（石油与天然气工程专业论文）套管钻井技术研究与试验.pdf

套管钻井技术研究与试验 王力( 石油与天然气工程) 导师：步玉环副教授 张嵇南教授级高5 - 摘要 套管钻井技术是指在钻进过程巾，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，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。 本项目的研究工作紧密结合油田的钻井装备现状和油田生产对套管钻 井的技术需求，针对吉林油田浅丌发井钻井，立足于现有钻井装备配套， 完成了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、套管夹持头的研制、钻头脱接装置的研制、套管螺纹承扭技术 研究、套后油水层识别的测井方法研究等主要研究工作，并取得预期成果。 现场完成了3 口井的试验，通过三口井、两种规格套管现场试验，实 现了5 0 0 米井深以内全井套管钻井的配套工艺技术，达到了推广应用的条 件。并获得了7 项专利成果。研究丌发的套管钻井技术，在国内首次完成 了全井套管钻井现场试验，在缩短钻井周期上取得了良好效果，已形成具 有独立自主知识产权的套管钻井工艺配套技术。该技术规模应用后有望降 低钻井成本，提高油田的开发效益。 关键词：套管钻井，浅开发井，转盘钻井 i n v e s t i g 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 ya n d i t st e s t w a n gl i ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s o r ：b uy u h u a n z h a n gj i n a n a b s t r a c t c a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g yi sd e f i n e da sd i r e c t l yd e l i v e r i n gm e c h a n i c a la n d h y d r a u l i ce n e r g yd o w n h o l ew i t hc a s i n g ，r u r m i n gc a s i n gi nt h ed r i l l i n gp r o c e s s ， a n dr e m a i n i n gc a s i n ga sd r i l ls t r i n gi nt h eh o l ef o rc o m p l e t i o na f t e rd r i l l i n ge n d s t h ec a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g yc o m b i n e sd r i l l i n ga n dc a s i n gm r m i n ga saw h o l e p r o c e s so f o p e r a t i o n + t h er e s e a r c ho b j e c t i v eo ft h i si t e mi sc l o s e l yr e l a t e dw i t hp r e s e n td r i l l i n g e q u i p m e n tr e a l i t yo fo i lf i e l d sa n dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fc a s i n gd r i l l i n g f o ro i lf i l e dp r o d u c t i o n a i m i n ga tl o w - f o r m a t i o nd e v e l o p m e n tw e l ld r i l l i n go f j i l i no i lf i e l d ，a n db a s e do np r e s e n td r i l l i n ge q u i p m e n t s ，s e v e r a lm a i nr e s e a r c h e s h a v eb e e nd o n ew i t hd e s i r e da c h i e v e m e n t sa sf o l l o w s ：s t u d yo nl o w - f r i c t i o n d r i l l i n g f l u i d s y s t e m ，o p t i m i z a t i o j no fd r i l l i n g b i ta n dd r i l l i n gp a r a m e t e r s ， t e c h n i c a lr e s e a r c ho nc e m e n t i n gq u a l i t yi m p r o v e m e n t ，d e v e l o p m e n to fc a s i n g g r i p h e a da n db i td r o p o u t - s c r e w i n gd e v i c e ，r e s e a r c h o n t o r q u eb e a r i n g t e c h n o l o a yo fc a s i n gs c r e wt h r e a da n dt h el o g g i n gm e t h o d 0 1 1t h ei d e n d i f i c a t i o n o fo i l b e r i n gf o r m a t i o na n da q u i f e ra f t e rc a s i n gr u n n i n g ，e t c i n s i t ut e s th a sb e e ne x e c u t e do nt h r e ew e l l s b yf i l e dt e s to nt h ew e l l sw i t h t w ok i n d so fc a s i n go fd i f f e r e n ts i z e ，t h ef u l lw e l lc a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y i n v o l v e dw i t h i n5 0 0m e t e r si sr e a l i z e d t h et e c h n o l o g yi sq u a l i f i e df o re x t e n d e d a p p l i c a t i o n ，a n d s e v e np a t e n t sh a v eb e e no b m i n e d t h e i n v e s t i g a t e da n d d e v e l o p e dt e c h n o l o g y , f u l lw e l lc a s i n gd r i l l i n g ，h a sb e e no r i g i n a l l yu t i l i z e df o r d o m e s t i cf i l e dt e s t ，w h i c hg a i n sw e l la c h i e v e m e n t si ns h o r t e n i n gd r i l l i n gc y c l e t i m ea n dy i e l d sc a s i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g yw i t hi n d e p e n d e n tp r o p e r t yr i g h t f u l l s c a l e a p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yc a nd e c r e a s eo v e r a l ld r i l l i n g c o s ta n d i n c r e a s ep r o d u c t i o nb e n e f i t s k e yw o r d s ：c a s i n gd r i l l i n g ，l o wd e v e l o p m e n tw e l l ，r o t a r yd r i l l i n g 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工作及取得 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i 彳；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。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： i 。应 2 疗年，口月i 厂日 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、使用学位沧文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电予版，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) 学生签名： 导师签名： 至左 生：蟹： 2 。3 - 年o 月j 7 日 。o 厂年。月，g 日 中国钿油火学( 华尔) 上科硕士学位论文 第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的目的及意义1 2 ，阳瑚i 套管钻井是指在钻进过程中，直接用套管取代传统的钻打向井下传递 扭矩和钻压，边钻进边下套管，完钻后做钻柱用的套管留在井内用来完井。 套管钻井技术把钻井和下套管合并成一个作业过程，钻头和底部钻具组合 的起下用钢丝绳在套管内完成，不冉需要常规的起下钻作业，与钻丰t 铺井 比较，套管钻井有比较明显的优势： ( 1 ) 节省建井时问：钻井过程与下套管同步完成，节省了建井时问。 ( 2 ) 减少井下事故：因井眼内地层膨胀和井壁坍塌等原因，易造成卡 钻事故。由于套管钻井的井筒自始至终有套管伴随到底，大大减少了常见 的地层膨胀、井壁坍塌、冲刷井壁、井筒键槽和台阶。因此，套管钻井可 大幅度地降低钻井卡钻事故。 ( 3 ) 改善井控状况：钻具起钻时产生抽汲作用，容易诱发井喷，由于 套管钻井时井筒内始终有套管，也不再有起下钻杆时对井筒的抽汲作用。 因此，由起钻诱发井喷状况大为改善。 ( 4 ) 改善水力参数、环空上返速度和清洗井筒状况：由于套管的内径 比钻杆大，沿程水力损失大为减小。从而减小了钻机泥浆泵的配备功率。 环行空间的减小提高了泥浆上返速度，改善了携屑状况。 ( 5 ) 可以减小钻机尺寸，简化钻机结构、降低钻机费用。由于水力参 数的改善，钻机泥浆功率有所下降，因此，钻机的运行成本有所下降；由 于套管钻井可以取消二层平台和钻杆排放区域，因此，井架高度可以减小， 底座的重量可以减轻。对于钩载巨大的深井钻机而言，套管钻井所用钻机 比钻杆钻井所用钻机从结构上、重量上要简单得多。因此，钻机成本和钻 国7 i 油人学( 华东) 上稗硕士学位论文第1 章前言 机运行费用将大幅度减少。由于钻机更加轻便，易丁搬迁和操作，人工劳 动强度及费用都将减少。 ( 5 ) 节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输检验、维护和更换等过程有 关的大量人力、物力与费用。 由于套管钻井技术可以简化钻井设备，减少井场占地面积，需要比常 规钻井较少的钻井液及水泥浆，同时由于将钻井和下套管作、出合并为个 过程，使得建井周期大幅度缩短，降低了地面设备和后期作业费用，减! 1 ) 了钻井过程对地层( 储层) 和地表的污染，保护了环境，提高了单井产能。 目前国外套管钻井技术仍处于技术保密及试验完善阶段，我国具有自主知 识产权的套管钻井技术的研究将对国外石油技术服务公司产生冲击力，打 破了常规钻井技术观念及套管钻井技术国外石油技术服务公司技术、设备 垄断的局面，将会带来巨大的社会和经济效益。 1 2 套管钻井技术的概况及现状 国外加拿大t e s c o 公司和美国w e a t h e r f o r d 公司对套管钻井进行了实 验研究，形成了具有自身特点的工艺技术与井下工具。其中t e s c o 公司于 1 9 9 9 年上半年将套管钻井技术推向市场，与雪佛龙，荷兰壳牌，p d o ，b p 和c o n o c o 等公司合作陆续完成了1 4 0 多口井的套管钻井作业，进尺达2 2 5 万米，套管尺寸为4 1 2 1 3 3 8 i n 。 1 0 , 1 9 , 2 0 , 2 1 i 1 2 1t e s c o 公司的套管钻井技术 ( 1 ) 套管钻井钻机 1 3 1 1 ) 为了从套管内起下底部钻具组合并进行井下控制、操作等作业，! 必 须给钻机配备电动或液、气动的专用小型绞车系统； 2 ) 天车和游车都应该是分体式配置，确保钢丝绳处在套管的中心位置1 2 中罾干i 油大学( 华东) r 程硕十学位论文 第1 章前； 机运行费用将大幅度减：p 。山于钻机更加轻便，易于搬迁和操作，人工劳 动强度及费用都将减少。 ( 6 ) 节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输检验、维护和更换等过程有 关的大量人力、物力与费用。 由于套管钻井技术可以简化钻井设备，减少井场占地面积，需要比常 舰钻井较! p 的钻井液及水泥浆，同时由于将钻升和下套管作业合并为。个 过程，使得建井周期大幅度缩短，降低了地而设备和后期作、f k 费用，减! 了钻井过程对地层( 储层) 和地表的污染，保护了环境，提高了单井产能。 目前国外套管钻井技术仍处十技术保密及试验完善阶段，我国具有自主知 识产权的套管钻井技术的研究将对国外石油技术服务公司产生冲击力，打 破了常规钻井技术观念及套管钻井技术国外石油技术服务公司技术、设备 垄断的局面，将会带来巨大的社会和经济效蒿。 12 套管钻井技术的概况及现状 国外加拿大t e s c o 公司和美国w e a t h e r f o r d 公司对套管钻井进行了实 验研究，形成r 具有自身特点的工艺技术与井下t 具。其中t e s e o 公司于 1 9 9 9 年上半年将套管钻井技术推向市场，与雪佛龙，荷兰壳牌，p d o ，b p 和c o n o c o 等公司合作陆续完成了1 4 n 多口井的套管钻井作业，进尺达2 2 5 乃米，套管尺寸为41 2 13 - 3 8 i n 。 1 0 , 1 9 , 2 0 , 2 1 12 1t e s c d 公司的套管钻井技术 ( 1 ) 套管钻井钻机【1 3 1 1 ) 为了从套管内起下底部钻具组台并进行井下控制、操作等作业，必 须给钻机配备电动或液、气动的专用小型绞车系统； 2 ) 天车和游车都应该是分体式配置，确保钢丝绳处在套管的中心位置； 2 ) 天车和游车都应该是分体式配置，确保制丝绳处在套管的中心位置； 2 国7 i 油人学( 华东) 上稗硕士学位论文第1 章前言 机运行费用将大幅度减少。由于钻机更加轻便，易丁搬迁和操作，人工劳 动强度及费用都将减少。 ( 5 ) 节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输检验、维护和更换等过程有 关的大量人力、物力与费用。 由于套管钻井技术可以简化钻井设备，减少井场占地面积，需要比常 规钻井较少的钻井液及水泥浆，同时由于将钻井和下套管作、出合并为个 过程，使得建井周期大幅度缩短，降低了地面设备和后期作业费用，减! 1 ) 了钻井过程对地层( 储层) 和地表的污染，保护了环境，提高了单井产能。 目前国外套管钻井技术仍处于技术保密及试验完善阶段，我国具有自主知 识产权的套管钻井技术的研究将对国外石油技术服务公司产生冲击力，打 破了常规钻井技术观念及套管钻井技术国外石油技术服务公司技术、设备 垄断的局面，将会带来巨大的社会和经济效益。 1 2 套管钻井技术的概况及现状 国外加拿大t e s c o 公司和美国w e a t h e r f o r d 公司对套管钻井进行了实 验研究，形成了具有自身特点的工艺技术与井下工具。其中t e s c o 公司于 1 9 9 9 年上半年将套管钻井技术推向市场，与雪佛龙，荷兰壳牌，p d o ，b p 和c o n o c o 等公司合作陆续完成了1 4 0 多口井的套管钻井作业，进尺达2 2 5 万米，套管尺寸为4 1 2 1 3 3 8 i n 。 1 0 , 1 9 , 2 0 , 2 1 i 1 2 1t e s c o 公司的套管钻井技术 ( 1 ) 套管钻井钻机 1 3 1 1 ) 为了从套管内起下底部钻具组合并进行井下控制、操作等作业，! 必 须给钻机配备电动或液、气动的专用小型绞车系统； 2 ) 天车和游车都应该是分体式配置，确保钢丝绳处在套管的中心位置1 2 中同自油大学( 华东) r 程硕士学伉论文 第l 章前言 3 ) 在顶部驱动装置的上部要配备钢丝绳防喷器和密封装置，以实现对 钢丝绳的密封。 ( 2 ) 套管钻井的井下系统2 1 l 套管钻井的井下系统主要由三部分组成：一是下井、回收工具；二是 底部钻具组合；三是连接在套管柱末端的坐底套管。用钢丝绳起下的底部 钻具组合一般由锁定和密封总成、分隔箍、钻井浮箍、扩眼器和领眼钻头 等组成，根据需要还可以增加井下钻井液电动机( 直电动机或弯壳电动机) 、 随钻测量和随钻测井( m w d 和l w d ) 工具，也可以接取心工具和取心钻头进 行取心作业。起下钻时，井底钻具组合穿过套管，可以避免对井壁的损害， 保证了起下钻的安全。为了避免套管柱弯曲可在底部钻具组合下端串接l 2 根钻铤以增加钻压。套管钻井的定向钻进过程在很多方面与常规钻井类 似，主要的差别在于导向马达和旋转导向工具要能够穿过套管下入到井中， 并能够回收。造斜率一般取决于使用的套管尺寸。造斜率的上限取决于套 管的疲劳极限。目前t e s c o 公司已开发出中3 3 9 7 m m ，中2 2 4 5 r m n ，巾1 9 3 7 m m ， 巾1 7 7 8 m m ，中1 3 9 7 m m ，中l1 4 3 m m 等6 种尺寸的井下钻具系统。 下哿收 密封器轴向锁定器 止辛肖 扭矩锁定器 笔掰 扩限器钻头 套管 图i l 套管钻井下井及回收一l 具结构图 扶正器套管锁定矩节套管扭矩短节 套管鞋 图1 2 套管钻井的套管村连接示意图 中国石油大学( 华东) 工程硕【j 学位论文 第1 章前言 ( 3 ) 套管 就套管本身而言，犬多数套管接头具有较大的抗扭和抗疲劳能力，但 多数小尺寸套管的接头抗扭能力不足。随着套管钻井技术的推广，一些生 产商开始开发套管钻井使用的低成本优质接头。完钻后，套管必须保持完 好才能在完井中起到常规套管的作用。地面试验表明，除r 最底部的几根 套管连接处发生磨损外，其他管柱都保持完好。为了解决这一问题，需要 在接头处安装防磨扶正器。 ( 4 ) 套管钻井的工艺过程 进行套管钻进时，底部钻具组合锁定在坐底套管的锁定短节上，并通 过钢丝绳与一部专门用于起下钻头的绞车相连接。与常规钻井一样，套管 钻井也可以有旋转钻进方式、滑动钻进方式和滑动一旋转钻进方式。旋转 钻进方式的动力源于地面，由顶部驱动装置带动套管柱旋转并向底部钻具 组合传递扭矩，进行旋转钻进，同时乜可以在底部钻具组合上安装井下电 动机实现滑动钻进。当需要更换钻头时，将锁定装置松开，利用绞车通过 套管将底部钻具组合起出，而不必将套管起出井眼：在起钻过程中可保持 钻井液连续循环；换上新钻头后，再用绞车通过套管将底部钻具组合送入， 锁定在套管端部，十分快捷。套管钻井技术也可以钻定向井和水平井，还 可以进行取心和欠平衡钻井。 t e s c o 公司的套管钻井技术的优点是明显的，可以不起下套管换钻具 和钻头，用单只钻头就能钻达设计井深和定向井。但它需要专门的套管钻 井钻机或对顶驱进行改造。 1 2 2w e a t h e r f o r d 公司的套管钻井技术 1 4 , 1 6 , 1 8 , 2 2 为了显著提高现有技术的经济效益，减少起下钻更换底部钻具组合和 磨铣作业的次数，w e a t h e r f o r d 公司开发出一种完全不同的套管钻井方法。 这种方法采用一种专门设计的可钻掉钻头，像常规钻头接在钻柱上那样， 中国打油大学( 华尔) 1 j 稃硕十r 位论史第l 章前言 这种专用钻头直接连接在套管柱的底部，由 连接在顶驱上的转换接头传递扭矩，通过旋 转套管以常规方式进行钻井作业。专用钻头 的独特之处就是可以被常规钻头完全钻掉， 而且由于有一个浮箍作为套管柱 勺一部分一 同下井，钻至要求井深后可以立即进行注水 泥作业。采用这种方法就可以实现一趟钻作 业，节省钻井时间和作业成本。 ( 1 ) 套管钻井矛( c a s in gd r i l l in g 图1 - 3 可钻式p d c 钻头 s p e a r ) ，是一种类似于处理井下事故的打捞 矛，由1 个1 5 米长 的短节、安全阀、旁 通阀、升高短节、h e 套管矛、套管矛解封 装置和牛嘴组成，一 端与顶驱连接，另一 端可以插入套管里， 通过下压和左右旋转 图1 4 可张开式p d c 钻头 即可上、卸扣，简化 了接套管的操作程序，节省了套管上扣时间，保证了安全作业。值得一提 的是，这种套管钻井矛也可以用于下套管作业，在下套管遇阻、遇卡时可 以开泵循环，转动套管，减少阻力和上提拉力。 ( 2 ) 钻鞋本体由一种特殊的铝合会材料制造，保径齿和切削齿为聚 晶金刚石复合片，镶在钻鞋底部和侧面的3 个呈“y ”型的刀翼上。与一般 p d c 钻头不同的是其齿形为椭圆形，因此，切削作用更强。可互换的六个喷 中国石油人学( 华尔) r 程硕十学位论文第1 章前言 嘴是由可钻材料铜制成的，并有防腐涂层。 ( 3 ) 套管扶正装置( s t a b m a s t e r ) 在套管钻井中也起_ 很大的作用。 它是种遥控的液压动作扶正臂，可以前后左右移动，保持套管居中，防 止套管错扣。该装置的使用，提高了接套管的速度，尤其在有风的天气情 况下，可以提高下套管的速度，保证安全作业。 这种套管钻井新方法在全球范同内现场应用2 0 0 多次，成功率达9 9 ，所要求的井段钻进顺利，钻掉钻头没出现什么问题，套管尺寸从巾5 0 8 m _ l 到巾1 1 4 3 m 4 n 。这项新技术促进了相关新工具、新系统的开发应用，其中包 括2 0 0 2 年下半年推出为硬地层设计的、装有p d c 切削结构的第三代钻头体 系，套管钻井打捞矛和液压操作的扭矩头以及张开式钻头体系等。张开式 钻头具有标准p d c 钻头的特点，但钻出的井眼要大4 0 ，可以替代常规扩 眼器。 威德福b b l 套管钻井技术的特点是钻鞋可钻，顶驱不需要改造，操作 相对简单。 1 2 3 国内套管钻井技术研究应用情况 我国渤海石油公司和南海西部公司于2 0 0 1 年在海洋石油钻井中应用套 管钻井来简化海上表层套管的作业程序，提高了作业效率，大港油田和大 庆油田也进行了表层套管钻井的研究和试验。但仅局限在表层套管的应用， 尚未涉及全井套管钻井技术。对于陆上全井套管钻井技术可以说国内目前 处于空白。 ( 1 ) 大港油田1 1 5 , 1 7 大港油田滩海工程公司2 0 0 3 年通过引进w e a t h e r f o r d 公司的套管钻井 技术，租用其配套设备，以赵东平台丛式井组和港海一号钻井平台滩海勘 6 中国年1 油火学( 华、) 1 科硕士学位论文 第1 章前去 探开发公司庄海5 井为项目依托，实施了套管钻井项目工程。共进行了2 5 井次1 3 3 8 “表层套管井段的套管钻井作业。其中港海号平台承钻的序 海5 井套管钻井创造了渤海湾套管钻井深度最深的记录。在8 5 8 4 5 1 3 8 9 米井段实施了1 3 - 3 8 “套管钻井，进尺4 2 8 0 9 米，平均机械钻速3 4 7 米 小时。赵东平台在2 4 口井中使用套管钻井，进尺2 7 0 、3 0 5 米，机械钻速在 1 7 2 、2 1 5 1 4 米d , 时。套管钻井平均机械钻速4 0 4 8 米小时。 从2 0 0 3 年5 月开始，在参考消化研究国外套管驱动器( 捞矛) 工作原 理基础上，完成了套管钻井用驱动器( 捞矛) 研制及其部分功能现场试验、 套管钻井用1 7 ”钻鞋的研制等工作。2 0 0 4 年又在庄海4 0 1 井、庄海8 0 3 并 继续使用，庄海4 0 1 井表层钻进至5 1 6 9 0 米，机械钻速4 8 4 m h ，行程钻 速( 由一开至固井结束) 1 1 2 天，比庄海9 2 井常规钻表层的2 1 9 天节 约1 0 7 天，经济效果显著。 ( 2 ) 大庆油田 大庆油田钻井工程技术研究院成功地运用非顶驱钻机完成了大庆油田 表层套管钻井现场试验。在套管钻井过程中，使用了其自行研制的仪器、 方瓦、补心和方套转换接头及与之配套工艺技术。试验表明其表层套管钻 井工艺流程设计是合理的，并成功地完成了4 口表层套管钻井试验井。 1 ) 1 3 3 8 ”表层套管钻井试验1 口并 使用z 3 0 d 型钻机成功地完成了大庆油田第一口表层套管钻井现场试 验。这口井含有2 0 0 m 以上的流沙层极易产生堵钻头水眼、中途起钻的事故。 另外含有4 个2 5 m 厚的硬夹层。试验结果表明：套管钻井的平均机械钻速 ( 1 8 1 6 m h ) 低于常规钻井中较高的机械钻速( 3 9 1 4 m h ) ，套管钻井的机 械钻速还有待于提高；套管钻井的接单根时间多出常规钻井1 4 h 左右；纯 钻进时削多出常规钻井6 h 左右；初期试验成功地实现了套管钻井，但套管 钻井的优势并没有完全显示出来。 中国千i 油人学( 华东) 上程硕士学位论文第1 章前言 2 ) 1 0 3 4 ”表层套管钻井现场试验3r = 井 使用z j1 5 型钻机成功地完成了三口1 0 3 4 ”表层套管钻井现场试验， 井号分别为南5 2 卜p 3 2 、南5 丁3 - 7 2 5 、南5 一丁3 - p 3 0 。这3 口井均含有 3 - 4 个2 5 m 厚的夹层。试验结果表明：套管钻井的平均机械钻速 ( 4 3 7 7 m h ) 高于常规钻井平均机械钴速( 3 3 3 7 m h ) 。套管钻井从，r 钻 到完钻的平均时间( 4 ：4 7 ) 比常规钻井( 4 ：5 2 ) 节省5 分钟；完钻后套管钻井 可直接固井，但是常规钻井需要起钻( 3 0 m i n ) 和下套管( 2 h 3 0 m i n ) 共计耗时3 小时；所以共节省3 小时5 分钟。节省的这些时间有助于实现当天开钻当 天固井，从而节约井队等待时间，减少了表层钻井周期。因为减少了起 钻和下套管工艺，从而减少了工人的劳动强度。随着套管钻井工艺技术的 完善和工人操作熟练程度的提高，其钻井速度还有可能进一步提高，同时 在易坍塌层、流砂层等复杂地区表层套管钻井有助于避免复杂情况的发生。 1 3 本文主要研究内容 国外的可回收式套管钻井系统应用领域广泛，但其对工艺技术水平要 求严格，且成本较高( 国外一套设备价格大约在2 0 0 0 - - 3 0 0 0 万元之间，且 多数公司只提供设备及技术服务) ，在早期2 0 多口井的作业中，工具串起 下的成功率也只有7 0 。另外，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，难以在陆上低成本开发井中推广应用。 2 3 ，2 4 ，2 5 1 本论文提出的套管钻井技术主要是立足于国内油田现有的钻井装备配 套，以采用常规钻机，通过转盘传递扭矩为前提，首先在吉林油田的中2 4 4 m m 井眼，中1 7 7 8 m m 套管的常规开发井井身结构基础上，通过钻井工艺技术试 验，实现一只钻头打至完钻的目的，同时充分考虑到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并两种情况，形成适合于国内油田 中国石油大学( 华东) ：程硕十学位论文第1 章前青 浅开发井的套管钻井1 二艺技术，并达到推广应用的条件。在此基础之上， 再进行中l3 9 7 m m 套管的套管钻井工艺研究和现场试验，通过试验来 i 断完 善套管钻井工艺技术，并向中深井套管钻井发展，最终达到能够广泛推广 应用的目的。 本文要研究的主要内容如下： ( 1 ) 套管钻井技术钻井工艺的研究，主要包括：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 ) 套管钻井工具配套研究，建立适合国内转盘驱动的不更换钻头方 式套管钻井系统，进行工具配套研究； ( 3 ) 套后油水层识别的测井方法； ( 4 ) 套管钻井技术的试验研究； ( 5 ) 比较分析试验结果，对套管钻井与钻杆钻井进行经济效益分析， 验证套管钻井技术的优点，为套管钻井工艺及工具的优化设计提供科学及 试验依据。 9 中国年釉大学( 华东) i + 程硕i 学位论文第2 章套管钻井t 艺配套技术研究 第2 章套管钻井工艺配套技术研究 2 1 套管钻井的低摩阻钻井液体系的研究 为了满足套管钻井要求，结合吉林油田套保、扶余地区的地层岩性特 点，主要从防钻头泥包及提高钻井液携屑能力入手，并提高钻井液的抑制 性和润滑性能通过室内实验，优选出低固相一抑制性聚合物钻井液体系8 1 。 2 1 1 吉林油田扶余地区地质概况 表2 - l 地质概况表 地层 岩性简述 顶部伏十层上面黑色下面黄色，中部流砂层，由粉砂、细砂、中 第四系 砂利粗砂组成，底部为砂砾层。 三段钙质砂岩、及灰、灰绿色泥岩组成反旋回。 二段 灰黑色泥岩，底部为黑色由页岩，含有灰黑色灰白色形体很不的 嫩江组 介形虫含微量植物化石和鱼类碎片，含介足类和腹足类化石。 灰黑色油页岩夹灰绿色泥岩，含有灰白色形体较小的介形虫，含 一段 鱼类碎片，还含有粉砂、钙质和黄铁矿条带。 下 姚家组一段综红色块状泥岩 白 垩 段 灰绿色、棕红色、灰黑色泥岩互层。 系 青山 口组 灰黑色泥岩为，夹有综褐色油页岩及菱铁矿薄层，含有大量鱼类 一段碎片及介形虫化石，见有方解石脉，油页岩页理发育点火易燃， 底部4 c m 左右钙质砂岩。 顶部灰绿色综红色泥岩、粉砂质泥岩、细粒汕砂岩组成三个韵律 层，泥岩中常有粉砂质及钙质条带、钙质结核，含油差，中部为 棕、棕褐色油砂岩、含油砂岩、斜层理发育，由上至r 砂岩粒度 泉头组四段 变粗，含泥砾及钙质砂岩，下部为厚层含水油砂岩夹多层灰绿色 院岩，具不发育斜层理，含油不饱满，底部为厚层( 5 m ) 钙质砂 岩夹泥砾岩及油砂岩，具斜层理，含碳屑及黄铁矿。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章套管钻井r ：艺配套技术研究 从扶余地区地质概况可见，该区第四系、嫩江组姚家组、青山口组灰 黑、灰绿色泥岩比较发育，在钻井过程中出现了不i j 程度的泥包现象，特 别是青山口到泉头组存在大段棕红色泥岩，钻头泥包比较严重，检1 9 、检 2 0 、两口密闭取心井实钻中已经得到证实。 2 1 2g p s u 齐, i 评价 采用扶余油田取心钻屑，配方：6 膨润士+ o 5 纯碱 十o 2 k p a + i n h 4 h p a n 实验a ：泥页岩膨胀实验 表2 - 2 泥页岩膨胀实验数据对比 层位 嫩五段嫩二段嫩一段姚二+ 三段姚一段青二+ 三段 3 0 分钟 0 3 0o ，2 00 2 60 1 8 o 1 0o 0 9 1 小时 o 3 60 3 00 3 40 2 6 o 1 6o 1 3 2 小时 0 4 30 3 60 4 4 0 4 0o 2 30 1 8 3 小时o 5 10 4 50 4 90 4 80 2 80 r 2 4 实验b ：泥页岩滚动回收实验 表2 - 3 泥页岩滚动回收实验数据 配方筛目嫩五段嫩二段嫩一段姚二+ 三段姚一段青二+ 三段 清水1 0 目 0 3 7 87 9 5 7 1 76 3 6 5 7 2 0 日o6 48 0 38 0 76 96 9 泥浆】o 目 4 8 ，58 6 49 0 。29 2 68 9 58 9 8 2 0 目7 8 68 9 2 9 5 09 6 5 9 2 89 0 5 试验分析：该体系的抑制性较强。 p 国石油大学( 华东) j ：程硕士学位沦殳 第2 章套管钻井i 一艺配套技术研究 2 t 3 降滤失剂优选 采用现场常用的降失水剂进行评价，实验结果见表2 - 3 。 表2 - 4 降失水剂优选实验数据 7 名称n a - p a n n h d h p a n c m c 原浆 f j u 量_ 051 01 50 51 0 1 5o 510l5 l 滤失量 1 2l i 5j l1 3 1 2 5 1 2i 1 1 0982 4 从实验结果可以看出，相同加量，c m c 好于n t t 4h p a n 、n a h p a n 的降 滤失效果，但c m c 的价钱高、溶解慢；n a t p a n 与n h 4 一h p a n 的降滤失效果 相当，但n a 一 t p a n 在钻井液中提粘，因此选n h 4 一h p a n 为降失水剂。 2 1 4 提切剂评价 为提高钻井液切力及携岩能力，选取x c 作为提切剂，x c 的选取试验数 据如下： 基浆：2 膨润士+ o 1 k p a + 1 铵盐 表2 - 5 提切剂评价试验表 基浆中瓜胶加量塑性粘度动切力 ( ) ( m p a s )( p a ) 初切终切 动塑比 基浆 i o 52 5o s1 5o 2 4 o 0 5l l3 50 52 50 3 2 o 11 472 s50 5 0 ，1 51 31 1 53 55o 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章套管钻井丁艺配套技术研究 实验结论：采用低固相钻井液体系，用x c 提切，加量在0 0 5 _ o 1 范围时即能够满足携屑要求。 2 1 5 套管钻井钻井液体系优选 为了满足套管钻井要求，结合扶余地区的地层岩性特点采用低固相一抑制性聚合 物钻升液体系： ( 1 ) 流变性实验 配方1 ：4 膨润土十o 2 k p a + o i x c + i 铵盐+ 1 防塌润滑剂 配方2 ：4 膨润土+ o 2 纯碱+ o 2 k p a + o i x c + 1 铵盐+ l h a 树脂 配方3 ：2 膨润土+ 0 2 k p a + o 1 x c + 1 铵盐+ 1 防塌润滑剂 配方4 ：2 膨润土+ o 2 k p a + o 1 x c + 1 铵盐+ 1 f f a 树脂 表2 - 6 钻井液体系优选性能 塑性粘度表观粘度动切力静切力滤失量 配方 动塑 p h 值 ( m p a s )( m p a s )( p a )( 初终)( m 1 ) l1 72 0 53 5 1 2 0 2 l78 5 2 2 0 2 8 58 5 2 4 5 o 4 388 5 31 41 73 0 5 1 5 0 2 11 08 5 41 9 3 23 1 20 1 61 08 5 实验结论：从表2 6 的各项试验指标分析，配方2 为最佳优选。 ( 2 ) 污染实验：配方2 中加入3 岩粉，并加重由1 0 2 9 c m 3 到1 2 0 g c m 3 ，钻井液性能如下： 3 中国石油大学( 华东) _ 【程硕十学位论文旃2 章套管钻井i 艺配套技术研究 表2 7 钻升液污染性能 配方 塑性粘度表观粘度动切力静切力 滤失 ( m p a s )( m p a s )( p a )( 初终) 动塑 e ep h 值 ( m 1 ) l 配方2 + 3 岩 2 03 0 5 1 05 2 4 5 05 l 4 28 5 【粉+ 重晶右 实验结论：从以上实验数据可以看到配方2 钻井液体系完全可以满足 套管钻井施工。 ( 3 ) 润滑性实验 套管钻井施工中，为降低上提、下放套管柱与井壁产生的磨阻，以免 造成对套管的磨损，对泥饼润滑性进行了评价；采用泥饼粘滞系数测定仪， 对该钻井液体系中压失水滤饼进行测定，结果是：1 分钟粘滞系数：o 0 6 1 2 ， 1 0 分钟粘滞系数：0 0 7 8 7 。实验结果表明，该钻井液体系1 分钟泥饼粘滞 系数及1 0 分钟泥饼粘滞系数都小于o 1 ，满足了钻井施工要求州。最后，形 成了适合套管钻井的钻井液体系为：低固相抑制性聚合物钻井液体系 钻井液配方：膨润土4 + 纯碱0 3 + n h 一一h p a n0 5 1 十k p a0 2 - 0 3 + h a 树脂1 采用低固相一抑制性聚合物钻井液体系，通过加入高分子化合物来提 高钻井液的粘切等各方面性能，在扶余地区的二口试验井中均取得了较好 的效果，钻井液性能如下表。 中国石油人学( 华东) 土程硕士学位论文第2 章套营钻井工艺配套技术研究 表2 - 8 扶北2 - - 3 钻井液性能表 井段密度漏斗 塑- 性 动切 静切 粘度 1 0 s1 0 m i n 滤失量 p h 值 ( m ) g c m粘度( s ) p am l m p a s 4 0 1 0 54 5l l42 5559 6 01 1 4 5 41 4526 59 1 l o 1 1 05 51 24 2 5 4 2 9 2 7 0 1 1 65 61 44 5 264 9 3 2 01 2 0 5 8 1 7 5 2 5849 4 1 01 2 2 5 61 85 274 9 4 9 71 2 45 5 1 8 4 527 549 表2 - 9 扶北2 - - 1 钻井液性能表 井段密度漏斗粘度塑性动切静切滤失量p h 值 ( m ) g c m ( s ) 粘度 p a 1 0 s1 0 m i n i i l l m p a s 3 01 0 54 5l l42 5559 9 01 1 4 5 4 1 45 2659 】9 01 1 05 5】24254 29 2 7 01 1 6 5 6 1 4 4 5649 3 2 71 2 05 81 75 2 6 8 49 4 3 01 2 25 61 8 5749 5 0 01 2 2 5 51 84 527 53 59 2 2 钻头及钻并参数的优选 为了解决套管钻井过程中易袭现出来的钻头泥包问题，顺利完成套管 钻井、完井等各项工作任务。自制了防泥包p d c 式六刮刀钻头用以解决钻 头泥包问题。 同时合理地选择钻头水眼，充分利用钻头水功率的破岩能力，阻提高 机械钻速，有效避免钻头泥包并满足固井的需要。在扶余地区的二口试验 中国石汕犬学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章套管钻封工艺配套技术研究 井中，由= r 扶余地区钻头泥包的可能性较小，因此着重开展了钻头优选、 钻头水眼的优选、钻头水眼如何能满足固井需求以及如何提高机械钻速等 方面的研究，通过二口井的试验，积累了很多宝贵的经验和大量的详细可 靠的实验数据，为以后套管钻井的进一步丌展打下了良好的基础。 钻头类型的选择，对于提高机械钻速、缩短钻井周期减少工程事故至 关重要。为了更准确、更科学地对扶余地区钻头序列进行优选，利用测井 资料计算地层岩石物理特性技术对扶余地区地层岩石物理特性进行研究， 并利用测井资料数据计算出了扶余地区各层段的地层岩石可钻性级值及 物理特性参数，根据地层岩石可钻性级值等数据在钻头数据库中选取相应 的钻头，并对这些钻头用灰色关联分析法进行对比，从而优选出各井段经 济效益和使用效果综合指标最好的钻头。 岩石的力学性质如抗压强度、岩石可钻性是进行钻头优选的基础，应 用“利用测井资料计算地层岩石物理特性技术”对扶余地区各层段的的岩 石可钻性等岩石力学性质进行了计算，结果见下表。 表2 1 0 扶北2 井区地层岩石可钻性 井深 p d c 钻头 牙轮钻头p d c 钻头牙轮钻头 可钻性可钻性 井深 可钻性 可钻性 1 7 01 7 8 9 93 4 4 3 74 7 0 2 1 0 7 93 7 3 0 9 2 7 5 1 8 6 3 3 3 5 1 2 25 6 0 3 4 5 3 24 7 5 1 4 3 8 02 0 3 4 53 6 6 6 76 7 54 1 8 75 2 2 1 8 根据上述计算结果和利用数据库分析优选结果，同时综合考虑钻井条 件及方式、地质情况、各段地层岩性的不同、钻井参数及邻井实钻资料优 选钻头。推荐采用b h 4 4 2 3 型或p 2 6 5 型p b c 钻头。 对于扶余地区，第一口井选择了一个全新的b h 4 4 2 3 型的p d c 钻头， 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第2 章套管钻井。l 一艺配套技术研究 取得了较快的机械钻速；但考虑到同型号的新钻头可以在该地区常规井施 工中完成5 - 8 口井的钻井施工，因此为了节约成本，第二口井选用了一只 旧的p 2 6 5 型p d c 钻头，同样顺利地打完进尺。考虑到以后套管钻井的推广， 我们已经与胜利油田钻井院着手研究种低成本、单只钻头可以打完进尺 的p d c 钻头，为以后的大面积推广套管钻井做准备。 图2 - 1b h 4 4 2 ，3 钻头图2 - 2 p 2 6 5 钻头 在钻头水眼的优选、水眼的当量面积与固井要求以及提高机械钻速等 方面，由于套管钻井在国内尚属首次试验，因此国内以前没有做过相关的 理论研究，同时也没有必要的试验数据和经验公式。在这种情况下，我们 立足于吉林油田的实际情况边研究、边试验，力争找出钻头水眼的当量面 积、固井需要、机械钻速三者间最优的组合。表2 - 1 1 是三口套管钻井的喷 嘴组合和固井声幅检测情况表。 中国石油人学( 华东) 上稗硕士学恃论文第2 章套管钻井l 一艺配套技术研究 表2 - 1 i 三口套管钻井喷嘴组台及声幅检测表 套b + 3 4扶北2 - 3扶北2 - 1 喷嘴组合1 7 4 6 一1 7 4 6 1 7 4 6 1 1 1 1 1 42 9 1 4 2 91 42 91