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，實現(xiàn)鉆頭的旋轉與鉆進，同時完成下套管作業(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)，因而比起下鉆時不循環(huán)鉆井液的常規(guī)鉆井技術更安全。作為減少傳統(tǒng)鉆井非生產(chǎn)時間的有效手段，采用套管鉆井經(jīng)濟效益明顯，更重要的是能夠滿足安全和環(huán)境（HSE）的要求，具有廣闊的應用前景［2-3］。

套管鉆井是傳統(tǒng)鉆井的替代技術，可在一個鉆進過程中同時完成鉆井、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、領眼鉆頭和擴孔器，以及用于回收和更換BHA 與鉆頭的鋼絲繩。應用該系統(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 不同尺寸套管可實現(xiàn)的造斜率

Tesco 公司從1995年開始研究套管鉆井技術，1998年10月順利完成了第1 口實驗井［6］，是可回收套管鉆井系統(tǒng)的主要供應商。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，進尺超過600 km。

應用可回收套管鉆井系統(tǒng)進行套管鉆井施工，必須借助以下設備和工具。

1.1.1 套管驅動系統(tǒng)

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

1.1.2 頂驅

大功率頂驅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)。頂驅可帶動套管旋轉，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，具有抗扭強度高、抗疲勞能力強和密封性能好等特點，可適應惡劣的鉆井條件［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］。除了擴孔器和領眼鉆頭以外，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、導向馬達和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，而且結構簡單，成本低。該系統(tǒng)應用連接在套管柱底部的可鉆式套管鉆井鉆頭鉆進直井眼，鉆進結束后留在井底或鉆達套管下入深度后將其鉆穿。是否應用該系統(tǒng)進行鉆進，取決于預鉆地層的類型［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用。2005年，在印度尼西亞爪哇海的一個浮動式鉆井平臺上，威德福公司首次應用該系統(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)應用的是相同的套管接頭和頂驅裝置，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，借助于頂驅提供的旋轉動力，可對套管實行上扣和卸扣操作。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備。應用該工具可進行循環(huán)沖洗、上下活動和旋轉套管，因此，可減少任何潛在的壓差卡鉆等其他鉆井復雜問題引起的非生產(chǎn)時間。

1.2.2 浮箍

浮箍是固井作業(yè)必備的工具之一。在應用不可回收套管鉆井系統(tǒng)進行套管鉆井作業(yè)時，已將浮箍連接在管柱中，鉆至總井深之后即可進行固井作業(yè)［15］，從而大大減少了作業(yè)時間，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型的基礎上研發(fā)的。鉆頭的噴嘴可更換，進行水力性能優(yōu)化。

圖3 套管鉆井鉆頭

2 套管鉆井一體化技術

同其他鉆井技術一樣，套管鉆井技術有諸多優(yōu)勢，多種鉆井技術結合可發(fā)揮更大的作用。因此，套管鉆井與欠平衡鉆井、旋轉導向系統(tǒng)、膨脹管和分級固井工具等其他技術的結合避免了諸多復雜事故，顯著縮短了施工時間，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，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械鉆速，不足之處在于成本高，而且固井前必須進行壓井作業(yè)。而套管鉆井的主要優(yōu)點是降低施工成本、縮短非生產(chǎn)時間。因此，與單一技術相比，套管鉆井與欠平衡鉆井配合可獲得較好的效果，實現(xiàn)更大的價值，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險；

4）下套管柱時不需要壓井；

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間；

8）可實施井眼凈化，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在南德克薩斯州老油田已經(jīng)得到成功應用，節(jié)約成本約30%［16］。

2.2 旋轉導向套管鉆井

套管鉆井中應用導向馬達進行定向鉆進施工，會造成井下工具過度磨損，導致機械鉆速低；而應用旋轉導向系統(tǒng)可鉆進φ215.9～250.8 mm 井眼，效率高于導向馬達。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 設計［13］。

圖4 旋轉導向套管鉆井技術BHA

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

2.3 膨脹管套管鉆井

膨脹管技術與套管鉆井技術極為相似，因此可融為一個施工過程。應用膨脹套管進行套管鉆井施工，鉆至總深度的同時即可完成膨脹作業(yè)。膨脹管技術與套管鉆井技術的結合具有明顯優(yōu)勢，不僅節(jié)約成本、縮短鉆機運行時間，而且有助于井控管理［12］。目前，這2 項技術的結合純粹是理論上的，還沒有付諸實際應用。

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合，不僅顯著縮短施工時間、降低施工成本，而且有助于套管下至設計深度、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］，套管鉆井中應用機械式雙級固井工具——雙級固井軸環(huán)（見圖5）成功進行了分級固井作業(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 鉆鞋轉換和雙級固井操作程序為：1）鉆到設計深度；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

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)測井工具進行裸眼測井作業(yè)，一個解決辦法是應用LWD 工具進行隨鉆測井。進行裸眼井測井還是套管井測井受儲層類型的影響，測試設備和巖心筒還應適合于鋼絲繩回收。

3.2 套管連接

套管鉆井的另一個挑戰(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、小井眼可解決這個難題?，F(xiàn)在，應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行評價。應用Landmark 軟件內置的相應模塊也可對摩阻和扭矩進行分析。

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，為適應不同的鉆井環(huán)境，進一步降低施工成本，縮短非生產(chǎn)時間，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的發(fā)展趨勢?？苫厥瘴补茔@井與可回收套管鉆井極為相似，可進行定向鉆進，在必要時可進行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備相似，井下工具可通過鋼絲繩或鉆桿回收。BHA 包括旋轉導向系統(tǒng)、鎖緊機構、擴孔鉆頭、導向鉆頭、容積式馬達、穩(wěn)定器和MWD 工具（根據(jù)需要還可下入取心工具）等。鎖緊機構是連接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)約大量的管材費用，深水鉆井施工中還不用對鉆機和防噴器進行改造，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，鉆進井段長度受到限制；

3）尾管懸掛器坐封和解封時可能損害套管內部。

5 結論

1）套管鉆井技術可靠，與常規(guī)鉆井技術相比提高了鉆井性能，降低了問題區(qū)域的鉆井風險，減少了諸多鉆井復雜問題，從而極大縮短了非生產(chǎn)時間，降低了鉆井成本。

2）可回收尾管鉆井技術可行，是套管鉆井的替代技術。它不僅適應不同的鉆井環(huán)境，進一步降低施工成本、縮短非生產(chǎn)時間，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是未來發(fā)展的主要方向。

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

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