第9讲套管钻井技术.

1第九讲套管钻井技术CasingDrilling2一、引言①套管钻井是指使用套管或尾管作为钻柱进行钻进，在一个钻井过程中同时完成钻井与固井作业。②套管钻井技术的最初目的在于处理复杂地层，如易坍塌段、压力异常段、盐膏岩地层等，套管只要钻过该段，封隔住复杂段，即达到目的。③与其他技术一样，套管钻井技术也是因需要而产生的，浅层气、盐丘上下的碎石层、薄弱的衰竭产层产生的许多问题可以应用套管钻进技术予以解决。3④套管钻井方式：一、转盘驱动系统，底部带有一个特殊的钻头；二、马达驱动系统，可带扩眼器；三、套管下面使用一次性马达,钻井作业完成后，把它留在井内。⑤套管钻井是降低钻井成本解决钻井问题的有效方法。目前多数套管钻井都集中于钻直井，但定向套管钻井系统也获得发展并已投入商业运营。4套管钻井技术并不是一个新的概念，早在50年代许多陆上钻井公司用油管钻生产井，钻达油气层后对油管进行固井作业，钻头留在井下的方式，可以说是套管钻井技术的开始。而真正利用套管进行钻井作业始于1990年，并在其后得到快速发展。套管钻井技术可以应用于各种直井、定向井、水平井和开窗侧钻井中，所用套管尺寸φ114.3mm～339.7mm，井深已超过2000m。5套管钻井技术的优势1、缩短了完井周期，2、减少井下事故，3、改善井控状况，4、保持起下钻时钻井液的连续循环，5、改善水力参数、环空上返速度和井筒清洗状况。6、可以减小钻机尺寸，简化钻机结构、降低钻机费用。7.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。8、若在钻穿产层井段使用，由于可直接进行固井作业，大大减少了钻井液对储层的浸泡时间，可降低钻井作业对储层的伤害，有效地保护油气层。6因此，从技术和经济两方面，该项技术已经出现强劲的发展势头，正日益引起国内外石油工程界的关注，具有广阔的发展前景,甚至有国外公司将该技术称为继顿钻、旋转钻井后钻井发展的一个新纪元。7由于套管钻井没有起下立柱的问题，因此，钻机高度可以降低到20米左右，并且结构也可以简化。二、套管钻井设备1、套管钻机81套管钻机※安装了一个钢丝绳起升系统，能够下入和起升井下工具串。※安装了一个分离的游动滑车、天车、以及顶驱，以有助于通过套管下入钢丝绳。※在顶驱上面安装了一个钢丝绳防喷器和钢丝绳密封装置。※增加了套管夹紧驱动头。92、井下工具串套管钻井钻具的主要构成有套管、扶正器、轴向承载壳体、承扭壳体、套管鞋、密封器、轴向锁定器、止位环、扭矩锁定器、扩眼器、钻头等，这些工具与常规钻杆钻井工具不同或者技术参数要求不同，它们构成了套管钻井独特的技术特征。套管扶正器套管锁定短节套管扭矩短节套管鞋下井和回收工具密封器轴向锁定器止销扭矩锁定器泥浆马达扩眼器钻头10三、套管钻井技术1、表层套管钻井技术①套管钻鞋介绍钻鞋冠部中心部分由铝合金制成，为各种钻头可钻式。刀翼前缘由热稳定金刚石切削元件和高密度碳化钨组合构成。刀翼外缘镶有PDC切削齿该工具类似PDC钻头，能在低钻压的条件下快速钻进，具有低钻压高扭矩的特性112、技术套管钻井系统Tesco套管钻井系统以常用的油田生产套管作为钻杆同时进行钻井和下套管作业。套管把水力能和机械能传递给悬挂在套管底部接箍上的下部钻具。组合钻具上部的钻井锁（DLA）把钻具与套管进行机械连接（轴向和扭矩）和液压密封。同时在套管柱处安装了一个嵌入和取出的机械装置。钻具组合的最下部是导向钻头，有时也可能包括其它常规钻柱组件，如管下扩眼器、泥浆马达、取心工具或导向系统等。12套管在套管钻井中，希望套管有足够的抗扭能力，因为整个钻井的旋转机械能量都是由它来传递。一方面要使套管丝扣有较大的承扭能力，另一方面要保证不能因为丝扣的改进，使套管的成本有较大的提高。尺寸（in）连接扣型最优上扣扭矩（N.m）最大屈服扭矩(N.m)95/8WT—IPC1340016000075/8WT—IPC600050000套管51/2WT—IPC35001500065/8450001100005NC502600049000钻杆31/2NC1048016300从表上可以看出，对于尺寸相当的套管和钻杆，其最大屈服扭矩基本相同，因此，用套管代替钻杆连接丝扣强度可以达到工程要求。13套管扶正器套管扶正器主要用来防止套管及套管接箍磨损，同时还可以起到便于注水泥和辅助清除岩屑，减少套管与井壁的接触力和套管的弯曲的作用。14套管与套管扶正器15井下锁定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。16套管鞋在套管柱最下端应安装套管鞋。该套管鞋主要用来处理井下工具串卡钻事故。当井下工具串卡在井下时，通过钢丝绳打捞矛使套管与井下工具串脱开，旋转套管柱进行套铣作业。直至使井下工具串卡点被套铣掉，整个工具串才能提出井口。17密封器密封器用来实现井下工具串与套管柱之间的密封。图为密封胶套，它随井下工具串一起下入到井底，并与套管柱贴紧，从而实现对泥浆的密封。18钻头、扩眼器、钻鞋在套管钻井中，要求钻头既能通过套管内径，又要钻出比套管接箍外径大的井眼。因此，钻头必须具有变径功能。即在提升、下放时钻头尺寸小于套管内径，在钻进时钻头尺寸大于套管接箍外径。采用领眼钻头加扩眼器的方式来实现钻头的变径功能。领眼钻头和扩眼器有牙轮和PDC两种形式。目前，PDC领眼钻头和PDC扩眼器配合使用可获得更高的机械钻速，使用寿命也高于牙轮钻头和牙轮扩眼器。钻鞋是指在扩眼器本体上镶嵌的PDC牙齿，它使领眼钻头切削尺寸合理地过渡到扩眼器切削尺寸，使扩眼器使用寿命与领眼钻头使用寿命更加接近。19钻头与扩眼器牙轮钻头配扩眼器20套管钻井工艺过程钻进起钻下钻固井21该套技术现场应用情况1）套管钻井系统与常规钻井系统的钻井时间大致相同；2）在20多口井的作业中，工具串起下的成功率为70%；3）在早期的试验中，套管出现磨损；采用了前文所述的套管扶正器后，克服了这一问题；4）套管钻井与常规钻井系统相比，钻柱工作的更加稳定。22（二）、威得福套管钻井系统：威得福套管钻井系统与Tesco套管钻井系统原理及设备基本相同，只是威得福套管钻井系统更侧重表层（或技套）的施工，立足于一只钻头打完全部进尺。其所用PDC钻头为特制，胎体由易钻材料制成，通过一个特殊装置（丢手）与套管相接。套管内可预先放置易钻固井浮箍（简易承托环），钻至预定井深后，利用特殊装置将下部钻头胀裂落入井底，然后进行固井作业。下次开钻时可将钻头体方便的钻碎，由钻井液携带到地面排除。而进行生产层钻井时钻头可直接与套管下部接箍连接，钻至设计井深后和生产套管一起进行固井，不必与套管分离。23国外的可回收式套管钻井系统应用领域广泛，具有极大的发展潜力，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2000—3000万元之间，且多数公司只提供设备及技术服务），目前尚属于试验阶段，且成功率也不是令人满意。如Tesco公司在20多口井的作业中，工具串起下的成功率也只有70%。因此，国内可在现阶段针对不回收式套管钻井进行研究，主要侧重于以下两方面：三、套管钻井技术在国内推广试验的几个方向241、针对表套、技术套管钻井，研究采用一只钻头打完进尺的可钻式PDC钻头，该项技术可在海上钻井、沙漠钻井中进行广泛的推广应用。在上述地区采用套管钻井技术，可节约钻井时间，且避免了海上平台（沙漠）钻表层套管起钻后下套管因无法找到原井眼而失败的事故。25四、套管钻井技术国产化的装备配套研究鉴于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，且其设备、技术多只提供服务的情况，国内进行套管钻井应立足于国内钻井设备实际情况，以采用常规钻机，通过转盘传递扭矩为前提，主要需研制以下设备（工具）。26在套管钻井中，套管被用来传递扭矩。转盘的扭矩如果直接由套管扣来传递，就有可能造成套管丝扣的损坏。因此，在方钻杆与套管柱上端之间设置了套管驱动头。套管直接与套管驱动头连接，由内部卡瓦加紧，钻机的扭矩由方钻杆传到套管驱动头上，再由套管驱动头传到套管上，套管的丝扣不参加扭矩的传递。套管驱动头有三个功能，一是起到起升作用，二是传递扭矩，三是密封钻井循环泥浆。1、套管夹紧驱动头27图1吉林套管驱动头设计简图28图2机械所套管驱动头设计简图29进行套管钻井时，如地质部门要求必须进行主力油层的裸眼测井时，在套管柱下方与钻头连接处加入钻头脱接装置，完钻后通过水力作用，将钻头体与套管柱脱开，钻头落入井底，从而可上提套管柱3～5根，暴露出主力油层，以满足裸眼测井的需要。2、钻头脱接装置（丢手）30图2丢手设计简图31通过采用特殊设计的固井胶塞及胶塞座，以实现注水泥后固井胶塞的碰压及通过固井胶塞的自锁实现敞压候凝，提高固井质量。3、固井自封式胶塞及胶塞座的设计及加工；