井下套管阀在彩551井的应用.pdf

第 3 2卷 增刊 2 0 1 0年 1 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCT1 0N TECHN0L0GY Vo 1 ． 3 2 S up． No v ．2 01 0 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 0 S O 一0 0 7 6 0 4 井下套管阀在彩5 5 1 井的应用 张 宝 龙 刘 伟 屈 志 伟 1 ． 西部钻探 工程有限公 司钻 井工艺研 究院， 新疆克拉玛依 刘 永 伟 刘 应民 成检 林 8 3 4 0 0 0 ； 2 ． 中国石油大学化 学工程 学院， 北京1 0 2 2 0 0 摘要彩 5 5 1井是新疆彩南油田的一口重点评价井， 该井三开为实现全过程欠平衡作业， 应用了T GF 2 4 5型井下套管阀。 介绍了井下套管阀的性能参数、 X - 作原理及井筒压力控制．y - 艺， 并对该工具在彩 5 5 1 井全过程欠平衡钻井中的应用技术进行 了 阐述及分析。实践表明， 应用井下套管阀， 科学实施配套技术， 可有效地评价及保护储层。 关键词 井下套管阀； 井筒压力控制；彩 5 5 1 井； 全过程欠平衡钻井 中图分类号 T E 9 2 文献标识码 A Appl i c a t i o n o f d o wn ho l e c a s i n g v a l ve i n Ca i 5 5 1 we l l dr i l l i ng Z H A N G B a o lo n g ， L IU W e i ， Q U Z h iw e i ， L IU Y o n g w e i ， L I U Y in g m i n ， C H E N G J ia n lin 1 ． K a r a ma y Dr i l l i n g T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， W e s t e r n Dr i l l i n g E n g i n e e r i n g L i mi t e d C o m p a n y ， K a r a ma y 8 3 4 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o gy D e p a r t m e n t o f C h i n a U n i v e r s i ty o f P e t r o l e u m ， B e ij i n g 1 0 2 2 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t W e l l C AI 5 5 1 i s a n i mpo r t a n t a p p r a i s a l we l l i n Ca i n a n o i l fie l d ， Xi n J i a n g ． F o r t h e p u r po s e o f f u l l t e r m u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g j o b ， d r i l l i n g e n g i n e e r i n g d e s i g n u t i l i z e d T G F 2 4 5 d o w n h o l e c a s i n g v a l v e ． B a s e d o n t h e s t u d y o n d o w n h o l e c a s i n g v a l v e p e r f o r - ma n c e p a r a me t e r , o p e r a t i o n a l p r i n c i p l e a n d we l l b o r e p r e s s u r e c o n t r o l t e c h n o l o g y , t h i s p a p e r a n a l y s e s t h e f e a s i b i l i t y o f d o wn h o l e e a s i n g v a l v e a p p l i c a t i o n i n we l l C a i 5 5 1 ． F i e l d p r a c t i c e d e mo n s t r a t e s t h a t a p p l i c a t i o n o f d o wn h o l e c a s i n g v a v l e ， i n c o mb i n a t i o n wi t h r e l a t e d t e c h n o l o g y s y s t e m， c o u l d e f f e c t i v e l y e v a l u a t e a n d p r o t e c t r e s e r v o i r ． Ke y wo r d s d o wn h o l e c a s i n g v a l v e ； we l l b o r e p r e s s u r e c o n t r o l ； we l l Ca i 5 5 1 ； f u l l t e r m u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g t e c h n o l o g y 在欠平衡钻井技术应用 中， 较易实现欠平衡 钻 井作业 ， 而在起 下钻 、 完 井 、 测井 时， 为保证施工安 全， 作业前往往提高钻井液密度 ， 造成储层污染 ， 降 低甚至丧失先前预定的钻探效果 。井下套管阀是新 型欠平衡钻井配套工具 ， 有 T GF 2 4 5和 T GF 1 7 8两种 规格。 彩 5 5 1 井是新疆 彩南油 田的一 口重点评价井 ， 位于准噶尔盆地东部隆起五彩湾凹陷。为查明该区 含油气面积 、 气藏规模 ， 在该井三开欠平衡作业中应 用 了 T GF 2 4 5型井下套管阀。根据彩 5 5 1 井j开地 质特点及施工要求， 针对井下套管阀的现场应用技 术难点 ， 制定 了井筒压力控制 方案 ， 并得 以有效实 施。该井完井后 ， 喜获高产油气流。 1 井下套管 阀性能参数及工作原理 井下套管阀设备由工具本体、 高压软管 、 液压副 管、 副管卡箍 、 气动液压泵、 气源管线及其他配套附 件 组成 。T G F 2 4 5型井下套管 阀性能参数及结构见 表 1 、 图 1 。 表 1 T G F 2 4 5型井下套管阀性能参数 作者简介张宝龙， 1 9 8 4 年生。2 0 0 6 年毕业于西南石油大学石油工程专业， 现从事钻井科研及现场技术服务工作。电话 1 3 8 9 9 5 9 1 1 7 4 E ma i l z b 1 9 8 4 0 6 1 2 6 ． c o rn。 张宝龙等井下套管阀在彩 5 5 1井中的应用 7 7 上接头 上壳体 内滑套 阀芯 下壳体下接头 图 1 T GF 2 4 5型井下套管阀结构 井下套管 阀连接在相应尺寸的技术套 管中， 一 般距离井 口 3 5 0 ～ 1 0 0 0 1 T I ， 是全过程欠平衡钻井作业 过程中， 取代不压井强行起下钻设备或起钻前应用 重钻井液压井作业 的一种新型井下封井工具 。其工 作原理为由地面控制系统提供液压驱动力 ， 通过与 工具连接的液压控制管线 ， 实现阀板的开启或关 闭 操作， 以达到控制井筒压力的目的。在欠平衡钻进过 程 中， 井下套管阀维持开启状态；起钻时 ， 当钻具起 至工具上部时， 关闭阀板 ， 按常规工况继续起钻 ；下 钻时， 当钻具下至工具上部时 ， 开启 阀板 ， 在卸掉套压 后 ， 继续下钻 。井下套管阀工作示意图见图 2 。 删 咖 开 船状 态 关 闭状 态 图 2 井下套管阀工作原理 井下套 管阀作 为欠平衡钻井专用工具 ， 具有如 下特点 1 可实现欠平衡起下管柱作业 ， 能有效保护储 层 。 2 可降低钻井作业成本。在起下钻施工中， 由 于不需压井 ， 从而节约 了钻井液材料 和调整钻井液 性 能 的时 间。 3 应用配套测井接头及旋转控制头， 可实现欠 平衡测井 。 4 允许下入长而复杂的井底钻具 、 测井仪器及 完井管柱组合。 5 性能可靠 ， 不影 响起下钻作业 时间， 安装 简 便， 不占据钻台空间。 2 井简压力控制工艺 全过程欠平衡钻井工序如下优化负压差值 包 括保护储层、 保持井壁稳定、 保护井口设备 ， 利用优 选 的钻井参数可实现欠平衡钻进作业 ；起钻前节 流 循环， 尽量排出井筒天然气； 利用旋转控制头带压 起钻至井下套管阀之上 ；关闭井下套管阀；释放旋 转控制头下部压力 ， 快速起钻 ；快速连接人井工具 包括钻头 、 接头及各种下部钻具等 ；快速下钻至井 下套管 阀上部 ；安装旋转控制头 ；憋压打开井下套 管 阀；根据具体情况确定是先循环排气还是继续下 钻 ；完成下钻 ；循环钻井液 ， 测后效 ， 并检验钻井液 性能 ；恢复欠平衡钻进 。 现场应用 中， 首先确定工具规格及下入深度， 可 依据地层流体类型、 地层压力 系数 、 井身结构确定 ， 另外 ， 还应考虑工具本体强度 、 液压 油摩阻系数 、 技 术套管 固井技术要求 、 天然气滑脱速度等。井下套 管阀下深应 以防止管轻现象为最低要求 ， 即工具开 启后 ， 其下部压力不 足以将钻具顶 出井筒， 为此， 应 满足下式 F Fl ⋯⋯～ 升 ⋯⋯ ≤ G 1 G 2 1 式 中， F为钻头下部 的管柱上顶力 ， k N； F 、 、 分 别为下部钻具组合 中， 由于管柱外径不 同在环形 台 阶面处形成的方 向向下的作用力 ， k N； T为钻头上部 的液柱压力， k N； T l 、 、 T 3 分别为下部钻具组合中， 由于管柱外径不同而在环形台阶面处形成 的方向向 上 的作 用力 ， k N； G ． 为钻具 自重 ， k N； G， 为下部钻 具组合中钻井液产生的重力 ， k N。 欠 平衡起 下钻过程 中， 在井下套管 阀刚开启 的 瞬间 ， 作用于钻 头上 、 下端面 的负压差最大 ， 整个钻 具 可能会上移或震动。但在短时 间内， 压力会传递 到钻头上部 ， 从而对钻头上端面施压 ， 平衡掉一部分 向上的压力。另外 ， 压力还会沿钻具迅速向上传递 ， 作用于钻具各处台阶面上。因此 ， 式 1 中各压力并 非 同时达到稳 定值。另外 ， 由于欠平衡 钻具组合 中 装有单流阀， 在开启井下套管阀前， 应先向钻具内灌 满钻井液， 即增加 G ， 值 ， 减弱钻具上移风险。根据 式 1 在计算出临界人井管柱质量后， 可通过最小管 柱长度确定井下套管阀下深。 井底压力控制是欠平衡钻井 的关键 ， 如该压力 控制 不当， 则井 筒内易 出现过平衡 、 储层污染 、 井漏 等现象， 从而影响现场钻井工艺的实施及整体勘探 7 8 石油钻采工艺2 0 l 0年 1 1月 第 3 2卷 增刊 评价的效果 。现将欠平衡起下管柱时井筒内各压力 变化情况分析如下。 井下套管阀开启时的井筒压力分布表达式 P 。 一 。 斗 J 2 式 中， 为 井 底 负 压 差 值 ， MP a ； P 为 地 层 压 力 ， MP a ； P 为环空混合物液柱压力 ， MP a ； P 为波动压 力 ， 起钻时 ， 表现为抽 吸压力 ， 为负值 ， 下钻时 ， 表现 为激动压力 ， 为正值 ， MP a ； P 为井 口回压， MP a 。 井下套管阀关闭后 的井筒压力分布表达式 p 一 。 3 式中， p 为井下套管阀下部压力 ， MP a 。 欠平衡起下钻作业 中， 如地层天然气进入井简 ， 且滑脱上升 ， 则环空混合物液柱 力 P 将是一个变 值 ， 数学表达式如下 p 4 式 中， P 为环空滑脱天然气压力 ， MP a ， 其值 同滑脱 天然气上部液柱压力相同； P 为滑脱天然气下部液 柱 压力 。 地层压力 P 在一定范嗣 、 时间段 内可视为定值； 环空混合物液柱压力 P 可通过提钻前循环脱气 、 起 钻时抑制天然气滑脱量及速度予以控制；波动压力 P 。 可通过优化起下钻速度 ， 优化钻井液密度 、 黏度 、 切力予以调节 ；井 口回压值 P 。 可根据地质条件 、 旋 转控制头承压能力 、 液气分离器及撇油罐处 理能力 来设定 ；井下套管阀下部压力 P 可通过减小负压差 值 、 降低地层流体侵入量 、 缩短井下套管阀关闭时间 来控制。 在欠平衡起钻过程 中， 通过对地层流体入侵规 律及井筒 内各压力变化情 况进行 分析， 认识如下 1 欠平衡起下钻作业中， 应根据井下套管阀的承压 能力 、 下入深度 、 距储层顶界高度等采取有效的技术 措施 ， 维持储层段处于负压差状态 ， 但负压差值不宜 过大 ， 一般在 1 ． 4 MP a左右 。 2 尽量在井 口套压接 近旋转控 制头设定安全值之前 ， 完成起钻至井下套 管 阀之上 的作业 ， 并关闭井下套管阀 ； 3 尽量在井 底压力 大于地层压力之前完成起钻 ， 再下钻至井下 套管阀之上， 开启井下套管阀； 4 尽量降低井下套 管阀阀板上下端面压差， 或降低该压差之增幅速度。 3 井下套管阀在彩5 5 1 井的应用 3 ． 1 彩 5 5 1井概 况 彩 5 5 1 井为评价井 ， 设计井深 3 8 0 0 m， 井身结构 如图 3 所示。该井三开应用水基钻井液体系 ， 在欠平 衡钻井期问 ， 井下套管阀累计成功开关 8次 ， 见表 2 。 图3 彩 5 5 1 井井身结构示意图 表 2 T GF 2 4 5井下套管阀在彩 5 5 1 井现场应用数据 3 ． 2 全过程欠平衡起下钻技术 通过理论分析结合现场实 际， 确定彩 5 5 1 井井 下套管阀安装深度介于 3 8 0 ～ 4 0 0 m之 间， 实 际下深 3 8 6 ． 4 2 m。该井欠平衡起下钻工艺如下。 1 节流循环， 排 出井筒 内天然气。起钻前应先 节流循环 ， 回压施加原则为回压值 、 环空混合流体 液柱压力与环空摩 阻之和等于或略小于地层孔隙压 力。确定初始回压值为 1 ． 4 - 3 ． 0 MP a ， 持续时间为 1 ． 5 个循环周 ， 以排 出环空天然气 ， 维持合适 的环空液柱 压力 ， 避免起钻过程 中因抽吸压力而造成过多地层 流体进入环空。具体作业方式为利用旋转 防喷器 、 液气分离器调节节流管汇节流循环。 2 在满足欠平衡条件下 ， 按设计 回压及起钻速 度起钻 。欠平衡起钻条件为 井 口回压与环空静液 柱压力相加， 再依次减去抽吸压力、 非连续灌浆所引 起的压降， 所得值应等于或略小于地层孔隙压力。 起钻过程中， 应及时或连续灌浆 ， 在油气层及其上部 3 0 0 m井段 内， 起钻速度应低于 0 ． 5 m／ s 。抽 吸压力 计算值为 3 ． 5 MP a ， 负压差值范围为 O ～ 2 ． 1 MP a 。 3 井下套管阀关闭作业。关闭井下套管 阀后 ， 全开节流管汇液动阀， 当释放井下套管阀与旋转防 喷器之间压力后 ， 打开旋转防喷器， 快速起钻。套管 张宝龙等 井下套管阀在彩 5 5 1井中的应用 7 9 阀关闭后 ， 地层天然气可能会进入井筒 ， 其滑脱速度 同钻井液性能 密度 、 黏度 、 切力 及地质特征 孔隙 度、 渗透率、 流体类型 有关， 另外， 套管阀关闭时问 越长， 带压滑脱气体就越接近井下套管阀， 对套管阀 及井底作用力就越大。要求在起 钻完毕前做好下钻 准备 ， 如提前备好所需更换 的钻头 、 钻具及工具等 ， 起完钻后 ， 迅速下钻。 4 井下套管 阀开启作业。在旋转防喷器安装完 毕、 井下套管 阀打开后 ， 可按既定速度继续下钻 。如 井下套管阀下部有压力， 则应憋压开启， 具体做法是 接方钻杆及水笼带 ， 关闭闸板 防喷器半封后开启泥 浆泵 ， 先憋压 1 MP a 稳住 ， 若井下套管阀不能开启 ， 则再增加 1 MP a ， 即上升 至 2 MP a后稳住。此后每 次上升 幅度值均为 1 MP a ， 直 至井下套管 阀成功开 启 。 5 在满足欠平衡条件下 ， 按设计 回压及速度下 钻。欠平衡下钻条件 为液柱压力与激动压力之和应 等于或小 于地层孔隙压力 ， 如有必要 ， 可在允许 回压 值范围内施加 回压。计算最大下钻速度为 1 ．4 5 m／ s ， 对应激动压力为 3 ． 8 MP a ， 负压差范 围为 0 ～ 1 ． 4 MP a 。 6 下钻到底后 ， 当满足欠平衡钻井条件后 ， 即 可继续钻进。下钻完毕后 ， 如钻井液密度及性能满 足欠平衡钻井合理压差作业 保护储层合理压差、 保持井壁稳定合理压差、 保护井 口设备合理压差 条 件 ， 即可进行欠平衡钻进作业 ， 否则 ， 应予以调整 。 3 ． 3 效果评价 通过应用井下套管 阀， 该井实现 了井底压力 的 合理控制 ， 达到了评价及开发储层的良好效果 1 出筒岩心表面上普遍见针尖状气泡 ， 取心效 果评价 良好。 2 中途测试 中， 地层油气大量返出。经计量及 分析 ， 日产气量 为 2 X 1 0 m ／ d ， 日产油 量为 5 0 1 T I ／ d 优质凝析油 ， 中途测试效果评价 良好 ， 见图 4 。 图 4彩 5 5 1 井 中途测试喜获 高产油气流 4结 论 1 在油气井勘探 中应用井下套管阀， 应尽量掌 握地质情况 ， 包括地层压力 、 流体特性 、 孔隙度 、 渗透 率及 井眼稳定状况等 ， 在此基础上形成科学 的作业 方案 ， 实施全 面、 连续 的井筒压力控制技术 ， 才能达 到油气井勘探开发的目的。 2 在欠平衡钻井作业中 ， 由于波动压力 、 多相流 环空摩阻起伏较 大， 窄范 围井底负压差值 的精度调 节就变得尤为困难 、 重要 。在此情况下 ， 不但应提高 油气藏物质平衡 、 环空多相流 、 波动压力及天然气滑 脱运移等方 面的理论研究水平 和计算精度 ， 还应加 强井底数据采集技术 的运用 ， 实时监测井筒 内各流 体压力变化及运移情况， 以便实时调整技术措施， 实 现全过程欠平衡钻井技术。 参考文献 [ 1 ] 汤明 ， 何世 明 ， 邢景 宝 ， 等 ． 大牛地 气田欠平衡 水平井井 壁稳定性分析 [ J ]． 石油钻采_T - 艺， 2 0 1 0 ， 3 2 3 3 7 3 9 ． [ 2] 何世明， 汤明， 何春玲， 等 ． 欠平衡钻水平井技术新进展 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 1 6 1 - 3 ． 收稿 日期2 0 1 0 ． 0 9 1 2 [ 编辑景暖 ] 庆深气 田通过压裂施工保障平稳供气 2 0 1 0年 1 1月 9日， 大庆油 田庆深 气田汪深 1 ～ 平 1井压裂作业 圆满成功。这 口井经过加砂 2 5 1 I I 1 、 压裂 液 3 2 0 0 m 的大规模 分段 压 裂施 工后 ， 试 气结果 良好 ， 日产气量可达 3 0 1 0 I 1“1 ， 创 造庆深 气田气井 大规模 压 裂施 工新纪 录。 大庆采 气分公 司技 术人 员采 用裸 眼井分段压 裂技 术， 对这口井进行优化 ， 首次采用遇油膨胀封隔器进行 4段 坐封 ， 不但安 全 、 可控 、 大规模 、 高效率 实现分层 压 裂改造 ， 而且大幅 降低 了作 业施 工成本 ， 为探 索 降低深 层水平气井综合成本的完井方式积累了经验。压裂施 工 中， 技 术人 员加强现 场组织协调和全程监 管 ， 共调 用 3 0 0多台 次 压裂设备配合施工 ， 汪深 1 一平 1井试气 结果 良好。根据产能模拟结果， 该井为保障冬季用气 高峰平稳供气奠定了坚实基础。 供稿石 艺