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1、IADC/SPE 155694顶驱下套管：提高施工安全和效率Zhang Hongying，SPE，He TaO，Wang Na，liu Guanghua，SPE，Zou lianyang，Huang Yanfu，中石油研究院北京石油机械厂摘要下套管是钻井施工中的一个重要步骤。随着水平井和大位移井的增多，为了防止套管串卡钻的发生，迫切需要一种技术，能够在下套管的过程中循环钻井液和旋转套管。这篇文章介绍了顶驱下套管技术(TDCR)。该技术能够满足下套管过程中的各种挑战。中国西南四川盆地所打的水平气井计划下入7寸套管，该施工由于地质条件复杂存在难度。顶驱下套管技术成功的将套管下到了目标深度。顶驱下套
2、管技术使得在长的水平段遇到复杂情况时能旋转、活动和循环，是成功作业的关键。顶驱下套管技术的好处还有利用了顶驱精确控制套管的上扣扭矩，这对于优化扣的上扣是非常重要的。下套管过程中遇到不稳定地层可以开泵循环保证井眼的稳定，避免了复杂情况的发生。由于省去了扶正台，减少了非生产时间，提高了安全和效率。顶驱下套管技术将成为下套管作业的主角并且在将来获得更加广泛的应用。介绍传统的下套管技术通常使用一些专用的工具，比如套管动力钳。在下套管的过程中不能循环、旋转和上下活动套管。在复杂地层可能会发生缩径、垮塌和岩屑沉积，导致下套管失败。据统计，下套管过程中49%的非生产时间是由于缩径和卡钻造成的。为了避免缩径和
3、卡钻，最有效的办法就是循环，而这正是传统施工方法的瓶颈，不能同时循环和活动套管串。并且要花较长时间转换为循环模式。下套管时为了套管内外压力平衡，每下入几根就要灌浆一次。这种方法很不方便又耗费劳力，并且容易漏灌，从而影响下套管质量。并且如果套管遇阻需要起出所有套管，另外组合钻具进行划眼和通井。然后重新下套管，这样既费时又效率低下。顶驱下套管技术的引进打破了施工中的各种难题。它把顶驱钻进的优点带到了下套管施工中。下套管过程中遇到不稳定地层可以开泵循环保证井眼的稳定，避免了复杂情况的发生。顶驱套管施工意味着自动化程度的提高和劳动强度的降低，因而提高了安全和效率。顶驱系统作为一项主要的油田钻井技术研发
4、于1980年，已经成为标准技术取代了一次只能接一根钻杆的方钻杆和转盘系统。它的主要优点还有更好的处理钻具和内防喷器操作。还能在钻进和起下钻过程中旋转钻具和循环，减小了卡钻和其它井下事故发生的机率。九十年代开始，套管灌注工具和循环工具的出现改变了日常的施工流程，大大的缩减了灌浆时间，被广泛应用到在海上和陆地套管作业中。二十一世纪初始，一项新技术给下套管作业带来了变革。这项新技术整合了套管钳和灌浆与循环工具，通过顶驱能实现下套管作业，被称为顶驱下套管技术。它已径成功地应用在了海上和陆地来应对工程上的挑战，被认为是工业上最具有价值的技术之一。顶驱下套管充分利用了顶驱的优点，实现了套管上扣的自动控制，
5、并且能够在循环钻井液和上下活动套管串的同时旋转套管，降低了卡套管和井下复杂情况的机率。顶驱下套管工具还被广泛地应用在套管钻井作业。该工具扩大了顶驱的应用范围实现了各项作业的整合。该项技术的应用极大的降低了下套管过程中井下和地面出现复杂情况的机率。提高了下套管作业的质量、安全和效率，降低了钻井成本，在将来的应用和继续提高上有着极为广阔的前景。设备和操作流程除了钻机和其他设备，顶驱下套管操作主要依靠顶驱和下套管工具。与此同时，在设备机械化、自动控制和智能操作方面为了提高下套管作业的安全和效率，以及降低劳动强度，建议钻井承包商配备动力套管卡瓦、套管吊卡、动力猫道、自动排管器、对扣器和其他的设备工具，
6、以达到除了司钻以外，从地面到钻台实现无人化的全自动控制。为了司钻观察方便，建议配备图像采集系统。下套管过程的示意图如图一。主要操作步骤如下：1.把套管从自动排管器送到动力猫道上。2.把套管从动力猫道上送至钻台。3.使用吊环和套管吊卡将一根套管从猫道上吊起。4.提升顶驱吊起套管。5.用对扣器对扣。6.启动顶驱下套管工具的卡瓦抓住套管。7.旋转顶驱的主轴，将套管上扣到指定的扭矩。8.如果有必要，开泥浆泵通过顶驱灌浆，灌浆后停泥浆泵（在灌浆的同时可以循环和旋转套管串，需要松开下部卡瓦）9.释放顶驱下套管工具的卡瓦松开套管。10.提升顶驱，将套管吊卡定位在节箍下面（通过图像采集系统）11.释放井口的动
7、力卡瓦，下放套管串。12.关闭动力卡瓦将整个套管串的重量坐在上面。重复以上步骤直到套管下的目标深度。简单地说，用顶驱和套管工具下套管就像用顶驱起下钻一样方便。油田应用在北美，顶驱下套管技术已经在陆地和海洋上被采用和接受。在中国，我们在几个陆地项目上实施了该技术。2010年5月，在中国西南的四川盆地用该技术成功地将7套管下到了目标深度 3,050 米，壁厚是 11.51毫米，钢级是 P 110，扣形是TP-CQ。四川盆地地质条件复杂，需要更高的技术和更好的设备。套管下到了水平段时，顶驱下套管技术通过旋转套管和循环钻井液，确保整个施工过程的顺利进行，将套管下到了目标深度。平均速度四至五分钟每根。驱
8、下套管技术被认为是将套管成功送入预定深度的关键因素。2012年3月，在中国的华北油田利用该技术成功地下入了9 5/8套管。该井是一口定向开发井，设计深度是 1,922 米。9 5/8套管（壁厚 10.03毫米，钢级N80,扣形是LCSG),套管设计下入1923.49米，最大重量111.6吨。作业过程中，所有扣都一次上到了最优值，没有一个扣损坏，所有的扭矩数据都用软件收集和存档。顶驱下套管的技术优点一项新技术是否被工业接受主要依赖四点：先进性、可行性、经济性和可靠性。先进性是引领下一次工业趋势和革命的技术前瞻，它能代替现有技术，有明显的优势。实用性是指有真正的使用价值，能够解决实际问题。经济性是
9、指商业行为，是一个相对的概念。经济性不是简单的以价格来衡量，它是对于投入和产出的综合评价。可靠性是指产品和服务坚实，这是技术成熟的里程标。这四个因素互为补充，成为不可分割的整体。作为新出现的技术和产品，顶驱下套管技术设备有以下优点：（1)循环泥浆非常方便，因此可以及时的向套管内灌入泥浆。由于泥浆泵可以随时启动，这样确保了钻井液的流动和岩屑的携带能力。钻井液冲刷井眼保证了井眼的清洁和尺寸，确保了下套管的顺利进行。尤其是，泥浆循环对于深井、复杂井和大位移井的井眼稳定至关重要。（2）这项综合技术拓展了顶驱的应用范围，并且开发了顶驱带动套管钻井技术。它缩短了处理事故的时间，减少了非生产时间。顶驱下套管
10、工具本身就有提升套管串的能力，顶驱加上吊卡作为额外的安全补充。对于没有节箍的套管，没有必要建一个辅助平台使用气动工具提升套管单根。顶驱下套管工具本身就有提升套管的功能。消除了辅助平台的操作，大大提高了安全和效率。（3）微痕抓卡技术，也称为无痕技术意味着顶驱下套管工具上卡瓦带来更小的表面损伤，甚至可以忽略。与传统的钳头比较，这项技术的使用减小了上扣过程中的损伤，提高了套管的化学抵抗力，因而增加了套管的井下寿命。（4）扭矩精确控制技术。当前对于套管串的密封性能有了更高的要求，因此对上扣扭矩更加严格了，以避免上扣不均和连接强度不均。顶驱下套管工具的扭矩控制技术使用智能软件（如图三）作为指导，并且输入
11、了整个下套管施工的参数数据库作为参考。在施工过程中，司钻可以选择套管参数和扣型，系统会自动使用推荐的扭矩值上扣，屏幕上显示出实时的上扣扭矩曲线，还可以回放。完成所有工作以后可以自动生成报告。结论顶驱下套管技术和设备将套管作业提高到了一个的新层次：它对传统的操作方式进行了革命，拓展了顶驱的应用并且提高了综合施工能力。基于顶驱下套管技术工具的自身特点，可以同时旋转、活动套管和循环泥浆。因此它有传统下套管方法无法比拟的优点，确保了在深井和超深井、复杂地层井和大位移井下套管施工的安全。这项技术可以应用到更深、位移更大和更复杂的井上去，我们相信将来这项技术会有更好的应用。鸣谢该项目由中石油金融和技术管理部门赞助。感谢这个项目的参与者Duan Mali，Zhang Ligang, Zhang Guotian, Ma Rui, Zhou Jiaqi和Xie Hongfeng，他们共同努力完成了这项研究，非常感谢。
