套管钻井一体化系统组成分析

摘要：套管钻井一体化技术采用一种完全不同于常规钻井的方式[1]，通过特制的钻机和井下设备，使用经过改装的套管代替钻杆，就可以把扭矩和钻压传递到钻头。钻进时可以随时回收带钻头的井下工具串，提高了钻井效率，避免了频繁起下钻给作业带来的风险。这种钻进方式可有效的减轻油田常规钻井作业中因频繁起下钻引起的井壁坍塌、卡钻、“糖葫芦”井眼及漏失等其他问题，大幅度降低钻井时间和其他成本。

关键词：套管钻井一体化;常规钻井;井壁坍塌;卡钻

前言

套管钻井一体化技术是在钻进时用套管柱替代传统的钻柱向井下传递机械能量和水力能量，边钻进边下套管，钻达设计井深后起出钻头，将套管留在井内作完井（或某层）管柱，随即注水泥固井、完井。它将钻进作业与下套管作业合并，简化了井身结构，减少了起下钻、下套管作业次数，可及时解决不确定性问题并封隔复杂层段（漏、塌等），有效降低了不确定性地层和复杂地层井下复杂情况和事故风险发生率，缩短了建井周期，降低了钻井的作业和时间成本。

1 原理

在套管钻井过程中，套管是由顶部驱动装置带动旋转，由套管传递扭矩，带动安装在套管下端部工具组上的钻头旋转并钻进，泥浆自套管进入，由套管与井眼之间的环行空间返回。钻头固定在一个专门设计的工具组前端（如图1），工具组锁定在套管柱端部，并通过钢丝绳與一部专用起下钻头的绞车相连接。当需要更换钻头时，将锁定装置松开，利用绞车带动钢丝绳通过套管将工具组起出。换上新钻头后，再用绞车通过套管将工具组送入，锁定在套管端部。钻头的钻进过程也就是下套管的过程，完钻后即可开始固井。

2 地面设备

2.1专用钻机

以Tesco公司特制套管钻机为例[2]：

车载液压钻机，井架为直立单桅杆，钩载为100t，51/2″套管可下深3000m，41/2″套管可下深3960m。钻机配套盘式刹车为双盘四钳液压盘式刹车。钻机还配置了用来起下井下工具串的专用绞车，最大提升力为20t。整套钻机只需7辆车即可完成迁移。

2.2钢丝防喷器

在水龙头和游车之间加装液压式钢丝绳防喷器，主要是为了加强井控。钢丝绳密封器使钻机更能适应井下工具串的泵送作业。

2.3套管驱动头

在套管钻井中，套管被用来传递扭矩。顶驱的扭矩如果直接由套管扣来传递，就有可能造成套管丝扣的损坏。因此，在顶驱输出轴与套管柱上端之间设置了套管驱动头。

套管驱动头有三个功能，一是起到起升作用，二是传递扭矩，三是密封钻井循环泥浆。

3 井下管柱及设备

套管钻井钻具的主要构成：有套管、扶正器、轴向承载壳体、承扭壳体、套管鞋、密封器、轴向锁定器、止位环、扭矩锁定器、扩眼器、钻头等。

3.1套管

在套管钻井中，由于整个钻井的旋转机械能量都是由套管来传递，所以要求套管有足够的抗扭能力。目前，业内主要做法是把偏梯形扣增加一个增扭环（如图7）。增扭环放在套管接箍内，两端面与套管本体端面相接触，当外加扭矩增加时，增扭环受压，因此增加了丝扣的抗扭性。

3.2套管扶正器

套管扶正器是由扶正器和调整套组成，调整套是半开口，外表为锥形，可以补偿套管尺寸误差。当扶正器热装冷却后，调整管与扶正器紧紧地连在一起。套管扶正器可以很好地解决套管的磨损问题，基本满足了工程要求。

3.3井下锁定装置

井下锁定装置是套管钻井技术中最具特色的技术，它具有的功能是：当钻进时，井下工具串要锁定在套管上，不得有转动和轴向窜动。当起钻头时，锁定器都要解锁，井下工具串从套管内被钢丝绳打捞到地面。

井下锁定装置形式多样，大体主要由锁定活塞、承载键、承载壳体三个部件组成：当锁定活塞下行时，承载键被嵌入承载壳体内，这时承载键可承受钻井扭矩和钻压;当通过打捞矛提锁定活塞上行时，承载键被挤出承载壳体，即锁定装置解锁，整个井下工具串可提离井底。

3.4密封胶套

密封胶套用来实现井下工具串与套管柱之间的密封。它随井下工具串一起下入到井底，并与套管柱贴紧，从而实现对泥浆的密封。密封器最大密封压力为35MPa，工作密封压力为10-15Mpa。

3.5套管鞋

在套管柱最下端应安装套管鞋。该套管鞋主要用来处理井下工具串卡钻事故。当井下工具串卡在井下时，通过钢丝绳打捞矛使套管与井下工具串脱开，旋转套管柱进行套铣作业。直使井下工具串卡点被套铣掉，整个工具串才能提出井口。

3.6钻头、扩眼器

在套管钻井中，要求钻头既能通过套管内径，又要钻出比套管接箍外径大的井眼。因此，钻头必须具有变径功能。大多数公司采用领眼钻头和扩眼器有牙轮和PDC两种形式。俄罗斯已研制出可变径钻头，它可以直接用于套管钻井技术中。

4 结论

套管钻井一体化技术从九十年代开始至今已经日趋成熟，相对传统的钻井工艺，此技术在技术稳定性和经济效益两方面都有不俗的表现，甚至有国外公司将该技术称为继墩钻、旋转钻井后钻井发展的一个新纪元。

参考文献：

[1] 管志川，陈庭根.钻井工程理论与技术[M].北京：中国石油大学出版社，2016：318-325.

[2]  S.F.Sshepard，R.H.Relley，T.M.Warren.Casing Drilling：An Emerging Technology [J].Society of Petroleum Engineers，Inc.，2002，4（9）：74-86.

作者简介：杨连行（1983.02—），男，工程师，本科，2007年毕业于东北石油大学石油工程系，现在从事钻井监督工作。

中国石油辽河油田钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010