1樓：中地數媒
井身結構和套管程式，是鑽探技術設計中必須首先確定的技術環節，它對鑽探技術設計的其他環節，如鑽探裝置方案設計、取心或擴孔鑽進用鑽頭方案設計、孔內鑽具系統方案設計等，都有至關重要的影響作用。此外，對鑽探施工的經濟性也有重要的影響作用。
確定鑽井的井身結構和套管程式，應遵循以下基本原則：
1）套管程式留有餘地，以滿足鑽遇複雜地層時增加套管層次的需求。套管層次多對施工安全更加有利，並且鑽達目標的把握性更大。但是套管層次多，將帶來施工成本的上公升和施工難度加大。
因此，須綜合考慮施工安全性、鑽達目標的把握性和施工成本等因素後予以確定。參照已實施的類似鑽井專案的經驗，該井除導管之外，考慮7層套管，留1級儲備，即最多可有8層套管。
2）套管與井壁之間有足夠的間隙，以保證下套管、固井施工的順利進行。同時，還要考慮下一級鑽頭能夠順利地在本級套管內通過。在同時滿足這兩個條件的基礎上，應該將套管之間的間隔盡量設計得小一些，也即在有限的空間範圍內使套管層數盡量多一些，這樣可減小鑽井直徑，提高鑽進效率和降低鑽進成本。
3）採用標準尺寸套管，盡量採用普通的連線方式，但特殊條件下，考慮採用小接箍套管或無接箍套管，以減小鑽井直徑。
4）盡可能採用尾管固井，以節省鑽井成本。
2.2.1 國內外超深井施工的井身結構和套管程式
目前13000m科學超深井鑽進的地點和地層情況尚未確定，按鑽井設計要求，不能夠進行鑽井的井身結構和套管程式設計。但如果不進行井身結構和套管程式設計，後續的其他設計將受此影響，對13000m科學超深井鑽探施工可行性的評價便無法開展。因此，在此設計中，參考類似專案的經驗，對13000m科學超深井的套管層次、套管規格和套管下入深度，提出建議方案。
為此，我們首先需要了解國內外在實施類似專案時採用的井身結構和套管程式。
2.2.1.1 科拉超深井的井身結構和套管程式
前蘇聯在科拉半島施工了舉世聞名的kola sg3科學超深井，其完鑽井深為12262m，是世界上目前唯一一口深度超過一萬公尺的超深井。該井在結晶岩中施工，地層情況較好。該井施工時採取了特殊的套管程式和鑽進施工程式，稱之為「超前孔裸眼鑽進方法」。
採用該方法進行鑽孔設計和施工的過程如下。
設計時先不確定整個鑽井的井身結構和套管程式，而僅考慮鑽孔的上部，一般來說僅確定第一層（有時到第二層）套管的深度，因為上部的地質和地球物理資料還是比較可信的。開鑽穿過鬆散層並進入穩固的基岩後，下入井口管並用水泥固結。在固定套管內下一層可**的活動套管，然後以較小的直徑，即能獲得最佳技術經濟指標的直徑（一般是往下鑽所謂的「超前孔」。
如果遇到複雜情況必須下套管護壁時，將活動套管拔出，擴孔、下套管、固井後繼續往下鑽。根據套管直徑和鑽井的深度，可能在新下的技術套管內再懸掛一層活動套管。
這種施工方法的特點是：井身結構和套管程式設計留有餘地，可應付複雜情況。如果岩層穩定，可盡量採用裸眼和小尺寸鑽頭鑽進。
這樣一則可保證較高的鑽進效率；二則可簡化井身結構，減少下套管的數量，最終降低施工成本。前蘇聯在結晶岩中施工的所有科學鑽井都採用了這種施工方法，其有效性得到了充分的驗證。
如在kola sg3科學超深井中，一開以920mm口徑鑽至40m深度，下入720mm表層套管，然後下入245mm活動套管，以216mm口徑鑽超前孔至5300m。在施工過程中，發現2000m以內有井壁不穩定問題。於是，**245mm活動套管，以394mm口徑擴孔鑽進至2000m，下入320mm套管並固井。
繼續取心鑽進之前，考慮到上部套管與鑽桿之間的環空間隙還很大，再次下入245mm活動套管，然後以216mm口徑取心鑽進。裸眼鑽進至12066m之後，又出現了井壁穩定問題，需要下套管固井。此時採取以下程式施工：
**245mm活動套管；以295mm口徑擴孔鑽進至8770m；下入245mm套管並固井。以下採用216mm鑽頭取心鑽進至12262m的深度。科拉超深井井身結構及套管程式見圖2.
1。圖2.1 科拉超深井的套管和鑽進施工程式圖
2.2.1.2 ktb主孔的井身結構和套管程式
德國於2023年至2023年執行了以地學研究為目標的聯邦德國大陸深鑽計畫（ktb），施工了兩口科學鑽井，即4000m深的ktb先導孔和9101m深的ktb主孔。ktb主孔的井身結構和套管程式見圖2.2。
圖2.2 德國ktb主孔的井身結構和套管程式
全井採用6層套管，其中最下面3層是尾管，最大尾管直徑為273mm，最小尾管直徑為127mm。
2.2.1.3 塔深一井的井身結構和套管程式
我國目前最深的鑽井是2023年在新疆塔里木盆地完鑽的石油天然氣勘探井「塔深一井」，其完鑽深度為8408m，井身結構和套管程式見表2.1。
表2.1 塔深一井的井身結構和套管程式
全井採用6層套管，其中未回接的尾管有兩層，最大尾管直徑為273mm，最小尾管直徑為127mm。
2.2.1.4 川科一井的井身結構和套管程式
川科一井是在四川省綿陽市施工的一口石油天然氣勘探井。該井原設計的井身結構和套管程式見表2.2。不過，由於某種原因，該井未達到原計畫井深而提前完鑽，深度為7566.5m。
表2.2 川科一井的井身結構和套管程式
2.2.1.5 元壩一井的井身結構和套管程式
元壩一井是施工的一口石油天然氣勘探井，其完鑽深度為7170.71m，井身結構和套管程式見表2.3。
表2.3 元壩一井的井身結構和套管程式
2.2.2 13000m科學超深井的套管程式和鑽進施工程式
本設計對13000m超深井考慮兩種套管程式和鑽進施工程式，即「超前孔裸眼鑽進方法」和「等井徑鑽進方法」。
2.2.2.1 採用「超前孔裸眼鑽進方法」時的套管程式和鑽進施工程式
上部採用「超前孔裸眼鑽進方法」施工。該方法是科學深鑽施工中常用的方法，在前蘇聯科拉超深井、德國ktb先導孔、中國大陸科學鑽探科鑽一井、汶川**科學鑽探專案的鑽孔中都得到過應用。該方法的優點是，適合在地層條件未知的情況下使用，有利於解決大直徑井段的取心問題和垂孔鑽進問題。
該方法的基本原理如下：全井以一種較小的直徑取心鑽進，施工效率高、成本低，容易實現。小直徑取心鑽進時，上部的大環空間隙會給鑽探施工帶來多種不利：
泥漿上返流速太低，巖粉攜帶和排除效果差；鑽桿柱受力惡劣，容易發生斷鑽桿事故；孔底鑽具工作不平穩，導致鑽頭壽命低、取心效果差。為了解決這個問題，取心鑽進前，先下一層與取心鑽頭直徑接近的可**套管（活動套管），遇到複雜情況必須下套管護孔時，將活動套管拔出，擴孔鑽進穿過不穩定層，並下套管和固井，然後繼續往下鑽。根據套管直徑和鑽孔深度情況決定，下部鑽進時是否再下活動套管。
採用該方法施工有以下好處：
1）解決大直徑井段的取心問題。13000m科學超深井上部鑽孔直徑在400～800mm之間。在這麼大直徑的鑽井中取心鑽進，從理論上說是可行的，但是技術難度大、鑽進成本很高，並且對於不同的口徑需要不同的取心鑽具，鑽具研製的成本也很高。
而採用該方法施工，只採用一種鑽具，而且是小直徑（216mm）鑽具程式，施工成本低、可靠性高。
2）解決上部井段的垂孔鑽進問題。為了實現鑽達13000m的目標，鑽井的上部7000～8000m必須保持鉛直。根據德國ktb主孔的施工經驗，採用自動垂直孔鑽進系統可實現此目標。
在本超深井的小直徑的超前孔鑽高階段，可實施自動垂直孔鑽進方案。其優點與取心鑽進的類似，即只採用一種小直徑自動垂鑽系統，使用成本很低、可靠性很高。
3）採用先鑽小直徑超前孔、再擴孔的施工方法。有利於上部井段採用非標準的鑽頭尺寸，最終可在相同套管層次的條件下使井眼直徑變小，鑽井效率提高，鑽井成本降低。
4）全部採用標準尺寸套管。上部擴孔井段採用非標準鑽頭尺寸，以便能在有限的空間內盡可能多下套管，可減小鑽進直徑和套管直徑，降低鑽井成本。
5）從245mm套管開始，套管柱設計成尾管，以節省鑽井成本。尾管固井工藝使用的限制是，要保證足夠的環空上返泥漿流速，以保證好的攜巖效果和鑽進施工正常進行。
為此，13000m超深井超前孔裸眼鑽進方法井身結構和套管程式設計方案見表2.4、表2.5、圖2.3。
表2.4 13000m超深井井身結構和套管程式-1（超前孔裸眼鑽進）
表2.5 13000m超深井井身結構和套管程式-2（超前孔裸眼鑽進）
2.2.2.2 採用等井徑鑽進方法時的套管程式和鑽進施工程式
等井徑鑽井技術是石油天然氣領域的乙個重大突破。該技術利用可膨脹管的技術特性，用可膨脹管代替套管，在井眼內下入多級同一尺寸的膨脹管並固井。採用該技術形成的井身結構與傳統井身結構相比，具有如下顯著的優點：
1）有助於地面裝置的標準化。在深井鑽井作業中，大量的時間花費在鑽台上，如更換底部鑽具組合、從鑽台上甩鑽桿和吊鑽桿、防噴器組的尺寸受所設計的入井套管柱的限制等。採用等井徑鑽井技術可以將不同尺寸的地面裝置標準化，可以使用一種尺寸的鑽柱和鑽頭，縮小防噴器組的尺寸，從而大大降低一口井的鑽井、完井費用。
圖2.3 13000m超深井套管程式圖（超前孔裸眼鑽進方法）
2）有利於環保並減少總建井投資成本。因為不需要下入多層大尺寸套管，用小型鑽機鑽井即可，因而等井徑系統能明顯地降低環境影響，同時減少對材料的消耗。據報道，採用等井徑鑽井技術平均每口井可節省44%的鑽井液用量，降低42%的套管質量，節約42%的固井水泥，節省59%的岩屑處理費用。
3）有利於鑽井作業安全。常規作業中，在裝置處理過程經常會造**身傷害，等井徑鑽井技術雖不能取消這些作業，但可明顯減小處理裝置的尺寸，獲得更安全的工作環境。
為此，13000m超深井等井徑鑽進方法井身結構和套管程式設計方案見表2.6、表2.7、圖2.4。
表2.6 13000m超深井井身結構和套管程式-3（等井徑鑽進）
表2.7 13000m超深井井身結構和套管程式-4（等井徑鑽進）
圖2.4 13000m超深井套管程式圖（等井徑鑽進方法）
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