套管程序和钻进施工程序技术方案 第1章 套管程序设计

井身结构和套管程序，是钻探技术设计中必须首先确定的技术环节，它对钻探技术设计的其他环节，如钻探设备方案设计、取心或扩孔钻进用钻头方案设计、孔内钻具系统方案设计等，都有至关重要的影响作用。此外，对钻探施工的经济性也有重要的影响作用。

确定钻井的井身结构和套管程序，应遵循以下基本原则：

1）套管程序留有余地，以满足钻遇复杂地层时增加套管层次的需求。套管层次多对施工安全更加有利，并且钻达目标的把握性更大。但是套管层次多，将带来施工成本的上升和施工难度加大。因此，须综合考虑施工安全性、钻达目标的把握性和施工成本等因素后予以确定。参照已实施的类似钻井项目的经验，该井除导管之外，考虑7层套管，留1级储备，即最多可有8层套管。

2）套管与井壁之间有足够的间隙，以保证下套管、固井施工的顺利进行。同时，还要考虑下一级钻头能够顺利地在本级套管内通过。在同时满足这两个条件的基础上，应该将套管之间的间隔尽量设计得小一些，也即在有限的空间范围内使套管层数尽量多一些，这样可减小钻井直径，提高钻进效率和降低钻进成本。

3）采用标准尺寸套管，尽量采用普通的连接方式，但特殊条件下，考虑采用小接箍套管或无接箍套管，以减小钻井直径。

4）尽可能采用尾管固井，以节省钻井成本。

2.2.1 国内外超深井施工的井身结构和套管程序

目前13000m科学超深井钻进的地点和地层情况尚未确定，按钻井设计要求，不能够进行钻井的井身结构和套管程序设计。但如果不进行井身结构和套管程序设计，后续的其他设计将受此影响，对13000m科学超深井钻探施工可行性的评价便无法开展。因此，在此设计中，参考类似项目的经验，对13000m科学超深井的套管层次、套管规格和套管下入深度，提出建议方案。为此，我们首先需要了解国内外在实施类似项目时采用的井身结构和套管程序。

2.2.1.1 科拉超深井的井身结构和套管程序

前苏联在科拉半岛施工了举世闻名的Kola SG3科学超深井，其完钻井深为12262m，是世界上目前唯一一口深度超过一万米的超深井。该井在结晶岩中施工，地层情况较好。该井施工时采取了特殊的套管程序和钻进施工程序，称之为“超前孔裸眼钻进方法”。采用该方法进行钻孔设计和施工的过程如下。

设计时先不确定整个钻井的井身结构和套管程序，而仅考虑钻孔的上部，一般来说仅确定第一层（有时到第二层）套管的深度，因为上部的地质和地球物理资料还是比较可信的。开钻穿过松散层并进入稳固的基岩后，下入井口管并用水泥固结。在固定套管内下一层可回收的活动套管，然后以较小的直径，即能获得最佳技术经济指标的直径（一般是往下钻所谓的“超前孔”。如果遇到复杂情况必须下套管护壁时，将活动套管拔出，扩孔、下套管、固井后继续往下钻。根据套管直径和钻井的深度，可能在新下的技术套管内再悬挂一层活动套管。

这种施工方法的特点是：井身结构和套管程序设计留有余地，可应付复杂情况。如果岩层稳定，可尽量采用裸眼和小尺寸钻头钻进。这样一则可保证较高的钻进效率；二则可简化井身结构，减少下套管的数量，最终降低施工成本。前苏联在结晶岩中施工的所有科学钻井都采用了这种施工方法，其有效性得到了充分的验证。

如在Kola SG3科学超深井中，一开以920mm口径钻至40m深度，下入720mm表层套管，然后下入245mm活动套管，以216mm口径钻超前孔至5300m。在施工过程中，发现2000m以内有井壁不稳定问题。于是，回收245mm活动套管，以394mm口径扩孔钻进至2000m，下入320mm套管并固井。继续取心钻进之前，考虑到上部套管与钻杆之间的环空间隙还很大，再次下入245mm活动套管，然后以216mm口径取心钻进。裸眼钻进至12066m之后，又出现了井壁稳定问题，需要下套管固井。此时采取以下程序施工：回收245mm活动套管；以295mm口径扩孔钻进至8770m；下入245mm套管并固井。以下采用216mm钻头取心钻进至12262m的深度。科拉超深井井身结构及套管程序见图2.1。

图2.1 科拉超深井的套管和钻进施工程序图

2.2.1.2 KTB主孔的井身结构和套管程序

德国于1985年至1994年执行了以地学研究为目标的联邦德国大陆深钻计划（KTB），施工了两口科学钻井，即4000m深的KTB先导孔和9101m深的KTB主孔。KTB主孔的井身结构和套管程序见图2.2。

图2.2 德国KTB主孔的井身结构和套管程序

全井采用6层套管，其中最下面3层是尾管，最大尾管直径为273mm，最小尾管直径为127mm。

2.2.1.3 塔深一井的井身结构和套管程序

我国目前最深的钻井是2006年在新疆塔里木盆地完钻的石油天然气勘探井“塔深一井”，其完钻深度为8408m，井身结构和套管程序见表2.1。

表2.1 塔深一井的井身结构和套管程序

全井采用6层套管，其中未回接的尾管有两层，最大尾管直径为273mm，最小尾管直径为127mm。

2.2.1.4 川科一井的井身结构和套管程序

川科一井是在四川省绵阳市施工的一口石油天然气勘探井。该井原设计的井身结构和套管程序见表2.2。不过，由于某种原因，该井未达到原计划井深而提前完钻，深度为7566.5m。

表2.2 川科一井的井身结构和套管程序

2.2.1.5 元坝一井的井身结构和套管程序

元坝一井是施工的一口石油天然气勘探井，其完钻深度为7170.71m，井身结构和套管程序见表2.3。

表2.3 元坝一井的井身结构和套管程序

2.2.2 13000m科学超深井的套管程序和钻进施工程序

本设计对13000m超深井考虑两种套管程序和钻进施工程序，即“超前孔裸眼钻进方法”和“等井径钻进方法”。

2.2.2.1 采用“超前孔裸眼钻进方法”时的套管程序和钻进施工程序

上部采用“超前孔裸眼钻进方法”施工。该方法是科学深钻施工中常用的方法，在前苏联科拉超深井、德国KTB先导孔、中国大陆科学钻探科钻一井、汶川地震科学钻探项目的钻孔中都得到过应用。该方法的优点是，适合在地层条件未知的情况下使用，有利于解决大直径井段的取心问题和垂孔钻进问题。该方法的基本原理如下：全井以一种较小的直径取心钻进，施工效率高、成本低，容易实现。小直径取心钻进时，上部的大环空间隙会给钻探施工带来多种不利：泥浆上返流速太低，岩粉携带和排除效果差；钻杆柱受力恶劣，容易发生断钻杆事故；孔底钻具工作不平稳，导致钻头寿命低、取心效果差。为了解决这个问题，取心钻进前，先下一层与取心钻头直径接近的可回收套管（活动套管），遇到复杂情况必须下套管护孔时，将活动套管拔出，扩孔钻进穿过不稳定层，并下套管和固井，然后继续往下钻。根据套管直径和钻孔深度情况决定，下部钻进时是否再下活动套管。采用该方法施工有以下好处：

1）解决大直径井段的取心问题。13000m科学超深井上部钻孔直径在400～800mm之间。在这么大直径的钻井中取心钻进，从理论上说是可行的，但是技术难度大、钻进成本很高，并且对于不同的口径需要不同的取心钻具，钻具研制的成本也很高。而采用该方法施工，只采用一种钻具，而且是小直径（216mm）钻具程序，施工成本低、可靠性高。

2）解决上部井段的垂孔钻进问题。为了实现钻达13000m的目标，钻井的上部7000～8000m必须保持铅直。根据德国KTB主孔的施工经验，采用自动垂直孔钻进系统可实现此目标。在本超深井的小直径的超前孔钻进阶段，可实施自动垂直孔钻进方案。其优点与取心钻进的类似，即只采用一种小直径自动垂钻系统，使用成本很低、可靠性很高。

3）采用先钻小直径超前孔、再扩孔的施工方法。有利于上部井段采用非标准的钻头尺寸，最终可在相同套管层次的条件下使井眼直径变小，钻井效率提高，钻井成本降低。

4）全部采用标准尺寸套管。上部扩孔井段采用非标准钻头尺寸，以便能在有限的空间内尽可能多下套管，可减小钻进直径和套管直径，降低钻井成本。

5）从245mm套管开始，套管柱设计成尾管，以节省钻井成本。尾管固井工艺使用的限制是，要保证足够的环空上返泥浆流速，以保证好的携岩效果和钻进施工正常进行。

为此，13000m超深井超前孔裸眼钻进方法井身结构和套管程序设计方案见表2.4、表2.5、图2.3。

表2.4 13000m超深井井身结构和套管程序-1（超前孔裸眼钻进）

表2.5 13000m超深井井身结构和套管程序-2（超前孔裸眼钻进）

2.2.2.2 采用等井径钻进方法时的套管程序和钻进施工程序

等井径钻井技术是石油天然气领域的一个重大突破。该技术利用可膨胀管的技术特性，用可膨胀管代替套管，在井眼内下入多级同一尺寸的膨胀管并固井。采用该技术形成的井身结构与传统井身结构相比，具有如下显著的优点：

1）有助于地面设备的标准化。在深井钻井作业中，大量的时间花费在钻台上，如更换底部钻具组合、从钻台上甩钻杆和吊钻杆、防喷器组的尺寸受所设计的入井套管柱的限制等。采用等井径钻井技术可以将不同尺寸的地面设备标准化，可以使用一种尺寸的钻柱和钻头，缩小防喷器组的尺寸，从而大大降低一口井的钻井、完井费用。

图2.3 13000m超深井套管程序图（超前孔裸眼钻进方法）

2）有利于环保并减少总建井投资成本。因为不需要下入多层大尺寸套管，用小型钻机钻井即可，因而等井径系统能明显地降低环境影响，同时减少对材料的消耗。据报道，采用等井径钻井技术平均每口井可节省44%的钻井液用量，降低42%的套管质量，节约42%的固井水泥，节省59%的岩屑处理费用。

3）有利于钻井作业安全。常规作业中，在设备处理过程经常会造成人身伤害，等井径钻井技术虽不能取消这些作业，但可明显减小处理设备的尺寸，获得更安全的工作环境。

为此，13000m超深井等井径钻进方法井身结构和套管程序设计方案见表2.6、表2.7、图2.4。

表2.6 13000m超深井井身结构和套管程序-3（等井径钻进）

表2.7 13000m超深井井身结构和套管程序-4（等井径钻进）

图2.4 13000m超深井套管程序图（等井径钻进方法）

井身结构、套管程序与钻进施工程序方案~

3.2.1 制定井身结构、套管程序方案的基本原则
井身结构和套管程序，是钻探技术设计中必须首先确定的技术环节，它对钻探技术设计的其他环节，如钻探设备方案设计、取心或扩孔钻进用钻头方案设计、孔内钻具系统方案设计等，都有至关重要的影响作用。此外，对钻探施工的经济性也有重要的影响作用。
确定钻井的井身结构和套管程序，应遵循以下基本原则：
1）套管程序留有余地，以满足钻遇复杂地层时增加套管层次的需求。套管层次多对施工安全更加有利，并且钻达目标的把握性更大。但是套管层次多，将带来施工成本的上升和施工难度加大。因此，须综合考虑施工安全性、钻达目标的把握性和施工成本等因素后予以确定。参照已实施的类似钻井项目的经验，该井除导管之外，考虑7层套管，留1级储备，即最多可有8层套管。
2）套管与井壁之间有足够的间隙，以保证下套管、固井施工的顺利进行。同时，还要考虑下一级钻头能够顺利地在本级套管内通过。在同时满足这两个条件的基础上，应该将套管之间的间隔尽量设计得小一些，也即在有限的空间范围内使套管层数尽量多一些，这样可减小钻井直径，提高钻进效率和降低钻进成本。
3）采用标准尺寸套管，尽量采用普通的连接方式，但特殊条件下，考虑采用小接箍套管或无接箍套管，以减小钻井直径。
4）尽可能采用尾管固井，以节省钻井成本。
3.2.2 13000m科学超深井的套管程序和钻进施工程序
目前13000m科学超深井钻进的地点和地层情况全为未知，按钻井设计要求，不能够进行钻井的井身结构和套管程序设计。但如果不进行井身结构和套管程序设计，后续的其他设计将受此影响，对13000m科学超深井钻探施工可行性的评价便无法开展。因此，在此设计中，参考类似项目的经验，对13000m科学超深井的套管层次、套管规格和套管下入深度，提出建议方案。
本设计对13000m超深井考虑两种套管程序和钻进施工程序，即“超前孔裸眼钻进方法”和“等井径钻进方法”。
（1）采用“超前孔裸眼钻进方法”时的套管程序和钻进施工程序
上部采用“超前孔裸眼钻进方法”施工。该方法是科学深钻施工中常用的方法，在前苏联科拉超深井、德国KTB先导孔、中国大陆科学钻探科钻一井、汶川地震科学钻探项目的钻井中都得到过应用。该方法的优点是，适合在地层条件未知的情况下使用，有利于解决大直径井段的取心问题、垂孔钻进问题和测井问题。该方法的基本原理如下：全井以一种较小的直径取心钻进，施工效率高、成本低，容易实现。小直径取心钻进时，上部的大环空间隙会给钻探施工带来多种不利：泥浆上返流速太低，岩粉携带和排除效果差；钻杆柱受力恶劣，容易发生断钻杆事故；孔底钻具工作不平稳，导致钻头寿命低、取心效果差。为了解决这些问题，取心钻进前，先下一层与取心钻头直径接近的可回收套管（活动套管），遇到复杂情况必须下套管护孔时，将活动套管拔出，扩孔钻进穿过不稳定层，并下套管和固井，然后继续往下钻。根据套管直径和钻孔深度情况决定，下部钻进时是否再下活动套管。采用该方法施工有以下好处：
1）解决大直径井段的取心问题。13000m科学超深井上部钻孔直径在400～800mm之间。在这么大直径的钻井中取心钻进，从理论上说是可行的，但是技术难度大、钻进成本很高，并且对于不同的口径需要不同的取心钻具，钻具研制的成本也很高。而采用该方法施工，只采用一种钻具，而且是小直径（216mm）钻具程序，施工成本低、可靠性高。
2）解决上部井段的垂孔钻进问题。为了实现钻达13000m的目标，钻井的上部7000～8000m必须保持铅直。根据德国KTB主孔的施工经验，采用自动垂直孔钻进系统可实现此目标。在本超深井的小直径的超前孔钻进阶段，可实施自动垂直孔钻进方案。其优点与取心钻进的类似，即只采用一种小直径自动垂钻系统，使用成本很低、可靠性很高。
3）采用先钻小直径超前孔、再扩孔的施工方法。有利于上部井段采用非标准的钻头尺寸，最终可在相同套管层次的条件下使井眼直径变小，钻井效率提高，钻井成本降低。
4）全部采用标准尺寸套管。上部扩孔井段采用非标准钻头尺寸，以便能在有限的空间内尽可能多下套管，可减小钻进直径和套管直径，降低钻井成本。
5）从245mm套管开始，套管柱设计成尾管，以节省钻井成本。尾管固井工艺使用的限制是，要保证足够的环空上返泥浆流速，以保证好的携带岩屑效果和钻进施工正常进行。
为此，13000m超深井“超前孔裸眼钻进方法”井身结构和套管程序设计方案见表3.1、表3.2、图3.1。
表3.1 13000m超深井井身结构和套管程序-1（“超前孔裸眼钻进方法”）


表3.2 13000m超深井井身结构和套管程序-2（“超前孔裸眼钻进方法”）



图3.1 13000m超深井套管程序图（“超前孔裸眼钻进方法”）

（2）采用“等井径钻进方法”时的套管程序和钻进施工程序
等井径钻井技术是石油天然气领域的一个重大突破。该技术利用可膨胀管的技术特性，用可膨胀管代替套管，在井眼内下入多级同一尺寸的膨胀管并固井。采用该技术形成的井身结构与传统井身结构相比，具有如下显著的优点：
1）有助于地面设备的标准化。在深井钻井作业中，大量的时间花费在钻台上，如更换底部钻具组合、从钻台上甩钻杆和吊钻杆、防喷器组的尺寸受所设计的入井套管柱的限制等。采用等井径钻井技术可以将不同尺寸的地面设备标准化，可以使用一种尺寸的钻柱和钻头，缩小防喷器组的尺寸，从而大大降低一口井的钻井、完井费用。
2）有利于环保并减少总建井投资成本。因为不需要下入多层大尺寸套管，用小型钻机钻井即可，因而等井径系统能明显地降低环境影响，同时减少对材料的消耗。据报道，采用等井径钻井技术平均每口井可节省44%的钻井液用量，降低42%的套管质量，节约42%的固井水泥，节省59%的岩屑处理费用。
3）有利于钻井作业安全。常规作业中，在设备处理过程中经常会造成人身伤害，等井径钻井技术虽不能取消这些作业，但可明显减小处理设备的尺寸，获得更安全的工作环境。
为此，13000m超深井“等井径钻进方法”井身结构和套管程序设计方案见表3.3、表3.4、图3.2。
表3.3 13000m超深井井身结构和套管程序-3（“等井径钻进方法”）


表3.4 13000m超深井井身结构和套管程序-4（“等井径钻进方法”）



图3.2 13000m超深井套管程序图（“等井径钻进方法”）

钻井条件：钻井深度13000m，直井；岩心直径≥70mm。
地层条件：上部沉积岩和下部结晶岩两种情况考虑；取心钻进比率：5%左右。
确定井身结构和套管程序的基本原则：
1）套管程序留有余地，以满足钻遇复杂地层时，增加套管层次的需求；
2）套管与井壁之间有足够的间隙，以保证下套管、固井施工的顺利进行；
3）采用标准尺寸套管，尽量采用普通的连接方式，特殊条件下，可考虑采用无接箍套管或特殊接箍套管；
4）可能采用尾管固井，以节省钻井成本。
套管程序特点：
1）除导管之外，考虑7层套管，留1级储备，即最多可有8层套管。
2）上部采用“超前孔裸眼钻进方法”施工，解决大直径井段的取心问题和垂孔钻进问题。技术方案是：在活动套管内先采用小直径钻进（215.9mm全面钻进和取心钻进），再把井眼扩大到下套管、固井所需的尺寸。
3）全部采用标准尺寸套管，上部扩孔井段采用非标准钻头尺寸，以便能在有限的空间内多下套管，可减小钻进直径和套管直径，降低钻井成本。
4）从245mm套管开始，套管柱设计成尾管，以节省钻井成本。
依据上述原则，确定井身结构和套管程序如表1.1、表1.2和图1.1所示。钻进技术方法见表1.3所示。抗拉强度校核见表1.4所示。
表1.1 13000m超深井井身结构和套管程序-1



图1.1 13000m超深井的井身结构和套管程序

表1.2 13000m超深井井身结构和套管程序-2


表1.3 13000m科学超深井钻进和井斜控制技术方案


表1.4 套管抗拉强度校核一览表

第1章 套管程序设计
答：4）可能采用尾管固井，以节省钻井成本。套管程序特点：1）除导管之外，考虑7层套管，留1级储备，即最多可有8层套管。2）上部采用“超前孔裸眼钻进方法”施工，解决大直径井段的取心问题和垂孔钻进问题。技术方案是：在活动套管内先采用小直径钻进（215.9mm全面钻进和取心钻进），再把井眼扩大到下...

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