套管钻井技术的应用和优势

李秀芹 （康菲石油中国有限公司 天津300456）

套管钻井技术的应用和优势

李秀芹 （康菲石油中国有限公司 天津300456）

套管钻井是一种相对较新的钻井技术，它能在一个钻进过程中同时完成钻井、下套管与固井作业。利用套管给钻头传递机械能和液压能。这项技术是利用顶驱实现套管的旋转，并且仍然利用常规钻井中使用的钻头，随钻测井录井等工具和一些套管钻井专用的工具实现钻井，并能使用电缆起下钻具。介绍一些套管钻井中使用到的设备和工具，以及它和常规钻井相比较的优点。

油气井开发工程 钻井 套管钻进 应用

0 引言

套管钻井是利用常规的套管或尾管代替钻杆作为钻柱进行的钻进过程，对钻头施加扭矩和钻压，实现钻头的旋转与钻进。整个钻井过程不再使用钻杆、钻铤等，可回收式的钻具悬挂并连接在套管底部，钻具是利用钢丝绳或电缆投捞，在套管内实现钻具升降，即实现不提钻更换钻头、钻具。减少了起下钻和井喷、卡钻等意外事故的发生，提高了钻井安全性，降低了钻井成本。套管在钻进过程中的旋转也是靠顶驱来驱动。钻井液从套管内循环进井筒，从套管和井眼的环空中循环出。

在套管钻井中使用的套管和传统钻井中使用的套管基本上有相同的尺寸、磅级、钢级。因为在套管钻井中使用的套管要能提供足够大的抗扭强度、抗疲劳强度和循环通道，因此套管的连接可能会需要作相应的改进。通常8圈丝扣连接会换成偏梯形套管连接扣，并带有扭矩环以增加抗扭能力。这些改进在使用中都很成功。

1 套管钻井中使用的工具设备

1.1 钻具

可回收式的套管钻井的钻具组合通常由领眼钻头之上带着扩眼器组成，用以钻出最终的井眼尺寸。领眼钻头的尺寸要能通过套管内径，扩眼器把井眼尺寸扩到能够下套管的尺寸。比如说，9-5/8”套管钻井通常配套使用8-1/2”的领眼钻头和12-1/4”的扩眼器。

除了钻头和扩眼器以外的井下工具根据需要使用（见图1）。比如对于垂直钻井，钻柱中需要配备稳定设备；对于定向钻井，钻柱中需要配备定向马达，随钻测量装置，无磁钻铤等。

图1 井下工具串

1.2 钻具锁定器

可回收式的套管钻井的钻具是通过一个叫钻具锁定器的特殊装置和套管锁定在一起的（见图2）。钻具锁定器能够在轴向上和圆周上实现和套管的锁定及解锁。钻具锁定器的通径相对较大，减少了不必要的压力损失，还能够满足在锁定器以下进行电缆作业的需要。

图2 钻具锁定器

钻具锁定器的起下入工具是通过电缆下到位，用以解封锁定器并把钻具起出。这套电缆回收装置能够用在13-3/8”的套管及其以下尺寸。如果遇到不能顺利起出钻具的情况，电缆回收装置也能够从锁定器上脱手，再用其他补救措施来实现取出钻具的目的。

1.3 传动系统

1.3.1 套管驱动头 套管由顶驱以下的套管驱动系统提起，这个装置能够承受所有的套管重量，并为钻井作业和上下扣提供扭矩，还能够和套管顶部在不需要连接的情况下实现循环。

图3中所示的套管驱动系统包括一个卡瓦装置，它可以从内部抓住大尺寸套管，也可以从外部抓住小尺寸套管；一个内部打捞矛可以起到密封作用。套管驱动系统能够不用连接套管的顶部节箍就把套管连接到管串中，这样可以加快下套管的时间并且减少一次上下扣的作业，同时减少对丝扣的损伤，套管上扣作业和钻杆上扣作业基本相同，可以在鼠洞中也可以在转盘面上完成。一个液压驱动的单根吊环能够从鼠洞中提升套管来上扣。

图3 顶驱和套管驱动系统

1.3.2 防磨设备 当套管钻井结束时，套管必须能够保持良好的性能，因为套管除了是钻具组合的一部分之外，也是用以完井和支撑井壁的套管。在以往的套管钻井中，通过观察多次起下的套管，发现套管的本体基本上没有磨损，但是在套管节箍处会发现不同程度的磨损，通常在套管串的下部存在单面磨损。

套管节箍处的磨损通常是由于节箍处的角度不居中引起，这种不居中可能是因为四次机加工操作引起的误差造成（两端母扣，两端公扣），或是套管本身就不直引起的。

图4 安装在节箍下的防磨带

套管的磨损保护就比较经济，解决节箍磨损的问题相对也比较容易。防磨带安装在套管节箍下。这些防磨带能用配套的液压设备在现场安装。防磨带的底端还包括大概1英寸宽的碳化钨合金硬质材料，和在钻杆上使用的防磨材料相同（见图4）。

1.4 钻机相应改造

1.4.1 顶驱 顶驱要能安装钢丝绳防喷器和套管驱动头，通径要比常规的大些，以便下入和回收装置钢丝绳的绳卡通过。

1.4.2 天车 钢丝绳用来下入和收回井下钻具串的分离式天车和游车，通过天车、游车，顶驱和套管驱动装置进入套管内，在进行钢丝绳作业的时候可以建立循环。

1.4.3 钢丝绳绞车 钢丝绳绞车用来下入和起出钻具串，由司钻操作。提升能力一般为14 t。

1.4.5 钢丝绳防喷器 安装在顶驱上，最基本用途是在钢丝绳作业过程中控制井涌，在循环泥浆的同时允许钢丝绳的下入和起出。

1.5 固井设备

1.5.1 扶正设备 套管钻井在固井上有很多方面和常规固井作业有所区别。其中一点就是应用套管附件来保持与井壁间的距离，形成循环通道，比如使用扶正器和防磨套等。在整个套管钻井过程中，扶正器要能够承受长时间钻进中旋转钻具所产生的磨损，而且这些套管附件还要能够保持与井壁间的距离。套管钻井中，通常会使用敷硬合金层的套管扶正器，而常规钻井中使用的套管扶正器不需要敷硬合金（见图5、图6）。

图5 套管钻井敷硬合金层的套管扶正器

图6 常规钻井套管扶正器

1.5.2 浮动设备 套管钻进作业中，浮动设备也会和常规固井作业使用有所不同。当钻达目的层需要一个以上的钻头时，为了能起下钻具，而不是起下整个套管串，套管钻进需要整个套管内径都能够通过钻具。在这种情况下，一旦到达套管下入深度，浮动设备就会被安装上。

浮动设备要操作容易，并能够方便被钻穿。现在行内经常会使用固井承托式封隔器，这种封隔器内装有提升阀，这个阀能够起到和浮箍一样单流阀的作用。只是这种提升阀经过改进后，内部过流面积会更大。这些浮动设备可以由捞砂绳或是钢丝绳下入，当在套管内下入这些浮动设备时还是能够以小排量循环。还有一种相对来说新的安装浮动设备的方法是直接泵入，这种直接泵入的浮动设备会提前安装在一根套管内。

套管钻进作业中使用的刮塞和常规固井作业中使用的是相同的，顶塞和底塞都会坐在浮动设备上。

1.5.3 固井附加量 如果裸眼测井不是非测不可时，通常没法提供井径测井资料。这种情况下，套管钻进的固井附加量通常会参考相邻区域内常规钻井方法钻完井的井径测井资料。之后的水泥胶结测井能够确认水泥返高，从而验证了固井附加量的大小。

2 套管钻井的优势

2.1 缩短钻井周期

由于用电缆起下更换钻头要比传统的用钻杆起下钻大约快5～10倍，大大减少了钻井周期。

2.2 减少了与起下钻有关的问题

由于套管钻井的井眼始终有套管伴随到井底，因此，套管钻井即使在起下钻具时还可以进行钻井液的循环和套管旋转，这样就消除了常规钻井施工中由于地层膨胀、井壁坍塌、键槽卡钻和台阶卡钻等意外事故而导致的起下钻困难问题的发生。

2.3 改善井控状况

套管钻井消除了因起下钻带来的抽吸作用和压力波动，而且起下钻时能保持泥浆连续循环，可防止钻屑聚集，较少了井涌的发生，从而改善了井控状况。

2.4 保持起下钻时钻井液的连续循环

2.5 改善水力参数、环空上返速度和井筒清洗状况

因套管内径比钻杆大，减少了水力损失，从而可以减少钻机泥浆泵的配备功率。泥浆从套管和井壁之间的环空空间返回时，由于环空面积减小，提高了上返速度，改善了钻屑的携出状况。

2.6 可以减少钻机尺寸，简化钻机结构，降低钻机费用

2.7 节约费用

节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输检验、维护及更换等过程中大量人力、物力与费用。

2.8 保护产层

若在钻穿产层井段使用，由于可直接进行固井作业，大大减少了钻井液对储层的浸泡时间，可降低钻井作业对储层的伤害，有效地保护油气层。

3 结论

套管钻井因为节约费用，解决了钻井作业中的难题，越来越被大多数油公司所接受。套管钻井不同于常规钻井，当设计得当的情况下，是一种非常值得推荐并值得信任的钻井方法。随着套管钻井技术的进一步发展和普及，经验的积累和设备的完善能够让这项技术得到更广泛的应用，也会更大范围的影响钻井作业。■

2012-05-06