鉆井下套管工藝的發展研究

□ 劉勤志 □ 張國田 □ 王 娜 □ 張宏英 □ 賀 濤

1.中國石油天然氣集團公司 北京 100007

2.北京石油機械廠 北京 100083

石油鉆井工程是石油工業中一項為石油天然氣增儲上產而開辟油氣通道和采集地下信息的入地工程。下套管作業作為鉆井工程中一項常規作業，是指把大直徑管子（套管）按照設計下放到裸眼井的預定深度的作業。套管是指從地表下入已鉆井眼作襯壁的管子，根據下入階段和深度不同依次分為導向套管、表層套管、技術套管、生產套管/油層套管和射孔段等，如圖1所示。

圖1 套管柱結構示意圖

在石油鉆井的施工過程中，下套管是防止孔壁坍塌和沖洗液漏失等孔內事故的可靠而有效的措施。其中，技術套管分隔油氣水層示意圖見圖2。

圖2 技術套管分隔油氣水層示意圖

1 常用下套管方法

作為大多數鉆機的一項特殊作業，下套管往往需要一個“套管工作隊”和一些專用設備來完成。從石油工業的發展歷史可知，國內外廣泛采用過如下幾種下套管方法［1］。

①ODEX法。②CHRISTENSEN法。③SIM-CAS法。④CABLE-O-CASING法。⑤雙回轉器下套管法。⑥套管沖擊器下套管法。以上6種下套管方法在二十世紀后期的國外局部鉆探實踐中比較成功，采用這些方法，無論鉆進砂礫層、流沙層、大厚度覆蓋層或者鉆井遇到坍塌、漏失、破碎帶等均可以及時下套管，保證施工的正常進行。⑦轉盤下套管法。經過多年的實踐和完善，國外在二十世紀末比較流行的是類似鉆柱接入的常規下套管法，這也是目前國內應用最廣泛的一種下套管方法。其設備主要是卡瓦型套管吊卡和氣動及液壓動力套管鉗［2］。從以上7種方法中可以看出，它們均能夠有效地將套管單根組合在一起，但懸掛在井眼中的整個套管柱不能旋轉，也不能根據需要隨時循環泥漿。然而，在鉆井過程中，完鉆后的井眼（尤其是裸眼）經常出現縮徑、坍塌、巖屑沉淀等許多問題，這些問題如果不能及時通過循環泥漿、旋轉套管等措施有效解決，就可能導致套管無法正常下到井底。⑧頂驅下套管法?；诔Ｒ幭绿坠茏鳂I的局限性，各國石油鉆井公司積極開發更安全、高效的下套管裝備，其中得到廣泛應用的是頂驅下套管裝置，即一種基于頂部驅動鉆井系統，用于下套管作業的集機械、液壓于一體的裝置。利用頂驅下套管裝置進行下套管作業，可以充分發揮頂驅鉆井的所有優點，在下套管作業過程中可同時實現套管柱的旋轉、提放以及循環泥漿等工作，減少了復雜情況的發生，極大地提高了下套管作業的效率和質量，具有安全、高效等特點。

2 常規下套管工藝

固井作業是一項系統工程，它的具體操作與完成需要各方面的密切配合協作。從井眼質量到泥漿性能參數，從固井方案到具體操作，每個環節都是至關重要的，無論哪個環節出了問題都無法保證其質量。而其中的下套管作業則是重中之重，安全和順利將決定固井效益。下套管作業工藝包括召開固井協作會、下套管前準備、下套管作業、固井作業等內容。

下套管作業前，除了最基本的資料準備、井眼準備、套管和套管附件準備外，還需要下套管工具和相關設備和器材的準備。常規下套管作業設備主要包括：鉆臺上用于固定下端套管柱的鉆臺氣動卡瓦、用于旋緊（松）套管扣的液壓套管鉗、用于斷續灌注泥漿的開放式灌泥漿裝置、用于提升整個套管柱的上部氣動卡瓦、用于提升套管單根的套管吊卡以及用于保護套管扣的對扣護套等其它輔助工具，見圖3。

圖3 常規下套管作業設備示意圖

多年來下套管的流程幾乎沒有變化，連接每一根套管的流程是：使用套管吊卡提升套管單根；安裝對扣護套對扣；在連接時使用液壓套管鉗旋轉頂部套管單根；啟動上部氣動卡瓦，松開下部鉆臺氣動卡瓦，使上部氣動卡瓦支撐套管柱的全部重量，下放套管柱；按要求及時向套管柱內灌注泥漿，完成一根套管下入井內。重復以上流程，直至把全部套管連接并下放到井底。

下套管作業時，為了保證套管柱內外壓力平衡，鉆井工藝要求每下1～2根套管都要向管柱內灌滿鉆井液，傳統灌鉆井液是靠鉆工拉膠管操作，很不方便，而且勞動強度很大，并且還經常漏灌，影響下套管質量。另外，在下套管遇阻時，還需要將套管全部取出換上鉆桿鉆頭通井，再重新將套管一根一根連接下入井內，非常麻煩，嚴重影響了鉆井時效［3］。

然而，在鉆井過程中，鉆完后的井眼（尤其是裸眼）經常出現縮徑、坍塌、巖屑沉淀等許多問題，會影響下套管作業進程。這些問題如果不能及時通過循環泥漿、旋轉套管等措施有效解決，就可能導致套管無法正常下到井底。

目前，現有的常規下套管的方法能夠有效地將套管單根連接在一起形成套管柱并下入井內，但明顯存在如下改進空間。

1）套管旋扣操作復雜、扭矩不易精確控制；

2）懸掛在井眼中的套管柱不能旋轉；

3）不能根據需要隨時循環泥漿；

4）下套管作業效率不高，存在極大的安全隱患。

3 頂驅下套管工藝

通過對國內外相關技術的調研，根據國內油田需要，北京石油機械廠（簡稱北石廠）研究開發出了一種用頂部驅動鉆井裝置進行下套管作業的方法。該方法不需要目前國內外鉆井廣泛使用的套管鉗等下套管設備，能充分發揮頂部驅動鉆井裝置的優越性，不僅實現套管柱的自動化連接，而且在下套管作業時，能同時實現旋轉套管和循環泥漿，大大減少卡鉆、遇阻等潛在的安全危害，提高下套管作業的成功率。

頂驅下套管作業使用的設備主要包括：鉆臺上用以固定下端套管柱的鉆臺氣動卡瓦、用以提升整個套管柱的頂驅吊環及套管吊卡、用以旋轉套管和循環泥漿的頂部驅動鉆井裝置和頂驅下套管裝置，見圖4。

圖4 頂驅下套管作業設備示意圖

頂驅下套管的流程［4］如下。

1）在頂部驅動鉆井裝置主軸的下端連接頂驅下套管裝置；

2）在頂驅吊環下部連接套管吊卡，使用套管吊卡提升單根套管；

3）利用頂驅下套管裝置下端的導向頭和皮碗扶正被提升的單根套管，并且使被提升單根套管下端螺紋與鉆臺氣動卡瓦上支撐的套管柱上端螺紋對扣；

4）通過頂部驅動鉆井裝置液壓源驅動頂驅下套管裝置的卡瓦向下運動，并夾緊單根套管內壁或外壁；

5）啟動頂部驅動鉆井裝置的旋轉上扣機構，帶動單根套管旋轉上扣，通過頂部驅動鉆井裝置控制單根套管螺紋連接的上扣扭矩，使單根套管與套管柱可靠連接；

6）松開鉆臺氣動卡瓦上支撐的套管柱，使頂驅吊環和套管吊卡支撐單根套管和套管柱的全部重量；

7）下放單根套管和套管柱，使用鉆臺氣動卡瓦固定單根套管；

8）通過頂部驅動鉆井裝置主軸水眼和頂驅下套管裝置中心孔，向單根套管和套管柱內腔灌注泥漿；

9）重復1）～8）步驟，直至把全部套管連接并下放到井底。

在下套管過程中，遇到井眼縮徑、井壁坍塌、巖屑沉淀問題時，通過頂部驅動鉆井裝置主軸水眼和頂驅下套管裝置中心孔，向單根套管和套管柱內腔灌注泥漿并循環泥漿；另外，啟動頂部驅動鉆井裝置的旋轉上扣機構，帶動單根套管旋轉，使單根套管與套管柱在井內旋轉，能解決井眼縮徑、井壁坍塌、巖屑沉淀帶來的問題，保證套管柱能順利正常下到井底。

4 頂驅下套管工藝特點

北京石油機械廠跟蹤國外套管作業技術的發展，在集團公司科技管理部的支持和指導下，借鑒鉆井院套管鉆井工藝技術的成功經驗，分析研究國外同類技術和工具的優缺點，獨立自主研發了集機電液和信息控制技術于一體的新型下套管裝置，適用于不同規格和壁厚套管的下套管作業。該裝置在結構和控制技術上與北石廠的頂驅緊密集成，利用北石廠的頂驅控制系統，可以在人機界面上選擇套管規格并自動設定和記錄上卸扣扭矩，與國外結構和技術相比，獨具特色，自動化程度更高，使用更安全。

頂驅下套管工藝，即利用頂部驅動鉆井裝置和頂驅下套管裝置［5］進行下套管作業，代替目前國內外鉆井廣泛使用的套管鉗下套管方法，顯著特點是：該下套管方法減少了作業設備，簡化了作業流程，可根據需要及時旋轉套管柱和循環泥漿，增強了下套管作業的自動化程度，提高了生產效率和安全性。

與目前國內常規方式下套管相比，利用頂驅下套管裝置進行下套管作業不需要用液壓套管鉗、灌注泥漿管路等設備，減少了操作人員，簡化了操作方式，所有操作只需司鉆在司鉆房通過視頻監控系統、操作監控界面、頂驅操作臺等輔助設備順序進行，用液壓方式驅動產品內部卡瓦的打開和關閉，提高了下套管作業的自動化和智能化水平，大大降低了工人的勞動強度，司鉆可全程監控下套管作業；可以通過頂驅精確控制套管連接螺紋的上扣扭矩，程序上自動將上扣動作分解為低扭矩旋扣和大扭矩上扣，保護套管螺紋不受傷害，提高下套管作業的效率和質量，而且上扣扭矩可以通過頂驅監控系統實時記錄并存儲到電腦，具有良好的追溯性。

相比國外單一采用卡瓦來提升套管柱，采用吊環和卡瓦雙通道承載，以吊環提升為主、卡瓦提升為輔的設計不僅更好地保護了套管不受損傷，而且從技術上保證了該技術適用于無接箍套管的現場作業，大大提高了作業的安全性和便捷性。另外，卡瓦的可更換設計，使一個本體可以下入若干不同規格的套管，提高了產品的適用性。

5 頂驅下套管裝置主要技術參數

通過北石廠近兩年的研發和完善［6］，已形成覆蓋全部套管的系列化產品，其主要技術參數見表1。

表1 北石廠系列頂驅下套管裝置主要技術參數

為了提高使用下套管裝置作業的自動化和智能化水平，確保作業的安全與高效，在配套輔助系統設計中集成了連接體、運移架、套管扶正裝置、套管運移裝置、氣動卡瓦、行程開關、壓力變送器、視頻監控系統等。

6 頂驅下套管裝置應用情況

北京石油機械廠生產的系列頂驅下套管裝置結合了國內外工程實際，考慮了作為產品的使用便捷性、聯機快捷性、維護簡易性、功能可靠性和作業安全性，產品的各項性能得到了油田用戶的廣泛認可。

2010年5月11日～5月12日，在西南油氣田分公司所屬川慶70516鉆井隊承鉆的門西001-H3井，國內首次頂驅下套管裝置取得了成功應用，利用頂驅下套管裝置累計下入了28根套管，下入套管長度逾300 m，套管旋扣過程平穩，上扣扭矩精確，上扣后對套管幾乎無損傷，產品的主要性能優良，各個部件工作正常，得到了用戶的一致稱贊。

2012年3月1日至2日，由北石廠生產的XTG168頂驅下套管裝置在渤海鉆探第五鉆井工程分公司50252隊承鉆的任平10井二開下技術套管作業中成功應用。任平10井二開實際井深1 922 m，本次下套管作業為全井段下入inch套管，累計下入套管175根懸重達111.6 t，所有套管連接螺紋均由頂驅下套管作業系統按照最佳上扣扭矩一次連接完成，旋扣數據由專用軟件自動采集并生成報表。期間累計灌注泥漿50余次，全部套管下入后利用頂驅下套管裝置進行了泥漿循環，循環時長85 min，總歷時20 h左右，順利地將全部套管下放到了預定的井深，作業得到了用戶方的高度認可。任平10井使用北石DQ70BSC頂驅，配合使用北石廠的頂驅下套管裝置進行下套管作業，是國內路上油氣鉆井首次利用頂驅下套管裝置進行全井段下套管作業，為深井、復雜井的下套管作業提供了工程范例。本次下套管作業的成功實施，是繼北石廠的頂驅下套管裝置在我國川渝地區、北美加拿大地區成功應用后的又一次重大突破，標志著北石廠的頂驅下套管作業技術與裝備的日趨成熟，工藝日趨完善。

7 結論

頂驅下套管裝置擴大了頂驅裝置的應用范圍，應用頂驅下套管裝置可以大大減少下套管作業事故的發生，提高下套管質量和效率，降低鉆井成本［7］。因而，具有良好的發展前景和重要的推廣價值。

北石廠的頂驅下套管技術與目前國內常規方式下套管相比，與國外同類產品相比，具有如下創新點。

1）吊環承載：相比國外單一采用卡瓦來提升套管柱，采用吊環和卡瓦雙通道承載，以吊環提升為主、卡瓦提升為輔的設計不僅更好地保護了套管不受損傷，而且從技術上保證了該技術適用于無接箍套管的現場作業，大大提高了作業的安全性和便捷性。

2）無痕鉗牙：微牙痕鉗牙設計及制造保證了作業時對套管損傷最小。

3）一體多用：卡瓦可更換設計，使一個本體可以下入若干不同規格的套管，提高了產品的適用性。

4）即插即用：可更換皮碗保證了不同套管的密封性能，滿足循環泥漿要求。

5）液壓驅動：液壓打開/關閉液壓缸驅動卡瓦變徑機構以及防失效技術。

6）自動控制：自動探測套管接箍位置，確保卡瓦插入合適深度后打開。

7）安裝方便：與不同頂驅的兼容性設計，快速連接技術，滿足現場零改造。

8）智能作業軟件：符合行標的全套管數據庫智能支持，選定套管規格后系統自動設定最佳上扣扭矩，扭矩曲線實時顯示并可定時回放追溯，提示（報警）信息實時顯示，增加了井位信息，優化了旋扣速度，可更好地滿足工程應用，見圖5。

圖5 頂驅下套管智能作業監控界面

頂驅下套管作業技術改變了傳統的下套管作業方式，是下套管作業的一次革命。頂驅下套管技術與裝備的研制成功和推廣應用將為石油工業進行安全、高效、經濟的鉆井完井提供有力的支撐。筆者認為，下套管作業的未來發展將會主要沿著兩個方向邁進：第一，套管鉆井和連續油管鉆井，完鉆的同時也是下套管作業的結束；第二，隨著頂驅的全面應用，傳統的轉盤＋方鉆桿鉆井方式逐漸淡出，傳統的下套管工藝及裝備也將走進鉆井歷史博物館，而基于頂驅利用頂驅下套管裝置進行下套管作業將會和套管鉆井工藝一起主宰石油鉆井工業。

［1］ 談耀麟.鉆孔下套管方法綜述［J］.地質與勘探，1991，27（6）：52-57.

［2］ 鄒發勇.使用套管鉗能提高套管的聯接強度和下套管速度［J］.鉆采工藝，1999（3）.

［3］ 劉寶鈞.套管灌鉆井液解卡裝置的研制與應用［J］.石油機械， 2006，34（3）：51-52.

［4］ 張國田,張宏英,李興杰,等.一種用頂部驅動鉆井裝置下套管作業方法［P］.中國發明專利：ZL200910078565.0.

［5］ 張國田,張宏英,李興杰,等.頂驅下套管裝置［P］.中國實用新型專利：ZL 200920105896.4.

［6］ 張國田,鄒連陽,黃衍福，等.頂驅下套管裝置的研制［J］.石油機械，2008，36（9）：82-84.