全過程欠平衡鉆井用井下套管閥的研究及室內試驗
全過程欠平衡鉆井用井下套管閥的研究及室內試驗
李宗清 宋林松 王巖鵬
(勝利石油管理局鉆井工藝研究院 山東東營 257017)
摘要:隨著欠平衡鉆井技術的深入研究和推廣應用,各油公司逐漸開始研究全過程欠平衡鉆井技術.除了常規的欠平衡井口壓力控制設備外,全過程欠平衡鉆井還需配備井下套管閥或強行起下鉆裝置.目前利用套管閥開展井下隔離法全過程欠平衡鉆井技術研究已成為研究熱點.為此,勝利油田研制了一種雙液控井下套管閥,并進行了全面的室內試驗和測試.試驗和測試內容包括:密封能力,高壓,有流動情況下閥板關閉的動作準確性,模擬現場閥板下憋壓時打開閥板的作業程序,檢測在各種密封壓力時閥的微泄漏量.試驗結果表明該閥已達到設計要求,能夠滿足全過程欠平衡作業的工藝要求.
關鍵詞:全過程欠平衡鉆井 井下隔離技術 井下套管閥 室內試驗
隨著欠平衡鉆井技術的深入研究和推廣應用,各油公司對欠平衡技術的要求越來越高,要求從打開油層開始至完井結束整個過程,井下都要保持欠平衡狀態,這就是所說的全過程欠平衡技術.為了更安全地實施全過程欠平衡鉆井技術,從2004年起,勝利油田鉆井院開始研制一種井下套管閥,并已生產出樣機.為全面檢測該系統的性能是否達到設計要求,能否滿足全過程欠平衡作業工藝的要求,對該井下套管閥樣機進行了長時間的室內試驗.
一,全過程欠平衡鉆井及其技術關鍵
1. 全過程欠平衡鉆井技術
全過程欠平衡技術是指在不壓井的條件下實現欠平衡鉆進,過井口密封裝置帶壓起下鉆具,電測儀器,完井管具等.雖然各種文獻中對全過程欠平衡技術的叫法不一致,但對該技術的理解基本一樣,一般認為全過程欠平衡技術應包括以下幾方面:
(1) 欠平衡鉆進.即在鉆進過程中始終保持鉆井液的循環壓力低于所鉆地層的孔隙壓力.利用欠平衡鉆井設計及動態數值模擬軟件進行欠平衡鉆井設計,選用適合的欠平衡鉆井液體系,配備井口壓力控制設備和流體處理設備.隨著我國欠平衡行業標準的頒布,對欠平衡鉆井技術的深入研究和技術服務人員實踐經驗的積累,井口壓力控制系統和地面流體處理系統的日臻完善,鉆井實時數據采集,監測,控制技術的研究成功,以及對欠平衡鉆井井控技術認識的提高,一般能夠實現在鉆進過程中保持欠平衡狀態;
(2) 不壓井帶壓起下鉆.目前影響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還需要采用先進技術和專用設備,實施比較困難;
(3) 不壓井帶壓測井.由于根據目前的地質判別能力還不能掌握確切的油層分布位置,因此在完井前進行測井作業還是必不可少的.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.但現在國內外都有不壓井測井的實例,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,實現帶壓測井;
(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,也會對儲層產生污染,因此,在下完井管具時也必須要保持欠平衡狀態.
綜上所述,全過程欠平衡鉆井的關鍵在于不壓井作業.
2. 全過程欠平衡技術關鍵
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,在鉆進過程中保持欠平衡狀態的井,起鉆時由于抽汲作用,鉆井液環空流動阻力減少等因素,井底瞬時欠壓值將大于設計的欠壓值,地層流體涌入量將超過地面設備額定控制能力,造成井口作業困難.
對于氣井或產能較高,氣油比較高的油井,地層流體進入井筒后,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重的溢流,需要通過節流系統控制井口壓力,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,舉升系統,卡瓦系統等,安裝在鉆臺面以上,通過液壓舉升系統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.但實踐證明,不壓井起下鉆裝置在使用前需要大量時間安裝設備,使用過程中需要大量時間實現起鉆和下鉆作業,延長了起下鉆的時間,增加了鉆井費用.因此采用套管閥的井下隔離技術已成為研究熱點.國外幾家大的油公司在采油用井下安全閥(SSSV)的基礎上開發了井下套管隔離閥,例如哈里伯頓公司研發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].但國外公司對該項技術進行壟斷.為打破技術壟斷,勝利油田自主研制了一種井下套管閥.
二,井下套管閥的結構及工作原理
井下套管閥是一種全井筒的安裝于套管的截止閥,可作為技術套管的組成部分下入并固在井中,在閥板關閉狀態能夠隔離井下的油氣和壓力,保證井口安全作業;在開啟狀態允許鉆具組合通過.當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,然后關閉閥板,泄掉上部套管的壓力,按照常規方法起鉆;下鉆時按常規方法下至閥板上方時,首先關閉地面壓力控制系統,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行欠平衡鉆進.
勝利油田研制的井下套管閥由外筒,內部滑動芯軸,閥板,閥座及閥板復位機構組成.外筒為空心筒體,并通過上下接頭與常規套管連接;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,鉆具可從芯軸內孔穿過;外筒外部加工有上下兩個油口,由地面控制系統向油口內注入液壓油,驅動滑動芯軸在液壓力作用下上下移動,打開或關閉閥板.該閥已獲得國家專利.
三,井下套管閥的室內試驗
1. 試驗目的及試驗參數設定
作為封隔油氣和水層,加固油層和穩定井壁的管具,套管在鉆井,采油作業中都起到了非常關鍵的作用,其質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,因此需要進行嚴格的室內試驗,檢驗套管閥的各項性能參數.檢驗的項目包括密封能力,開關的動作可靠性,在各種壓力下的泄漏量等,另外還要模擬套管閥的實際工作,對職工進行作業培訓,希望及早發現作業中的問題,做好應對準備,為現場工作積累經驗.對該閥的具體技術要求為:
(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.當閥板關閉時,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,所以必須對閥體進行嚴格試壓.考慮到井下套管閥為最新技術和設備,國內外都沒有相應的試驗和施工標準,我們結合勝利油田采用液相,充氣,泡沫欠平衡技術完成90多口井的經驗,初步確定閥板密封壓力要達到35MPa,外筒承受內,外壓能力為35MPa,抗拉能力300t以上.
(2) 開關動作的可靠性.設計的井下套管閥利用液壓驅動的滑動芯軸開啟閥板,利用閥板復位機構關閉閥板,要求這兩種機構必須靈活動作,否則如果閥板開關不到位,鉆具將不能通過,必然影響進一步鉆進,甚至可能報廢一口井.為檢驗開關動作的可靠性,要求在各種壓力,各種開關速度,各種氣液流動速度下反復試驗,查找可能影響動作靈活的因素.
(3) 泄漏量試驗.閥板與閥座的密封形式為金屬對金屬的密封.由于井壓助封,這種密封形式能夠保證高壓密封,但考慮到低壓時可能有微漏,因此需要試驗低壓泄漏量,分析能否造成井控危險及能否損壞密封面.
2. 試驗裝置及程序
井下套管閥試驗裝置如圖1所示,其中液壓缸用于推動開啟筒以開關閥板;水壓系統包含有低壓泵和高壓泵,低壓泵出口還并聯有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,便于計算機遠程監控試驗壓力;試驗臺架附近還裝有攝像頭,與監控室的硬盤刻錄機連接,保證試驗的安全性.模擬井口打壓開啟閥板試驗原理示意圖如圖2所示.
模擬現場施工進行了以下試驗:
(1) 低壓密封試驗.關閉閥板利用低壓泵從下部試壓口泵入清水,密封壓力達到12MPa后(低壓泵的最大工作壓力為14MPa),停低壓泵,進行低壓保壓試驗.保壓4小時后,密封壓力降至11.6MPa,密封效果良好.
(2) 閥板關閉可靠性試驗.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,關閉閥板.該試驗用于模擬井中有較大溢流的關井.閥板關閉后,停止泵入氣體,開高壓泵,使閥板下壓力達到8MPa,保壓10分鐘,檢驗壓力降低情況.
(3) 測量泄漏量.打開閥板,關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,使閥內維持一定壓力,再分別快速和慢速提升開啟筒,關閉閥板.確認閥板關閉后,停高壓泵,記錄閥內壓力;同時打開上部試壓口的截止閥,用燒杯量取閥板泄漏量.共進行了10次試驗,試驗壓力為1~11 MPa,各壓力等級的泄漏量如圖3所示.試驗壓力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小;試驗壓力超過11MPa后幾乎沒有泄漏量,也就沒有繼續測試.試驗表明即使在井筒存在高壓情況下該閥也能良好關閉.分析認為如此小的泄漏量對高硬度和高強度的閥板密封面不會引起沖蝕.
(4) 模擬現場試驗.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.首先關閉閥板,從下部試壓口泵入清水,并維持一定壓力,經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,這與現場施工情況完全相同.高壓泵開始工作時上部試壓口的壓力勻速上升,到達一個點后測試到的壓力幾乎不再變化,確認該點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.這是因為由高壓泵泵入的高壓水全部被蓄能器吸收了,正如從井口泵入的壓力被下面幾千米的井筒吸收一樣.共進行11次這樣的開啟試驗.該試驗能夠完全模擬現場作業情況,為施工提供了寶貴的經驗.
(5) 高壓試驗.從下部試壓口泵入高壓,最高試驗壓力36MPa,并在壓力為18MPa保壓14小時.試驗后檢驗發現閥板和閥內各部件保持正常,無一損壞.
(6) 重復試驗.再重復步驟3的試驗,測得的泄漏量明顯減小,泄漏量如圖4所示,試驗壓力為1MPa時泄漏量僅為1.92
l/h.這表明經過多次開關試驗,閥板的密封性能有了一定提高.說明如果進一步對閥板/閥座的配合面進行研磨精加工,閥的密封性能還將有改進.
四,結論
1)采用套管閥的井下隔離技術是實現全過程欠平衡鉆井最為簡捷,安全的技術,國內需對該技術進行更深入的研究.
2)室內試驗表明研制的井下套管閥能夠實現壓力密封功能,閥板動作靈活可靠,基本上達到了設計要求.
3)室內試驗能夠完全模擬現場作業情況,為施工提供了寶貴的經驗.
4)下一步需要進行和完善的工作包括:進一步對閥板/閥座的配合面進行精加工;提高壓力試驗等級;采用固相含量較高的鉆井液進行試驗;檢索國外對該閥的試驗,測試要求,提出更為全面的測試技術規范.
參考文獻
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methodologies for maintaining underbalanced conditions throughout initial and
subsequences interventions[R]. SPE90386
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costs. World oil[J]. 2004, 225(5).
[3] A. Timms, Amerada Hess, Muir. Downhole deployment valve-case histories[R].
SPE93784.
Research and shop tests of the downhole casing shut-off valve
Drilling Technology Research Institute, SLOF
Li Zongqing Song Linsong Wang Yanpeng
Abstract: With the researches and utilizations of the underbalanced drilling
(UBD) technology, it is realized that downhole should maintain underbalanced
condition from spudding into the reservoir to the completion, as is called
whole course underbalanced drilling technology. Besides the conventional UBD
equipments, the advanced technology needs downhole casing shut-off valve (DCSV)
or snubbing unit, and therefore, the DCSV becomes a research hot-point.
Nowadays, A kind of dual hydraulic controlled DCSV has been developed in SLOF
and is tested based on its working conditions. The test criteria include static
pressure performance, action accuracy between the transition of open and closure,
trying out the operation procedure of flapper-open under pressure and measuring
the leakage as the flapper is closed under different pressures. The shop tests
indicated that all the performance parameters of the valve can met the design
requirements and satisfy the need of whole course UBD.
Key words: whole course underbalanced drilling, downhole isolation method,
downhole casing shut-off valve, shop tests
泄漏量 l/h
圖1 閥體室內試驗裝置圖
1-液壓管線 2-液缸 3-上部試壓口 4-試驗架
5-閥體 6-下部試壓口 7-液壓站 8-攝像頭
試驗壓力 /MPa
圖4 第二次試驗泄漏量
泄漏量 l/h
試驗壓力 /MPa
圖3 第一次試驗泄漏量
圖2 閥體試驗系統原理示意圖
1-液壓系統 2-快換接頭 3-高壓泵4-低壓泵
5-蓄能器6-閥板 7-閥座 8-開啟筒 9-油缸
蓄能器使系統運行更加平穩；
蓄能器使系統運行更加安全；
蓄能器使系統運行效率提高；
蓄能器使系統運行能耗降低。