套管钻井技术介绍
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（2）套管柱不能多加扶正器，固井质量的保证措施 解决方案：固井时旋转套管，使用适量加刚性扶正器。 （3）表层套管稳性 解决方案：改造井口装置，采用BOP悬吊系统，避免表层套管 承压而失稳。
2019/2/15 21
5、表层套管钻进优势：
（1）节省隔水导管作业时间。
（2）如果采用钻头钻进，需两次等平潮时间：
套管完成，因而大大减少了常见的井壁坍塌、冲刷井壁、井眼内形成
键槽或台阶以及卡钻等问题。
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套管钻井优势
• 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。 • 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。
• 套管内径大，与井壁形成的环空小，改善了水力参数，环空上返速 度和清洗井筒的状况。
基本操作程序：
(1) 按常规组合套管钻鞋、将套管 柱下至泥面附近，并坐在转盘面上。 (2) 组合左图工具，并用一短钻杆 与顶驱按正常扭矩连接，上提至二层台以 上。 (3) 用单根吊卡提起下一根套管， 对扣，按正常扭矩上扣。 (4) 下放顶驱，架工将捞矛组合下 入套管内（捞矛上有止动环），确认止动 环坐在套管接箍上。 (5) 正转捞矛约1/4圈，上紧捞矛。 (6) 提起套管，提出套管卡瓦。
—— 间接经济效益很明显
8
套管钻井优势
• 整个钻井过程不再使用钻杆和钻铤，从而可节省与钻杆和钻铤采购、
检验、存放、运输、修复等过程有关的大量人力物力与费用。
• 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，大大节 约了钻井时间和费用。 • 套管钻进完成后即等同于下套管作业完成，节省完井时间和费用； • 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
• • • •
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7” casing x 8-1/2” 9-5/8” casing x 12” 或 10-5/8” 13-3/8” casing x 17” 20”casing x 24”
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表层套管作业介绍
3、地面连接装置
Casing Drilling Spear Assembly usiing tools from inventory Spacer Sub
（5）套管与地层岩石间磨损试验研究及剩余强度分析
（6）套管钻井用套管疲劳试验及疲劳寿命预测 （7）提出了一套管用于套管钻井工艺参数优化选择的实用方法 （8）开发出了套管钻井用减磨减阻润滑剂 （9）开发出了套管钻井专用螺纹脂。
（10）套管钻井专用套管及接锚（特殊螺纹）和配套工具的研发试制。
管内压耗大幅度降低，环空压耗有所增加。
相同排量下，套管钻井的无用功耗远远低于常规钻井的，可以适 当降低钻井泵的配备功率。
套管钻井环空上返速度要比常规钻井高1倍多，可改善携岩效果。
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驱动方法
• 地面驱动法
转盘、顶驱、双驱
• 井下驱动法 井下动力钻具（螺杆） 旋转导向工具（RSS） 多驱（转盘+顶驱+RSS，试用螺杆）
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TESCO套管钻井实践
• 已施工数百口井 • 总进尺二百多万英尺（60多万米） • 最深井深超过13000英尺（约4000米） • 套管直径范围为4 1/2″—13 3/8″ • 最大井斜90°
• 成功获取井下工具串的最大深度9400英尺（2800米）
• 所钻地层为：软—中硬地层
a）、开孔前等待； b）、下套管前等待。 （3）节省弃井时间。
（4）节省上下料的时间
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22
6、表层套管钻进的特点：
（1）套管与井壁间隙小，可能造成扭矩大，或卡钻。 （2）套管内容积(78 l/m) 大于环空容积(56 l/m) ，打泥浆塞时需 特别注意计算。
（3）套管钻鞋抗磨损能力较钻头差，存在钻进中途钻鞋先期失
捞矛密封
Cut box connection in Bull Nose
扶正器
底部导向头
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Stabilizer
Bull Nose
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表层套管作业介绍
基本操作程序：
（7）等平潮。 （8）打通循环，逐渐提高排量和转速，开始钻进，前几根需特别 注意。 对于13-3/8“ 套管，最高排量约3300 l/min，转速50-80RPM，钻压 1-5 T。如有必要，进行倒划眼。 （9）一单根打完，坐卡瓦，下放顶驱，确认止动环坐在套管接箍 上，倒转(左转)约1/4圈，释放捞矛。
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技术问题及特征
（3）钻井方式
a.地面驱动套管旋转钻进
要求套管有足够抗扭强度，螺纹与接箍都应是增强型，使其在承受轴 向载荷、弯矩和周向应力下具有足够的传递钮矩能力和密封性能。 通过套管施加钻压，超过抗弯强度时，套管弯曲，导致井下复杂情况； 可采用套管内穿接钻铤的方法，钻铤与钻头形成井下钻具组合，挂于套管串 的底部，钻进时套管承受井下钻具的拉应力作用；套管内壁与管内钻具组合 之间可装浮动套，通过调节浮动套的偏心距或与钻头的间距可调控井斜。
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ConocoPhillips公司套管钻井
ConocoPhillips公司有几口井用螺杆钻具及导
向马达进行套管钻井，最近2口井又发展到用旋转导
向钻井工具结合套管钻井（Combining an Rss with Casing—while—Drilling）钻垂直井和定向斜井
（2139m），并实现闭环自动导向钻井。
2019/2/15
12
技术问题及特征
（2）钻机
须配备电动的或液、气动的绞车系统，并配置能满足强度要求
的足够长的钢丝绳和电缆线、信号线； 天车和绞车系统都应是分体式配置，以保证钢丝绳处在套管的
中心位置；
在顶驱装置的上部配有钢丝绳防喷器和密封装置，以实现对钢 丝绳的密封；
地面工具需齐全配套，以满足套管钻井各项作业的需要。
• 多趟钻——用于井段较长，趟钻不能钻达所要求井深者。使
用分体式、绳掌式，可回收内核的可伸缩变径的钻头及工具。
2019/2/15
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技术问题及特征
（1）钻头 用钢丝绳通过套管取出或下入，井下就位后与套管相对固定； 为扩孔器式钻头，扩孔器通过套管后驱动伸出； 应能通过管内绳缆操作机构配合机械或液动式工具将扩孔器回位； 回位失灵时可通过套铣鞋铣掉，铣鞋可预先连接在套管底部； 钻头寿命与可靠性是套管钻井技术的关键。
• 可以减小钻机尺寸，筒化钻机结构，降低钻机费用。
• 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。 据加拿大Tesco公司估计，打1口井深为3048m的井，和传统钻 进方式相比，预计可节约工程费用达30％以上。
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钻进方式
钻进方式根据地质条件、井身结构等选用
• 一趟钻——使用不回收可钻式的一次钻头及工具。
b.井下动力钻具钻进
钻进反钮矩可以由井下钻具组合及其与套管内壁的贴附作用共同承 担，使套管受力状况有所改善。 井底动力钻具配高效钻头(PDC)以提高机械钻速也适合于套管钻井。
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技术问题及特征
（4）取心 采用绳索取心方式，以提高取心时效。 （5）泥浆循环 包括泥浆泵、管汇、套管及与井口套管相连的过钢丝绳密封总成。
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概 述
应用范围：
• 表层套管
• 海上隔水导管 • 隔水导管与表套“二合一” • 技术套管 • 油层套管——暂限常规油藏，应考虑完井及采油作业可行
性而慎用
• 直井（定向井）（水平井） • 软—中硬地层
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套管钻井技术分类
• 普通套管钻井技术 对钻机和钻具做少许改造的基础上，用套管作为钻柱， 接上方钻杆和钻头进行钻井。 • 全程套管钻井技术 使用特制的套管钻机，特制的钻具和特制的钻头，利用 套管作为水力通道，采用绳式钻井马达进行钻井作业的一 种钻井工艺。 • 阶段套管钻井技术 在钻井过程中，在钻柱的端部连接一段套管和一种特制 的钻具，打完这一段后把钻头起出，而把套管留在井下并 对这一段套管进行固井，用以封隔破碎带和水层。
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16
表层套管作业介绍
表层与隔水管合二为一，采用套管钻进技术
钻具组合为：套管钻鞋( BTC扣) +套管+浮箍+套管+浮箍+套管
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表层套管作业介绍
2、套管钻鞋特点：
（1）薄的碳化钨切削齿。
（2）优化的喷嘴布置。
（3）镶嵌碳化钨块保径。 （4）PDC钻头或牙轮钻头可十分新颖并富有创造性的新技术，具有钻井与完 井一体化的技术特征，具有良好的发展和应用前景。
概 述
定义： 以套管柱取代钻杆柱实施钻井作业，使钻进中的井眼始 终有套管伴随到井底。 基本概念： 在钻进时用套管柱替代传统的钻柱向井下传递机械能量 和水力能量，边钻进边下套管，钻达设计井深后留在井内作 完井（或某层）管柱，随即注水泥固井、完井。将钻柱与套 管柱合一，将钻进与下套管作业合并。它简化了井身结构（ monotube)、减少了起下钻、下套管作业，可及时调正不确 定性问题并封隔复杂层段（漏、塌等）有效降低了不确定性 地层和复杂地层井下复杂情况和事故风险发生率，缩短建井 周期，降低成本。
配合接头，用一 短钻杆接顶驱
H-E Spear Grapple with Extended Stop Ring Left Hand Release and Bi-Directional Slips
o
o
H-E Casing Spear
左旋释放捞矛 并带双向卡瓦
Double Pin Sub
双公接头
Spear Pack-Off
• 2004年6月大庆油田开展了表层套管钻井试验工作，所用套管为13 3/8″×9.65mm的J55套管，施工井深300mm。 • 2004年10－11月，中石油吉林石油责任有限公司开展了两口油层套管 钻井试验，并取得了成功。所有的套管为5 1／2″×7.72 mm的P110 套管,完井井深分别为497米、500米。 • 胜利滩海油田已制定方案准备应用 • 更多的油田准备用
（JPT，Nov，2005）
2019/2/15
6
我国套管钻井技术现状
• 2002年1月，中国海洋石油与威德福合作在渤海和南海东部成功应用 了套管钻井技术(见实例）。
• 2003年11月中石油吉林石油责任有限公司开展了陆上表层套管钻井先 导性试验工作，并取得了成功，所用套管为7″×6.91mm的J55套管， 施工井深300mm。
（10）提出捞矛，重复以下步骤：接套管单根，接捞矛，钻进。
（11）钻至表层完钻井深，循环清洁井眼。 （12）卸开捞矛，接旋转水泥头，固井，固井期间旋转套管。 （13）套管坐底，在井口平台固定套管，割套管，装井口。
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4、表层作业关键点：
（1）表层套管钻进至预定深度
否则：起套管，下钻头钻进，再下套管。
效的可能。 （4）机械钻速较低，泥岩段可能低于10m/hr。
（5）钻进时排量可适当降低，如果钻速较慢，有泥包显示，则
排量适当提高。
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7、应急措施：
（1）表层套管钻鞋先期失效 解决方案：起套管，下钻头钻进，再下套管。
（2）表层套管固井时单流阀失效
解决方案：蹩压候凝。
防回流措施 =
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[实例]中海油渤4平台无隔水导管法下表层套管
• 管柱结构： 尔+ 339.7mm套管×500mm+ • 钻进井段 59.43—567.3m 431.8mm钻鞋+ 339.7mm回压凡尔+ 298.5mm套管锚
339.7mm套管+
339.7mm 回压凡
• 指标效益： —— 钻进时间15.5h（缩短0.5d±） —— 平均机械钻速32.77m/h —— 最大扭矩4.5KN· m —— 平台作业时间减少2d，平台相关费用少10万元± （平台日费20万元） —— 单井平台作业费节约50+万元 —— 省去隔水导管节约10万元 —— 钻井液用量少，维护费小，可节约5+万元
+
（3）技术套管下到预定位置，无法坐井口密封 解决方案：提起 BOP组，按套管头应急操作程序进行。
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针对国内套管钻井技术现状，正在开展下列研究工作
（1）套管钻井套管柱屈曲和弯曲行为研究
（2）套管钻井套管柱摩阻和扭矩计算
（3）套管钻井用特殊螺纹连接研制 （4）套管钻井下部钻具运动学研究及减振装置设计
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5、表层套管钻进优势：
（1）节省隔水导管作业时间。
（2）如果采用钻头钻进，需两次等平潮时间：
套管完成，因而大大减少了常见的井壁坍塌、冲刷井壁、井眼内形成
键槽或台阶以及卡钻等问题。
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套管钻井优势
• 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。 • 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。
• 套管内径大，与井壁形成的环空小，改善了水力参数，环空上返速 度和清洗井筒的状况。
基本操作程序：
(1) 按常规组合套管钻鞋、将套管 柱下至泥面附近，并坐在转盘面上。 (2) 组合左图工具，并用一短钻杆 与顶驱按正常扭矩连接，上提至二层台以 上。 (3) 用单根吊卡提起下一根套管， 对扣，按正常扭矩上扣。 (4) 下放顶驱，架工将捞矛组合下 入套管内（捞矛上有止动环），确认止动 环坐在套管接箍上。 (5) 正转捞矛约1/4圈，上紧捞矛。 (6) 提起套管，提出套管卡瓦。
—— 间接经济效益很明显
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套管钻井优势
• 整个钻井过程不再使用钻杆和钻铤，从而可节省与钻杆和钻铤采购、
检验、存放、运输、修复等过程有关的大量人力物力与费用。
• 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，大大节 约了钻井时间和费用。 • 套管钻进完成后即等同于下套管作业完成，节省完井时间和费用； • 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
• • • •
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7” casing x 8-1/2” 9-5/8” casing x 12” 或 10-5/8” 13-3/8” casing x 17” 20”casing x 24”
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表层套管作业介绍
3、地面连接装置
Casing Drilling Spear Assembly usiing tools from inventory Spacer Sub
（5）套管与地层岩石间磨损试验研究及剩余强度分析
（6）套管钻井用套管疲劳试验及疲劳寿命预测 （7）提出了一套管用于套管钻井工艺参数优化选择的实用方法 （8）开发出了套管钻井用减磨减阻润滑剂 （9）开发出了套管钻井专用螺纹脂。
（10）套管钻井专用套管及接锚（特殊螺纹）和配套工具的研发试制。
管内压耗大幅度降低，环空压耗有所增加。
相同排量下，套管钻井的无用功耗远远低于常规钻井的，可以适 当降低钻井泵的配备功率。
套管钻井环空上返速度要比常规钻井高1倍多，可改善携岩效果。
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驱动方法
• 地面驱动法
转盘、顶驱、双驱
• 井下驱动法 井下动力钻具（螺杆） 旋转导向工具（RSS） 多驱（转盘+顶驱+RSS，试用螺杆）
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TESCO套管钻井实践
• 已施工数百口井 • 总进尺二百多万英尺（60多万米） • 最深井深超过13000英尺（约4000米） • 套管直径范围为4 1/2″—13 3/8″ • 最大井斜90°
• 成功获取井下工具串的最大深度9400英尺（2800米）
• 所钻地层为：软—中硬地层
a）、开孔前等待； b）、下套管前等待。 （3）节省弃井时间。
（4）节省上下料的时间
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6、表层套管钻进的特点：
（1）套管与井壁间隙小，可能造成扭矩大，或卡钻。 （2）套管内容积(78 l/m) 大于环空容积(56 l/m) ，打泥浆塞时需 特别注意计算。
（3）套管钻鞋抗磨损能力较钻头差，存在钻进中途钻鞋先期失
捞矛密封
Cut box connection in Bull Nose
扶正器
底部导向头
2019/2/15
Stabilizer
Bull Nose
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表层套管作业介绍
基本操作程序：
（7）等平潮。 （8）打通循环，逐渐提高排量和转速，开始钻进，前几根需特别 注意。 对于13-3/8“ 套管，最高排量约3300 l/min，转速50-80RPM，钻压 1-5 T。如有必要，进行倒划眼。 （9）一单根打完，坐卡瓦，下放顶驱，确认止动环坐在套管接箍 上，倒转(左转)约1/4圈，释放捞矛。
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技术问题及特征
（3）钻井方式
a.地面驱动套管旋转钻进
要求套管有足够抗扭强度，螺纹与接箍都应是增强型，使其在承受轴 向载荷、弯矩和周向应力下具有足够的传递钮矩能力和密封性能。 通过套管施加钻压，超过抗弯强度时，套管弯曲，导致井下复杂情况； 可采用套管内穿接钻铤的方法，钻铤与钻头形成井下钻具组合，挂于套管串 的底部，钻进时套管承受井下钻具的拉应力作用；套管内壁与管内钻具组合 之间可装浮动套，通过调节浮动套的偏心距或与钻头的间距可调控井斜。
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ConocoPhillips公司套管钻井
ConocoPhillips公司有几口井用螺杆钻具及导
向马达进行套管钻井，最近2口井又发展到用旋转导
向钻井工具结合套管钻井（Combining an Rss with Casing—while—Drilling）钻垂直井和定向斜井
（2139m），并实现闭环自动导向钻井。
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技术问题及特征
（2）钻机
须配备电动的或液、气动的绞车系统，并配置能满足强度要求
的足够长的钢丝绳和电缆线、信号线； 天车和绞车系统都应是分体式配置，以保证钢丝绳处在套管的
中心位置；
在顶驱装置的上部配有钢丝绳防喷器和密封装置，以实现对钢 丝绳的密封；
地面工具需齐全配套，以满足套管钻井各项作业的需要。
• 多趟钻——用于井段较长，趟钻不能钻达所要求井深者。使
用分体式、绳掌式，可回收内核的可伸缩变径的钻头及工具。
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技术问题及特征
（1）钻头 用钢丝绳通过套管取出或下入，井下就位后与套管相对固定； 为扩孔器式钻头，扩孔器通过套管后驱动伸出； 应能通过管内绳缆操作机构配合机械或液动式工具将扩孔器回位； 回位失灵时可通过套铣鞋铣掉，铣鞋可预先连接在套管底部； 钻头寿命与可靠性是套管钻井技术的关键。
• 可以减小钻机尺寸，筒化钻机结构，降低钻机费用。
• 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。 据加拿大Tesco公司估计，打1口井深为3048m的井，和传统钻 进方式相比，预计可节约工程费用达30％以上。
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钻进方式
钻进方式根据地质条件、井身结构等选用
• 一趟钻——使用不回收可钻式的一次钻头及工具。
b.井下动力钻具钻进
钻进反钮矩可以由井下钻具组合及其与套管内壁的贴附作用共同承 担，使套管受力状况有所改善。 井底动力钻具配高效钻头(PDC)以提高机械钻速也适合于套管钻井。
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技术问题及特征
（4）取心 采用绳索取心方式，以提高取心时效。 （5）泥浆循环 包括泥浆泵、管汇、套管及与井口套管相连的过钢丝绳密封总成。
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概 述
应用范围：
• 表层套管
• 海上隔水导管 • 隔水导管与表套“二合一” • 技术套管 • 油层套管——暂限常规油藏，应考虑完井及采油作业可行
性而慎用
• 直井（定向井）（水平井） • 软—中硬地层
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套管钻井技术分类
• 普通套管钻井技术 对钻机和钻具做少许改造的基础上，用套管作为钻柱， 接上方钻杆和钻头进行钻井。 • 全程套管钻井技术 使用特制的套管钻机，特制的钻具和特制的钻头，利用 套管作为水力通道，采用绳式钻井马达进行钻井作业的一 种钻井工艺。 • 阶段套管钻井技术 在钻井过程中，在钻柱的端部连接一段套管和一种特制 的钻具，打完这一段后把钻头起出，而把套管留在井下并 对这一段套管进行固井，用以封隔破碎带和水层。
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表层套管作业介绍
表层与隔水管合二为一，采用套管钻进技术
钻具组合为：套管钻鞋( BTC扣) +套管+浮箍+套管+浮箍+套管
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表层套管作业介绍
2、套管钻鞋特点：
（1）薄的碳化钨切削齿。
（2）优化的喷嘴布置。
（3）镶嵌碳化钨块保径。 （4）PDC钻头或牙轮钻头可十分新颖并富有创造性的新技术，具有钻井与完 井一体化的技术特征，具有良好的发展和应用前景。
概 述
定义： 以套管柱取代钻杆柱实施钻井作业，使钻进中的井眼始 终有套管伴随到井底。 基本概念： 在钻进时用套管柱替代传统的钻柱向井下传递机械能量 和水力能量，边钻进边下套管，钻达设计井深后留在井内作 完井（或某层）管柱，随即注水泥固井、完井。将钻柱与套 管柱合一，将钻进与下套管作业合并。它简化了井身结构（ monotube)、减少了起下钻、下套管作业，可及时调正不确 定性问题并封隔复杂层段（漏、塌等）有效降低了不确定性 地层和复杂地层井下复杂情况和事故风险发生率，缩短建井 周期，降低成本。
配合接头，用一 短钻杆接顶驱
H-E Spear Grapple with Extended Stop Ring Left Hand Release and Bi-Directional Slips
o
o
H-E Casing Spear
左旋释放捞矛 并带双向卡瓦
Double Pin Sub
双公接头
Spear Pack-Off
• 2004年6月大庆油田开展了表层套管钻井试验工作，所用套管为13 3/8″×9.65mm的J55套管，施工井深300mm。 • 2004年10－11月，中石油吉林石油责任有限公司开展了两口油层套管 钻井试验，并取得了成功。所有的套管为5 1／2″×7.72 mm的P110 套管,完井井深分别为497米、500米。 • 胜利滩海油田已制定方案准备应用 • 更多的油田准备用
（JPT，Nov，2005）
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我国套管钻井技术现状
• 2002年1月，中国海洋石油与威德福合作在渤海和南海东部成功应用 了套管钻井技术(见实例）。
• 2003年11月中石油吉林石油责任有限公司开展了陆上表层套管钻井先 导性试验工作，并取得了成功，所用套管为7″×6.91mm的J55套管， 施工井深300mm。
（10）提出捞矛，重复以下步骤：接套管单根，接捞矛，钻进。
（11）钻至表层完钻井深，循环清洁井眼。 （12）卸开捞矛，接旋转水泥头，固井，固井期间旋转套管。 （13）套管坐底，在井口平台固定套管，割套管，装井口。
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4、表层作业关键点：
（1）表层套管钻进至预定深度
否则：起套管，下钻头钻进，再下套管。
效的可能。 （4）机械钻速较低，泥岩段可能低于10m/hr。
（5）钻进时排量可适当降低，如果钻速较慢，有泥包显示，则
排量适当提高。
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7、应急措施：
（1）表层套管钻鞋先期失效 解决方案：起套管，下钻头钻进，再下套管。
（2）表层套管固井时单流阀失效
解决方案：蹩压候凝。
防回流措施 =
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[实例]中海油渤4平台无隔水导管法下表层套管
• 管柱结构： 尔+ 339.7mm套管×500mm+ • 钻进井段 59.43—567.3m 431.8mm钻鞋+ 339.7mm回压凡尔+ 298.5mm套管锚
339.7mm套管+
339.7mm 回压凡
• 指标效益： —— 钻进时间15.5h（缩短0.5d±） —— 平均机械钻速32.77m/h —— 最大扭矩4.5KN· m —— 平台作业时间减少2d，平台相关费用少10万元± （平台日费20万元） —— 单井平台作业费节约50+万元 —— 省去隔水导管节约10万元 —— 钻井液用量少，维护费小，可节约5+万元
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（3）技术套管下到预定位置，无法坐井口密封 解决方案：提起 BOP组，按套管头应急操作程序进行。
2019/2/15 24
针对国内套管钻井技术现状，正在开展下列研究工作
（1）套管钻井套管柱屈曲和弯曲行为研究
（2）套管钻井套管柱摩阻和扭矩计算
（3）套管钻井用特殊螺纹连接研制 （4）套管钻井下部钻具运动学研究及减振装置设计