套管钻井工艺、工具、装备套管钻井工艺的基本点是取消常规钻杆、以套管代替钻杆。其泥浆循环方式、送钻方式、取芯方式、防喷器组以及各种钻井参数与常规钻井没有大的区别。在套管钻井过程中，套管是由顶部驱动装置带动旋转，由套管传递扭矩，带动安装在套管端部工具组上的钻头旋转并钻进。由于套管钻井没有起下立柱的问题，因此，钻机高度可以降低到20 米左右，并且结构也可以简化（见图1 所示）。由于钻头内径小于套管内径，不能钻出直径大于套管外径的井眼，故在钻头上方工具上另外装有可以张或缩进的的扩眼器。钻进工况下扩眼器打开，即可将井眼扩大。泥浆自套管当中进入，由套管与井眼之间的环行空间返回。钻头固定在一个专门设计的工具组前端，工具组锁定在套管柱端部（如图2 所示），并通过钢丝绳与一部专用起下钻头的绞车相连接。当需要更换钻头时，将锁定装置送开，利用绞车通过套管将工具组起出。换上新钻头后，再用绞车通过套管将工具组送入，锁定在套管端部；钻头的钻进过程也就是下套管的过程。套管一根根地打下去，不再提起。完钻后即可开始固井。

套管钻井适用于油层埋藏深度比较稳定的油区：由于套管钻井完井后直接固井完井，然后射孔采油，没有测井工艺对储层深度的测量、储层发育情况的评价，故此要求油层发育情况及埋藏深度必须稳定，这样套管钻井的深度设计才有了保证。

适用于发育稳定，地层倾角小的区域：由于套管钻井过程中不可避免地存在井斜，井斜影响结果就是导致完钻井深和垂深存在差异，井斜越大，这种差异越大。而地层倾角的大小、裂缝、断层等的发育情况，对井斜的影响起着重要作用。因此设计套管钻井区域地层倾角要小，裂缝、断层为不发育或欠发育，才有利于套管钻井中井斜的控制。

1、减少起下钻的时间。用钢丝绳起下更换钻头要比传统的用钻杆起下钻大约快5-10倍；

2、节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用；

3、因为井筒内始终有套管，也不再有起下钻杆时对井筒内的抽汲作用，使井控状况得到改善；

4、消除了因起下钻杆带来的抽汲作用和压力脉动；

5、用钢丝绳起下钻头时能保持泥浆连续循环，可防止钻屑聚集，也减少了井涌的发生；

6、改善了环空上返速度和清洗井筒的状况。向套管内泵入泥浆时因其内径比钻杆大，减少了水力损失，从而可以减少钻机泥浆泵的配备功率。泥浆从套管和井壁之间的环形空间返回时，由于环空面积减小，提高了上返速度，改善了钻屑的携出状况；

7、 可以减小钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用。原因如下：

(1) 水力参数的改善降低了对钻机泥浆泵功率的需求。

(2) 可以取消二层平台和排放钻杆的钻杆盒，

(3) 不再使用钻杆，

(4) 套管钻井是基于单根套管进行的，不再需要采用类似双根或三根钻杆构成的立根钻井方式，因此井架高度可以减小，底座的重量可以减轻；对于深井钻机而言，建造一台基于单根钻井的钻机，其井架和底座要的结构和重量比基于立根钻井的钻机简单的多；

8、钻机更加轻便，易于搬迁和操作。人工劳动量及费用都将减少；

9、根据Tesco公司的测算，打一口10000英尺的井，可节省钻井时间约30%。

套管钻井与常规钻杆钻井相比具有明显的优势，它是钻井工程的一次技术性革命，它能为油田经营者带来巨大的经济效益。套管钻井有如下特点：

1、套管钻井使用标准的油井套管，并使钻井和下套管作业同时进行；

2、井底钻具组合装在套管柱的下端，可用钢丝绳通过套管内部迅速取出。在取出过程中可保持泥浆连续循环；

3、整个钻进过程中，一直保持套管直通到井底，改善井控状况；

4、套管只是单方向钻入地层，不再起出。除非打完井后确认是干井，可能要起出最后一段套管柱；

5、套管钻井可沿用许多已有的钻井技术，如定向钻井、注水泥、测井、取芯和试井等作业；

6、应用这些技术和原来相比主要区别是不再依靠钻杆，而是靠钢丝绳进行更换钻头作业；

7、套管钻井使用标准的油田套管进行，唯一不同的是，套管接箍或螺纹需要改进，以便提供钻井所需要的扭矩；Tesco公司打第一口试验井时选用的螺纹是(Hydrill 511 Premium Thread)，接箍则选用改进型加强接箍(Modified Buttress Coupling)。

井斜控制问题

套管钻井过程中，井斜控制是首要问题，井斜直接影响到所钻井眼的垂直深度。也就是说油层的埋藏深度与所钻实际深度能否相稳合，关键取决于井斜。控制钻压10-30KN合理范围内钻进。由于套管钻井时，套管柱中没有钻铤和扶正器等，在加压过程中，套管柱受压极易弯曲导致井斜。因此钻井过成中要严格控制钻压，从这个角度讲，选择PDC钻头更适合于套管钻井。转盘转速控制为低转速，一般控制在60-120r/min内，低转速钻进过程，有利于套管柱的稳定，有利于井斜的控制。井架基座安装平直，保证开钻井口垂直，加强中途测斜监控，一方面便于了解控制下部井斜控制情况，另一方面便于计算垂深。

套管保护问题

套管钻井完井后，套管柱直接留在井内，因此对套管保护很重要。要使用套管丝扣胶。套管依靠丝扣密封，在套管钻井过程中，要使用套管专用胶，保证丝扣部位密封可靠，联接牢固。套管防腐问题。套管钻进时，由于旋转，外壁受到磨损，其外防腐层容易脱落。内壁受到钻井液的冲刷，内防腐层也受到冲蚀。一是要求用于钻井的套管，做好内外涂层防腐；二是钻井中采用低转速小钻压钻进，有利于减少套管外壁的磨损，三是采用增大钻头水眼尺寸，降低管内泵压，减少钻井液对套管内壁的冲蚀。

套管钻井与常规钻杆钻井有相同之处，亦有不同之处。下面介绍套管钻井特有的技术要求。

钻具的主要构成（如图2）有套管、扶正器、轴向承载壳体、承扭壳体、套管鞋、密封器、轴向锁定器、止位环、扭矩锁定器、扩眼器、钻头等，这些工具与常规钻杆钻井工具不同或者技术参数要求不同，它们构成了套管钻井独特的技术特征。

钻压控制在10-30KN。一是有利于防止套管弯曲引起井斜；二是有利于减少套管扭矩，防止钻进过程中出现套管事故。

转速控制压60-120r/min。其优点是：①减少套管柱扭矩；②低转速钻进，有利于减轻套管柱外壁与井壁之间的磨损。

总泵压控制在6-7MPa以内。一是减少钻井液对套管柱内壁冲蚀；二是减少对回压凡尔的冲蚀磨损。

就位钻机基座必须水平，为设备平稳运转及钻井过程中的防斜打直创造良好的条件。

套管钻井中所选择套管必须是梯形扣套管，因其丝扣最小抗拉强度是同规格型号圆形扣套管的2倍左右，能有效增大套管钻井过程中的安全系数；其次梯形扣套管，便于操作过程中上卸扣钻头优选条件必须满足施工中扭矩尽可能小，水马力适中的原则。根据扭矩的情况，可以考虑选择牙轮钻头和PDC钻头。因牙轮钻头数滚动钻进，能有效减少转盘及套管扭矩，但其要求钻压较大，不利于套管柱的防斜。PDC钻头需钻压小，一般（20-60KN），钻进速度较快，套管柱所受弯曲应力小，扭矩小，符合选择要求。在选择钻头的同时，还要求选好水眼。水眼过小，总泵压高，对套管内壁冲蚀严重，长时间高压容易损坏套管；水眼过大，钻头处冲击力低，将影响钻井速度。

早在20世纪50年代就有人设想用套管代替钻杆来完成钻井作业，但受当时的技术和装备条件的限制，很难实现这一设想。在20世纪90年代，由于新技术、新材料以及电子技术的大发展，促进了石油开采技术不断发展，一大批钻井新工艺、新工具、新装备涌现出来，套管钻井技术再一次被人们提出来。加拿大Texco公司1996年钻成了第一口套管钻井的试验井，该井为试验场地井，用95/8″套管钻进了150米。到2000年底Texco公司采用套管钻井技术一共完成了20多口开发井，取得了良好的经济效益。

本书介绍了套管钻井技术中的材料性能表征方法，利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDX)及疲劳试验机等设备，研究了三种典型套管钻井钢级K55钢、N80钢、P110钢的力学性能，包括硬度、拉伸性能、冲击性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能及硬化指数等性能及其断裂机制，并分析了断裂表面特征和显微组织之间的关系及各种力学性能之间的联系。主要目的是避免套管钻井钢在服役过程中发生失效．并为分析断裂失效的原因提供理论依据，从而解决钻井过程中的稳定性及降低钻井成本问题，使得套管钻井技术获得更为广阔的应用前景。本书可供油气管道工程、材料科学与工程、工程力学、安全工程相关专业工程技术人员和管理人员参考，也可作为有关大专院校师生的参考书。

本书系统介绍了套管钻井管柱优化设计及完钻后剩余强度、疲劳寿命预测评估。主要内容包括： 套管钻井管柱屈曲、弯曲行为； 摩阻和扭矩计算模型方面的研究成果及数值分析软件开发； 钻井套管螺纹接头有限元分析及套管钻井管柱振动与减振技术； 套管钻井套管柱与岩石间磨损的试验研究及完钻后套管及接头的剩余强度、套管钻井管柱和接头的疲劳寿命及不同存活度下的可靠性分析； 套管钻井作业参数优化选择方法以及套管钻井专用螺纹脂。

本书适于钻完井工程技术人员阅读。

目录第1章绪论（1）

11引言（1）

12断裂力学研究进展（4）

121断裂力学的发展（4）

122裂纹扩展的判据（6）

123影响断裂韧性的因素（7）

124I/Ⅲ复合型断裂韧性的研究（8）

125断裂韧性的定量公式（9）

13疲劳性能的发展和研究（11）

131疲劳裂纹的扩展过程（11）

132疲劳裂纹扩展速率的研究及应用（13）

14环境对材料力学性能的影响（14）

141应力腐蚀的影响（14）

142腐蚀介质对疲劳裂纹扩展性能的影响（15）

143氢对材料性能的影响（15）

15断裂韧性及疲劳裂纹扩展性能的试验方法（16）

151断裂韧性的试验方法（16）

152疲劳裂纹扩展性能的试验方法（16）

153疲劳裂纹扩展数据的处理方法（17）

16套管钻井钢存的在问题及分析思路（18）

17主要研究进展（20）

第2章三种套管钻井钢的拉伸和冲击性能（22）

21引言（22）

22试验材料与方法（22）

23试验结果与分析（23）

231三种套管钻井钢显微组织及硬度（23）

232三种套管钻井钢的拉伸性能和冲击性能（26）

233套管钻井钢的硬化指数（31）

24小结（40）

第3章三种套管钻井钢的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性（41）

31引言（41）

32Ⅰ/Ⅲ复合断裂韧性的研究进展和方法（41）

321断裂韧性的研究进展及理论基础（41）

322断裂韧性的研究方法（46）

33测量Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性试验中横向位移分量的测试装置（49）

34试验材料与方法（50）

35试验结果与分析（53）

351三种套管钻井钢的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性及机制（53）

352氢对三种套管钻井钢Ⅰ/Ⅲ复合型断裂韧性的影响（61）

353Ⅲ型载荷分量对P110钢断裂韧性断口表面的影响（67）

36小结（69）

第4章三种套管钻井钢的疲劳裂纹扩展性能（70）

41引言（70）

42套管钻井技术中套管钻井钢疲劳性能的研究（70）

421套管钻井钢疲劳性能研究的目的和意义（70）

422套管受力分析和疲劳失效的控制（71）

423疲劳的分类及特点（72）

424疲劳断裂过程（73）

425疲劳裂纹研究的进展（73）

426疲劳裂纹扩展的一般规律及机理（74）

43试验材料与方法（75）

44试验结果与分析（75）

441应力比对三种套管钻井钢疲劳裂纹扩展性能的影响（75）

442三种套管钻井钢疲劳裂纹扩展性能和拉伸性能的定量关系（84）

443应力比与裂纹失稳区起始点对应的ΔK值之间的关系（86）

444决定裂纹疲劳裂纹扩展性能的本质参量（89）

445应力比对门槛区裂纹扩展速率及断裂机制的影响（93）

45小结（96）

第5章三种套管钻井钢断裂机制的比较（98）

51引言（98）

52试验材料与方法（98）

53试验结果与分析（98）

531三种套管钻井钢的断裂机制（98）

532不同加载方式下断裂机制的比较（107）

54小结（112）

第6章不同钢级套管钻井钢力学性能的综合比较（113）

61引言（113）

62钻井套管钢性能要求（113）

621成分分析（113）

622强度及伸长率分析（113）

623冲击韧性分析（114）

624疲劳裂纹扩展性能分析（115）

625断裂韧性分析（115）

63小结（115）

附录（117）

附录Ⅰ：套管钻井钢化学成分、性能要求及检测方法（117）

附录Ⅱ：专利（128）

参考文献（147）2100433B