全过程欠平衡钻井配套装备研究

全过程欠平衡钻井配套装备研究
摘要：近十年来，国内外欠平衡钻井技术在降低成本和提高油气层产能上取得了显著效果，已经成为钻井技术发展的必然趋势。

全过程欠平衡的技术关键是不压井起下钻，除了常规的欠平衡钻井设备外，还需配置能够完成不压井起下钻的设备。

通过对目前国内外能实现全过程欠平衡配套设备的分析，特别是对最新的强行起下钻装置，套管阀技术进行评价，指出目前这些最新设备的配套完全可以实现全过程欠平衡作业。

关键词：全过程欠平衡；配套装备
1．引言
欠平衡钻井技术作为一项重要的油气层保护手段备受人们青睐，已得到越来越广泛的应用，但常规的欠平衡钻井工艺无法解决起下钻、完井等作业过程中井底欠平衡压差的连续保持问题，无法实施全过程的欠平衡作业，使该项技术的应用受到一定程度的限制。

为了解决全过程的欠平衡钻井工艺技术问题，国内外科研人员大力研发配套的工具与工艺，相继开发了不压井强行起下钻设备，在一段时间内缓解了这方面的矛盾。

2．全过程欠平衡钻井技术
全过程欠平衡技术是指在不压井的条件下实现欠平衡钻进，井口密封装置带压起下钻具、电测仪器、完井管具等，一般还包括不压井下油管串等。

全过程欠平衡技术应包括以下几方面：
(1) 欠平衡钻进：即在钻进过程中始终保持钻井液的循环压力低于所钻地层的孔隙压力，利用欠平衡钻井设计及动态数值模拟软件进行欠平衡钻井设计，选用适合的欠平衡钻井液体系，配备井口压力控制设备和流体处理设备。

随着对欠平衡钻井技术的深入研究和技术服务人员实践经验的积累，井口压力控制系统和地面流体处理系统的日臻完善，钻井实时数据采集、监测、控制技术的研究成功，以及对欠平衡钻井井控技术认识的提高，一般能够实现在钻进过程中保持欠平衡状态，我们目前能实现此状态。

(2) 不压井带压起下钻：目前影响欠平衡效果的主要原因是起钻前或起钻过程中需要压井以平衡地层压力，但压井作业有可能完全抵消了欠平衡钻井带来的好的效果，甚至可能对地层造成更大的损害。

而不压井起下钻作业还需要采用先进技术和专用设备，实施比较困难。

(3) 不压井带压测井：由于根据目前的地质判别能力还不能掌握确切的油层分布位置，因此在完井前进行测井作业还是必不可少的。

由于一般测井周期比较长，测井过程中井下又没有钻具，为避免井控事故，目前测井前通常也需要压井.但现在国内外都有不压井测井的实例，即测井仪器下入井中后，利用高压防喷管
密封井口和测井电缆，实现带压测井。

(4) 不压井下入完井管串：同起下钻一样，在下完井管串时也保持欠平衡状态，一般挂筛管，或带封隔器的尾管，然后进行负压射孔。

(5) 欠平衡取心：欠平衡作业时，钻具中近钻头需要装内防喷工具，内防喷工具与常规的取心工具不能同时使用，需用专用欠平衡取心工具及相关工艺。

综上所述，全过程欠平衡钻井的关键在于不压井作业。

3. 全过程欠平衡配套设备技术关键
目前影响欠平衡效果的主要原因正是起钻前或起钻过程中需要压井以平衡地层压力，但如果不压井起下钻，在钻进过程中保持欠平衡状态的井，起钻时由于抽汲作用，钻井液环空流动阻力减少等因素，井底瞬时欠压值将大于设计的欠压值，地层流体涌入量将超过地面设备额定控制能力，造成井口作业困难。

对于气井或产能较高，气油比较高的油井，地层流体进入井筒后，气体将在井筒中膨胀并滑脱上升。

为防止侵入的油气引起更严重的溢流，需要通过节流系统控制井口压力，过密封胶芯带压起下钻。

在起钻初期和下钻后期，由于钻具浮重大于井口压力对钻具的上顶力，钻具不存在被顶出的危险，但在起钻后期和下钻开始时，钻具浮重小于井口压力对钻具的上顶力，起钻时钻具可能被顶出并造成井喷，下钻时钻具无法下入。

为解决上述问题，除了井口必备的常规防喷器外，还需配备不压井起下钻装置或井下套管阀。

需要全井使用相应尺寸的斜坡钻杆，如果没有顶驱还要六方钻杆及补心。

不压井起下钻装置：主要包括液压动力系统，举升系统，卡瓦系统等，安装在钻台面以上，通过液压举升系统和卡瓦在管具上提供一定的力，克服井口压力对钻具的上顶力[1]。

图1. 60吨不压井起下钻装置图2. 不压井带压测井装备置
目前国内四川石油管理局拥有不压井起下钻装置、不压井测井装置、欠平衡取心等装置，拥有了一套全过程欠平衡施工工具及工艺。

但完井管串产层不固井，采用筛管，或下套管带封隔器，以及负压射孔等技术。

井下套管阀：国外几家大的油公司在采油用井下安全阀(SSSV)的基础上开发了井下套管隔离阀，例如哈里伯顿公司研发了欠平衡用套管井控阀(Casing Well-Control Valve)，威德福公司研制了井下控制阀( Downhole Deployment Valve, DDV)。

但国外公司对该项技术进行垄断。

随着欠平衡技术的推进，国内新疆钻井研究院与石油勘探开发研究院机械研究所、胜利钻采院都在研究井下套管阀。

新疆与胜利产品已见应用报道。

井下控制阀的作用原理（新疆钻井院）：井下控制阀是配合井口旋转放喷器实现全过程欠平衡作业的一种特殊工具。

在需要实施全过程欠平衡作业的井中，先将井下控制阀预置在上层套管的某一位置上，当起下钻、电测或下筛管时，可以根据需要，利用井下控制阀将井筒上下分隔开，由此完成其相关工具、仪器的起下作业。

在欠平衡作业正常钻进过程中，控制阀处于开启状态，对钻进作业不产生任何影响；当提钻至控制阀以上某一位置时，将其关闭可以达到控制井内流体和压力的目的，这样就可安全、顺利的完成提钻作业；当需要下钻、下电测仪器或筛管时，在钻头、电测仪器或筛管下至控制阀以上某一位置时，将其打开即可使井眼畅通，完成后续作业[2,3]。

(a) 关闭状态 (b) 开启状态 (c) 钻进状态
图3. 井下控制阀的作用示意图
套管阀具有如下特点：
(1) 起下钻过程中，不需压井，避免了压井对储层的伤害； (2) 套管阀安装简便，操作简单；
(3) 起下钻作业时间基本不增加；
(4) 节约了因压井而导致的钻井液材料和调整性能的时间；
(5) 允许下入长而复杂的钻井、完井管串及测井仪器。

(6) 为带压测井创造了条件；
(7) 套管阀随上一级套管一起下入井内，不可回收。

新疆研制的井下控制阀的规格及性能参数
综合考虑欠平衡钻井、固井、完井及井口作业对井下控制阀的要求，确定了井下控制阀的有关参数。

其内径满足下一级钻井钻头能顺利通过；外径满足施工安全下入和避免固井时造成过大的循环阻力；长度方便井口操作；抗内压、抗外挤及抗拉强度与常用的套管相当。

室内模拟试验参数及几何尺寸如表1和表2。

表1 井下控制阀性能参数
*：不包括控制管线的压力损耗。

表2 井下控制阀几何参数
新疆井下控制阀的现场应用
井下控制阀由地面控制部分、井下部分和中间连接部分组成。

其中，地面控制部分包括气动泵、油箱、气路管线、泄荷阀、闸阀、气压表、油压表、定滑轮、滚筒和计量器具等组成。

井下部分由井下控制阀本体和管接头等组成。

中间连接部分包括液压副管、卡箍、管接头、液压软管和井口装置。

其现场应用连接情况如下图所示。

图4. 新疆研制的井下控制阀
2004年10月在夏202井进行了现场应用并获得了成功。

此后，又在夏76井、新光1井，四川盆地的广安8井、核桃2井进行了现场应用，均取得了成功。

旋转防喷器，配合井下套管阀或不压井起下钻装置，以及不压井测井装置，实现全过程欠平衡。

但是国内有专家认为，井下套管阀应和不压井起下钻装置配合使用，确保全过程欠平衡施工更加安全。

4．结束语
（1）全过程欠平衡技术从钻开油气层到完井采油阶段都能够保持井底负压，不会对油气层带来伤害，该技术必将成为欠平衡钻井发展的最终目标，而实现该技术的关键是不压井起下钻。

（2）要实现全过程欠平衡钻井，除了常规的欠平衡钻井设备外，还需要配套能完成不压井起下钻的装置。

目前国内外主要应用的是强行起下钻装置和井下套管阀。

（3）强行起下钻装置只需在地面安装使用，可靠性较高，但操作复杂；井下套管阀技术操作简单，但成本较高。

所以在具体应用这些技术时应进行综合对比分析。

目前通过对现有技术设备的配套，我国完全可以实现全过程的欠平衡钻井。

参考文献：
[1]黄小兵，刘清友，王德玉．浅析我国不压井装备的现状及发展趋势[J]．石油矿场机械，2004.33(增刊)：19~21．
[2]李建成，宋林松，王岩鹏，等．井下套管阀研究及室内试验[J]．石油矿场机械，2006.35(2)，5-8．
[3]陈养厚，陈国明，殷志明．欠平衡钻井过程中的井控新设备[J]．石油矿场机械，2006.35(3)：95-97．
图5. 井下控制阀现场应用示意图。