對于深水井頂部井段的鉆探，無隔水管套管鉆井技術能有效緩解和隔開深水井淺層鉆井造成的危害。根據人們對普遍的孔隙壓力和破裂壓力梯度的認知，深水井建井的這種轉變能讓深水無隔水管套管鉆井鉆至設定深度，而不是既定的“頂部設定”淺層危害的策略。
 
    深水井鉆井設計的一個主要缺陷就是頂部井段初始導管或結構套管的淺層設定深度沒有利用好海底以下不斷增加的上覆壓力和破裂壓力梯度來加深導管的設定深度。技術上有限的噴射鉆井工藝是打造這部分井眼的主要手段，為的是在深水鉆井作業前完成初始導管的下入，為導管設定其淺層深度。

如圖1所示，水深的增加對上覆壓力的影響。隨著水深的增加，上覆壓力的增速會下降。再加上公認的“頂部設定”淺層危害的做法，頂部井段內可能有過多的套管層，特別是在較深的深水中作業，使得井身結構被過早地瘦身。井筒幾何形狀早期的縮小可能會導致油井深層的操作壓力窗口變窄，這也是深水鉆井運營商可能無法實現其建井目標的主要原因。同樣值得注意的是，所有深水井的鉆井作業，大約70%的運營損失存在于無隔水管鉆井階段，其中包括第一批鉆井作業期間合同規定的鉆井船重新開鉆或經常遇到的無隔水管鉆井的困難。
 
圖1
    深水鉆井初始導管或結構套管通常是通過噴射鉆井工藝來下入安裝，見圖2，該工藝使用鉆頭和泥漿馬達技術，無需鉆具旋轉，將初始導管“推入”沉積物中。這種被廣泛接受的做法在技術上將初始導管設定置深度受限的、泥漿管線以下約90 m的深度，這個深度不足以鉆更硬的地層。 
 
圖2
    需要一種新的頂部井眼的施工方法，利用海底以下不斷增加的上覆壓力和破裂壓力梯度。這可通過利用無隔水管套管鉆井技術替代噴射鉆井工藝來實現。圖3說明了無隔水管套管鉆井的優勢。 
 
圖3
    套管鉆井技術在深水中的應用
套管鉆井可以將初始導管設定深度加深至預定的破裂壓力梯度符合深水鉆井要求的深度，而設定深度不受噴射工藝的限制。總的套管層數會減少，從而可以降低鉆井成本，擴大一口井的井徑或井筒幾何形狀。基于已經得到證明的套管和尾管鉆井技術的優勢，套管鉆井一次井下作業即可減輕淺層危害，在套管達到設定深度后，即可開始固井作業。
    減輕淺層危害。根據國際鉆井承包商協會的定義，淺層危害是指在設定第一級壓力密封管柱以及將防噴器安置在井口之前可能遇到的不利的地下鉆井工況。這些危害多種多樣，可能包括淺層氣體、淺層水流、分離的天然氣水合物、泥火山、斷層、巨石以及井筒不穩定等現象。淺層危害可通過地震勘測調查、試鉆井、地層建模和鄰井數據來確定，見圖4淺層危害緩解策略。 
 
圖4
    預先計劃和防范是降低風險的關鍵。如果避開已知的淺層危害區域不可行，那么先鉆一個先導井眼是該行業的一種慣用做法，這是一種在“受控環境”下物理識別淺層危害的方法。先導井眼就是在安裝防噴器之前鉆一個較小的井眼，隨后在開始主井眼鉆井作業之前將其堵死。與傳統的鉆井方法相比，鉆先導井眼的BHA（井底鉆具組合）以及所鉆井眼較小的環形面積可以及早發現淺層危害，并能更好地控制險情，例如水或氣體的流量。
    相對于在一個先導井眼鉆井計劃中看到的傳統的鉆井方法和做法，套管鉆井所產生的套管與井壁之間的環形截面要狹小得多。套管鉆井有利于鉆先導井眼，因為傳統鉆井鉆先導井眼的BHA在完成鉆井后需要起出，而套管鉆井在鉆完先導井眼后，套管就在原位置被固井水泥所固住，無需起鉆將BHA起出，以及因起鉆產生的抽吸效應。圖5是先導井眼鉆井和套管鉆井的對比分析。
 
圖5
    套管鉆井所鉆的井眼井徑較小，但套管的內徑較大，這有助于實現一個自然的動態井控系統。與鉆先導井眼使用的BHA相比，套管鉆井以其較大的內徑可產生一個較高的BHP（井底壓力），以控制和遏制潛在的地層流體涌入，特別是當套管與井徑的尺寸比超過0.8時，見圖6，套管鉆井水力參數的優勢。
 
圖6
   
套管鉆井做作業中的挑戰
 
 套管鉆井作業中，因起下產生的沖擊壓力和抽吸壓力幾乎不再存在，因為在套管鉆井時套管隨著鉆進的進行井壁即刻就被套管封住。據估計，因抽吸效應的影響，美國墨西哥灣深水鉆井以及挪威鉆探作業中約有13%的井控事件發生在起鉆作業期間。初始導管在達到設計深度時可即刻被水泥漿原位封固，套管不會再被起出，從而能獲得更好的固井效果。與常規鉆井相比，套管鉆井的固井效果已從水泥膠結測井數據中得到驗證，顯示出的膠結效果更加完好。
 
    井筒的不穩定。上述的淺層危害都會導致井筒不穩定問題。井筒不穩定是一種不良的工況，其中井筒的裸眼段，其結構的完整性是由機械應力、流體循環引起的侵蝕或因鉆井液與地層流體以及礦物質之間化學作用所產生的變化所導致的。在鉆非固結性疏松地層或構造應力地層時，無隔水管井段的井筒失穩對起出鉆具后套管的下入和固井施工尤其成問題，把握好非常困難。
 
    非固結性地層是松散堆積的，地層顆粒、沙礫或卵石之間很少或沒有膠結性粘合，這些顆粒物在鉆井和起下鉆作業期間很容易落入裸眼井段內。在起出鉆具和下套管之前這段時間地層可能會坍塌。井筒的不穩定性在許多深水淺層的作業中很常見；因此，在傳統的無隔水管鉆井作業中，在完成相應井段的鉆進后，盡快下入套管并展開固井作業將套管就位固結至關重要。這為套管鉆井作為緩解井筒不穩定性問題提供了有力的論據，套管鉆井一旦鉆至總井深，井就會直接被套管和固井水泥封固住，無需起鉆和下套管的時間。
 
    套管鉆井過程中，井筒似乎出現了受力或加固，這在套管鉆井圈內被廣泛稱之為“涂抹效應”。涂抹效應就是巖屑對井筒壁的抹灰，這似乎增加了井筒的箍應力，也增強了地層裂縫延伸壓力。套管鉆井期間的涂抹效應有助于增加裂縫梯度，緩解井漏問題，減少鉆井作業中的非生產時間。許多論文都提到了涂抹效應，這是因其能實現比預期更快的鉆井性能和更高質量的井筒而受到贊譽。
 
無隔水管套管鉆井系統
 
在鉆結構套管這部分井段時需要一個RCDT（無隔水管套管鉆井工具）系統。圖7是一個36-in. x 28-in. RCDT系統的概念性設計，這個RCDT系統有效地消除了噴射鉆井后通常需部署“鉆前工具”的要求，即為第二個導管所實施的鉆井作業。
 
圖7
    RCDT系統在設計和功能上類似于液壓平衡的尾管下入工具、無尾管懸掛器和尾管頂部封隔器。初始導管的鉆井作業在操作上類似于下尾管的鉆井作業。一只直徑32-in. 可鉆套管的鉆頭與28-in.套管底部的接頭相連接，套管與井徑的尺寸比為 0.88（28 in./32 in.）。這個尺寸比是動態井壓場景的最佳選擇，因為套管與井徑比>0.8創建的BHP可顯著增加每單位的泵速，如圖6所示。每單位泵速產生的更高的環空流速將能優化提高井眼凈化的水力學參數。傳統鉆井的BHA無法復制套管與井徑比>0.8的場景，這被認為是涂抹效應所產生效益的最小值。
 
    RCDT將采用液壓平衡技術，以消除可能導致RCDT過早釋放計劃外壓力峰值的可能性。LPWHH（低壓井口殼體）組件會通過一個連接接頭與結構套管相連接，LPWHH組件位于套管下入工具上方，可在開闊水域的井口自由旋轉，而且，可在套管鉆井作業期間從主扭矩路徑中被移除。
 
    海底套管鉆井工具與現有的海底LPWHH組件和高壓井口殼體設計兼容，因為海底套管驅動裝置會與套管上特殊造型的套筒相連接。由于LPWHH在套管鉆井時靠近泥漿管線，鉆出的巖屑可能會落入導管內，一個位于套管下入工具組件上方的碎屑屏障將會保護RCDT免受鉆出巖屑的影響。36-in. x 28-in.錐形套管柱下方的36-in. 套管接頭接有擴眼刀片，所鉆 的井眼能讓36-in.套管通過。
 
    導管固井系統在設計上與傳統的深水套管和尾管固井系統相似，水泥漿循環穿過鉆桿管柱、內固井管柱和浮箍，通過套管鉆頭的噴嘴射出離開。在內固井管柱底部有一個收集短節，泵注水泥漿后，收集器作為一個容器收集鉆桿刮刷器刮刷的落物。
 
    36-in.和28-in.結構套管連接器的機械強度，即軸向、壓縮、彎曲、爆裂和破壞等級至少是相應套管機械強度100%的匹配等級，以承受套管鉆井作業所帶來的機械負荷。必須考慮連接點周期性受力的抗疲勞性問題，如36-in.和28-in.套管可能旋轉數千次的場景。
 
    結構套管的集中化是一個需要考慮的關鍵因素，由于28-in. x 32-in.和36-in. x 41-in.套管鉆井的狹窄環面，最大環形液壓旁路（流量）面積至關重要。在不改變套管冶金學性能的情況下，將扶正器刀片直接用于套管比滑套調節式扶正器設計更可取，因為滑套調節式扶正器套筒包圍了大部分的液流區域，增大了環形液流的機會。將扶正器刀片直接用于套管可最大限度地增大環形液流面積。
 
    套管鉆井也是一種經過驗證的、能減輕井筒不穩定的行之有效的方法，尤其是在下套管之前不能用傳統的方法保持一段時間裸眼井筒的鉆井工況。深水鉆探采用無隔水管套管鉆井需要我們在處理深水井建井設計的方式上采取一種范式轉變，因為用于初始導管下入并實施固井的傳統噴射鉆井工藝已被套管鉆井所取代。深水井建井的這種轉變實現了基于普遍認知的孔隙壓力和破裂壓力梯度確定深水無隔水管套管的深度設定，而不是“頂部設定”淺層危害的既定策略，頂部設定套管深度可能會造成套管浪費以及過早地縮小井眼的井徑，或使井眼的幾何形狀發生變化。