張 偉

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局汶川地震科學(xué)鉆探工程中心,北京 100037）

套管鉆進(jìn)及其在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用前景

張 偉

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局汶川地震科學(xué)鉆探工程中心,北京 100037）

介紹了石油鉆井領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)——套管鉆井技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展歷程和研究應(yīng)用現(xiàn)狀;分析了套管鉆進(jìn)技術(shù)用于地質(zhì)鉆探的優(yōu)點(diǎn)和推廣應(yīng)用前景;提出了地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)研究的主要內(nèi)容和項(xiàng)目建議。

套管鉆進(jìn);地質(zhì)勘探;應(yīng)用前景

套管鉆進(jìn)在石油鉆井領(lǐng)域被稱為套管鉆井,是指在鉆井過(guò)程中,直接利用套管代替鉆桿來(lái)完成鉆井作業(yè),即用套管代替鉆桿和鉆鋌,邊鉆進(jìn)邊下套管,完鉆后作鉆柱用的套管留在井內(nèi)作完井用。套管鉆井技術(shù)將鉆進(jìn)和下套管合二為一,鉆頭和井下工具的起下在套管內(nèi)進(jìn)行,利用鋼絲繩實(shí)現(xiàn)不提鉆更換鉆頭、鉆具,不再需要常規(guī)的起下鉆作業(yè)。因此套管鉆井能夠節(jié)省起下鉆時(shí)間,提高施工效率,大幅度節(jié)約鉆井成本[1]。套管鉆井是目前石油鉆井領(lǐng)域的一項(xiàng)新型的、正得到日益廣泛應(yīng)用的鉆井技術(shù)。該技術(shù)的原理完全適用于地質(zhì)鉆探,該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)同樣可在地質(zhì)鉆探施工得到充分體現(xiàn)。

1 套管鉆井施工的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

1.1 套管鉆井施工的特點(diǎn)[1]

(1）套管鉆井使用標(biāo)準(zhǔn)的油井套管,鉆井和下套管作業(yè)同時(shí)進(jìn)行;

(2）井底鉆具組合裝在套管柱的下端,靠鋼絲繩進(jìn)行更換鉆頭作業(yè),在取出鉆頭和取心工具過(guò)程中可保持泥漿連續(xù)循環(huán);

(3）套管鉆井施工中可實(shí)施許多常規(guī)的鉆井作業(yè),如定向鉆井、注水泥、測(cè)井、取心和試井等作業(yè);

(4）套管鉆井采用標(biāo)準(zhǔn)的油田套管,唯一不同的是,套管接箍或螺紋需要改進(jìn),以便提供鉆井所需要的扭矩。

1.2 套管鉆井施工的優(yōu)點(diǎn)[1]

(1）減少起下鉆的時(shí)間;

(2）節(jié)省與鉆桿和鉆鋌有關(guān)的采購(gòu)、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、維護(hù)和更換的費(fèi)用;

(3）因?yàn)榫矁?nèi)始終有套管,也不再有起下鉆桿時(shí)對(duì)井筒內(nèi)的抽吸作用,使井控狀況得到改善;

(4）消除了因起下鉆桿帶來(lái)的抽吸作用和壓力脈動(dòng);

(5）用鋼絲繩起下鉆頭時(shí)能保持泥漿連續(xù)循環(huán),可防止鉆屑聚集,也減少了井涌的發(fā)生;

(6）改善環(huán)空上返流速,一方面可減少鉆機(jī)泥漿泵的配備功率,另一方面可改善巖屑的攜出狀況;

(7）可以減小鉆機(jī)尺寸、簡(jiǎn)化鉆機(jī)結(jié)構(gòu)、降低鉆機(jī)費(fèi)用(套管鉆井是基于單根套管進(jìn)行的,不再需要采用類似雙根或三根鉆桿構(gòu)成的立根鉆井方式,因此井架高度可以減小,底座的重力可以減輕）;

(8）鉆機(jī)更加輕便,易于搬遷和操作,人工勞動(dòng)量及費(fèi)用都將減少;

(9）根據(jù)Tesco公司的測(cè)算,打一口10000 ft(1 ft=0.3048 m）的井,可節(jié)省鉆井時(shí)間約30%。

2 套管鉆井技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

2.1 套管鉆井的發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)50年代就有人設(shè)想用套管代替鉆桿來(lái)完成鉆井作業(yè),但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)和裝備條件的限制,未能實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想。在20世紀(jì)90年代,由于技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,一大批鉆井新工藝、新工具和新裝備問(wèn)世,套管鉆井技術(shù)再一次被人們提出來(lái)。加拿大Tesco公司1996年鉆成了世界上第一口套管鉆井的試驗(yàn)井,用in套管鉆進(jìn)了150 m。到2000年底Tesco公司采用套管鉆井技術(shù)一共完成了20多口開(kāi)發(fā)井,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前,套管鉆井技術(shù)作為石油鉆井領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)之一,在世界上正得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

世界上目前有兩種形式的套管鉆井系統(tǒng),即加拿大Tesco公司的套管鉆井系統(tǒng)和美國(guó)Weatherford公司的套管鉆井系統(tǒng)[2,3]。Tesco套管鉆井系統(tǒng)采用不提鉆換鉆頭技術(shù),鉆頭磨損后可直接更換。Weatherford套管鉆井系統(tǒng)與Tesco套管鉆井系統(tǒng)原理及設(shè)備基本相同,但Weatherford套管鉆井系統(tǒng)更側(cè)重表層套管的施工,立足于1只鉆頭打完全部進(jìn)尺,而不在套管內(nèi)起下工具串。其所用PDC鉆頭為特制,胎體由易鉆材料制成。相比之下,Tesco套管鉆井系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。

2.2 我國(guó)套管鉆井技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

大港油田從2003年開(kāi)始進(jìn)行套管鉆井技術(shù)的研究,在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)了陸上油田表層套管(“339.7 mm）鉆井工藝,該項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的空白。同時(shí),該公司還研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的套管鉆井工具(“339.7 mm套管驅(qū)動(dòng)器）,研制了套管鉆井用“431.8 mm(17 in）鉆鞋,并在理論研究基礎(chǔ)上,率先進(jìn)入工業(yè)性生產(chǎn),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)無(wú)套管鉆鞋的空白[2]。

2006年12月,國(guó)家“863”計(jì)劃“先進(jìn)鉆井技術(shù)與裝備”的子課題“套管鉆井技術(shù)研究”課題開(kāi)始實(shí)施,該課題由吉林油田作為依托單位,匯同中石油鉆井工程技術(shù)研究院、大慶鉆探工程公司、渤海鉆探工程有限公司和中石油管材研究所聯(lián)合攻關(guān)。通過(guò)近3年的研究和攻關(guān),研制成功適應(yīng)轉(zhuǎn)盤鉆井驅(qū)動(dòng)方式的淺開(kāi)發(fā)井套管鉆井工具配套系統(tǒng),自主研發(fā)套管驅(qū)動(dòng)頭、超短圓螺紋對(duì)頂承扭接箍、專用承扭保護(hù)器、鉆頭連接器、抗粘扣型螺紋密封脂等5項(xiàng)專利技術(shù),成功解決了國(guó)內(nèi)陸上油田在現(xiàn)有裝備條件下實(shí)施套管鉆井的難題。同時(shí),運(yùn)用套管鉆井技術(shù)進(jìn)行了8口井的套管鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。首創(chuàng)了國(guó)內(nèi)套管鉆井實(shí)現(xiàn)主力油層裸眼測(cè)井的工藝技術(shù),在國(guó)內(nèi)首次完成了井深1000 m以上套管鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該子課題于2010年1月22日通過(guò)了科技部驗(yàn)收[1]。

3 套管鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用前景

3.1 我國(guó)不提鉆換鉆頭技術(shù)研究應(yīng)用情況

套管鉆進(jìn)的基礎(chǔ)是不提鉆換鉆頭技術(shù)。我國(guó)很早就開(kāi)始了此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

原地質(zhì)礦產(chǎn)部探礦工藝研究所(現(xiàn)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所）于1985年2月研制成功BH75型擴(kuò)孔張斂式不提鉆換鉆頭鉆具,并通過(guò)了技術(shù)鑒定。這是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)第一臺(tái)、也是世界上首次投入工業(yè)應(yīng)用的不提鉆換鉆頭鉆具。1985年至1986年間,我國(guó)先后有8個(gè)鉆探隊(duì)使用該鉆具,累計(jì)進(jìn)尺近2000 m,最大鉆進(jìn)孔深997.26 m[4]。

從1993年起,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京）地質(zhì)超深鉆探國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱超深鉆實(shí)驗(yàn)室）開(kāi)始對(duì)幾種不同類型的不提鉆換鉆頭鉆具進(jìn)行了對(duì)比研究,注意到俄羅斯ВИТР(全蘇勘探與方法研究所）全面迭縮式不提鉆換鉆頭技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。超深鉆實(shí)驗(yàn)室于1995年引進(jìn)了俄羅斯ВИТР的不提鉆換鉆頭技術(shù),1995年8～10月中俄專家在超深鉆實(shí)驗(yàn)室對(duì)引進(jìn)的不提鉆換鉆頭進(jìn)行了試驗(yàn), 1996年初通過(guò)了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)引進(jìn)的驗(yàn)收。

3.2 套管鉆進(jìn)技術(shù)用于地質(zhì)鉆探的前景分析

據(jù)分析,套管鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)勘探鉆進(jìn)中具有很好的應(yīng)用前景。該技術(shù)用于地質(zhì)勘探鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)至少可在以下3個(gè)方面得到體現(xiàn):(1）可減少鉆進(jìn)施工程序;(2）可快速通過(guò)復(fù)雜地層;(3）保障深孔和復(fù)雜地層下套管施工。

3.2.1 套管鉆進(jìn)用于減少施工程序

鉆探施工中,鉆進(jìn)和下套管護(hù)壁至少分兩步完成:第一步是鉆進(jìn)成孔,第二步是下套管。實(shí)施套管鉆進(jìn),可將以上兩道工序合二為一,鉆進(jìn)到預(yù)定的下套管孔深后,回收不提鉆換鉆頭鉆具的內(nèi)管總成即可。套管鉆進(jìn)使鉆進(jìn)施工程序得到簡(jiǎn)化,施工時(shí)間也可因此得到節(jié)省。

3.2.2 套管鉆進(jìn)用于快速通過(guò)復(fù)雜地層

在一些破碎情況嚴(yán)重的地層,鉆頭通過(guò)并起鉆后,鉆孔會(huì)發(fā)生坍塌,下一回次鉆到該層時(shí)必須重新掃孔和鉆進(jìn),有時(shí)循環(huán)往復(fù)多天難以進(jìn)尺。鉆進(jìn)困難,下套管更加困難。有時(shí)在一個(gè)破碎帶,需要耗時(shí)數(shù)天,甚至數(shù)十天。

采用套管鉆進(jìn)方法,可實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn),通過(guò)復(fù)雜地層孔段后不用起鉆,一次就將套管下到位,封隔住破碎帶。如果地層破碎情況嚴(yán)重,還可采用套管鉆進(jìn)與固孔相結(jié)合的辦法。

3.2.3 保障深孔和復(fù)雜地層下套管施工

地質(zhì)鉆探的套管程序?qū)儆跇O小間隙套管程序,套管與孔壁的間隙一般只有2～3 mm,下套管遇阻的情況經(jīng)常發(fā)生。下套管遇阻后,有時(shí)需要拔出套管掃孔后再下。還有時(shí)出現(xiàn)套管拔不出又下不去的情況,結(jié)果套管下不到位,這樣一方面未能實(shí)現(xiàn)套管護(hù)壁的目的,另一方面鉆進(jìn)施工極易發(fā)生套管脫扣和斷裂事故。對(duì)于較破碎的地層和下套管長(zhǎng)度較大時(shí),這種下套管遇阻和發(fā)生套管事故的可能性較大。采用套管鉆進(jìn),可以解決這種問(wèn)題,基本上是鉆進(jìn)到什么地方,就把套管下到什么地方,大大改善了破碎地層和深孔下套管施工的可靠性。

4 地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)研究?jī)?nèi)容

在地質(zhì)勘探中應(yīng)用套管鉆進(jìn)技術(shù)需要解決的技術(shù)問(wèn)題包括:不提鉆換鉆頭取心鉆具的可靠性問(wèn)題、套管強(qiáng)度問(wèn)題、復(fù)雜地層快速固孔問(wèn)題和套管鉆進(jìn)施工工藝問(wèn)題。

4.1 不提鉆換鉆頭鉆具

盡管不提鉆換鉆頭取心鉆具在我國(guó)早已開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成功,但現(xiàn)有鉆具的可靠性還須進(jìn)一步改善。根據(jù)地層情況不同,目前擴(kuò)孔張斂式不提鉆換鉆頭鉆具的內(nèi)管總成到位及打撈成功率在85%～95%之間。今后研發(fā)工作的重點(diǎn)是解決該問(wèn)題,尤其要解決在破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)的內(nèi)管總成到位及打撈成功率的問(wèn)題。該問(wèn)題不解決,就需要經(jīng)常起鉆,套管鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)就不能體現(xiàn)。

4.2 適用于套管鉆進(jìn)的套管

地質(zhì)套管與石油套管相比有較大的不同,石油套管要經(jīng)受地層孔隙壓力的作用,在機(jī)械強(qiáng)度方面有較高的要求;而地質(zhì)鉆探的地層一般很致密,孔隙度和孔隙壓力很低,基本可以忽略,對(duì)套管的強(qiáng)度要求也相應(yīng)降低。目前地質(zhì)套管的機(jī)械強(qiáng)度一般很低,不能滿足套管鉆進(jìn)的需要。用于地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)的套管,可在現(xiàn)有地質(zhì)套管的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),有以下幾方面措施可以采用:

(1）適當(dāng)加大套管壁厚;

(2）對(duì)套管接頭部分進(jìn)行熱處理,提高其機(jī)械性能;

(3）套管螺紋連接可參照常規(guī)的繩索取心鉆桿。

值得注意的是,套管鉆進(jìn)的套管(同時(shí)也是鉆桿）在施工中是一次性應(yīng)用,不像普通鉆桿那樣是多次重復(fù)使用,因此對(duì)其機(jī)械性能的要求可低于一般的鉆桿,以便降低鉆具成本。

目前可首先考慮“114 mm套管和“89 mm(或“91 mm）套管的套管鉆進(jìn)技術(shù)研發(fā),因?yàn)檫@2種規(guī)格套管是最常用的套管,相應(yīng)的鉆孔直徑為122 mm和95 mm。

4.3 套管鉆進(jìn)中的快速固孔

遇到地層破碎情況嚴(yán)重時(shí),由于孔壁垮塌強(qiáng)烈,采用套管鉆進(jìn)也難以正常施工。此時(shí),可采用邊固孔、邊鉆進(jìn)的方法通過(guò)破碎帶。實(shí)施步驟如下:回收不提鉆換鉆頭鉆具內(nèi)管總成,在套管內(nèi)下入快速灌漿工具在部分孔段進(jìn)行灌漿。待漿液凝固后,再下入內(nèi)管總成取心鉆進(jìn)。根據(jù)取心的結(jié)果判斷是繼續(xù)灌漿固孔,還是向下鉆進(jìn),直至通過(guò)破碎帶。

5 結(jié)語(yǔ)

套管鉆進(jìn)具有可減少鉆進(jìn)施工程序、快速通過(guò)復(fù)雜地層和保障深孔下套管施工等一系列優(yōu)點(diǎn),對(duì)于當(dāng)前地質(zhì)鉆探施工的技術(shù)難題,即復(fù)雜地層鉆進(jìn)問(wèn)題和深孔鉆進(jìn)問(wèn)題,提供了一種很好的解決方案,是一種值得大力推廣應(yīng)用的鉆進(jìn)施工技術(shù)。目前的當(dāng)務(wù)之急是要盡快開(kāi)展與此有關(guān)的技術(shù)研究與開(kāi)發(fā),解決實(shí)施套管鉆進(jìn)所需解決的不提鉆換鉆頭技術(shù)、可充當(dāng)鉆桿的套管、快速灌漿固孔技術(shù)和鉆進(jìn)施工工藝等問(wèn)題,使該項(xiàng)技術(shù)盡早在地質(zhì)勘探鉆進(jìn)中發(fā)揮其良好的作用。

[1] 王緒華.套管鉆井技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].焊管,2009,32(10）:33 -36.

[2] 鄭鋒輝,韓來(lái)聚,楊利,等.國(guó)內(nèi)外新興鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油鉆探技術(shù),2008,36(4）:18-21.

[3] 馮來(lái),王輝,王力,等.可更換鉆頭套管鉆井工具及工藝研究[J].石油鉆探技術(shù),2007,35(5）:18-21.

[4] 薛萬(wàn)成.不提鉆換鉆頭巖心鉆探技術(shù)[J].地質(zhì)與勘探,1989, 23(11）:62-65.

[5] 薛軍,何德成,馬孝春.全面迭縮式不提鉆換鉆頭技術(shù)應(yīng)用于中國(guó)大陸科學(xué)鉆探的前期研究[J].探礦工程,1998,(2）:1-3.

Casing Drilling and ItsApplication Prospects in Geological Exploration Drilling

ZHANGW ei(Wenchuan Earthquake Scientific Drilling Engineering Center,China Geological Survey,Beijing 100037,China）

This article introduces casing drilling,a new drilling technology in petroleum drilling field,referring to its char-acteristics,advantages,development history and current status of its research and application.The possible advantages and application prospects of casing drilling in geological exploration drilling are analyzed and proposals on the research and de-velopment of casing drilling technology for geological exploration have been put forward.

casing drilling;geological exploration;application prospects

P634

:A

:1672-7428(2010）07-0001-03

2010-06-07

張偉(1954-）,男(漢族）,湖北恩施人,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局汶川地震科學(xué)鉆探工程中心總工程師、教授級(jí)高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),博士,從事科學(xué)鉆探工作,北京市西城區(qū)阜外大街45號(hào)院,zhangwei@wfsd.org。