提高小套管钻铣工艺技术1

提高小套管井钻扫工艺技术姓名：**单位：胜利油田临盘采油厂作业一大队日期：2009.11.3摘要随着油田开发时间的不断延长，在不断承受高压注水、腐蚀、出砂及工程技术原因的影响下不少套管出现了套损现象，为了节约开发成本，利用老井眼，进行小套管二次固井技术修复了油水井，恢复了产能，但受内通径的影响，给修井工作带来了不少问题，在回采、封堵、防砂施工后常常留有水泥（树脂）塞，为了生产的顺利进行，要进行钻塞施工，在现场施工中，常常出现钻塞无进尺和钻速慢的现象，严重影响了油水井产能，钻扫技术成为制约小套管井开发的技术瓶颈之一，本文尝试分析其原因，提出解决办法，抛砖引玉开阔技术思路。

一、钻柱受力特征与常规五寸半套管相比较，在小套管井呈现如下特点1 钻柱抗弯强度低、刚性小。

2 钻柱起下摩阻大、钻压递减快3 偏心移轴，钻柱易贴套管壁形成月牙形残留物和岩屑床。

4 钻柱中和点上移，底部钻具出现S型弯曲，出现失稳现象。

5 环空间隙小、循环压降大，顶替效率低。

小套管中钻柱的受力问题更加复杂化，就是使钻柱无法将稳定而有效的钻压传递给钻头来达到破岩的目的。

三、失效分析及要因确认1、钻头失效分析1、三牙轮钻头牙轮钻头是目前使用最广泛的钻头，其扭矩在钻头里面最小、适用于各类岩层。

结构组成：牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成2、破岩原理：（1）冲击、压碎作用纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。

（2）滑动剪切作用牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎齿间岩石。

（3）射流的冲蚀作用由喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。

牙轮钻头失效分析：三牙轮钻头失效主要以钻头止推面失效和轴承部位失效为主，三牙轮钻头止推面的失效形式主要是冲击疲劳，轴承失效形式以塑性变形后压溃剥落为主。

在小套管中三牙轮钻头尺寸更小，各部件的配合间隙相当的小，在钻柱的强烈振动下，特别容易发生这两种失效，这时井底的钻压是相当不稳定的，解决牙轮钻头失效必须解决钻柱振动问题。

2、刮刀钻头一）刮刀钻头的结构主要由上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼组成。

破岩原理刮刀钻头和牙轮钻头破岩的共同点都是靠钻压和扭矩的作用破碎岩石，不同点是破碎方式不同。

刮刀钻头属于剪切破碎型井下工具，靠钻压吃人地层，靠扭矩切削岩石。

与水泥石成点-线接触，是钻头里扭矩最大的一种，主要是以面积破碎的方式进行破岩，对付松软及塑性较强的岩层有比较强的针对性，特别是水泥石随井深的增加其塑性增强，刮刀钻头相对牙轮钻头有更高的钻速。

失效分析刮刀钻头由于出刃很大，很容易吃入水泥石，但其剪切力相当大，这就更需要大扭矩来传动它进行破岩，而扭矩传递损失大正是小套管井的主要特定之一，而且刮刀钻头其耐磨性较差，很容易发生磨损产生缩颈现象，刮刀钻头钻进产生的岩屑较其他钻头大，特别是在小套管井环空间隙小，水力参数状况差的情况下更容易产生岩屑床，发生卡钻事故。

3、磨鞋失效分析磨鞋按形状和功能可分为平底磨鞋、凹底磨鞋、梨形磨鞋、裙边磨鞋等多类。

破岩原理磨鞋主要靠其底部合金材料在钻压的作用下吃入并磨碎岩石和落物，随形状的不同，并伴有不同程度的剪切、压碎、切削作用破岩。

失效分析磨鞋主要以研磨水泥石为主，与水泥石的接触方式属于面-面接触，磨鞋单点钻压相当小，而且扭矩突变性相当强，很容易发生钻柱机械连接部位损坏，随井深的增加，水泥石的塑性增强，钻速下降明显。

磨鞋产生的岩屑相当细小，安全性较强，在现在钻杆与套管间隙过小排屑困难的条件下，选用磨鞋属于无奈之举。

2、动力钻具-螺杆钻具在小套管中受井径影响和制造工艺的限制，螺杆钻具结构更加紧凑，部件配合间隙小，技术参数有所变化主要体现在以下几个方面（以某厂螺杆钻具参数为例，各厂的产品参数都不同，施工时要按照厂家提供产品的说明书选择合理的钻进参数）1 输出功率小、破岩能量小，73型输出扭矩只有200N.M，而95型输出扭矩为900N.M.2 转速快，73型转速为200-240转，95型转速为110-170转。

3 钻压小，73型推荐钻压为0.4T，瞬间钻压为0.7T，95型推荐钻压为1T, 瞬间钻压为1.5T.4 流量小，73型流量为每分钟180-240升，95型流量为每分钟360-480升，超过此流量易造成定子和转子的提前损坏。

3. 失效分析1螺杆钻具受力不稳，在小套管内处于失稳性振动状态，无法提供给钻头稳定的钻压2转速高、扭矩小，承受扭矩突变性差，当扭矩超过其承受能力时，很容易造成工程事故，若是采用的螺杆钻具+平底磨鞋的钻进模式，平底磨鞋与水泥石的接触方式为面-面接触，扭矩突变性特别大，现场施工中可操作性差，当与螺杆钻具选配时，传动轴下部应力集中，在与水泥面接触（可能有落物），很容易在传动轴底部发生断裂。

3 地面参数1拉力表量程过大目前使用的拉力表为8吨和16吨，每小格为0.6和1.2吨，而且小格之间间隙相当小只有不到一厘米，从司钻位置距离拉力表有2-3米，司钻观察悬重，比较困难，钻进时选用0.3-0.4吨钻压时很容易出现加压过大现象。

2操作窗口小，受钻头影响，自放松刹车施加钻压到拉紧刹车动作时间相当短，钻压反映明显，可操作性差。

3提升系统磨阻大，死绳处的表观钻压要小于大钩部位的实际钻压。

4转盘钻进失效分析1 扭矩损失大。

井口处的扭矩最大，由于钻柱与套管的环空摩阻高，造成传递到钻头处的扭矩要远远低于井口处的扭矩，同时钻柱对套管还有磨损现象。

2受钻杆节箍影响，钻柱两侧距套管只有5毫米间隙，排屑困难，钻头泥包。

3 采用平底磨鞋钻进时，由于磨鞋出刃不足，钻速慢，岩屑重复碾磨。

4 钻进时，部分钻压被钻盘旋转所抵消，造成钻压低。

5 修井液失效分析由于小套管环空间隙小、压力损失严重，修井液要求选用低密、低粘、低固相、润滑性好的性能，在现场中一定要注意修井液的清洁问题，现在现场一般只采用一个循环池，只有12方，在岩屑细小悬浮性好的情况下，容易形成重复循环现象，悬浮岩屑对动力钻具性能影响很大，使用寿命大大减小，悬浮颗粒的增多还造成密度增大，循环压降增强的现象，一定要及时更换。

6 水动力学参数1井眼及环空间隙小；2钻杆转速以及管柱偏心对水力学影响大；3环空压耗占总循环压耗的比例较常规井大得多，30%以上，甚至高达90%；4钻杆接头对环空压耗的影响也较常规井更突出；综上所述，对造成钻塞钻速慢要因进行确认，总结如下：1 转盘钻进扭矩损失大，需要采取减阻抗磨措施2 钻头选型不合理，钻速慢3 钻杆环空流阻大，岩屑排出不畅，造成泥包现象4螺杆钻具钻柱稳定性差，需要采取减震增稳措施5 螺杆钻具钻压低，破岩能力不足6 地面参数不合理，可操作性差四、治理措施及钻进参数优选一、提高小套管钻速的途径1选配合理的钻柱设计，优化管柱受力状态。

1钻盘钻具采取减磨降阻措施在钻柱接头上喷涂硬质耐磨材料，减少接头磨损，在钻柱上安滑动防磨护箍和扶正器，减少钻柱磨损；或安装滚动防磨护箍2螺杆钻具中采取增稳减震措施在螺杆钻具上部改变管柱结构，增加钻铤部分，使中和点下移，提高钻具的刚性和稳定性，并选配合适的水力增压器和稳定器，保证动力钻具的在稳定的状态下工作3 在深井中选用复合钻进技术复合钻进就是采用井口转盘+钻杆+稳定器+螺杆钻具+钻头的钻具结构，提供给钻头更大的扭矩和能量。

2优选钻头类型，采用单牙轮钻头和PDC钻头，提高破岩效率。

1选用单牙轮钻头单牙轮钻头以刮挤剪切与冲击扭力联合作用的方式破岩，形成具有网状切削轨迹的井底模式。

在这种独特的切削方式中，牙齿和岩石有足够的接触时间，比冲击方式传递的能量更充分，破岩效率更高；同时单牙轮钻头接触井底的牙齿数多，牙齿受力均匀，有利于切削的工作，减少牙齿的折断和脱落，延长轴承系统的寿命；单牙轮钻头只有一个牙轮，结构简单，轴承空间大，便于进行结构改进，也使钻头尺寸容易小型化；单牙轮钻头牙轮的钻速比钻头的钻速低，能满足井下动力钻具对钻头的高钻速要求。

在牙轮绕牙轮轴相对转动对井底岩石产生冲击和压入作用的同时，牙轮表面相对于井底还有很大的滑移运动，而且这种滑移运动在牙轮表面的各个部位上都不相同，使牙轮上每一颗牙齿在井底表面沿不同的轨迹滑移，对地层产生切削作用，形成具有网状切削轨迹的井底模式。

这种独特的切削方式．提高了钻头的破岩效率，特别有利于破碎目井下高围压和高钻井液柱压力而产生脆／塑性转化的岩石。

另外．单牙轮钻头牙轮转速低于钻头转速(单牙轮钻头牙轮转速与钻头转速之比为0．9～O．4，而三牙轮钻头牙轮转速与钻头转速之比为1．1～1．4)．使得该共钻头既可应用于转盘钻进．又可与井下动力钻具配合使用，满足动力钻具对钻头高转速的要求。

2 选用PDC钻头刮刀钻头由于耐磨性差，现在逐渐被PDC钻头所代替，同时由于PDC钻头无机械活动件，有较强的耐冲击性，更加适合小套管钻塞施工，PDC钻头主要以切削方式破碎岩石。

切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下发生剪切破坏。

切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头。

由于多个切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。

金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。

在深井中可选用热稳定性更高的TSP钻头，PDC钻头由于有较大的出刃，所以扭矩突变性要低于平底磨鞋，钻进效率高，还可对PDC钻头进行个性化设计，以期取得更好的破岩效果。

在转盘钻进中采取钻杆+减磨节箍+钻杆+PDC钻头，在动力钻进中选用油管+钻铤+水力增压器+螺杆钻具+稳定器+单牙轮钻头的钻进模式比传统模式将获得更好的钻速。

3优选高性能动力钻具，提高破岩效率目前国内螺杆钻具生产厂家众多，产品也不一而同，受技术水平和采用材质的影响，技术参数相差很大，优选一批扭矩大、钻压高、定子橡胶耐高温程度好、传动轴总成耐冲击性更强的螺杆钻具能更加适应生产实际需求。

4增大环空间隙，改善钻柱水动力学参数选用内直径更大的非标套管及钻柱最大直径(钻杆节箍)只有65毫米的小钻杆（内径36毫米，外径50毫米）对改善环空流阻有积极意义，但要考虑固井水泥质量和钻柱下入深度的问题，择井而用。

5采用不留塞、高强度、长效封堵工艺在小套管内封堵优先选用不留塞挤堵技术，不留塞挤堵技术就是在挤堵过程中，利用封堵剂封堵漏点或炮眼，达到预定压力后，再下管柱将套管内的灰浆冲冼干净，上提管柱待灰浆凝固。

不留塞挤堵挤术最大的特点，就是挤堵后井筒内无水泥浆。

技术关键：封堵剂的配方和挤堵工艺。

(1)、封堵剂：采用FDF-2改性水泥类封堵剂，以无机硅酸盐为主要原料，用有机硅进行了表面处理和改性。

筛选添加了触变性调节剂、早强增熟剂、降失水剂、缓凝剂、分散剂和膨胀剂、防反吐剂及纤维、树脂等填充剂，高温高压下稠度低，流动性好，具有较好的触变性，侯凝时水泥石早期强度发展快，封堵后凝结强度高，大大提高了封堵一次成功率，提高了其安全使用性能。