套管钻井技术的应用现状和存在的问题

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4-1/2～13-3/8in。

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。

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834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。

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。

在这个过程中，当钻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。