套管钻井技术在定向井上的应用

摘要:伴随科学技术的不断进步，以及经济建设发展的不断需要，钻进技术在近些年也得到了突飞猛进的发展与壮大，其中以套管钻井技术最为突出。套管钻井技术因其用时短、事故风险低等优点被广泛应用于各个领域。本文通过对套管钻井技术工艺介绍、工具以及在定向井中应用所应注意的问题进行了详细的阐释和说明，以期更好的实现套管钻井技术在定向井中的有效且科学应用。

关键词: 套管钻井锁紧总成定向井井底钻具组合旋转导向

中图分类号：TU74文献标识码： A

前言：套管钻井技术与传统的钻井模式相比具有相当明显的技术优势，其钻机设备简单、用液量少、人工成本低且对于环境的影响也较小，这在一定程度上便提高的钻井的效率、安全性以及稳定性，尤其在油田开发方面发挥了相当大的作用，成为目前应用最为广泛且科学的钻井工艺。但在定向井应用方面，使用定向套管钻井，由于钻杆钻井的常规定向装置被进行了替换，使得对于钻头、稳定器以及泵等工具受到了一定限制，因此在定向井应用方面还要进一步考虑相关装置受限问题，并给与合理完善与解决，以更好的适用于定向井作业。

一、工艺简介

套管钻井使用常规套管作为钻井管柱,实现了钻井和下套管的同步。一套可回收式电缆钻井装置悬挂在靠近套管底部的短节上,钻井液从套管内部进入,从套管和井壁间的环空上返。除了定向作业是由马达弯接头组合进行的滑动钻井,其他作业均是由顶驱从井口驱动套管进行旋转钻井。套管钻井的领眼钻头可从套管内通过,钻头上部带扩眼器,能将井眼扩大至下套管作业所需的井眼尺寸。如用

f244. 5mm、53. 64 kg /m、壁厚8. 64mm套管钻井时可用f215. 9 mm钻头和f311. 2 mm扩眼器。

二、配套工具

除了钻头、扩眼器和其他一些特殊工具外,常规钻井的许多工具都能使用。如直井上使用的扶正器,定向井上使用的定向马达、MWD和无磁钻铤等。随着套管钻井的发展,不断有新的配套工具被研发出来,目前大量使用的有下列几种。

1、锁紧总成(DLA)

通过一个特殊工具与套管底部相连的钻井装置叫锁紧总成(DLA),其结构包括:旋转台肩接头、扭转锁、轴向定位、轴向锁等,其作用是通过旋转台肩接头将传统钻井工具与套管相连,便于工具出入套管。

2、可移动套管下入系统

该系统可以连接在普通钻机顶驱上,不用上扣就使套管柱与顶驱相连。该系统包括一个卡瓦和一个液压密封装置保证钻井液的密封循环。因为减少了一次上/卸扣程序,提高套管连接的速度,并防止套管丝扣损伤。使用快速连接套管装置和动力卡瓦减少了接单根工作量,使套管连接和钻杆连接一样快,并增加了钻台的安全程度。

3、可回收式井下工具

早期的可回收式井下工具只能在直井中使用。功能包括:井底钻具组合与套管之间轴向和扭转方向的锁定和解锁功能；密封套管,将钻井液引导至钻头；不需要精确的电缆测量将锁紧总成置于套管与井底钻具组合间的连接短节内。

在倾角大于90b时,在下电缆前将井底钻具组合泵送释放入井。因为井底钻具组合要承受力和振动,其结构不宜复杂,因此很多复杂的功能都集中在起下钻工具上。

可回收式电缆系统可与f339. 7 mm或尺寸更小的工具配合使用,同时所有工具都可以用钻杆起下。锁紧总成有一个内径相当大的中空腔(f177. 8mm套管的锁紧总成内径为69. 9 mm)可减少压耗，也便于对挂在锁紧总成下端的井底钻具组合进行电缆作业。

定向套管钻井系统的井底钻具组合常常由领眼钻头、扩眼器、导向泥浆马达、MWD和无磁钻铤组成。除了泥浆马达比同井径传统定向井的小之外,其他部分均与之相似。导向用的磁性MWD与套管鞋之间需要接一根无磁钻铤,这样钻头和扩眼器到套管鞋的距离大约是24-37m。

三、需要考虑的问题

1、定向控制问题

套管钻定向井时选择井底钻具组合要考虑井斜控制问题。首先是在套管柱下部上加扶正器。将套管稳定在井眼中心,利用套管的刚性保证钻头沿直线钻进,这种方法经实践证明是不可行的。

套管将机械动力和水动力传递给井底钻具组合,但井底钻具组合却不受套管刚性及横向运动的影响,因此需要稳定领眼中钻头与扩眼器之间的钻具组合,以此进行井斜控制。在套管下端仍使用防缩径扶正器保证固井作业中套管柱居中,同时也防止套管意外进入严重缩径的井段。

定向控制的总原则是在领眼钻具上安装扶正器,钻出平滑、规则的井眼,然后再扩眼,使套管与井壁间留有足量的间隙,套管可沿此井眼顺畅地下入。使用传统定向马达进行的滑动钻井作业却略有不同。为满足滑动钻进时不旋转钻柱的需要,扩眼器必须装在马达下方,紧邻钻头。领眼扶正器位于扩眼器切削齿之下与之合二为一,这样也可以钻出平滑的井眼。

在套管钻井系统中马达、钻头、扩眼器必须能从管中通过,马达外径要小于套管内径。同时,与传统钻井方式相比,钻相同曲率井眼时套管钻井使用的弯接头角度更小,这就增加了滑动钻井相对于旋转钻井的比例,但也限制了最大井眼曲率。提供定向控制最理想的组合方式是在领眼中扩眼器下方下入旋转导向系统。这样可以得到更稳定的造斜率并减少滑动钻井中遇到的问题。

2、套管的扭矩和拉力问题

套管的扭矩和拉力对于钻杆钻井也有一定的影响，只有扭矩和拉力符合定向井钻井标准，才能从根本上保障套管技术适用于进行定向钻井，另外，在扭矩的确定方面，还要充分考虑接触压力、摩阻系数以及有效旋转直径等数据参数，以确保与定向井相吻合。

因为套管更重,受力比钻杆钻井时要大,加之直径更大,因此旋转扭矩更大。如果井眼弯曲,套管刚性也会成为影响扭矩的重要因素。定向套管钻井中的扭矩并非总是偏高,但设计时应该充分计算和评估采用特定井眼轨迹、钻井液类型、套管接头和顶驱时的套管扭矩值。应用常规的扭矩)拉力模型和常用的摩擦系数、井眼挠度值计算出的扭矩值可能会低于实际值。

3、套管的疲劳破坏问题

多数情况下,套管外径比钻相同井眼时钻杆及钻铤的外径要大,因此刚性较大在任一特定曲率下旋转时受到的反向应力也大。这些力可以引起任何尺寸、钢级套管的疲劳破坏,同时也限制了造斜率的范围。套管和套管接头的这方面资料很少。

弯曲应力稍微大于极限值时不会立刻导致套管的破坏,因此作为钻柱的套管在短距离上曲率可以超过平均最大允许值。而在这种较高应力下,旋转到一定次数时,就特别容易发生疲劳破坏。井眼曲率最好远远低于套管的弯曲应力极限值,以保证套管能耐受导向马达钻进时不可避免的较大狗腿度。接头的设计也会大大影响套管的耐受极限。

横向震动引起的应力也是套管疲劳破坏的一个常见原因。多数套管疲劳破坏都发生在套管钻直井时,一般都是由横向震动引起的应力造成的。定向钻井中由于所使用的导向马达转速低,加上井斜对横向震动的抑制作用,疲劳破坏影响程度相对较小。

4、马达动力问题

某些尺寸的套管要求的马达尺寸较小从而限制了马达的动力,这对尺寸在f177. 8 mm以上套管几乎没有影响。小的马达比常规尺寸马达更灵活不好控制,加上马达上部不能接通径刚性叶片扶正器,增加了定向控制的难度。

5、经济性因素

套管钻定向井更容易控制导向马达的方向,减少更换井底钻具组合部件时的起下时间。使用较小尺寸套管钻井对钻速有些影响,而使用大尺寸套管钻井身剖面难度较小的井,就能在不降低定向效率和钻速的前提下充分发挥这些优势。

结语：综上所述，套管钻井作为目前最为科学且实用的钻井技术，其在定向井上的应用还存在一定的问题，这主要来源于定向控制、套管的疲劳破坏问题、套管的扭矩与拉力问题、马达动力问题以及经济性因素等，只有通过科学且有效的方法进一步强化套管钻进技术在定向井应用中的工艺改进以及完善，才能更好的适用于定向井钻井，并充分发挥套管钻井的技术优势，进一步推进我国钻井工艺的完善与发展。

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（04）.

作者简介

刘涛，1982，男，北京，中级工程师，本科石油工程，主要海洋石油钻井。