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套管鑽井是指用套管代替鑽桿對鑽頭施加扭矩和鑽壓,實現鑽頭旋轉與鑽進。整個鑽井過程不再使用鑽桿、鑽鋌等,鑽頭是利用鋼絲繩投撈,在套管內實現鑽頭升降,即實現不提鑽更換鑽頭鑽具。減少了起下鑽和井噴、卡鑽等意外事故,提高了鑽井安全性,降低了鑽井成本。

1 套管鑽井 -歷史

  早在20世紀50年代就有人設想用套管代替鑽桿來完成鑽井作業,但受當時的技術和裝備條件的限制,很難實現這一設想。在20世紀90年代,由於新技術、新材料以及電子技術的大發展,促進了石油開採技術不斷發展,一大批鑽井新工藝、新工具、新裝備湧現出來,套管鑽井技術再一次被人們提出來。加拿大Texco公司1996年鑽成了第一口套管鑽井的試驗井,該井為試驗場地井,用95/8″套管鑽進了150米。到2000年底Texco公司採用套管鑽井技術一共完成了20多口開發井,取得了良好的經濟效益。

2 套管鑽井 -特點

  套管鑽井與常規鑽桿鑽井相比具有明顯的優勢,它是鑽井工程的一次技術性革命,它能為油田經營者帶來巨大的經濟效益。套管鑽井有如下特點:
  1、套管鑽井使用標準的油井套管,並使鑽井和下套管作業同時進行;
  2、井底鑽具組合裝在套管柱的下端,可用鋼絲繩通過套管內部迅速取出。在取出過程中可保持泥漿連續循環;
  3、整個鑽進過程中,一直保持套管直通到井底,改善井控狀況;
  4、套管只是單方向鑽入地層,不再起出。除非打完井后確認是乾井,可能要起出最後一段套管柱;
  5、套管鑽井可沿用許多已有的鑽井技術,如定向鑽井、注水泥、測井、取芯和試井等作業;
  6、應用這些技術和原來相比主要區別是不再依靠鑽桿,而是靠鋼絲繩進行更換鑽頭作業;
  7、套管鑽井使用標準的油田套管進行,唯一不同的是,套管接箍或螺紋需要改進,以便提供鑽井所需要的扭矩;Tesco公司打第一口試驗井時選用的螺紋是(Hydrill 511 Premium Thread),接箍則選用改進型加強接箍(Modified Buttress Coupling)。

3 套管鑽井 -優點

  1、減少起下鑽的時間。用鋼絲繩起下更換鑽頭要比傳統的用鑽桿起下鑽大約快5-10倍;
  2、節省與鑽桿和鑽鋌有關的採購、運輸、檢驗、維護和更換的費用;
  3、因為井筒內始終有套管,也不再有起下鑽桿時對井筒內的抽汲作用,使井控狀況得到改善;
  4、消除了因起下鑽桿帶來的抽汲作用和壓力脈動;
  5、用鋼絲繩起下鑽頭時能保持泥漿連續循環,可防止鑽屑聚集,也減少了井涌的發生;
  6、改善了環空上返速度和清洗井筒的狀況。向套管內泵入泥漿時因其內徑比鑽桿大,減少了水力損失,從而可以減少鑽機泥漿泵的配備功率。泥漿從套管和井壁之間的環形空間返回時,由於環空面積減小,提高了上返速度,改善了鑽屑的攜出狀況;
  7、 可以減小鑽機尺寸、簡化鑽機結構、降低鑽機費用。原因如下:
  (1) 水力參數的改善降低了對鑽機泥漿泵功率的需求。
  (2) 可以取消二層平台和排放鑽桿的鑽桿盒,
  (3) 不再使用鑽桿,
  (4) 套管鑽井是基於單根套管進行的,不再需要採用類似雙根或三根鑽桿構成的立根鑽井方式,因此井架高度可以減小,底座的重量可以減輕;對於深井鑽機而言,建造一台基於單根鑽井的鑽機,其井架和底座要的結構和重量比基於立根鑽井的鑽機簡單的多;
  8、鑽機更加輕便,易於搬遷和操作。人工勞動量及費用都將減少;
  9、根據Tesco公司的測算,打一口10000英尺的井,可節省鑽井時間約30%。

4 套管鑽井 -基本點

  套管鑽井工藝、工具、裝備套管鑽井工藝的基本點是取消常規鑽桿、以套管代替
  鑽桿。其泥漿循環方式、送鑽方式、取芯方式、防噴器組以及各種鑽井參數與常規鑽井沒有大的區別。在套管鑽井過程中,套管是由頂部驅動裝置帶動旋轉,由套管傳遞扭矩,帶動安裝在套管端部工具組上的鑽頭旋轉並鑽進。由於套管鑽井沒有起下立柱的問題的問題,因此,鑽機高度可以降低到20 米左右,並且結構也可以簡化(見圖1 所示)。由於鑽頭內徑小於套管內徑,不能鑽出直徑大於套管外徑的井眼,故在鑽頭上方工具上另外裝有可以張或縮進的的擴眼器。鑽進工況下擴眼器打開,即可將井眼擴大。泥漿自套管當中進入,由套管與井眼之間的環行空間返回。鑽頭固定在一個專門設計的工具組前端,工具組鎖定在套管柱端部(如圖2 所示),並通過鋼絲繩與一部專用起下鑽頭的絞車相連接。當需要更換鑽頭時,將鎖定裝置送開,利用絞車通過套管將工具組起出。換上新鑽頭后,再用絞車通過套管將工具組送入,鎖定在套管端部;鑽頭的鑽進過程也就是下套管的過程。套管一根根地打下去,不再提起。完鑽后即可開始固井。

5 套管鑽井 -範圍

  套管鑽井適用於油層埋藏深度比較穩定的油區:由於套管鑽井完井后直接固井完井,然後射孔採油,沒有測井工藝對儲層深度的測量、儲層發育情況的評價,故此要求油層發育情況及埋藏深度必須穩定,這樣套管鑽井的深度設計才有了保證。
  適用於發育穩定,地層傾角小的區域:由於套管鑽井過程中不可避免地存在井斜,井斜影響結果就是導致完鑽井深和垂深存在差異,井斜越大,這種差異越大。而地層傾角的大小、裂縫、斷層等的發育情況,對井斜的影響起著重要作用。因此設計套管鑽井區域地層傾角要小,裂縫、斷層為不發育或欠發育,才有利於套管鑽井中井斜的控制。

6 套管鑽井 -準備條件

  就位鑽機基座必須水平,為設備平穩運轉及鑽井過程中的防斜打直創造良好的條件。
  套管鑽井中所選擇套管必須是梯形扣套管,因其絲扣最小抗拉強度是同規格型號圓形扣套管的2倍左右,能有效增大套管鑽井過程中的安全係數;其次梯形扣套管,便於操作過程中上卸扣鑽頭優選條件必須滿足施工中扭矩儘可能小,水馬力適中的原則。根據扭矩的情況,可以考慮選擇牙輪鑽頭和PDC鑽頭。因牙輪鑽頭數滾動鑽進,能有效減少轉盤及套管扭矩,但其要求鑽壓較大,不利於套管柱的防斜。PDC鑽頭需鑽壓小,一般(20-60KN),鑽進速度較快,套管柱所受彎曲應力小,扭矩小,符合選擇要求。在選擇鑽頭的同時,還要求選好水眼。水眼過小,總泵壓高,對套管內壁沖蝕嚴重,長時間高壓容易損壞套管;水眼過大,鑽頭處衝擊力低,將影響鑽井速度。

7 套管鑽井 -注意事項

  井斜控制問題
  套管鑽井過程中,井斜控制是首要問題,井斜直接影響到所鑽井眼的垂直深度。也就是說油層的埋藏深度與所鑽實際深度能否相穩合,關鍵取決於井斜。控制鑽壓10-30KN合理範圍內鑽進。由於套管鑽井時,套管柱中沒有鑽鋌和扶正器等,在加壓過程中,套管柱受壓極易彎曲導致井斜。因此鑽井過成中要嚴格控制鑽壓,從這個角度講,選擇PDC鑽頭更適合於套管鑽井。轉盤轉速控制為低轉速,一般控制在60-120r/min內,低轉速鑽進過程,有利於套管柱的穩定,有利於井斜的控制。井架基座安裝平直,保證開鑽井口垂直,加強中途測斜監控,一方面便於了解控制下部井斜控制情況,另一方面便於計算垂深。
  套管保護問題
  套管鑽井完井后,套管柱直接留在井內,因此對套管保護很重要。要使用套管絲扣膠。套管依靠絲扣密封,在套管鑽井過程中,要使用套管專用膠,保證絲扣部位密封可靠,聯接牢固。套管防腐問題。套管鑽進時,由於旋轉,外壁受到磨損,其外防腐層容易脫落。內壁受到鑽井液的沖刷,內防腐層也受到沖蝕。一是要求用於鑽井的套管,做好內外塗層防腐;二是鑽井中採用低轉速小鑽壓鑽進,有利於減少套管外壁的磨損,三是採用增大鑽頭水眼尺寸,降低管內泵壓,減少鑽井液對套管內壁的沖蝕。

8 套管鑽井 -參數控制

  鑽壓控制在10-30KN。一是有利於防止套管彎曲引起井斜;二是有利於減少套管扭矩,防止鑽進過程中出現套管事故。
  轉速控制壓60-120r/min。其優點是:①減少套管柱扭矩;②低轉速鑽進,有利於減輕套管柱外壁與井壁之間的磨損。
  總泵壓控制在6-7MPa以內。一是減少鑽井液對套管柱內壁沖蝕;二是減少對回壓凡爾的沖蝕磨損。

9 套管鑽井 -技術要求

  套管鑽井與常規鑽桿鑽井有相同之處,亦有不同之處。下面介紹套管鑽井特有的技術要求。
  鑽具的主要構成(如圖2)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、扭矩鎖定器、擴眼器、鑽頭等,這些工具與常規鑽桿鑽井工具不同或者技術參數要求不同,它們構成了套管鑽井獨特的技術特徵。鑽具的主要構成(如圖2)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、扭矩鎖定器、擴眼器、鑽頭等,這些工具與常規鑽桿鑽井工具不同或者技術參數要求不同,它們構成了套管鑽井獨特的技術特徵。
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