对全过程欠平衡钻井技术的认识及现场实践

5 井下封井器的安装位置
当管柱在井内刚好发生管轻现象的点， 称之为 “管轻点”（有学者称之为“平衡点（Balance Point）”）。
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新疆石油科技
在该点，管柱的浮重与上顶力相平衡，在该点以下位
置，管柱浮重大于上顶力。 在下入井下封井器前，应预
测可能产生的最高套压，井下封井器的下入深度应不
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新疆石油科技
201009 年第 1 期（第 2190 卷）
对全过程欠平衡钻井技术的认识及现场实践
穆总结① 李晓军
兰中洋
温富贵
张欢
西部钻探公司克拉玛依钻井工 新疆油田公司井下作业公司 川庆钻探国际工程公司土库曼分公司 长庆油田公司第一采
艺研究院，834000 新疆克拉玛依
油厂
摘 要 欠平衡钻井技术以其优越的钻探效果已被业内人士所认可， 实现全过程欠平衡钻井技术已成为石油钻井工作者所追求
2 常规欠平衡钻井技术现状
（1） 钻进工况。 目前，利用常规欠平衡钻井技术 完全可实现在钻进工况下的欠平衡钻井作业，即在钻 进过程中，通过调整钻井泥浆性能，确保井底钻井液 柱压力始终低于地层孔隙压力，产生负压差；同时利 用旋转防喷器及节流管汇等对套压进行合理控制，保 证欠平衡钻井的安全有序进行；
（2） 起下钻工况。 在起下钻工况中，常规欠平衡 钻井技术不能满足在井底负压状态下进行起下钻作 业。 在进行该类工况操作前，一般需要进行压井作业 以确保施工安全；
性及良好的工作性能。 目前，经理论计算结果表明，新
疆克拉玛依钻研院井下封井器的下入深度可达到
2010 年第 1 期（第 20 卷）
2500m。
6 井下隔离法的现场应用
目前，井下封井器已在新疆、四川及华北油田推 广应用了三十余口井次，确保了钻井的全过程欠平衡 状态，为油田勘探开发及油藏评价提供了技术保障。
①作者简介：助理工程师，2005-07 毕业于中国石油大学（北京）石油工程专业
对全过油程田欠高平压衡注钻汽井锅技炉术在的役认检识验及与现研场究实践
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装置只能满足于起下钻过程中的井底欠平衡状态，当 进行电测、完井及后续工作时，还是要进行压井作业； 同时，强行起下钻装置具有工作效率低、人员劳动强 度大、占用钻台面积大及费用较高等缺点。
4 井下封井器工作原理简述
井下封井器是作为技术套管的一部分下入井内 的。下井过程中，井下封井器处于开启状态，如图 1 所 示。 井下封井器通过液压副管与地面控制系统相连 接，形成控制回路。技术套管注水泥固井后，在采用欠 平衡钻井工艺进行钻进时，井下封井器允许整个钻柱 通过。
压，驱动阀芯总成中的阀板关闭，见图 2。 井下封井器 便可封闭下部井内流体压力，然后便可进行正常工况 下的起钻作业。
起下钻过程中之所以进行压井作业，是因为在井 底负压状态下，不压井时井口压力会给管柱一个上顶 力，尤其是在起钻后期，随着管柱重量的减少，管柱的 浮重不足以克服井口上顶力，管柱将被顶出井口并造 成井喷，有学者称之为“管轻（pipe light）”现象。 压井 作业避免了管轻现象的发生，但却破坏了井底原有的
件。
对 于 （3） 式 来 讲 是 推 导 出 的 普 遍 公 式 ， 现 场 应 用
时，应该视钻具组合具体分析。 如提前考虑完井方式，
当进行筛管完井作业时，井下封井器的下入深度应大
于筛管的长度，当井下封井器打开后，在筛管下入过
程中， 井口旋转防喷器能够及时对钻具进行有效密
封，确保施工安全。 设完井过程中割缝筛管的长度为
目前，日益兴起并得以推广应用的井下隔离技术 已经得到业内人士的普遍认可。井下隔离技术是用特 殊井下工具将井筒内的流体隔离为上下两个部分。在 井底欠平衡状态下进行起钻作业时，该工具可有效隔 离下部井筒流体压力，使得下部井筒内始终保持欠平 衡状态。被隔离的上部井筒与井底压力体系没有任何 联系，因此，上部分井筒流体不会对起下钻作业产生 影响，从而实现了施工作业中各工况的欠平衡状态。
1.15
5
17
5
0
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5
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4
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20
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23
5
22
工作状态
工作正常 工作正常 工作正常 工作正常 工作正常 工作正常
示井下封井器阀板开始动作时（此时的压力数值即为 阀板的上下压差），按正常程序打开阀板。 然后进行循 环，当环空压力降低后，可继续下钻。
为了解决欠平衡钻井所面临的这些问题，国内外 相关科研部门都进行了欠平衡钻井配套技术的研究， 提出了全过程欠平衡钻井技术这一新方向。
3 全过程欠平衡钻井技术
全过程欠平衡钻井技术的核心就是不压井作业， 包括不压井起下钻、不压井测井、不压井下入筛管或 尾管、不压井下入完井管柱等。
为了达到全过程欠平衡钻井，就要始终满足井底 的欠压状态，同时又能够满足现场施工安全有序地进 行。 为了解决这一问题，除了井口必备的旋转防喷器 外 （进行带压测井作业时， 还需配备电缆防喷器装 置），还应配备专门的辅助工具。 不压井强行起下钻装 置在一定程度上缓解了这一矛盾。 然而，强行起下钻
Φ310 Φ220 4.7 35CrMo 35
≥75
687 BTC
6.1.3 井下封井器应用效果 井下封井器在该井成功开关 6 次，良好的密封性
能及隔离井底液体的能力，为该井实施全过程欠平衡 钻井技术提供了保障。 井下封井器在该井的现场工作 数据如下。
如上表所示， 井下封井器在该井进行开关操作 时，前 4 次阀板底部承压均无显示,这表明井底的欠 压值不大或井底无流体侵入井筒，此时，阀板所承受 的上部井筒内的液柱压力与工具本身弹簧施加给阀
小于发生管轻的深度。
平衡点位置的计算：
设预测可能产生的最高套压值为 Pmax，则上顶力：
2
F＝Pmax
πD 4
（1）
式中
D—为管柱接头或接箍外径 。
设 钻 井 液 密 度 为 ρd，钻 柱 的 密 度 为 ρs，则 钻 柱 的
浮重：
Fm = qp Lp +qc Lc KB = qp L-Lc +09－02 09－10 09－19 09－26
井深 （m）
4 136 4 616 4 473 4 577 4 753 4 911
表 2 井下封井器在 X7202 井的现场应用数据表
泥浆密度 （g/cm3）
关闭压力 （MPa）
关闭时间 （min）
开启压力 （MPa）
阀板底部承压 （MPa）
对全过油程田欠高平压衡注钻汽井锅技炉术在的役认检识验及与现研场究实践
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板的作用力处于平衡状态。 第五次及第六次开启作业 时，由于井下封井器良好的隔离能力，阀板底部与阀 板上部所承受的压差分表达到 5MPa 及 22MPa。 这是 由于关闭旋转防喷器带压起钻， 地层流体进入井内， 其中的地层气体带压滑脱，当井下封井器阀板长期处 于关闭状态时，气体被圈闭在阀板以下，由于气体不 能膨胀，因此形成圈闭压力。 这表明了在进行起下钻
过程中的井底欠平衡状态，也充分证实了工具良好的 密封性能和封井效果。
在阀板底部承压的状态下（现场表现为当用启动 泵打压时，压力迅速提高到一定值，返液量为 0），当 进行井下封井器的开关作业时， 应关闭闸板防喷器， 关闭节流管汇液动阀，通过井口注入泥浆，施加适当 回压来平衡井下封井器上下压差，当地面控制系统显
根据上述定义的平衡点的概念， 有 （1）=（2），即
有：
2
Pmax
πD 4
==
qp
L-Lc
+qc Lc
KB ；
于是可以得出平衡点的深度 L：
2
L= Pmax πD 4qpKB
-
qc -1 qp
L；
（3）
式中
qp—钻杆线重；
qc—钻铤线重；
Lp—钻杆立柱长度； Lc—钻铤长度； KB—浮力系数，KB=1－ρd/ρs。 当井下封井器的下入位置 H≥L 时，即可满足条
X7202 井井身结构如图 4 所示。
Φ444.5mm 钻头钻至井深 500m, 下入Φ339.7 表套，水泥返至地面。 井下封井器下入井深 453m
Φ311.2mm 钻头钻至井深 3940m， 下入Φ224.5mm 技套，2730m。
Φ215.9mm 钻头钻至井深 4915m，下入Φ177.8× Φ139.7 生产套管，水泥返至 3800m。
欠平衡状态，有关文献指出，压井重浆对地层的污染 程度，甚至比在常规钻井中泥浆对地层的污染程度更 为严重；
（3） 测井。 由于井底处于欠平衡状态，在井口上 顶力的影响下，将会发生测井仪器无法入井；或由于 测井周期长，井底又没有钻具，在进行井底欠平衡状 态下进行带压测井作业时，将会带来很大风险；
（4） 完井。 在完井作业中，由于旋转防喷器不能 有效密封筛管等管具，因此，在井底负压的状态下进 行筛管完井等相关作业时， 也需要提前进行压井作 业。 目前，有学者对于井底欠平衡状态条件下的完井 方法进行了探讨研究与现场试验， 然而工艺较为复 杂。
图 4 X7202 井井身结构图
6.1.2 X7202 井井下封井器型号及技术参数 井下封井器型号及参数如表 1 所示。
表 1 FJQ—245 型井下封井器参数表
最大 外径 (mm)
最小 内径 (mm)
工具 总长 (m)
外筒 钢级
最大密 封压力 (MPa)
允许开 关次数
(次)
最小抗 拉强度
(t)
连接 扣型
目前，世界上美国威德福公司研发的井下套管阀 DDV（Downhole Deployment Valve）和我国新疆克拉玛 依 钻 井 工 艺 研 究 院 研 发 的 井 下 封 井 器 DBOP （Downhole Blowout Preventer）都可实现井筒的有效隔 离，即可实现施工中的全过程欠平衡钻井作业。 作者 现以我国自主研发的井下封井器作以简要介绍。