体，且用稳定器 刀片更换切削刀片，这样所提供的稳定器尺寸范围能从全尺寸到马达本体尺寸。使用4 ”( 0 1 0 1m m ) 马达，0 7 8 0 弯角，7 一( 0 1 7 7 8 咖) 套管，井斜为1 5 0 的商业井。如果马达上 边没加稳定器，造斜率大约为每6 6 0 l o o m ，在8 - 7 8 ( 0 2 2 5 4 r a m ) 井眼的马达之上8 ”( 0 2 0 3 m m ) 稳定器会减小井斜变化率到稍微小于3 3 0 1 0 0 m 的降斜，基于得到有限的数据，6 ” ( 1 5 2m i l l ) 稳定器能相对较好地沿直线钻进。 ( 1 ) 马达选择 当内部压力增加时钻柱趋于增长，定向钻进时，钻柱内部压力不停地在变化，这是由 于马达在变化，这就引起钻柱长度的变化，由于钻头就在井底，在压力增加时钻柱下端 无法移动，钻柱的中和点就上移，这样就增加了钻压。接着进一步增加钻头扭矩、马达载 荷和内部压力，如此以来形成一个正补给回路，趋于加重增加马达的载荷。这一补给回 路使用套管钻进比使用普通钻柱钻进更有影响。例如7 ”( 1 7 7 8 衄) 套管对给定的 1 0 中国石油大学( 华东) - i - 程硕士学位论文 内部压力变化所造成的钻压增加，大约是通常使用相同尺寸马达的3 ，( 7 6 2 衄) 钻 杆钻压增加的六倍。 内部压力和钻压( w o b ) 的相互作用影响以下两者，其一是使用套管定向钻井的最优 秀马达选择，其二是与套管一起下井的马达的操作使用。只要钻压控制平稳，马达使用的 压降小于额定的一半，套管伸长的影响就不会很大，如果载荷增加或者钻压变得不稳定， 马达就会遇到卡住的问题，一旦马达暂时性地过载并且压力开始增加，压力的正反馈特性 能驱使马达减速( 或卡住、停止) ，卡住的速度比司钻采取修正动作速度还要快，结果是在 某些情况下为了能承受急剧的钻压变化，马达不得不使用低于最佳的压差。钻压的变化原 因：一是地面控制动作，二是在滑动钻进时井眼扭矩的非线性变化。 套管定向钻井所用特别马达的选择比常规钻井更关键，特别是7 ( 西1 7 7 8 咖) 或更 小的套管，低速马达，对扭矩增加有较小的攻击性，压力反应更容易操作，与常规钻进一 样，使用低攻击性的钻头，也改善马达的性能。 在某些情况下，使用专门为套管定向钻进设计的马达是有利的，一个6 ”( 西1 5 2t m ) 马达已经开发出来，与7 ”( 西1 7 7 8r m ) 套管一起使用，在直井内用相对较低的压降提供 高扭矩，随着套管定向钻进变得更普通，市场压力将鼓励开发额外的马达，特别设计用于 套管定向钻进。 使用常规钻柱用马达定向的一般过程，包括来回摆动钻具，允许它松弛到一个扭转中 和位置，因此钻柱所储存的扭矩在马达滑动时，不能引起马达方位的改变，给马达定方位 的过程需要花费几分钟到超过一小时，如果马达卡住，这个过程必须重复进行。 使用套管钻进，马达定方位将需要较少的时间，原因是在地面和马达之间仅有很小的 扭转。在大多数情况下，不需要来回摆动钻杆，钻压允许钻到回零，稍微提起套管柱，接着 转到期望的方位，如果马达停转，排量要减少，重新启动马达，套管柱要提起，对方位较小 的调节是必需的。 摩擦阻力与使用常规钻柱相比，很难保持井下作用于马达之上的钻压稳定以防止马 达卡住，在很多情况下，钻柱在地面；b t tt 钻压但是不能到达钻头，可以稍微转动钻柱来释 放压力，当与套管伸长效应结合在一起，如果有急剧波动的情况，即使采用适中的钻压 也足以引起马达卡住，这种现象使用钻杆钻进时也发生，但使用套管钻进更明显。 在钻柱趋于提起的情况下，在期望的工具面两边不断地向后和向前摆动套管来达到 较好的控制通过滑动钻压，摆动量的大小由钻柱被转动时钻柱上存在的扭力所决定，通 常小于加9 0 和减9 0 ，这样不影响定向轨迹，但允许马达更协调地工作来改善钻进性能， 第一章绪论 在很多情况下发现这是滑行钻进的唯一可行的方法。 如果想滑动时不摆动，地面上的钻压将增加到1 5 0 0 0 磅( 6 2 7 2 3 n ) ，因为滑车前进提 前到钻柱能滑动之前，还因为过栽和卡住马达，每一马达卡住，泵压波形尖头指示都超过 2 1 0 0 每平方英寸磅( 1 4 4 7 9 m p a ) 的点上。 通过转动顶驱的方向控制开关，人为地将套管按顺时针或逆时针转动，当这样做时， 地面钻