套管鉆井技術的應用和優勢

李秀芹 （康菲石油中國有限公司 天津300456）

套管鉆井技術的應用和優勢

李秀芹 （康菲石油中國有限公司 天津300456）

套管鉆井是一種相對較新的鉆井技術，它能在一個鉆進過程中同時完成鉆井、下套管與固井作業。利用套管給鉆頭傳遞機械能和液壓能。這項技術是利用頂驅實現套管的旋轉，并且仍然利用常規鉆井中使用的鉆頭，隨鉆測井錄井等工具和一些套管鉆井專用的工具實現鉆井，并能使用電纜起下鉆具。介紹一些套管鉆井中使用到的設備和工具，以及它和常規鉆井相比較的優點。

油氣井開發工程 鉆井 套管鉆進 應用

0 引言

套管鉆井是利用常規的套管或尾管代替鉆桿作為鉆柱進行的鉆進過程，對鉆頭施加扭矩和鉆壓，實現鉆頭的旋轉與鉆進。整個鉆井過程不再使用鉆桿、鉆鋌等，可回收式的鉆具懸掛并連接在套管底部，鉆具是利用鋼絲繩或電纜投撈，在套管內實現鉆具升降，即實現不提鉆更換鉆頭、鉆具。減少了起下鉆和井噴、卡鉆等意外事故的發生，提高了鉆井安全性，降低了鉆井成本。套管在鉆進過程中的旋轉也是靠頂驅來驅動。鉆井液從套管內循環進井筒，從套管和井眼的環空中循環出。

在套管鉆井中使用的套管和傳統鉆井中使用的套管基本上有相同的尺寸、磅級、鋼級。因為在套管鉆井中使用的套管要能提供足夠大的抗扭強度、抗疲勞強度和循環通道，因此套管的連接可能會需要作相應的改進。通常8圈絲扣連接會換成偏梯形套管連接扣，并帶有扭矩環以增加抗扭能力。這些改進在使用中都很成功。

1 套管鉆井中使用的工具設備

1.1 鉆具

可回收式的套管鉆井的鉆具組合通常由領眼鉆頭之上帶著擴眼器組成，用以鉆出最終的井眼尺寸。領眼鉆頭的尺寸要能通過套管內徑，擴眼器把井眼尺寸擴到能夠下套管的尺寸。比如說，9-5/8”套管鉆井通常配套使用8-1/2”的領眼鉆頭和12-1/4”的擴眼器。

除了鉆頭和擴眼器以外的井下工具根據需要使用（見圖1）。比如對于垂直鉆井，鉆柱中需要配備穩定設備；對于定向鉆井，鉆柱中需要配備定向馬達，隨鉆測量裝置，無磁鉆鋌等。

圖1 井下工具串

1.2 鉆具鎖定器

可回收式的套管鉆井的鉆具是通過一個叫鉆具鎖定器的特殊裝置和套管鎖定在一起的（見圖2）。鉆具鎖定器能夠在軸向上和圓周上實現和套管的鎖定及解鎖。鉆具鎖定器的通徑相對較大，減少了不必要的壓力損失，還能夠滿足在鎖定器以下進行電纜作業的需要。

圖2 鉆具鎖定器

鉆具鎖定器的起下入工具是通過電纜下到位，用以解封鎖定器并把鉆具起出。這套電纜回收裝置能夠用在13-3/8”的套管及其以下尺寸。如果遇到不能順利起出鉆具的情況，電纜回收裝置也能夠從鎖定器上脫手，再用其他補救措施來實現取出鉆具的目的。

1.3 傳動系統

1.3.1 套管驅動頭 套管由頂驅以下的套管驅動系統提起，這個裝置能夠承受所有的套管重量，并為鉆井作業和上下扣提供扭矩，還能夠和套管頂部在不需要連接的情況下實現循環。

圖3中所示的套管驅動系統包括一個卡瓦裝置，它可以從內部抓住大尺寸套管，也可以從外部抓住小尺寸套管；一個內部打撈矛可以起到密封作用。套管驅動系統能夠不用連接套管的頂部節箍就把套管連接到管串中，這樣可以加快下套管的時間并且減少一次上下扣的作業，同時減少對絲扣的損傷，套管上扣作業和鉆桿上扣作業基本相同，可以在鼠洞中也可以在轉盤面上完成。一個液壓驅動的單根吊環能夠從鼠洞中提升套管來上扣。

圖3 頂驅和套管驅動系統

1.3.2 防磨設備 當套管鉆井結束時，套管必須能夠保持良好的性能，因為套管除了是鉆具組合的一部分之外，也是用以完井和支撐井壁的套管。在以往的套管鉆井中，通過觀察多次起下的套管，發現套管的本體基本上沒有磨損，但是在套管節箍處會發現不同程度的磨損，通常在套管串的下部存在單面磨損。

套管節箍處的磨損通常是由于節箍處的角度不居中引起，這種不居中可能是因為四次機加工操作引起的誤差造成（兩端母扣，兩端公扣），或是套管本身就不直引起的。

圖4 安裝在節箍下的防磨帶

套管的磨損保護就比較經濟，解決節箍磨損的問題相對也比較容易。防磨帶安裝在套管節箍下。這些防磨帶能用配套的液壓設備在現場安裝。防磨帶的底端還包括大概1英寸寬的碳化鎢合金硬質材料，和在鉆桿上使用的防磨材料相同（見圖4）。

1.4 鉆機相應改造

1.4.1 頂驅 頂驅要能安裝鋼絲繩防噴器和套管驅動頭，通徑要比常規的大些，以便下入和回收裝置鋼絲繩的繩卡通過。

1.4.2 天車 鋼絲繩用來下入和收回井下鉆具串的分離式天車和游車，通過天車、游車，頂驅和套管驅動裝置進入套管內，在進行鋼絲繩作業的時候可以建立循環。

1.4.3 鋼絲繩絞車 鋼絲繩絞車用來下入和起出鉆具串，由司鉆操作。提升能力一般為14 t。

1.4.5 鋼絲繩防噴器 安裝在頂驅上，最基本用途是在鋼絲繩作業過程中控制井涌，在循環泥漿的同時允許鋼絲繩的下入和起出。

1.5 固井設備

1.5.1 扶正設備 套管鉆井在固井上有很多方面和常規固井作業有所區別。其中一點就是應用套管附件來保持與井壁間的距離，形成循環通道，比如使用扶正器和防磨套等。在整個套管鉆井過程中，扶正器要能夠承受長時間鉆進中旋轉鉆具所產生的磨損，而且這些套管附件還要能夠保持與井壁間的距離。套管鉆井中，通常會使用敷硬合金層的套管扶正器，而常規鉆井中使用的套管扶正器不需要敷硬合金（見圖5、圖6）。

圖5 套管鉆井敷硬合金層的套管扶正器

圖6 常規鉆井套管扶正器

1.5.2 浮動設備 套管鉆進作業中，浮動設備也會和常規固井作業使用有所不同。當鉆達目的層需要一個以上的鉆頭時，為了能起下鉆具，而不是起下整個套管串，套管鉆進需要整個套管內徑都能夠通過鉆具。在這種情況下，一旦到達套管下入深度，浮動設備就會被安裝上。

浮動設備要操作容易，并能夠方便被鉆穿。現在行內經常會使用固井承托式封隔器，這種封隔器內裝有提升閥，這個閥能夠起到和浮箍一樣單流閥的作用。只是這種提升閥經過改進后，內部過流面積會更大。這些浮動設備可以由撈砂繩或是鋼絲繩下入，當在套管內下入這些浮動設備時還是能夠以小排量循環。還有一種相對來說新的安裝浮動設備的方法是直接泵入，這種直接泵入的浮動設備會提前安裝在一根套管內。

套管鉆進作業中使用的刮塞和常規固井作業中使用的是相同的，頂塞和底塞都會坐在浮動設備上。

1.5.3 固井附加量 如果裸眼測井不是非測不可時，通常沒法提供井徑測井資料。這種情況下，套管鉆進的固井附加量通常會參考相鄰區域內常規鉆井方法鉆完井的井徑測井資料。之后的水泥膠結測井能夠確認水泥返高，從而驗證了固井附加量的大小。

2 套管鉆井的優勢

2.1 縮短鉆井周期

由于用電纜起下更換鉆頭要比傳統的用鉆桿起下鉆大約快5～10倍，大大減少了鉆井周期。

2.2 減少了與起下鉆有關的問題

由于套管鉆井的井眼始終有套管伴隨到井底，因此，套管鉆井即使在起下鉆具時還可以進行鉆井液的循環和套管旋轉，這樣就消除了常規鉆井施工中由于地層膨脹、井壁坍塌、鍵槽卡鉆和臺階卡鉆等意外事故而導致的起下鉆困難問題的發生。

2.3 改善井控狀況

套管鉆井消除了因起下鉆帶來的抽吸作用和壓力波動，而且起下鉆時能保持泥漿連續循環，可防止鉆屑聚集，較少了井涌的發生，從而改善了井控狀況。

2.4 保持起下鉆時鉆井液的連續循環

2.5 改善水力參數、環空上返速度和井筒清洗狀況

因套管內徑比鉆桿大，減少了水力損失，從而可以減少鉆機泥漿泵的配備功率。泥漿從套管和井壁之間的環空空間返回時，由于環空面積減小，提高了上返速度，改善了鉆屑的攜出狀況。

2.6 可以減少鉆機尺寸，簡化鉆機結構，降低鉆機費用

2.7 節約費用

節省與鉆桿和鉆鋌有關的采購、運輸檢驗、維護及更換等過程中大量人力、物力與費用。

2.8 保護產層

若在鉆穿產層井段使用，由于可直接進行固井作業，大大減少了鉆井液對儲層的浸泡時間，可降低鉆井作業對儲層的傷害，有效地保護油氣層。

3 結論

套管鉆井因為節約費用，解決了鉆井作業中的難題，越來越被大多數油公司所接受。套管鉆井不同于常規鉆井，當設計得當的情況下，是一種非常值得推薦并值得信任的鉆井方法。隨著套管鉆井技術的進一步發展和普及，經驗的積累和設備的完善能夠讓這項技術得到更廣泛的應用，也會更大范圍的影響鉆井作業。■

2012-05-06