1、简易套管钻井技术及专用配套工具研究 冯 来 王 辉 王 力 （中国石油集团科学技术研究院机械所） （吉林石油集团有限责任公司钻井工艺研究院） 摘要：本文综合分析了国外套管钻井技术的发展现状，提出了适合国内钻井设备情况的简易套管钻井技术，详细介绍了简易套管钻井技术的特点、工艺过程、对设备的要求情况等。另外，本文对简易套管钻井技术配套工具的研制进行了详细介绍。 一、前言 套管钻井就是利用套管代替钻杆串来完成钻井作业，即用套管代替钻杆和钻铤来对钻头施加 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。钻进过程中直接采用套管（取代传统的钻杆）向井下传递机械能量和水力能量，边钻进边下
2、套管，完钻后作钻柱用的套管留在井内作完井用。 由于套管钻井技术是将钻进和下套管合并成一个作业过程，因此套管钻井与常规钻杆钻井相比，具有以下优点：节省起下钻时间，提高功效；减少井下事故；改善井控井况；保持起下钻头时钻井液的连续循环；改善水力参数，环空上返速度如清洗井筒状况；节省与钻具有关的采购、运输、检验、维护、更换等过程中有关大量的人力、物力和费用。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。 二、国外套管钻井技术研究现状 国外目前研究套管钻井的主要有 Tesco 和 Weatherford 两大公司。 Tesc
3、o 公司采用套管钻井专用钻机并配以可更换钻头来实现套管钻井。 Weatherford 公司主要采用可钻钻头。 1、 Tesco 公司套管钻井专用钻机 1）为了从套管内起下底部钻具组合并进行井下控制、操作等作业，必须给钻机配备电动或液、气动的专用小型绞车系统； 2）天车和游车都应该是分体式配置，以确 保钢丝绳处在套管的中心位置； 3）在顶部驱动装置的上部要配备钢丝绳防喷器和密封装置，以实现对钢丝绳的密封。 2、 Tesco 公司套管钻井的井下系统 套管钻井的井下系统主要由三部分组成：一是下井、回收工具；二是底部钻具组合；三是连接在套管柱末端的坐底套管。用钢丝绳起下的底部钻具组合一般由锁定和密封总
4、成、分隔箍、钻井浮箍、扩眼器和领眼钻头等组成，根据需要还可以增加井下钻井液电动机（直电动机或弯壳电动机）、随钻测量和随钻测井（ MWD 和 LWD）工具，也可以接取心工具和取心钻头进行取心作业。 起下钻时，井底钻具组合穿过套 管，可以避免对井壁的损害，保证了起下钻的安全。 为了避免套管柱弯曲可在底部钻具组合下端串接 1 2 根钻铤以增加钻压。 套管钻井的定向钻进过程在很多方面与常规钻井类似，主要的差别在于导向马达和旋转导向工具要能够穿过套管下入到井中，并能够回收。 3、 Tesco 公司 套管钻井的工艺过程 进行套管钻进时，底部钻具组合锁定在坐底套管的锁定短节上，并通过钢丝绳与一部专门用于起下
5、钻头的绞车相连接。与常规钻井一样，套管钻井也可以有旋转钻进方式、滑动钻进方式和滑动旋转钻进方式。旋转钻进方式的动力源于地面，由顶部驱动装置带动套管柱旋 转并向底部钻具组合传递扭矩，进行旋转钻进，同时也可以在底部钻具组合上安装井下电动机实现滑动钻进。当需要更换钻头时，将锁定装置松开，利用绞车通过套管将底部钻具组合起出，而不必将套管起出井眼；在起钻过程中可保持钻井液连续循环；换上新钻头后，再用绞车通过套管将底部钻具组合送入，锁定在套管端部，十分快捷。 4、 Weatherford 公司套管钻井技术 Weatherford 采用一种专门设计的可钻掉钻头，像常规钻头接在钻柱上那样，这种专用钻头直接连接
6、在套管柱的底部，由连接在顶驱上的转换接头传递扭矩，通过旋转套管以常规方 式进行钻井作业。专用钻头的独特之处就是可以被常规钻头完全钻掉，而且由于有一个浮箍作为套管柱的一部分一同下井，钻至要求井深后可以立即进行注水泥作业。采用这种方法就可以实现一趟钻作业，节省钻井时间和作业成本。 三、简易套管钻井技术 1、简易套管钻井技术对设备和工具的要求 国外套管钻井的实现都是基于以顶驱为基础的钻井装备，相应的配套工具都是在顶驱的基础上开发。 简易套管钻井技术立足国内陆上油田钻井装备的现实条件， 本着降低钻井成本的研究目标， 主要适用于陆上油田浅开发井，该技术的主要特点： 1）该套管钻井系统钻井井深有 一定限制
7、，即必须保证一只钻头打到底，中途不更换钻头的技术要求。 2）该系统无需采用顶部驱动钻井方式，而是采用转盘驱动钻井方式。因此，该系统对钻机无特殊要求，不会造成成本增加。 3）该系统采用了机械式套管夹持头，连接在方钻杆下，工作在导管内，无需增改变原钻机的液压系统。 4）该系统包括专门的钻头脱接装置，可实现对油层段的测井。 2、简易套管钻井的工艺过程 进行套管钻井时，方钻杆下连接着套管夹持头，套管夹持头对套管柱进行夹持，套管柱下端通过特制的固井短节与钻头相连。如必须进行主力油层的裸眼测井时，在钻头上方加 入钻头脱接装置，完钻后通过投球丢手方式，将钻头与套管柱脱开，钻头落入井底，然后就可以上提套管柱
8、3 5 根，暴露出主力油层，以满足裸眼测井的需要。测井过程完成后，将套管柱重新下入并实施固井工艺过程。固井时，利用特殊设计的固井自封式胶塞，实现注水泥后固井胶塞的碰压及通过固井胶塞的自锁功能实现敞压候凝。 四、简易套管钻井技术对套管的要求 在套管钻井中，希望套管有足够的抗扭能力，因为整个钻井的旋转机械能量都是由它来传递。普通的套管连接丝扣无法承受这样大的扭矩。对套管钻井中的丝扣要进行必要的改进：一方面要使套管丝扣有较 大的承扭能力，另一方面要保证不能因为丝扣的改进，使套管的成本有较大的提高。如果套管的成本增加了，可能使得套管钻井技术失去了它的经济价值。现在主要 采用两种办法：一种是采用改制接箍
9、，除掉套管接箍中间的多余丝扣部分，套管对接时丝扣端面对顶，即可实现提高套管丝扣承扭强度，或者在套管壁厚允许的条件下，采用改制套管公扣，增加套管公扣螺纹长度，满足套管对接时丝扣端面对顶。 图 1 改制接箍 五、简易套管钻井技术专用配套工具研究 1、套管夹持头 套管夹持头主要是为了解决方钻杆和套管柱之 间的连接问题。套管钻井时，夹持头连接在方钻杆下方，通过夹紧装置夹住套管驱动套管。 1）内卡式套管夹持头 主要适用套管尺寸： 7以上套管 工作原理：本体上端有螺纹与方钻杆相连接，使用时，夹持头下端的中心轴伸到套管里面，夹持头本体上伸出卡块撑住套管内壁，卡块上有卡牙夹紧套管，方钻杆传过来的动力通过卡牙与
10、套管内壁之间的摩擦传到套管上，再通过套管传到钻头上。 在本体的上端有驱动螺母，该螺母驱动本体上的长键上下移动，通过长键和卡块之间的特殊连接装置，长键驱动卡块张开或收缩。卡块由于是镶在本体上，所以只能做径向运动。卡 块夹紧套管的力由驱动螺母的上紧扭矩决定。 密封装置在伸入到套管内的中心轴下端，主要由皮碗密封组成。 为了防止卡块夹不紧套管、井下出现卡钻等异常情况下套管柱不会落入井内，并满足一定强制起钻的要求，设计有外保护装置。外保护装置通过一个金属壳体与夹持头本体牢固连接，工作时，套管接箍伸到壳体内，通过壳体上的两个窗口人为地放入两个金属块，金属块的内径略大于套管外径，但小于套管接箍外径，金属块通
11、过特殊装置固定在壳体上。当卡块夹不紧套管，套管开始下滑时，套管接箍的下端就会碰到壳体上的金属块，金属块由于固定在壳体上，无法移 动，金属块就会把套管柱重量传到壳体上，壳体与夹持头本体牢固连接，这样就保证了套管柱不会掉到井下。 图 2 内卡式套管夹持头 2）外卡式套管夹持头 适用套管尺寸： 51/2套管 工作原理：夹持头本体上端通过螺纹与方钻杆连接，夹持头本体下端是一个壳体。工作时，夹持头中心轴伸到套管内径里，壳体包住套管接箍，套管位于中心轴和壳体之间。在本体下端的壳体上开有四个燕尾槽，卡块通过燕尾槽与壳体连接，旋紧本体上端的驱动螺母，螺母下端端面推动卡块沿着燕尾槽下行，卡块上镶有牙板，牙板上的
12、卡牙咬住套管外壁。钻进时，方钻杆驱动夹 持头本体，夹持头本体驱动卡块，依靠卡牙与套管外壁之间的摩擦力驱动套管。由于外卡式是从套管外面夹紧套管外壁，如果发生夹不紧的情况，套管接箍的下端面会碰到卡块，这样套管柱便不会掉到井下。 当需要松开卡块时，驱动壳体下端的另一个螺母，该螺母的上端面推动卡块沿着燕尾槽上移，卡牙脱离套管外壁。 中心轴的下端有皮碗密封装置，保证夹持头与套管之间的密封，维持钻井液的正常循环。 图 3 外卡式套管夹持头 2、钻头脱接装置 进行套管钻井时，如地质部门要求必须进行主力油层的裸眼测井时，在套管柱下方与钻头连接处加入钻头脱接装置 ，完钻后通过水力作用，将钻头体与套管柱脱开，钻头
13、落入井底，从而可上提套管柱 3 5 根，暴露出主力油层，以满足裸眼测井的需要。 钻头脱接装置主要由本体、钻头连接体、滑套组成。本体上端是与套管连接的套管螺纹，本体通过花键与钻头连接体连接，钻头连接体下端是与钻头连接的螺纹。钻进时，套管的动力传到本体上，本体通过花键传给钻头连接体。本体内壁上有台阶，钻头连接体上端的弹性爪挂在台阶上，滑套通过销子固定在弹性爪内壁上。由于滑套紧紧固定在弹性爪内表面，所以弹性爪不能向内收缩。当投球到滑套上端，开泵憋压到一定压力时，滑套与弹 性爪之间固定的销子就会被剪断，滑套下行避开弹性爪收缩的空间。继续憋压，弹性爪在液体压力作用下开始向内收缩，外径变小，这时就可以通过
14、本体内壁上的台阶，带着钻头连接体下端的钻头一起与套管柱脱开。 本体的上端内壁上有自封式固井胶塞座，当自封式固井胶塞从井口落到胶塞座上时，固井胶塞下端的弹性挡圈便会落到胶塞座的挡圈槽内，从而实现自锁，固井胶塞下端的 O 型圈可以实现敞压候凝，提高固井质量。 图 4 钻头脱接装置 3、 套管扶正器 套管扶正器是由扶正器和调整套组成，调整套半开口，外表为锥形，用于补偿套管尺寸误差。安装时 ，调整套套在套管表面上，扶正器通过热装到调整套上，待扶正器冷却后，套管与扶正器便紧紧地连在一起。 六、结论 从 2003 年 11 至 2005 年 6 月，采用专用配套工具在吉林油田和吐哈油田先后成功进行了 4 口井的简易套管钻井技术试验，简易套管钻井与常规钻井相比，钻进速度相当，节约了完井时间，有效地保护了油气层。 因此简易套管钻井技术在技术上是成功的，在进行完善充分试验后，可望成为具有推广应用前景、降低钻井成本、具有较好油气层保护效果的钻井新技术。 参考文献：“套管钻井技术研究与试验” 王力 张嵇南 步 云鹏 李小兵 2004 中石油钻井承包商协会论文集 图 5 套管扶正器
