套管鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭先敏

（中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營257017）

0 引言

1 套管鉆井系統(tǒng)分類

套管鉆井利用常規(guī)的套管或尾管代替鉆桿對鉆頭施加扭矩和鉆壓，實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)與鉆進(jìn)，同時(shí)完成下套管作業(yè)［1］。它不僅可以極大地降低鉆井成本，加快完井速度，而且可以大大減少常規(guī)鉆井技術(shù)所存在的事故隱患，如井眼坍塌、井壁沖刷等，還能夠減少因劃眼和處理起下鉆中所發(fā)生的井涌而耽誤的鉆井時(shí)間。此外，套管鉆井中鉆井液能夠連續(xù)循環(huán)，因而比起下鉆時(shí)不循環(huán)鉆井液的常規(guī)鉆井技術(shù)更安全。作為減少傳統(tǒng)鉆井非生產(chǎn)時(shí)間的有效手段，采用套管鉆井經(jīng)濟(jì)效益明顯，更重要的是能夠滿足安全和環(huán)境（HSE）的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景［2-3］。

套管鉆井是傳統(tǒng)鉆井的替代技術(shù)，可在一個(gè)鉆進(jìn)過程中同時(shí)完成鉆井、下套管與固井作業(yè)，主要分為BHA 可回收系統(tǒng)和不可回收系統(tǒng)2 類［4］（見圖1）。

1.1 BHA 可回收套管鉆井系統(tǒng)

可回收套管鉆井系統(tǒng)包括套管柱底部的BHA、領(lǐng)眼鉆頭和擴(kuò)孔器，以及用于回收和更換BHA 與鉆頭的鋼絲繩。應(yīng)用該系統(tǒng)不僅可以鉆直井，還可鉆定向井［3］。套管尺寸決定了造斜率的大小； 不同尺寸套管的疲勞極限確定了定向鉆井過程中可實(shí)現(xiàn)的最大造斜率（見表1）［5］。

圖1 常規(guī)鉆井和套管鉆井BHA

表1 不同尺寸套管可實(shí)現(xiàn)的造斜率

Tesco 公司從1995年開始研究套管鉆井技術(shù)，1998年10月順利完成了第1 口實(shí)驗(yàn)井［6］，是可回收套管鉆井系統(tǒng)的主要供應(yīng)商。1999—2007年，在海上和陸地不同巖性的地層中，已有280 多口井采用套管鉆井，進(jìn)尺超過600 km。

應(yīng)用可回收套管鉆井系統(tǒng)進(jìn)行套管鉆井施工，必須借助以下設(shè)備和工具。

1.1.1 套管驅(qū)動系統(tǒng)

Tesco 公司研發(fā)的套管驅(qū)動系統(tǒng)［7］（也稱套管快速連接系統(tǒng)）是一個(gè)套管下入和鉆進(jìn)系統(tǒng)，包括可實(shí)現(xiàn)與套管流體密封的內(nèi)部矛組合和可抓緊小尺寸套管外部或大尺寸套管內(nèi)部的卡瓦組合。應(yīng)用該系統(tǒng)可將套管連接至頂驅(qū)而快速組接套管，同時(shí)車削螺紋不進(jìn)入頂部接箍，不會損害套管螺紋［8］。

1.1.2 頂驅(qū)

大功率頂驅(qū)的作用是在可回收套管鉆井系統(tǒng)中將套管連接至套管驅(qū)動系統(tǒng)，而在不可回收套管鉆井系統(tǒng)中將套管連接至超速傳動系統(tǒng)。頂驅(qū)可帶動套管旋轉(zhuǎn)，也可為套管的組接提供扭矩。

1.1.3 套管接頭

套管鉆井中所用的套管接頭與普通套管接頭不同，具有抗扭強(qiáng)度高、抗疲勞能力強(qiáng)和密封性能好等特點(diǎn)，可適應(yīng)惡劣的鉆井條件［9］。Hydril，Vam，Hunting Energy Services，GB Tubulars 和Grant Prideco 公司可提供不同類型的套管接頭。

1.1.4 可回收的BHA

鉆直井和定向井所用的BHA 如圖2所示［10］。除了擴(kuò)孔器和領(lǐng)眼鉆頭以外，還包括套管鉆井所必需的其他井下工具。對于直井，在BHA 中需要接穩(wěn)定器，以便于垂直控制。而對于定向井，BHA 還包括無磁鉆鋌、導(dǎo)向馬達(dá)和MWD 工具［11］。

圖2 可回收的BHA

1.1.5 鉆具鎖定工具

鉆具鎖定工具位于BHA 的頂部，主要作用是通過軸向旋轉(zhuǎn)使BHA 鎖緊于套管的底部［12］，液壓密封部件可確保BHA 與套管之間的密封。

1.2 BHA 不可回收套管鉆井系統(tǒng)

大約80%的套管鉆井作業(yè)應(yīng)用BHA 不可回收套管鉆井系統(tǒng)完成。與可回收套管鉆井系統(tǒng)相比，不可回收套管鉆井系統(tǒng)不能鉆定向井，只能鉆直井，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本低。該系統(tǒng)應(yīng)用連接在套管柱底部的可鉆式套管鉆井鉆頭鉆進(jìn)直井眼，鉆進(jìn)結(jié)束后留在井底或鉆達(dá)套管下入深度后將其鉆穿。是否應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行鉆進(jìn)，取決于預(yù)鉆地層的類型［13］。不可回收套管鉆井系統(tǒng)由威德福公司研發(fā)，自2000年1月以來，已在300 多口井上得到了成功應(yīng)用。2005年，在印度尼西亞爪哇海的一個(gè)浮動式鉆井平臺上，威德福公司首次應(yīng)用該系統(tǒng)完成了套管鉆井作業(yè)。

不可回收套管鉆井系統(tǒng)與可回收套管鉆井系統(tǒng)應(yīng)用的是相同的套管接頭和頂驅(qū)裝置，其他專用工具介紹如下。

1.2.1 超速傳動系統(tǒng)

超速傳動系統(tǒng)由威德福公司研發(fā)，可與任何類型的頂驅(qū)系統(tǒng)配套使用［14］。TorkDrive 工具是超速傳動系統(tǒng)的核心部件，借助于頂驅(qū)提供的旋轉(zhuǎn)動力，可對套管實(shí)行上扣和卸扣操作。套管的上扣和卸扣操作還需要鉆臺上配備腳手架等其他設(shè)備。應(yīng)用該工具可進(jìn)行循環(huán)沖洗、上下活動和旋轉(zhuǎn)套管，因此，可減少任何潛在的壓差卡鉆等其他鉆井復(fù)雜問題引起的非生產(chǎn)時(shí)間。

1.2.2 浮箍

浮箍是固井作業(yè)必備的工具之一。在應(yīng)用不可回收套管鉆井系統(tǒng)進(jìn)行套管鉆井作業(yè)時(shí)，已將浮箍連接在管柱中，鉆至總井深之后即可進(jìn)行固井作業(yè)［15］，從而大大減少了作業(yè)時(shí)間，降低了成本。

1.2.3 套管鉆井鉆頭

不可回收套管鉆井系統(tǒng)進(jìn)行鉆井作業(yè)所用的套管鉆井鉆頭為可鉆式。威德福公司研發(fā)了Ⅰ，Ⅱ（3 翼、4翼和5 翼），Ⅲ共3 種類型的可鉆式套管鉆井鉆頭（見圖3），其中Ⅲ型是在Ⅰ型和Ⅱ型的基礎(chǔ)上研發(fā)的。鉆頭的噴嘴可更換，進(jìn)行水力性能優(yōu)化。

圖3 套管鉆井鉆頭

2 套管鉆井一體化技術(shù)

同其他鉆井技術(shù)一樣，套管鉆井技術(shù)有諸多優(yōu)勢，多種鉆井技術(shù)結(jié)合可發(fā)揮更大的作用。因此，套管鉆井與欠平衡鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、膨脹管和分級固井工具等其他技術(shù)的結(jié)合避免了諸多復(fù)雜事故，顯著縮短了施工時(shí)間，可有效提高生產(chǎn)效率，降低施工成本。

2.1 欠平衡套管鉆井

欠平衡鉆井是井筒靜水壓力低于地層壓力情況下的鉆井技術(shù)，主要優(yōu)勢是減少循環(huán)液漏失、減少地層損害、消除壓差卡鉆和提高機(jī)械鉆速，不足之處在于成本高，而且固井前必須進(jìn)行壓井作業(yè)。而套管鉆井的主要優(yōu)點(diǎn)是降低施工成本、縮短非生產(chǎn)時(shí)間。因此，與單一技術(shù)相比，套管鉆井與欠平衡鉆井配合可獲得較好的效果，實(shí)現(xiàn)更大的價(jià)值，發(fā)揮更大的生產(chǎn)能力，其主要優(yōu)勢為：

1）欠平衡鉆井的高成本可被消除；

2）套管鉆井當(dāng)量循環(huán)密度高、摩阻大，有助于良好的井控管理；

3）無需起下鉆，不需要甩鉆具，可避免起下鉆引起的鉆井風(fēng)險(xiǎn)；

4）下套管柱時(shí)不需要壓井；

5）顯著降低液體對地層的漏失；

6）提高井的注入能力；

7）減少不必要的鉆井時(shí)間；

8）可實(shí)施井眼凈化，有極好的井眼清潔能力；

9）解決易引起爭議的固井聲幅測井曲線問題；

10）利用增壓分離系統(tǒng)控制產(chǎn)出液和地層壓力。

目前，欠平衡套管鉆井技術(shù)在南德克薩斯州老油田已經(jīng)得到成功應(yīng)用，節(jié)約成本約30%［16］。

2.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套管鉆井

套管鉆井中應(yīng)用導(dǎo)向馬達(dá)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工，會造成井下工具過度磨損，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低；而應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可鉆進(jìn)φ215.9～250.8 mm 井眼，效率高于導(dǎo)向馬達(dá)。圖4顯示了φ177.8 mm 套管（線密度34.04 kg/m）具有創(chuàng)新特征的BHA 設(shè)計(jì)［13］。

圖4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套管鉆井技術(shù)BHA

康菲石油公司的開發(fā)項(xiàng)目顯示，套管鉆井中應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)不僅可發(fā)揮套管鉆井的優(yōu)勢，還可保持旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的定向效率［17-18］。在成熟的近海油田套管鉆井施工中，Tesco 公司應(yīng)用斯倫貝謝的動力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)獲得了較好的效果。

2.3 膨脹管套管鉆井

膨脹管技術(shù)與套管鉆井技術(shù)極為相似，因此可融為一個(gè)施工過程。應(yīng)用膨脹套管進(jìn)行套管鉆井施工，鉆至總深度的同時(shí)即可完成膨脹作業(yè)。膨脹管技術(shù)與套管鉆井技術(shù)的結(jié)合具有明顯優(yōu)勢，不僅節(jié)約成本、縮短鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)間，而且有助于井控管理［12］。目前，這2 項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合純粹是理論上的，還沒有付諸實(shí)際應(yīng)用。

2.4 采用分級固井的套管鉆井

固井施工面臨泵壓高、泵送時(shí)間長、流體靜壓過大等諸多挑戰(zhàn)，因此，需要使用分級固井工具——分級箍進(jìn)行2 次甚至多次有選擇的注水泥作業(yè)，即分級固井。分級固井和套管鉆井結(jié)合，不僅顯著縮短施工時(shí)間、降低施工成本，而且有助于套管下至設(shè)計(jì)深度、減小井斜和循環(huán)漏失，提高固井作業(yè)效率。在美國科羅拉多州西部的皮申斯（Piceance）盆地［19］，套管鉆井中應(yīng)用機(jī)械式雙級固井工具——雙級固井軸環(huán)（見圖5）成功進(jìn)行了分級固井作業(yè)，效果良好。

圖5 雙級固井軸環(huán)

具體施工做法是將雙級固井工具接在BHA 中，可確保水泥漿返至地面。施工中所用的鉆鞋為3 系列鉆鞋（DS3）。DS3 鉆鞋轉(zhuǎn)換和雙級固井操作程序?yàn)椋?）鉆到設(shè)計(jì)深度；2）投球、憋壓；3）泵送頂塞；4）下落錐體、升壓、移動分級固井工具端口；5）泵送關(guān)閉塞；6）用常規(guī)鉆頭鉆掉DS3 鉆鞋。

3 套管鉆井局限性

3.1 地層評價(jià)

套管鉆井鉆至目的層深度后套管留在井里［10］，無法用傳統(tǒng)測井工具進(jìn)行裸眼測井作業(yè)，一個(gè)解決辦法是應(yīng)用LWD 工具進(jìn)行隨鉆測井。進(jìn)行裸眼井測井還是套管井測井受儲層類型的影響，測試設(shè)備和巖心筒還應(yīng)適合于鋼絲繩回收。

3.2 套管連接

套管鉆井的另一個(gè)挑戰(zhàn)是套管連接處不能承受高扭矩、疲勞和屈曲過程中的復(fù)合載荷［9］。Tessari 和Madell 于1999年指出，低扭矩、低鉆壓、小井眼可解決這個(gè)難題?，F(xiàn)在，應(yīng)用有限元分析模型可在套管鉆井之前對套管的連接性能進(jìn)行評價(jià)。應(yīng)用Landmark 軟件內(nèi)置的相應(yīng)模塊也可對摩阻和扭矩進(jìn)行分析。

3.3 更換鉆頭和BHA

在可回收套管鉆井系統(tǒng)中，如果工具疲勞或受到損害，那么回收BHA 極為困難。受各方面因素的影響，BHA 的回收成功率只有70%。在某些情況下，套管尺寸受到限制，也會影響工具的回收。因此，必須改變施工工藝或修改工具解決這類問題。

4 發(fā)展趨勢

隨著全球勘探開發(fā)的不斷深入，為適應(yīng)不同的鉆井環(huán)境，進(jìn)一步降低施工成本，縮短非生產(chǎn)時(shí)間，最大程度地減少問題地層鉆井事故的發(fā)生，可回收尾管鉆井已成為鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢。可回收尾管鉆井與可回收套管鉆井極為相似，可進(jìn)行定向鉆進(jìn)，在必要時(shí)可進(jìn)行BHA 和鉆頭的回收與更換。

可回收尾管鉆井與可回收套管鉆井所用的地面設(shè)備相似，井下工具可通過鋼絲繩或鉆桿回收。BHA 包括旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、鎖緊機(jī)構(gòu)、擴(kuò)孔鉆頭、導(dǎo)向鉆頭、容積式馬達(dá)、穩(wěn)定器和MWD 工具（根據(jù)需要還可下入取心工具）等。鎖緊機(jī)構(gòu)是連接BHA 和套管的專用工具，可傳遞扭矩、軸向和壓力載荷。所有的井下工具必須能承受作用在尾管上的任何扭矩及適應(yīng)惡劣的鉆井條件［20］。圖6顯示了可回收尾管鉆井的概念。

圖6 可回收尾管鉆井概念示意

與可回收套管鉆井相比，可回收尾管鉆井具有一定的優(yōu)勢，不僅節(jié)約大量的管材費(fèi)用，深水鉆井施工中還不用對鉆機(jī)和防噴器進(jìn)行改造，有助于井控管理，但也存在一定的局限性：

1）尾管懸掛器坐封和回收后再次下入是否能重新坐封的能力可能受限；

2）由于尾管所能承受的扭矩、最大載荷等因素，鉆進(jìn)井段長度受到限制；

3）尾管懸掛器坐封和解封時(shí)可能損害套管內(nèi)部。

5 結(jié)論

1）套管鉆井技術(shù)可靠，與常規(guī)鉆井技術(shù)相比提高了鉆井性能，降低了問題區(qū)域的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，減少了諸多鉆井復(fù)雜問題，從而極大縮短了非生產(chǎn)時(shí)間，降低了鉆井成本。

2）可回收尾管鉆井技術(shù)可行，是套管鉆井的替代技術(shù)。它不僅適應(yīng)不同的鉆井環(huán)境，進(jìn)一步降低施工成本、縮短非生產(chǎn)時(shí)間，而且能改善鉆井性能，最大化提高可采儲量；因此，可回收尾管鉆井技術(shù)是未來發(fā)展的主要方向。

3）為確?？苫厥瘴补茔@井技術(shù)的成功應(yīng)用，在鉆穿衰竭地層或較高井眼曲率井段，應(yīng)使用比普通懸掛器更為有利的膨脹尾管懸掛器； 尾管鉆井之前應(yīng)進(jìn)行扭矩和摩阻計(jì)算分析； 尾管設(shè)計(jì)特別是連接部分設(shè)計(jì)應(yīng)能承受各種鉆井載荷； 應(yīng)用與套管鉆井相似的尾管保護(hù)附件，以防止尾管過度磨損，降低尾管損壞；應(yīng)具備必要時(shí)回收和再次下入BHA 或鉆頭時(shí)尾管的快速拆卸與組接的能力。

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