地质勘探套管钻进技术

一、套管钻进概况
套管钻进技术起源于石油钻井行业，称为套管 钻井；地质勘探行业称之为套管钻进。
（一）套管钻进的意义
采用套管钻进，通过随钻下套管的方法，使套 管顺利穿过和有效隔离复杂地层，避免孔壁不稳定 因素导致的钻孔垮塌、掉块、漏失等现象，最大限 度减少孔内故障和孔内事故（例如频繁扫孔、卡钻、 埋钻等），钻孔质量，提高钻探效率。
钻具工作原理：
水压副钻头张开，副钻
头将主、副钻具连接，
主
套管带动钻具钻进。
钻
具
回次钻进结束， 打捞主钻具取心， 同时可更换钻头。
套
管
柱
、
副 钻
孔口投主钻具
具
钻进（状态）
打捞
钻具结构：
右图是处于工作状态的 Φ114钻具。其中：主钻具由钻 头架19、张敛轴22、副钻头20 、Φ89单动双管钻具31等40余 个零件组成。副钻具由Φ122扩 孔器10、上外管11、密封环15 和定位端管18等5个零件组成。
除上述外，套管钻进需要泥浆（工艺）辅助。
Φ114套 管钻进技 术组成图
Φ114mm套管 Φ114mm套管取心钻具 配套器具
辅助工艺—泥浆护 壁工艺
Φ114套管夹持器 Φ114套管提引器 绳索打术 Φ114套管（特制套管）
配套钻头 Φ114套管取心钻具
2、Φ114套管取心钻具
（2）套管钻进类型
套管钻进的关键技术是套管取心钻具—不提钻换 钻头取心钻具，所以，套管钻具的类型取决于钻具结 构类型。
钻具主要类型有扩孔张敛式、整体倒转式、钻头 拼装式三种，其中，扩孔张敛式具有良好的实用性。 工艺所的套管钻进属于扩孔张敛式。
不提钻换钻头取心钻具结构类型
扩孔器张敛式
整体倒转式
钻头拼装式
钻进目的：有效钻穿和隔离复杂地层。 核心技术：①套管取心钻具；用于不提钻换钻 头取心钻进；②高强度套管，传递钻压、扭矩。
图左1：套管取心钻进； 图左2：回次结束，打捞，钻具 具收敛，解除与外管钻具的连接； 图左3：套管留在孔内护壁； 图左4：捞到地面的取心钻具。
2、套管钻进的特点
长孔段不提钻取心钻进，避免频繁起下钻对孔壁 稳定性的破坏，减少孔内事故和孔内故障，为顺 利钻穿复杂地层创造条件。
钻具由套管、扶正器、轴向承 载壳体、承扭壳体、套管鞋、密 封器、轴向锁定器、止位环等组 成。
套管钻进状况
可 更 换 井 底 钻 具
井底马达驱动机构
旋转驱动机构
套管
图2 Texco套管钻井井下钻具
井底钻具
套管钻进状况 钻具钻进时，领眼钻头执行导向钻进，扩 眼钻头承担扩孔任务。
◇钻头和管下扩眼钻头
扩眼器
实现不提钻检查或更换孔底钻头，可针对地层及 其钻进情况，及时优化钻头使用方案，对复杂地 层非常重要。
取心钻进与下套管同步进行，套管可有效穿越和 隔离复杂地层。
大幅度降低劳动强度，改善钻探施工环境。
（三）套管钻进（井）技术现状
套管钻井技术已成功应用于油气钻井行业。地质 勘探套管钻进至今未见到相关报道。
拼装钻头式： 未见实用报道。
钻具结构
A—弹卡装置；B—单动机构；C—钻头处于工作状态；D—钻头处于收缩状态
二、地质勘探套管钻进技术
（一）概况
1、套管钻进的目的
有效钻穿和隔离复杂地层。 采用套管钻进方法，在取心钻进的同时，使套管 随钻同步向孔底延伸，实现一道工序，完成传统 方法需要“裸孔取心钻进、下套管”两道工序才 能的完成的成孔、下套管工艺，解决复杂地层钻 进技术难题。
水路开启（张开） 水路关闭 （收敛）
孔内钻具工作状态与泵压之间的关系图
承压传扭通道 套管-副钻具（定位端管）-副钻头-钻头架-Φ89取心钻具。
（2）Φ114钻具特点
主、副钻头均安装在主钻具上，每回次取心，都可 通过更换钻头优化钻头使用方案，这对复杂地层非 常重要。
用两级钻头，尽管破碎任务重，但副钻头呈锥形， 岩石自由面较多，破碎效果较好，所以，机械钻速 与绳索钻头基本相同。
（1）Φ114钻具结构原理 钻具组成：
副 钻 头
主 钻 具
Φ114套管取心钻具主要由主钻 取
具、副钻具组成。其中：主钻具属可
心 钻
打捞部分，钻头安装在主钻具上。每 具
副
钻
取心回次，钻头都随主钻具被打捞到 取
具
地面，从而实现对孔底钻头的更换。
心 钻
副钻具为非打捞部分，直接与套管连 头
接，钻进期间，一直留在孔内。
套管钻进由于实现不提钻钻进，泥浆护壁工艺一般 较容易实现。例如，在若尔盖采用高粘度泥浆，基 本能维持孔壁稳定。
撑，通过泵压或打捞，控制
张敛轴相对钻头架向下或向
上移动，利用楔形要素使副
收敛
张开
钻头敛。
报信机构
利用报信阀与悬挂接头的不 同配合位置，开启或关闭水 路，造成泵压变化，反映孔 内钻具状态。
收敛状态下，水路关闭，开 泵泵压上升至报信压力，推 动报信阀（张敛轴）下行， 使副钻头张开。副钻头张开 后，水路开启，泵压随即回 0。 报信压力可调节。
3、应用范围
应用范围：地质勘探中的各种复杂地层。 不适应于河床、滑坡等堆积地层。
钻进孔深：300-800米。实际钻进能超过300-800 米，而取决于钻机等设备的能力。
使用条件：具备岩心钻探基础设备，即钻机、泥 浆泵、钻塔、常用钻探工具； 具有绳索取心钻进的经验。
冲 洗 液：清水、泥浆（≤65秒）
扩孔张敛式
工艺所的BH-75不提钻换钻头钻具， 曾在我国推广应用。因为不适用于复 杂地层和大顶角钻孔，加之成本较高， 应用受到制约。
近年来，工艺所针对复杂地层钻 进难的问题，在BH-75钻具的基础上， 开发了地质勘探套管钻进技术，在钻 探中初显成效。
整体倒转式 美国的Retractable bit system钻具曾在实验室进 行过试验。未见实用报道。
1、油气钻井行业套管钻井技术现状
（1）发展历程 50年代，提出套管钻井概念，采用油管钻井。 60年代，出现与套管钻井相关的专利。 90年代，快速发展，加拿大德士古（TESCO）公 司的套管钻井系统在油气钻井中进行了成功应用。
近几年，德士古（TESCO）套管钻井已成为一套完 善的技术体系，在国外得到广泛应用。
2、主要口径规格及主要技术参数
工艺所从2011年开始研究，目前推出和正在研究 套管钻进的规格见下表。
口径规格.mm Φ114
Φ91
Φ73
备注
钻孔直径.mm Φ122
Φ96
Φ76
岩心直径.mm
Φ68
Φ54
Φ39
套管规格.mm Φ114
Φ91
Φ73 专用套管
钻进能力.m
400
600
800
研究状态
成熟
研究中。 待研究 有试验样具
（二）Φ114地质勘探套管钻进技术
1、Φ114套管钻进系统组成
Φ114套管钻进技术主要由Φ114高强度套管、 Φ114套管取心钻具、配套器具（套管夹持器、提引 工具、打捞器和绳索绞车等）等组成。
其核心技术有：Φ114套管取心钻具、Φ114套 管。套管夹持器等配套器具可直接（定制）采用国 内成熟产品。
地质勘探套管钻进技术
李政昭 2013年10月.成都
提
一、套管钻进概况 （一）套管钻进的概况、实质
（二）套管钻进技术现状
二、地质勘探套管钻进关技术
（一）概况
纲
（二）Φ114地质勘探套管钻进
（三）试验应用情况
三、套管钻进效果及应用前景
联系方式：探矿工艺研究所
李政昭
电 话：028---66529391 13551382136
常用单 根长度
备注
Φ114 Φ122 Φ114 Φ103 3米 内平，接头Φ116
Φ91 Φ96 Φ91 Φ81 4.5米
正在研究
Φ73 Φ77 Φ73 Φ63 3米
计划研究
4、泥浆护壁工艺
套管钻进主要用于复杂地层，由于钻孔稳定性较差 ，需要根据具体地层，采取相应的泥浆工艺保护孔 壁，维持套管钻进正常进行。
（二）套管钻进的实质
1、套管钻进的实质
采用专用套管代替绳索钻杆传递钻进载荷，并 作为输送冲洗液的通道；采用专用钻具进行不提钻 取心钻进，实现钻进与下套管同步；钻至预定孔深， 或钻穿预定复杂地层，捞出孔底钻具，将套管柱留 于并固定在孔内，恢复套管护壁功能。
实现套管钻进的必要工艺是，绳索取心和不提 钻换钻头，二者缺一不可；套管钻进的实质是不提 钻换钻头取心钻进。
2
7
3 273.1mm
4 339.7mm
5
5 ½
6
4 ½
6-7 ½ 8 1/2 或8 7/8
355mm 444.5mm
7 ½ 6 ¼
无实例 6 1/4 244.5mm 311.15m 4 ¾ 3 7/8
TESCO的应用概况
已施工千余口井，进尺100多万米。 套管直径4 1/2-13 3/8。 成功打捞井底钻具的最大孔深2800米。 适用地层：软—中硬地层。
主钻具相当于绳索取心钻 具的内管钻具，副钻具相当于外 管钻具。
钻具设置的功能机构及其原理
到位瞄向机构 由钻头架之外箭形花键
与定位端管之内箭形花键组 成，主钻具投送后，主、副 钻具通过箭形花键自动导向 到位，使副钻头与定位端管 之梯形槽的方位一致。
张敛机构
由张敛轴、副钻头的斜面要
素组成，副钻头由钻头架支
Φ122/Φ94 Φ89 Φ770 Φ122 Φ68
Φ114.3 1.0‐3
Φ91 Φ75/Φ54
Φ73 Φ56/Φ39
Φ96/Φ74 Φ73 Φ62 Φ96 Φ54
Φ91×5 1.0‐3
Φ75/Φ54 Φ54 Φ44 Φ76 Φ39 Φ73 1.0‐3
3、套管
（1）套管钻进对套管的要求 ◇具有足够传递钻压、扭矩的能力，即具有绳索取
2、地质勘探套管钻进现状
（1）套管钻进现状 ◇长期以来，我国普遍采用薄壁钻头进行套管扫孔下套
管（钻进），但受薄壁钻头寿命的制约，连续下管能 力非常有限。
◇用于地质勘探的套管钻进技术，国内外目前未见到 相关报道。
◇工艺所研究的Φ114套管钻进，先后在福建马坑铁矿 、四川若尔盖整装勘查区的2个钻孔试验成功，在国 内钻探工程中实现了套管钻进。 今年9月，在若尔盖zk3‐1孔“五毒俱全”的复杂 地层，套管钻进从孔深75米开始，顺利钻至并将套 管固定在250.05米，取得了非常满意的效果。
除德士古套管钻进系统外，威德福（Weatherford）套 管钻井系统也得到广泛应用。
（2） TESCO套管钻井系统
主要由井下带张敛扩孔翼的组合钻具、套管、地 面顶驱、卷扬等地面装置组成。其重点是地面装备。
TESCO系统井下钻具
外管钻具
采用更可换式井底可钻具。
◇钻具结构类型
为带张敛式扩孔翼式；具有两 种工作状态，扩孔翼张开时，钻 具呈钻进工作状态；收敛时，钻 具为可回收状态。
钻具结构较复杂，制造难度较大，但使用简便。 主钻具与副钻具采用2级扶正，钻具连接刚性较好，
对孔斜无影响。
3、Φ114钻具主要技术参数
钻具规格
Φ114
主钻头 .外径/内径(mm)
Φ94/Φ68
副钻头. 张开/收敛直径(mm) 外管. (mm) 内管. (mm) 钻孔直径(mm) 岩心直径(mm) 套管规格.(mm) 钻具到位报信.MPa
领眼钻头
◇钻具张敛原理
扩眼器（扩孔翼）采用 齿轮齿条控制张敛。
具体采用水力（泥浆） 驱动齿条下移，使扩眼 器张开至钻进工作状态 ；卸压后靠弹簧张力复 位收敛。
TESCO系统地面设备
游动滑车
分离天车 卷扬
顶驱装置
Tesco油气井套管钻井主要规格
序号 套管直径
钻井直径
领眼钻头
1 5(127mm)
（1）套管钻井原理 德士古套管钻进原理 套管钻井目的：通过随钻下 套管方法，实现一道工序完 成钻井和成井作业。
套管柱
井底钻具 领眼钻头
扩眼器
（2）地质勘探套管钻进原理
采用绳索取心钻进原理，用高强度套管代替绳 索取心钻杆；采用投捞式套管取心钻具，进行不提 钻换钻头取心钻进，钻穿预定复杂地层后，打捞出 取心钻具，将套管留在并固定在孔内，完成套管钻 进任务。
心钻杆的能力。 ◇套管钻进结束作为护壁套管使用； ◇成本与绳索取心钻杆大致相当。
（2）套管结构 Φ114套管采用绳索取心钻杆结 构，由管体和接头组成，内平。
◇螺纹类型与绳索钻杆大致相 同。
◇材料45MnMoB。
表3-1 套管钻进使用套管的主要技术参数
（3）套管主要技术参数
套管系列
钻孔直 径
外径
内径
（3）Weatherford套管钻进
◇侧重表层（或技套）的施工. ◇不在套管内起下工具串. ◇采用一只钻头打完全部进尺. ◇特制PDC钻头，胎体由易钻材料制成。
威德福套管钻井演示
（4）国外其他套管钻井系统
◇斯克里斯坦森的EZCase drilling shoe。 ◇Operator的“home grown system”。 ◇许多供货商提供关键支持。