套管鉆井一體化系統(tǒng)組成分析

摘要：套管鉆井一體化技術(shù)采用一種完全不同于常規(guī)鉆井的方式[1]，通過特制的鉆機和井下設(shè)備，使用經(jīng)過改裝的套管代替鉆桿，就可以把扭矩和鉆壓傳遞到鉆頭。鉆進(jìn)時可以隨時回收帶鉆頭的井下工具串，提高了鉆井效率，避免了頻繁起下鉆給作業(yè)帶來的風(fēng)險。這種鉆進(jìn)方式可有效的減輕油田常規(guī)鉆井作業(yè)中因頻繁起下鉆引起的井壁坍塌、卡鉆、“糖葫蘆”井眼及漏失等其他問題，大幅度降低鉆井時間和其他成本。

關(guān)鍵詞：套管鉆井一體化;常規(guī)鉆井;井壁坍塌;卡鉆

前言

套管鉆井一體化技術(shù)是在鉆進(jìn)時用套管柱替代傳統(tǒng)的鉆柱向井下傳遞機械能量和水力能量，邊鉆進(jìn)邊下套管，鉆達(dá)設(shè)計井深后起出鉆頭，將套管留在井內(nèi)作完井（或某層）管柱，隨即注水泥固井、完井。它將鉆進(jìn)作業(yè)與下套管作業(yè)合并，簡化了井身結(jié)構(gòu)，減少了起下鉆、下套管作業(yè)次數(shù)，可及時解決不確定性問題并封隔復(fù)雜層段（漏、塌等），有效降低了不確定性地層和復(fù)雜地層井下復(fù)雜情況和事故風(fēng)險發(fā)生率，縮短了建井周期，降低了鉆井的作業(yè)和時間成本。

1 原理

在套管鉆井過程中，套管是由頂部驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)，由套管傳遞扭矩，帶動安裝在套管下端部工具組上的鉆頭旋轉(zhuǎn)并鉆進(jìn)，泥漿自套管進(jìn)入，由套管與井眼之間的環(huán)行空間返回。鉆頭固定在一個專門設(shè)計的工具組前端（如圖1），工具組鎖定在套管柱端部，并通過鋼絲繩與一部專用起下鉆頭的絞車相連接。當(dāng)需要更換鉆頭時，將鎖定裝置松開，利用絞車帶動鋼絲繩通過套管將工具組起出。換上新鉆頭后，再用絞車通過套管將工具組送入，鎖定在套管端部。鉆頭的鉆進(jìn)過程也就是下套管的過程，完鉆后即可開始固井。

2 地面設(shè)備

2.1專用鉆機

以Tesco公司特制套管鉆機為例[2]：

車載液壓鉆機，井架為直立單桅桿，鉤載為100t，51/2″套管可下深3000m，41/2″套管可下深3960m。鉆機配套盤式剎車為雙盤四鉗液壓盤式剎車。鉆機還配置了用來起下井下工具串的專用絞車，最大提升力為20t。整套鉆機只需7輛車即可完成遷移。

2.2鋼絲防噴器

在水龍頭和游車之間加裝液壓式鋼絲繩防噴器，主要是為了加強井控。鋼絲繩密封器使鉆機更能適應(yīng)井下工具串的泵送作業(yè)。

2.3套管驅(qū)動頭

在套管鉆井中，套管被用來傳遞扭矩。頂驅(qū)的扭矩如果直接由套管扣來傳遞，就有可能造成套管絲扣的損壞。因此，在頂驅(qū)輸出軸與套管柱上端之間設(shè)置了套管驅(qū)動頭。

套管驅(qū)動頭有三個功能，一是起到起升作用，二是傳遞扭矩，三是密封鉆井循環(huán)泥漿。

3 井下管柱及設(shè)備

套管鉆井鉆具的主要構(gòu)成：有套管、扶正器、軸向承載殼體、承扭殼體、套管鞋、密封器、軸向鎖定器、止位環(huán)、扭矩鎖定器、擴(kuò)眼器、鉆頭等。

3.1套管

在套管鉆井中，由于整個鉆井的旋轉(zhuǎn)機械能量都是由套管來傳遞，所以要求套管有足夠的抗扭能力。目前，業(yè)內(nèi)主要做法是把偏梯形扣增加一個增扭環(huán)（如圖7）。增扭環(huán)放在套管接箍內(nèi)，兩端面與套管本體端面相接觸，當(dāng)外加扭矩增加時，增扭環(huán)受壓，因此增加了絲扣的抗扭性。

3.2套管扶正器

套管扶正器是由扶正器和調(diào)整套組成，調(diào)整套是半開口，外表為錐形，可以補償套管尺寸誤差。當(dāng)扶正器熱裝冷卻后，調(diào)整管與扶正器緊緊地連在一起。套管扶正器可以很好地解決套管的磨損問題，基本滿足了工程要求。

3.3井下鎖定裝置

井下鎖定裝置是套管鉆井技術(shù)中最具特色的技術(shù)，它具有的功能是：當(dāng)鉆進(jìn)時，井下工具串要鎖定在套管上，不得有轉(zhuǎn)動和軸向竄動。當(dāng)起鉆頭時，鎖定器都要解鎖，井下工具串從套管內(nèi)被鋼絲繩打撈到地面。

井下鎖定裝置形式多樣，大體主要由鎖定活塞、承載鍵、承載殼體三個部件組成：當(dāng)鎖定活塞下行時，承載鍵被嵌入承載殼體內(nèi)，這時承載鍵可承受鉆井扭矩和鉆壓;當(dāng)通過打撈矛提鎖定活塞上行時，承載鍵被擠出承載殼體，即鎖定裝置解鎖，整個井下工具串可提離井底。

3.4密封膠套

密封膠套用來實現(xiàn)井下工具串與套管柱之間的密封。它隨井下工具串一起下入到井底，并與套管柱貼緊，從而實現(xiàn)對泥漿的密封。密封器最大密封壓力為35MPa，工作密封壓力為10-15Mpa。

3.5套管鞋

在套管柱最下端應(yīng)安裝套管鞋。該套管鞋主要用來處理井下工具串卡鉆事故。當(dāng)井下工具串卡在井下時，通過鋼絲繩打撈矛使套管與井下工具串脫開，旋轉(zhuǎn)套管柱進(jìn)行套銑作業(yè)。直使井下工具串卡點被套銑掉，整個工具串才能提出井口。

3.6鉆頭、擴(kuò)眼器

在套管鉆井中，要求鉆頭既能通過套管內(nèi)徑，又要鉆出比套管接箍外徑大的井眼。因此，鉆頭必須具有變徑功能。大多數(shù)公司采用領(lǐng)眼鉆頭和擴(kuò)眼器有牙輪和PDC兩種形式。俄羅斯已研制出可變徑鉆頭，它可以直接用于套管鉆井技術(shù)中。

4 結(jié)論

套管鉆井一體化技術(shù)從九十年代開始至今已經(jīng)日趨成熟，相對傳統(tǒng)的鉆井工藝，此技術(shù)在技術(shù)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益兩方面都有不俗的表現(xiàn)，甚至有國外公司將該技術(shù)稱為繼墩鉆、旋轉(zhuǎn)鉆井后鉆井發(fā)展的一個新紀(jì)元。

參考文獻(xiàn)：

[1] 管志川，陳庭根.鉆井工程理論與技術(shù)[M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2016：318-325.

[2] ?S.F.Sshepard，R.H.Relley，T.M.Warren.Casing Drilling：An Emerging Technology [J].Society of Petroleum Engineers，Inc.，2002，4（9）：74-86.

作者簡介：楊連行（1983.02—），男，工程師，本科，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程系，現(xiàn)在從事鉆井監(jiān)督工作。

中國石油遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010