套管钻井技术的应用现状和存在的问题

1、套管钻井技术的应用现状和存在的问题日期：2006年07月12日|来源： 石油商报|作者：套管钻井将建井过程中的钻井和下套管作业结合在一起，大幅度提高了钻进效率。自1999年以来，Tesco公司的套管钻井系统已在140 口井中使用，进尺达 750000ft。套管钻井技术可用于直井和定向井中，套管层数可达3层，尺寸为4-1/213-3/8in 。套管钻井最大的优势是在钻穿压力变化带时能大幅度提高钻井效率。在一些需要下入衬管堵漏的漏失带，采用套管钻井可以继续钻进。对于低压产层来说，减少钻井的液漏能明显提高油井产量。套管钻井可以降低钻机的作业费用，减少井下复杂情况的处理时间，并可避免采用一些故障预防措

2、施。套管钻井可以有效防止漏失和井控事故。常规钻井作业时，在下套管之前要进行一次短起下钻以防止发生井下事故，而采用套管钻井后就可以不再进行短起下钻作业。套管钻井系统由井下和井上两部分设备组成，它采用常规套管代替钻杆，从而实现钻井和下套管同时进行。由顶驱驱动套管旋转。钻井液从套管进入井下然后从环空中返出。套管 钻井系统能支撑套管的重量，并施加扭矩。在软地层钻直井段时，可以采用各种不回收的钻进工具。在硬地层中钻直井段时，在没有达到套管鞋之前可能需要更换钻头或定向控制。使用可回收的井底钻具组合就可以解决上述问题。套管钻井的定向钻进过程在很多方面与常规钻井类似，主要的差别在于钻具要能够穿过套管下入到井中

3、。导向马达和旋转导向工具在套管钻井系统中仍然可以使用。采用套管钻井技术的造斜率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。造斜一般采用 可回收导向马达工具来实现。套管钻井技术使用的井底钻具组合通常配用带领眼钻头和扩眼器的钻鞋。领眼钻头的尺 寸要能够通过套管，扩眼器将井眼扩大比套管尺寸略大。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。采用套管钻井的另一大优势是起下钻过程中 仍然可以循环钻井液，从而可以钻更深的井。井底钻具组合可以在井斜角高达 90 度的情况下下入和回收。 钻锁在进行电缆测井之前可 以通过投球憋压打开。常规钻井基础设备的开发已有 100

4、多年的历史， 而套管钻井技术是一项全新的钻井技术， 其辅助设备很少。辅助设备的缺乏限制了套管钻井技术的发展。目前，正在开发套管钻井系 统使用的整套辅助设备，但实际情况是套管钻井的市场还在开发中，限制了此类设备的开发。大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，除了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，在接头处安 装了碳化钨防磨块。钻头钻井提供了许多优点2004-03-16 | 访问 8

5、34 次翻译：周凤霞|校对：张跃军摘要：膨胀钻头体现了最好钻井方法的相关特点，钻进时需要的钻压比三牙轮钻头小， 将占领更大的市场份额。利用膨胀钻头钻增大井眼直径的能力可以打破套管或管子直径限 制，获得更大的经济利益。本文介绍了膨胀钻头的设计、早期开发、商业开发、样品设计、 油田作业、作业反馈和未来开发情况。主题词：膨胀钻头增大井眼经济 井控人们很久以前就已经认识到在钻井业可打破套管或管子的直径限制钻增大直径的井眼， 这种钻探能力可以提供很大的优越性。在这些优越性中，其中之一就是结合新型油井结构技术，即用坚固的管子和/膨胀管钻井以及套管钻井，也就是将套管紧跟钻头下入井中。将这些新型技术成功地结合

6、起来可以大大改善油井设计，从而获得更大的经济利益和井控利益。目前钻这种增大井眼直径的钻井技术，比如双中心钻头和套管下扩眼器，使井眼的膨胀能力受到限制，同时损害了存在于地层中的岩屑结构。其他限制包括有限的划眼和倒划眼能力以及定向曲线不均匀。这可导致井身结构问题， 降低钻井性能。用套管钻井技术的一种具体设备需要一只可通过现有套管柱回收的钻头。为了达到这个目的，最大限度地提高钻井性能需要一台设备，具有与标准的PDC钻头相似地层切削结构，但是通过比所钻井眼更小尺寸的限制，具有取出设备的能力。这个原理使钻增大井眼直径的方案可行，这可能是由提供基本膨胀能力而仍能提供对地层全切削结构的钻头所致。背景由于专用

7、的同心钻杆沿井筒依次排成直线，渐进地加固井眼，因此传统井眼结构技术应用了许多年。在钻井期间，封隔井段的需要取决于各种地质因素，比如异常地层孔隙压力、 井眼稳定性和烃或淡水受压层位。这将导致用作井眼尾管的大量套管结构冗余，以及包括材料和后勤的额外费用。这种挑战必将推进新的钻井方法的研究，也就是寻找从顶部到底部井眼成直线状的传统目标。用这种方法预测性更强、更可靠、成本更低、效率更高。目前的方法永远不允许沿整个井身长度钻单个直径井眼，但是最近已研究出一种重要的新技术，对于钻井过程本身而言，它需要一种基本全新的方法。这两种技术直接应用和由于使用膨胀钻头”产生的正面影响，这些都是膨胀套管和用套管钻井的结

8、果。在没有加工硬化损害的情况下，一定钢级的可塑性允许这种钢产生大量弹性变形。这样,便于均匀地增加钻杆直径，不会使整个钻杆出现不等厚现象。研究钻杆接头能调整井眼直径增加，这使钻单井眼井成为现实。在许多情况下，人们在关心井眼稳定性的同时消除作业中衬管的一些不稳定因素，达到使用同心套管柱钻井时还须减小环空体积之目的。这种方法也可用于单井钻井中。然而，用套管钻井也会遇到一整套新的挑战，需要重新考虑传统的钻井方法。钻单井眼方法是通过使用能钻较大直径井眼的钻井装置， 这种装置有通过受限制井眼直 径的能力。同样地， 用套管钻井时， 一种方法是钻井眼， 然后从刚刚下套管的井眼中取出钻井装置。 现有的两种新发明

9、产品即双中心钻头和套管下扩眼器可以达到这个目的， 目前这两种工 具占有大量的市场份额。这些产品显然属于具有相对优点和作业标准的独立类别。 由于这些产品也有很大的缺点， 所以未来的工程研究在性能和应用中进行较大的改进似 乎是不可能的。显然需要用完全不同的方法来解决这个问题，为了避免过长的和不可预测的开发进程， 采用试验过的和测试过的钻井原理和方案。在考虑了许多方案和改革后， 准备设计目前的膨胀钻头。 发现这种膨胀钻头体现了最好 钻井方法的有关特点。由于大量使用了膨胀油井完井技术， 人们认识到能钻可变直径井眼的钻头将占更多的市 场份额。设计基础 最初的设计前提是利用简单的、耐用的和可靠的作业机理制

10、造一种可变直径的 PDC 切 屑结构的钻头。 以下的评估是人们从许多可供选择方案中选出的， 该方案的设计思想是钻头 上带有四个移动式刮刀。这种方案最初可使井眼直径从 216mm 膨胀到 244mm ，不过在很早的时候可使井眼直径 膨胀到 273mm ，这可使井眼产生 20%的膨胀率。钻头的刮刀剖面和切屑结构与威德福公司使用的一系列固定牙齿的钻头是完全一样的。 人们可以很好地记录和了解固定牙齿的钻头性能。 人们已经认识到这不仅更容易作出合适的 钻井应用选择， 而且可通过现在的超尺寸井眼钻井方法更好地改善性能， 比如管下扩眼器和 双中心钻头等。这种设计采用最少的刮刀设计选择方案使井眼达到更大的膨胀

11、率，这也是显而易见的。 膨胀机理是由通过钻头流动的流体产生的压差进行整体液压启动来实现的。 装有一个内 螺旋弹簧可把刮刀转动到空位。每当流体流过暂停的钻头时，这种现象都会发生。用铝制造了半比例功能模型，同时很快制造了塑料模型零件来演示钻头的作业原理。 早期开发在第一种模式建立期间， 人们已认识到如果在原始设计变更不大的前提下， 可以很容易 地实现许多设计改善。最初的作业机理是四个刮刀围绕外壳的最后端旋转， 继续保持这个原理不变， 只是现在 的刮刀附着在外面的液压筒上，不承受任何的轴向钻井力。在压差的影响下圆筒向后运动把刮刀牵引到异型面， 使刮刀向外打开到膨胀位置。 现在 刮刀卡在切削进入钻头顶

12、部的槽中，作为一种传递钻井扭矩的工具。当钻头转到空位时， 卡住了安装在钻头顶部的销子， 此销子可销住切削进刮刀的套， 从 而有效地拉回钻头。整个钻井重量直接施加到钻头的头部，并作用在装有刮刀的 PDC 钻头切屑结构。由于 施加在旋轴末端的压缩力的作用，刮刀并不直接承受承受载荷。这个旋轴只是一种固定刮刀后端的工具。 把钻头从井眼中取出给刮刀施加一种向下的推 力，这除了由回位弹簧施加的力外，还可促进关闭作用。沿着每个刮刀的保径段牙齿数量的增加可使钻头从较小的限制直径到实现完全膨胀有 效地钻开裸眼段。在早期开发阶段，建立了一种改进模式，包括所有识别出的修改。商业开发为了把膨胀钻头开发成一种工作标准样

13、品， 大胆地寻求商业直接用户。 美国加州联合油 公司印度尼西亚分公司的早期讨论为在包括其他创新技术的一系列井中提供了使用膨胀钻 头的大好机会，在 2001 年 3 月期间，经有关部门批准， 制造出了井眼直径膨胀范围从 311mm 到 432mm 的工作标准样品。标准样品设计 根据总装配图很快准备出了样品详图。确定牙齿直径为 19mm 的 PDC 钻头的切削结构 适合在印度尼西亚的软地层使用。膨胀钻头最基本的设计原理之一是非常方便在油田使用。 这种钻头所有的机械零件都可 延长钻头的作业寿命， 对于新的切削结构而言， 需要更换刮刀。 这个原理可使钻头实现许多 作业优越性。这些刮刀提供一种独特的切削

14、结构， 适合于特殊的钻井参数， 而且每套刮刀可在最大的 设计直径内达到异常膨胀率。在最后替换前，刮刀还要根据新的切削结构调整许多次。在制造与钻井液接触的零部件时， 为了提高钻头的可靠性， 并延长钻头的使用寿命， 选 择高强度耐腐蚀合金作为原材料。为了测试钻头设计自身的钻井能力， 第一次下入包括一个刚性的缩紧打开机构， 设计了 可靠的锁定、 开启机构来确保第一口井在规定井眼直径内钻进， 事先预防在后来测井时起下 钻的需要。锁紧和开启位置的装置通过使用座放在套内的可拆锁环来实现锁定和开启， 而这个套位 于外液压缸和钻头接头部分的后部。现场作业（ 1）在 2001 年 7 月期间，在印度尼西亚的开发

15、平台上，用邻井数据在较好的两口浅油砂层 井中进行了初步的现场试验。使用合适的作业方法在立管段对这些井进行控制钻井。因此， 机械钻速不能用作性能测量参数。为了达到标准的控制钻速，用所需的钻压来代替。钻第一口井时很顺利， 唯一不期望的主要结果是在控制钻井时膨胀钻头比三牙轮钻头的钻压高（膨胀钻头的钻压平均为2769kg，而三牙轮钻头的平均钻压为 1453kg ）。如果钻压比期望的值高会导致钻头泥包。设计时锁紧装置起作用，整个钻井非常顺利和稳定。在这个过程中， 当钻为了在泥浆槽中回收泥浆， 第二口井利用在泥浆管线上分离技术。头钻入海底碎块时会使牙齿和刮刀遭到非常严重的表面损害。在偶然中发现碎块钻井对钻

16、头来说却是很好的 “破损性测试 ”。当牙齿损坏时， 操作机理 仍然对设计起作用，这是一个惊奇的发现。作业反馈在以后的现场初始试验中， 将钻头起出送到陆上作业设备上进行检查。 很明显沿着刮刀 下面的岩屑杂质可阻止钻头更好地接近地层。此外，可把钻屑携带到刮刀引导槽的零件内。在进行了一些讨论之后，人们认识到阻止岩屑进入或滞留到钻头配件中是不可能的事 情。所以将确定尽可能多的选择方法，使岩屑滞留到钻头工作零件中的现象不再发生。相应地钻头头部的槽被大大地变小， 只保持足够的材料来保证必要结构的完整性。 刮刀 较低的一面也用顿刀刃重新仿形切削来排出刮刀下面积累的碎岩屑。（刮刀的槽与返回杆咬合，被前面和后面

17、的套替换，相应地返回杆也重新进行设计。）为了提供灵敏的压力开关指示器， 将小的旁通水眼直接钻进每个刮刀较低一面下部钻头 的头部。当钻头水眼被关闭时， 每个刮刀较低的面装有橡胶塞可阻止流动。 在钻井作业期间， 水 眼具有冲洗每个刮刀较低面的辅助特点。对于刮刀同活塞外径接触产生的液压缸的井眼来说， 一些损害是很显然的。 虽然原始的 设计原理设法让零配件数目保持最少， 为了增加可靠性， 人们在设计钻头时， 决定在活塞与 圆筒和圆筒与圆棒的内表面之间装上青铜磨损坏。 从这些方面可对样品进行翻新改进， 这种 改进在油田很容易实现。在现场作业期间， 还将冲洗水眼引进液压缸中， 以便在不必取下簧片的情况下清

18、洗启动 箱和弹簧箱。现场作业（ 2）在 2002 年 1 月进行进一步现场试验， 因为 2001 年时钻头在同一油田用于钻油砂岩井进 行了试验。 另一方面， 人们在无立管段实施控制钻井。 因而， 标准控制的钻井速度所需的钻 压常常用于判断钻头的性能。总的说来，用改进后的钻头钻进非常顺利，比前两次下入钻进要顺利得多。在 2001 年 的试验中，需要的钻压表明有显著的改善，钻进时需要的钻压比三牙轮钻头少22%。记录表明钻头没有外部损坏。 很显然， 如果没有控制模式， 钻头不可能具备达到非常高机械钻速 的能力。进一步开发 从试验中起出的钻头可以很明显地发现在刮刀的枢轴套和心轴之间存在一些磨损， 这是

19、 在作业期间一些硬磨粒产生的划痕。而现在为了全面阻止磨损液压装置的滑动部件， 成功地使用防磨损青铜环， 这就决定了 在刮刀套上采用类似的方案。为了取下薄片式青铜衬套， 为刮刀加工了一种新套， 把这种新套安装到样品钻头上， 其 他的零配件仍不作任何改进。这时人们还认识到，除了已钻的直径为 432mm 的井眼外，还可钻 375mm 井眼。相应 地，设计一套未来的刮刀安装到其他现有部件上。 因此， 这种特殊的膨胀钻头有能力钻从最 小直径为 311mm 到最大直径为 432mm 范围内任何井眼，在这个范围内可以进行任何尺寸 的增加。现场作业（ 3）在 2002 年 6 月，针对下列钻头方面的局部工作在

20、其他地方进行。在前三次试验时，选 择的位置是同一油田的第三个平台。整个钻井性能非常好。 为了达到特定控制的机械钻速所需的钻压比邻井使用三牙轮钻头 所需的钻压小 39%。在试验期间，面临的一个问题是在压力箱里面聚积的泥浆固体颗粒。 解决问题的方案已经制定，只等油田试验的成功确认。开发前景膨胀钻头的研制已证明这一基本原理是可行的和实际的。 由于得到美国加州联合油公司 连续开发的支持，该项目已提供了性能改进，并解决了所有必要的作业问题。此时人们已设计出了井眼直径从 213mm 到 311mm 的其他尺寸的膨胀钻头，即将进行 样机制造。高性能耐磨钻头网址:http:/WWW.PPC365.COM.CN

21、 访问量：68 发布日期：2006-6-1SHARC PDC钻头美国史密斯钻头公司的SHARC高耐磨结构PDC钻头在棉花谷等高度 研磨性和有夹层的地层中的钻井性能一直都很优良。该公司用专有钻头设计软件设计出的钻头切削结构极为稳定，能够最大程 度地减小齿的损坏与磨损，实现最大的钻井进尺，同时还不牺牲钻头的机械钻速。SHARC钻头每个刀翼上有两排齿，能够最大限度地提高钻头头部和肩 部的耐用性。双排切削齿的定向还有助于保持钻头水力的清洗和冷却效率。该公司独家拥有一系列用于钻研磨性地层的耐磨切削齿，钻头的内在稳定 性也使其拥有优良的耐磨性能。FH系列三牙轮钻头该公司的FH系列牙轮钻头机械钻速高，具有优良的耐用性和可靠性。这些优良性能来自于下列因素：能够向地层施加最大机械能的钢齿和镶齿 几何形状；大幅度提升了镶齿耐用性的材料； 通过坚固耐用的镶齿、弹性元件和 轴承材料所实现的可靠性；以及可实现高效清洗和水力能量集中的自适应型水力 系统。TCT两牙轮钻头在存在偏移问题的直井和对钻压有限制的大位移井和大角度井中，该公司 的TC