可回收套管钻井关键技术及其应用
李孟1, 唐中原2, 张卫东3     
1. 中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司 ;
2. 塔里木油田分公司 ;
3. 中国石油大学(华东)
摘要: 我国还没有关于深部钻井和大井段钻井的可回收套管钻井系统的相关应用和研究。为此,从套管钻井钻机、套管驱动系统、钻锁工具、井底钻具组合、导向钻头和井下扩眼器、固井装备等方面分析了套管钻井系统的结构特点及性能要求。同时指出可回收套管钻井技术与旋转导向和随钻测量技术结合可形成导向套管钻井技术,该技术可以很容易地进行定向控制,还可以减少甚至消除与滑动钻井相关的容积式液压马达的局限性问题。最后指出可回收套管钻井技术可以有效应对盐膏层和井漏等复杂情况,将在提高浅层油气藏开发效益,降低中深井钻井成本方面发挥巨大优势。
关键词: 套管钻井     可回收     套管驱动系统     钻锁工具     钻具组合     导向钻头     导向套管    
Key Technology and Application of Recoverable Casing Drilling
Li Meng1, Tang Zhongyuan2, Zhang Weidong3     
1. National Engineering Research Center of China United Coalbed Methane Corporation, Ltd. ;
2. PetroChina Tarim Oilfield Company ;
3. China University of Petroleum (Huadong)
Abstract: The recoverable casing drilling system components and characteristics have been introduced.The structural characteristics and performance requirements of main casing drilling system components have been analyzed,including the casing drilling rig,casing drive system,drilling lock tool,BHA,directional drilling bit and downhole reamer,cementing equipment and other tools.Recoverable casing drilling technology combined with rotary steering drilling and MWD technology could form directional casing drilling technology, which can easily conduct directional control and also reduce or even eliminate the PDM limitation problem related to sliding drilling.The recoverable casing drilling technology can effectively deal with salt layer and downhole lost circulation,presenting great advantages in improving the shallow reservoir development efficiency and reducing the cost of medium to deep well drilling.
Key words: casing drilling     recoverable     casing drive system     drilling lock tool     BHA     directional drilling bit     directional drilling casing    

0 引 言

套管钻井技术经历了初期套管钻井技术、不可回收套管钻井技术及可回收式套管钻井技术等几个发展阶段[1]。可回收式套管钻井技术是通过钢丝绳将井下钻具组合进行回收的一种新兴套管钻井技术,具有节省钻井时间和降低钻井成本等优点[2]

作为套管钻井技术先驱的加拿大Tesco公司,在借鉴绳索连续取芯技术的基础上[3],将其核心的液压技术应用到可回收套管钻井技术中,研发了新一代的可回收套管钻井技术。我国在不可回收套管钻井技术方面开展了相关研究[5-7],但可回收套管钻井技术的开发与应用尚处在雏形发展阶段,还没有关于深部钻井和大井段钻井的可回收套管钻井系统的相关应用和研究。为此,笔者探索研究了国外的可回收套管钻井技术设备及工艺技术,以期为我国套管钻井技术的发展带来启示。

1 可回收套管钻井系统

可回收套管钻井系统就是用标准的油田套管边钻进边封隔井眼,系统结构简图如图 1所示。套管代替常规钻柱,通过套管传递水力和机械能量至钻头。其底部钻具组合一般由导向钻头、管下扩眼器和其他辅助工具组成。动力通过与最底部套管连接的钻具组合传递给钻头。底部钻具组合和钻锁工具相连,安装在套管串的底端。钻锁工具将底部钻具组合与套管机械连接和液压密封,为下部提供扭矩和轴向力。钻锁工具和底部钻具组合可以用钢丝绳或钻杆进行下入和回收。可回收套管钻井系统的特点是底部钻具组合可用电缆进行回收,这意味着起、下钻具可在数分钟内完成,起、下钻具并不影响钻井液循环和套管串旋转,消除了因长时间起、下钻所带来的井眼抽吸和垮塌等问题。将钻锁工具和底部钻具组合从套管内取出,相当于常规钻井中的起下钻作业,也能用来取芯、定向、随钻测井及随钻测量等特殊钻井作业。导向钻头需要通过套管串传送至底端,因此需要一个井下扩眼器使井径扩大到套管可以通过的尺寸。通过旋转套管或采用井下马达进行正常钻进和钻井液循环,钻达目的井深后,起出底部钻具组合和导向钻头进行固井作业。

图 1 可回收套管钻井系统简图 Fig.1 Schematic of recoverable casing drilling system

2 可回收套管钻井系统主要装备 2.1 套管钻井钻机

为了提高可回收套管钻井的效率,Tesco公司专门设计了一种新型的全液压混合型钻机,该钻机既能用于套管钻井,也能用于常规钻井。 该钻机的高度较低,吨位比同种常规钻机降低50%,钻机的额定钻深为3 000 m,包括1台带整体式顶驱装置和绞车的双腿式伸缩井架,1个钻台高度为48.8 m的模块化吊装底座,1台井架返出管线清洁器及1台588.4 kW的三缸钻井泵。为了操作和控制底部钻具组合,天车和游车呈分体式配置,以确保钢丝绳处于套管中心。钻机的所有设备都由液压源提供动力,液压源由柴油机驱动。新一代混合型钻机自动化程度高,由数字式可编程逻辑控制器(PLC)进行控制,数字式仪表自动记录,司钻可以随时了解钻机的各项运行参数。 新型混合型钻机运输和安装简便,操作和钻井效率高,节约了钻井成本;同时钻机设备的模块化设计也减少了对井场的占用。

新型钻机与常规钻机相比,有4处明显变化:①安装了1个钢丝绳绞车,能够起下底部钻具组合,作业时能和PLC结合使用;②安装了1个分离的游动滑车、顶驱及天车,帮助钢丝绳顺利下入套管;③顶驱上部安装了钢丝绳防喷器和双密封装置,保证钢丝绳周边密封完好;④增加了1套套管柱处理工具,以便处理问题套管。

2.2 套管驱动系统

套管驱动系统(见图 2)是由钻机的顶驱组成的大功率顶驱,能将各类尺寸的套管进行连接。当套管钻进时,它夹持并旋转套管。一个由液压驱动的抓钩抓住套管,传递扭转载荷和轴向载荷至套管串。封隔器皮碗在抓钩下面进行密封,紧贴着套管内壁。钻进时,钻井液在中间循环而不溢漏。套管驱动系统具有5 000 kN的承载能力,可以处理ø177.8~ø508.0 mm套管。如果由套管直接传递扭矩,可能造成套管螺纹损坏,因此在套管柱上端和顶驱输出轴之间安装了1个套管驱动头。套管可直接与驱动头连接,由内部卡瓦夹紧,内部的打捞矛和密封元件共同进行密封。驱动头由液压驱动,顶驱进行控制。这使得套管不用被螺旋地上进顶部的套管连接器,而是快速直接地安装到位。先由顶驱传递钻机的扭矩至套管驱动头,再由套管驱动头将旋转扭矩传至套管。在这个过程中,套管的螺纹并不参与扭矩的传递。而最新的套管驱动头能减少1个上扣周期,极大地降低了螺纹的损坏程度。驱动头的上部还安装了1个小型防喷器,以便在发生井涌或井喷时能够及时关井。套管驱动头的主要作用是传递扭矩、起下套管和密封循环钻井液。套管驱动头的使用减少了接单根工作量,也增大了钻台的安全系数。整个套管驱动系统加速了对套管的操作处理,避免了上卸扣操作对连接螺纹的损伤。

图 2 套管驱动系统 Fig.2 Casing drive System

2.3 钻锁工具

钻锁工具是可回收套管钻井的关键装备之一,它包括能够传递钻具组合轴向载荷的轴向锁紧装置、可抑制和传递扭矩的扭矩固定器、液压密封装置及与下部钻具组合的连接部分,结构如图 3所示。它能与带键槽的剖面啮合,把套管上的扭矩传递给底部钻具组合,同时与无轴向移动的轴向锁定器啮合,将压力和张力载荷传递至井底的钻具组合。钻锁工具的主要作用是:通过传递扭矩将钻具组合锁定在套管底部,其液压密封装置可保证套管与底部钻具组合的密封。钻进时,钻锁工具将底部钻具组合锁定在套管上,既不能转动也不能轴向移动,当需要更换钻头或井下工具串时,锁定器解锁,井下工具从套管内打捞至地面。整个过程中钻井液循环和套管柱旋转不受影响。

图 3 钻锁工具 Fig.3 Drilling lock tool 1—密封胶圈;2—轴向锁定器;3—止销;4—扭矩锁定器;5—旋转连接。

2.4 井底钻具组合

随着人们对定向钻进认识的加深,以及对钻井工具的不断改进,井底钻具组合已经可以在水平井中使用。当地层倾角大于90°时,需要在下电缆前将井下钻具组合泵送下入井中。井底钻具组合作为可回收套管钻井的核心工具(见图 4),通常由下部的井下扩眼器和导向钻头组成。导向钻头必须保证能通过套管进行下入,井下扩眼器钻开井眼的直径必须保证套管能够下入。井底钻具组合上的稳定器是为了防止工具在套管内部移动。套管外的扶正器是为了使套管居中并减轻套管与井壁接触处的磨损。套管鞋通常由硬质材料制成,以确保穿过套管鞋的井眼是全通径的。如果扩眼器钻的井发生缩径,它还能提供扭矩指示。 对于直井,需要在钻具组合上安装稳定器进行井的垂直控制;对于定向井还要安装导向钻井液马达、无磁钻铤、钻井液马达、随钻测量或随钻测井工具(见图 5)。除了钻井液马达要比同井径的一般定向井小之外,其他部分均与传统规格相似。套管鞋与MWD工具之间需要接1根无磁钻铤,保证钻头至套管鞋所需的距离。

图 4 井底钻具组合结构示意图 Fig.4 Schematic of BHA 1—可回收打捞头;2—密封元件;3—轴向锁紧器;4—止动器;5—扭矩锁紧器;6—隔离环;7—稳定器;8—下部扩眼器;9—钻头;10—扶正器;11—轴向及扭矩锁紧器;12—套管鞋。

图 5 直井与定向井的钻具组合 Fig.5 BHA for vertical well and directional well

2.5 导向钻头和井下扩眼器

导向钻头和井下扩眼器通过钻井套管为钻井和完井提供清洁的井眼。井下扩眼器(见图 6)的切削结构采用破岩能力极强的大直径PDC材料制成,由液压控制其伸缩。在起、下钻具过程中,刀具的切削臂均处于收缩状态,能够从套管内顺利通过。导向钻头可根据地层情况,选择牙轮钻头或金刚石钻头。井下扩眼器和导向钻头所钻的井眼直径必须大于套管柱外径,这样才能为下套管和固井作业提供足够大的环形空间。 取芯作业时,只需将导向钻头换成取芯钻头,上部连接取芯筒至井底钻具组合。取芯结束后,液压收缩井下扩眼器,解锁钻锁工具,用钢丝绳将井下钻具组合连同取芯筒一并起出。

图 6 井下扩眼器 Fig.6 Downhole reamer

2.6 固井装备

以前的固井作业中要先向套管内泵入1个固井浮箍,将其锁定在底部套管上。固井浮箍由橡胶和铝材制成,可钻性好,它也能密封住固井水泥的回压。当固井浮箍坐落到位后,就可以用常规方法进行固井。如果需要继续钻进,下入小一级的套管,将固井浮箍和水泥环钻穿后即可进行下一步的钻进工作。目前,可回收套管钻井采用泵下位移塞(PDDP)进行固井作业,过程如图 7所示。泵下位移塞的功能相当于上胶塞,被装载到合适的水泥头中,泵送至井下,坐落在剖面带短节上。一旦坐落成功,它就充当浮箍的作用,允许钻机工作。这些工具都可以被旋转导向工具和PDC钻头钻穿。

图 7 PDDP固井过程 Fig.7 PDDP cementing process

2.7 其他工具

可回收套管钻井系统所使用的套管与常规钻井所用套管尺寸相同、质量相同、等级同等。由于它需要传递钻井过程中的机械能和液压能,普通的套管连接螺纹无法承受如此大的扭矩,所以采用特殊的双级螺纹或梯形螺纹,套管接箍也改用加强型。

套管接头与普通接头不同,因为套管钻井中的连接必须提供足够的抗扭强度,耐疲劳性及良好的密封性能。最新的应用表明,在套管接头处安装防磨扶正器可起到良好的保护作用。

刚性扶正器需要定向性能、磨损管理、键槽控制和居中固井等功能,主要用来防止套管磨损,还有助于注水泥和清除岩屑。与传统固井扶正器不同,套管钻井扶正器的主要标准是经济、结构坚固而且足以承受钻井所出现的载荷,也能够安装在套管上而不改变套管的性能。套管钻井使用的扶正器结构是管状本体上安装了刀片液压形式,使硬刀片和柔性管材料之间有平滑的过渡。

3 导向套管钻井技术

在通常打直井的情况下,不可回收套管钻井系统与可回收套管钻井系统都可以进行钻井作业。但是当不能旋转套管而是采用内部马达驱动,或者所钻地层不能用1个钻头钻穿的情况下,只能采用可回收套管钻井系统。威士德公司与斯伦贝谢公司合作,将可回收套管钻井技术与旋转导向和随钻测量技术结合,形成了新型导向套管钻井技术,已在美国德州南部、欧洲北海和中东等地区成功应用。

国外套管钻井的定向作业由旋转导向技术代替螺杆完成。采用弯接头和螺杆进行定向钻进时,如果使用的套管直径偏小,井底定向马达的型号偏小,将导致机械钻速慢,钻井效率低。如果钻水平井和大位移井,使用弯接头与螺杆组合定向难度非常大。而旋转导向技术与可回收套管钻井技术的结合可以很容易地进行定向控制,还可以减少甚至消除与滑动钻井相关的容积式液压马达(PDM)的局限性和定向困难等问题。该项新技术也能使井眼更加光滑,降低了旋转扭矩,减轻了套管磨损。

导向套管钻井过程如图 8所示。

图 8 导向套管钻井过程 Fig.8 Directional casing drilling process

图中:①为下钻;②为下放钻杆,连接并安装钻井锁;③为上拉起出下放工具;④为钻进;⑤为机械解锁工具;⑥为机械解锁工具解锁钻井锁,将钻井锁从套管螺纹接头处脱离;⑦为起出钻井锁。

新型定向套管钻井技术与可回收技术比较相似,它们的钻锁工具相差不大,特有的机械解锁工具(MRPT)由钻杆输送,与钻井锁连接在一起。 这个机械解锁工具包括1个连接在钻杆上的上部接头,上部接头包括1个旁路通道以便液体能进入。工具的底部有1个抓钩和抓钩套,用来连接在钻锁工具的顶部。液压下放工具 (HST)与钻杆连接在一起,然后下入井内。改进后的液压下放工具(HST)能够右旋,且能够承受更大的扭矩(HST为右旋解锁)。钻锁工具下放至短节位置,上提304.8 mm(12 in)循环钻井液。 然后下放钻锁工具至止动槽,悬重下降为0,钻锁工具安装到位。从钻杆内投球,然后加泵压,钻锁工具向下移动。继续增大泵压至释放压力,钻杆与钻锁工具脱离,钻锁工具安装到位。

4 可回收套管钻井技术应用前景

常规套管钻井技术适用于软地层的直井段钻进,而在硬地层钻进时就必须考虑套管的磨损保护和切削结构破坏等情况,可回收套管钻井技术可以很好地解决这些问题。钻井时,如果钻具的切削结构遭到破坏影响钻速,可回收的井下钻具组合可以迅速更换钻具,通过使用可回收的固定在套管鞋下的钻井工具进行偏差控制,定向钻头上的稳定器能提供光滑的垂直井眼通道,稳定器下的扩眼器能钻出预定直径的井眼。

钻井过程中可能存在井斜问题,井斜会导致垂深和完钻深度存在差异。断层、裂缝及地层倾角是影响井斜的重要因素,因此在地层倾角大且不稳定的区域应用可回收套管钻井技术能够更好地控制井斜。可回收套管钻井技术可在盐膏层段广泛应用,井下钻具组合+井下扩眼器+导向钻头的组合能满足盐膏层段的钻进要求。套管钻井相对钻杆钻井环空较小,钻井液返速较高,可以对井底进行迅速清洗。套管钻井过程中一直保持套管的旋转还能保持较高的井壁稳定性。井漏会引起井喷、井塌和卡钻等事故,而套管钻井中存在涂抹效应[3, 8-9],可以极大地消除这些问题的影响,使此项技术在易漏区的应用可取得良好的效果。

利用可回收套管钻井技术在海上进行钻井作业能省略复杂的表层开钻工序,用常规套管替代隔水管,简化井身结构,提高钻井效率,节约钻井成本。

5 结束语

与常规套管钻井技术相比,可回收套管钻井技术能够更换井下钻具组合,可以有效解决深井需要更换钻头和定向井更换钻具组合的问题;另外,可回收套管钻井技术可以应对盐膏层和井漏等井下复杂情况,因而应用范围较广。通过逐步完善套管钻井系统,此项技术将在提高浅层油气藏开发效益,降低中深井钻井成本方面发挥巨大优势。

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文章信息

李孟, 唐中原, 张卫东
Li Meng, Tang Zhongyuan, Zhang Weidong
可回收套管钻井关键技术及其应用
Key Technology and Application of Recoverable Casing Drilling
石油机械, 2016, 44(6): 47-51
China Petroleum Machinery, 2016, 44(6): 47-51.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.06.010

文章历史

收稿日期: 2016-01-28

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