全過程欠平衡鉆井用井下套管閥的研究及室內(nèi)試驗(yàn)

1、全過程欠平衡鉆井用井下套管閥的研究及室內(nèi)試驗(yàn)    摘要：隨著欠平衡鉆井技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用，各油公司逐漸開始研究全過程欠平衡鉆井技術(shù)除了常規(guī)的欠平衡井口壓力控制設(shè)備外，全過程欠平衡鉆井還需配備井下套管閥或強(qiáng)行起下鉆裝置目前利用套管閥開展井下隔離法全過程欠平衡鉆井技術(shù)研究已成為研究熱點(diǎn)為此，勝利油田研制了一種雙液控井下套管閥，并進(jìn)行了全面的室內(nèi)試驗(yàn)和測試試驗(yàn)和測試內(nèi)容包括：密封能力，高壓，有流動情況下閥板關(guān)閉的動作準(zhǔn)確性，模擬現(xiàn)場閥板下憋壓時打開閥板的作業(yè)程序，檢測在各種密封壓力時閥的微泄漏量試驗(yàn)結(jié)果表明該閥已達(dá)到設(shè)計要求，能夠滿足全過程欠平衡作業(yè)的

2、工藝要求關(guān)鍵詞：全過程欠平衡鉆井 井下隔離技術(shù) 井下套管閥 室內(nèi)試驗(yàn)隨著欠平衡鉆井技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用，各油公司對欠平衡技術(shù)的要求越來越高，要求從打開油層開始至完井結(jié)束整個過程，井下都要保持欠平衡狀態(tài)，這就是所說的全過程欠平衡技術(shù)為了更安全地實(shí)施全過程欠平衡鉆井技術(shù)，從2004年起，勝利油田鉆井院開始研制一種井下套管閥，并已生產(chǎn)出樣機(jī)為全面檢測該系統(tǒng)的性能是否達(dá)到設(shè)計要求，能否滿足全過程欠平衡作業(yè)工藝的要求，對該井下套管閥樣機(jī)進(jìn)行了長時間的室內(nèi)試驗(yàn)一全過程欠平衡鉆井及其技術(shù)1 全過程欠平衡鉆井技術(shù)全過程欠平衡技術(shù)是指在不壓井的條件下實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆進(jìn)，過井口密封裝置帶壓起下鉆具，電測儀器，完井

3、管具等雖然各種文獻(xiàn)中對全過程欠平衡技術(shù)的叫法不一致，但對該技術(shù)的理解基本一樣，一般認(rèn)為全過程欠平衡技術(shù)應(yīng)包括以下幾方面：（1） 欠平衡鉆進(jìn)即在鉆進(jìn)過程中始終保持鉆井液的循環(huán)壓力低于所鉆地層的孔隙壓力利用欠平衡鉆井設(shè)計及動態(tài)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行欠平衡鉆井設(shè)計，選用適合的欠平衡鉆井液體系，配備井口壓力控制設(shè)備和流體處理設(shè)備隨著我國欠平衡行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，對欠平衡鉆井技術(shù)的深入研究和技術(shù)服務(wù)人員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，井口壓力控制系統(tǒng)和地面流體處理系統(tǒng)的日臻完善，鉆井實(shí)時數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測，控制技術(shù)的研究成功，以及對欠平衡鉆井井控技術(shù)認(rèn)識的提高，一般能夠?qū)崿F(xiàn)在鉆進(jìn)過程中保持欠平衡狀態(tài)；（2） 不壓井帶壓起下鉆目前影響

4、欠平衡效果的主要原因是起鉆前或起鉆過程中需要壓井以平衡地層壓力但壓井作業(yè)有可能完全抵消了欠平衡鉆井帶來的好的效果，甚至可能對地層造成更大的損害而不壓井起下鉆作業(yè)還需要采用先進(jìn)技術(shù)和專用設(shè)備，實(shí)施比較困難；（3） 不壓井帶壓測井由于根據(jù)目前的地質(zhì)判別能力還不能掌握確切的油層分布位置，因此在完井前進(jìn)行測井作業(yè)還是必不可少的由于一般測井周期比較長，測井過程中井下又沒有鉆具，為避免井控事故，目前測井前通常也需要壓井但現(xiàn)在國內(nèi)外都有不壓井測井的實(shí)例，即測井儀器下入井中后，利用高壓防噴管密封井口和測井電纜，實(shí)現(xiàn)帶壓測井；（4） 不壓井下入完井管具同起下鉆一樣，如果下入完井管具時操作不當(dāng)，也會對儲層產(chǎn)生污染

5、，因此，在下完井管具時也必須要保持欠平衡狀態(tài)綜上所述，全過程欠平衡鉆井的關(guān)鍵在于不壓井作業(yè)2 全過程欠平衡技術(shù)目前影響欠平衡效果的主要原因正是起鉆前或起鉆過程中需要壓井以平衡地層壓力但如果不壓井起下鉆，在鉆進(jìn)過程中保持欠平衡狀態(tài)的井，起鉆時由于抽汲作用，鉆井液環(huán)空流動阻力減少等因素，井底瞬時欠壓值將大于設(shè)計的欠壓值，地層流體涌入量將超過地面設(shè)備額定控制能力，造成井口作業(yè)困難對于氣井或產(chǎn)能較高，氣油比較高的油井，地層流體進(jìn)入井筒后，氣體將在井筒中膨脹并滑脫上升為防止侵入的油氣引起更嚴(yán)重的溢流，需要通過節(jié)流系統(tǒng)控制井口壓力，過密封膠芯帶壓起下鉆在起鉆初期和下鉆后期，由于鉆具浮重大于井口壓力對鉆具的

6、上頂力，鉆具不存在被頂出的危險，但在起鉆后期和下鉆開始時，鉆具浮重小于井口壓力對鉆具的上頂力，起鉆時鉆具可能被頂出并造成井噴，下鉆時鉆具無法下入為解決上述問題，除了井口必備的常規(guī)防噴器外，還需配備不壓井起下鉆裝置或井下套管隔離閥不壓井起下鉆裝置主要包括液壓動力系統(tǒng)，舉升系統(tǒng)，卡瓦系統(tǒng)等，安裝在鉆臺面以上，通過液壓舉升系統(tǒng)和卡瓦在管具上提供一定的力，克服井口壓力對鉆具的上頂力但實(shí)踐證明，不壓井起下鉆裝置在使用前需要大量時間安裝設(shè)備，使用過程中需要大量時間實(shí)現(xiàn)起鉆和下鉆作業(yè)，延長了起下鉆的時間，增加了鉆井費(fèi)用因此采用套管閥的井下隔離技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)國外幾家大的油公司在采油用井下安全閥（SSSV）

7、的基礎(chǔ)上開發(fā)了井下套管隔離閥，例如哈里伯頓公司研發(fā)了欠平衡用套管井控閥（Casing Well-Control Valve）1，威德福公司研制了井下控制閥（ Downhole Deployment Valve， DDV）2-3但國外公司對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行壟斷為打破技術(shù)壟斷，勝利油田自主研制了一種井下套管閥二井下套管閥的結(jié)構(gòu)及工作原理井下套管閥是一種全井筒的安裝于套管的截止閥，可作為技術(shù)套管的組成部分下入并固在井中，在閥板關(guān)閉狀態(tài)能夠隔離井下的油氣和壓力，保證井口安全作業(yè)；在開啟狀態(tài)允許鉆具組合通過當(dāng)欠平衡鉆井過程中需要起鉆時，首先將鉆具帶壓起鉆至井下套管閥以上，然后關(guān)閉閥板，泄掉上部套管的壓力，按

8、照常規(guī)方法起鉆；下鉆時按常規(guī)方法下至閥板上方時，首先關(guān)閉地面壓力控制系統(tǒng)，從井口泵入流體以平衡閥板上，下的壓力，然后打開閥板，帶壓下鉆到井底并進(jìn)行欠平衡鉆進(jìn)勝利油田研制的井下套管閥由外筒，內(nèi)部滑動芯軸，閥板，閥座及閥板復(fù)位機(jī)構(gòu)組成外筒為空心筒體，并通過上下接頭與常規(guī)套管連接；外筒上部裝有滑動芯軸，滑動芯軸與外筒及安裝于外筒的密封圈形成空心油缸，鉆具可從芯軸內(nèi)孔穿過；外筒外部加工有上下兩個油口，由地面控制系統(tǒng)向油口內(nèi)注入液壓油，驅(qū)動滑動芯軸在液壓力作用下上下移動，打開或關(guān)閉閥板該閥已獲得國家專利三井下套管閥的室內(nèi)試驗(yàn)1 試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)參數(shù)設(shè)定作為封隔油氣和水層，加固油層和穩(wěn)定井壁的管具，套管在鉆

9、井，采油作業(yè)中都起到了非常關(guān)鍵的作用，其質(zhì)量直接影響油氣井的壽命井下套管閥作為套管串的一部分，也必須具有非常高的性能和使用可靠性，因此需要進(jìn)行嚴(yán)格的室內(nèi)試驗(yàn)，檢驗(yàn)套管閥的各項(xiàng)性能參數(shù)檢驗(yàn)的項(xiàng)目包括密封能力，開關(guān)的動作可靠性，在各種壓力下的泄漏量等，另外還要模擬套管閥的實(shí)際工作，對職工進(jìn)行作業(yè)培訓(xùn)，希望及早發(fā)現(xiàn)作業(yè)中的問題，做好應(yīng)對準(zhǔn)備，為現(xiàn)場工作積累經(jīng)驗(yàn)對該閥的具體技術(shù)要求為：（1） 密封性要求井下套管閥屬于高壓密封裝置，安裝于井口以下幾百至幾千米當(dāng)閥板關(guān)閉時，閥板下的壓力值為欠平衡壓力或圈閉壓力；需要打開閥板時，必須從地面憋壓以平衡閥板下的密封壓力如果是氣井，閥板下的壓力近似等于井底壓力，閥

10、板上的壓力可能很低這樣，一方面，閥板要承受高的壓力差，另一方面，外筒也要承受很高的內(nèi)壓和外壓并且一旦閥失效，閥板下隔離的高壓油氣將以很高的流量，令人措不及防地噴出地面，造成井噴事故，所以必須對閥體進(jìn)行嚴(yán)格試壓考慮到井下套管閥為最新技術(shù)和設(shè)備，國內(nèi)外都沒有相應(yīng)的試驗(yàn)和施工標(biāo)準(zhǔn)，我們結(jié)合勝利油田采用液相，充氣，泡沫欠平衡技術(shù)完成90多口井的經(jīng)驗(yàn)，初步確定閥板密封壓力要達(dá)到35MPa，外筒承受內(nèi)，外壓能力為35MPa，抗拉能力300t以上（2） 開關(guān)動作的可靠性設(shè)計的井下套管閥利用液壓驅(qū)動的滑動芯軸開啟閥板，利用閥板復(fù)位機(jī)構(gòu)關(guān)閉閥板，要求這兩種機(jī)構(gòu)必須靈活動作，否則如果閥板開關(guān)不到位，鉆具將不能通過

11、，必然影響進(jìn)一步鉆進(jìn)，甚至可能報廢一口井為檢驗(yàn)開關(guān)動作的可靠性，要求在各種壓力，各種開關(guān)速度，各種氣液流動速度下反復(fù)試驗(yàn)，查找可能影響動作靈活的因素2 試驗(yàn)裝置及程序井下套管閥試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中液壓缸用于推動開啟筒以開關(guān)閥板；水壓系統(tǒng)包含有低壓泵和高壓泵，低壓泵出口還并聯(lián)有2部蓄能器；各管線連接處安裝有截止閥，快換接頭和壓力傳感器，便于計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗(yàn)壓力；試驗(yàn)臺架附近還裝有攝像頭，與監(jiān)控室的硬盤刻錄機(jī)連接，保證試驗(yàn)的安全性模擬井口打壓開啟閥板試驗(yàn)原理示意圖如圖2所示模擬現(xiàn)場施工進(jìn)行了以下試驗(yàn)：（1） 低壓密封試驗(yàn)關(guān)閉閥板利用低壓泵從下部試壓口泵入清水，密封壓力達(dá)到12MPa后（低壓泵

12、的最大工作壓力為14MPa），停低壓泵，進(jìn)行低壓保壓試驗(yàn)保壓4小時后，密封壓力降至11.6MPa，密封效果良好（2） 閥板關(guān)閉可靠性試驗(yàn)首先利用開啟筒打開閥板，將上部試壓口用管線直接接至水箱，然后從下部試壓口泵入水和空氣混合物，分別快速和慢速提升開啟筒，關(guān)閉閥板該試驗(yàn)用于模擬井中有較大溢流的關(guān)井閥板關(guān)閉后，停止泵入氣體，開高壓泵，使閥板下壓力達(dá)到8MPa，保壓10分鐘，檢驗(yàn)壓力降低情況（3） 測量泄漏量打開閥板，關(guān)閉上部試壓口的截止閥，利用高壓泵從下部試壓口泵入清水，使閥內(nèi)維持一定壓力，再分別快速和慢速提升開啟筒，關(guān)閉閥板確認(rèn)閥板關(guān)閉后，停高壓泵，記錄閥內(nèi)壓力；同時打開上部試壓口的截止閥，用燒

13、杯量取閥板泄漏量共進(jìn)行了10次試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為111 MPa，各壓力等級的泄漏量如圖3所示試驗(yàn)壓力1 MPa時泄漏量為8 l/h，相對于整個井筒幾百立方米的體積來說非常?。辉囼?yàn)壓力超過11MPa后幾乎沒有泄漏量，也就沒有繼續(xù)測試試驗(yàn)表明即使在井筒存在高壓情況下該閥也能良好關(guān)閉分析認(rèn)為如此小的泄漏量對高硬度和高強(qiáng)度的閥板密封面不會引起沖蝕（4） 模擬現(xiàn)場試驗(yàn)如圖2所示，高壓泵連接上部試壓口，低壓泵和蓄能器連接下部試壓口首先關(guān)閉閥板，從下部試壓口泵入清水，并維持一定壓力，經(jīng)計算此時開啟筒向下的推力不足以開啟閥板，需要從上部試壓口泵入清水平衡閥板上下的壓力，這與現(xiàn)場施工情況完全相同高壓泵開始工作時上

14、部試壓口的壓力勻速上升，到達(dá)一個點(diǎn)后測試到的壓力幾乎不再變化，確認(rèn)該點(diǎn)的壓力就是閥板下的壓力然后推動開啟筒就可以開啟閥板這是因?yàn)橛筛邏罕帽萌氲母邏核勘恍钅芷魑樟?，正如從井口泵入的壓力被下面幾千米的井筒吸收一樣共進(jìn)行11次這樣的開啟試驗(yàn)該試驗(yàn)?zāi)軌蛲耆M現(xiàn)場作業(yè)情況，為施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)（5） 高壓試驗(yàn)從下部試壓口泵入高壓，最高試驗(yàn)壓力36MPa，并在壓力為18MPa保壓14小時試驗(yàn)后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閥板和閥內(nèi)各部件保持正常，無一損壞（6） 重復(fù)試驗(yàn)再重復(fù)步驟3的試驗(yàn)，測得的泄漏量明顯減小，泄漏量如圖4所示，試驗(yàn)壓力為1MPa時泄漏量僅為1.92 l/h這表明經(jīng)過多次開關(guān)試驗(yàn)，閥板的密封性能有了一定提高說明如果進(jìn)一步對閥板/閥座的配合面進(jìn)行研磨精加工，閥的密封性能還將有改進(jìn)四結(jié)論1）采用套管閥的井下隔離技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全過程欠平衡鉆