用于全过程欠平衡钻井施工的井下封井器

３４．－——　石　油机械　ＣＨＩＮＡ　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＭｇＣｇＩＮＥＲＹ　２００６年第３４卷第ｌ０期　

●新产品开发　

用于全过程欠平衡钻井施工的井下封井器　

李晓军　高本文　宋朝晖　金鹏林　（新疆石油管理局钻井工艺研究院）　宁世品　

摘要　针对常规的欠平衡钻井工艺不能解决起下钻、完井等作业过程中井底欠平衡压差的连　续保持，无法实施全过程的欠平衡作业问题，研制了可用于全过程欠平衡钻井作业的井下控制工　具——井下封井器。室内试验与现场应用情况表明：（１）采用井下封井器实现了全过程的欠平衡　钻井，显著提高了欠平衡钻井工艺水平和作业水平，起下钻过程中不需预先加入重钻井液，因此　可有效地保护和发现油气层；（２）井下封井器－９使用不压井强行起下钻设备相比，大大减少钻井　作业时间，其适应性和使用性能更好，完全可以取代不压井强行起下钻设备。　

关键词　全过程欠平衡钻井　井下封井器　钻井施工　

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。但这些装置均存在体积　大、占用作业空间大、作业效率低和使用费用高等　问题，且对管柱下部组合有一定的要求，因此不能　完全解决钻进、起下钻、完井、电测各施工环节的　全过程欠平衡作业衔接问题。　针对这种现状，新疆石油管理局钻井工艺研究　院自２０００年开始研发一种能够预置于井下、保持原　有钻井工艺施工完整性的井下工具，经过３年多的　努力，终于研制出用于全过程欠平衡钻井施工的井　下控制工具——井下封井器，已成功应用于５口井。　系统组成及工作原理　１．系统组成　井下封井器系统由地面控制部分、井下部分和　中间连接部分等组成。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。井下部分由　井下封井器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。卡箍的功能是保护液压副管。　２．井下封井器结构　井下封井器结构如图１所示。　

图ｌ　井下封井器的结构示意图　ｌ一套管短节Ａ；２一油管接头；３一上外筒；４一内筒；５一管阀总成；６一转换接头　

本研究课题获中国石油天然气集团公司重点项目“欠平衡钻井用井下控制阀的研制”资助，项目编号：０５Ｂ２０５０３０１。井下封井器获７项　国家专利授权，专利号：ＺＬ０２　２　５４Ｏ８４．９；ＺＬ０２　２　５９２１２．１；ＺＬ２００４２００４９０５７２；ＺＬ２００４２００４９０５２．ｘ；ＺＬ２００４２００５０１６１３；ＺＬ２００４２００５３２１４；ＺＬ　２００４２００６５４４４５。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年　第３４卷第１０期　李晓军等：用于全过程欠平衡钻井施工的井下封井器　图中油管接头２与上外筒３、上外筒３与转换　接头６等均为螺纹连接，内筒４、管阀总成５均处　于上外筒３内，管阀总成中的舌板为具有三维曲面　的板状体，能与管阀总成本体形成良好的密封，且　在管阀总成的适当位置有与舌板相固定的拉伸辅助　弹簧。　３．井下封井器工作原理　图１所示为井下封井器开启状态。欲使井下封　井器关闭，仅需从１根副管内打压，压力经上外筒　３传递至内筒４，并推动其上行，管阀总成上的舌　板在失去内筒支撑的情况下，在辅助弹簧的作用下　关闭。欲使井下封井器开启，需从另１根副管内打　压，压力经上外筒传递至内筒，并推动其下行，内　筒推动管阀总成上的舌板，使其克服辅助弹簧的拉　力而打开封井器。　４．井下封井器系统工作原理　井下封井器作为套管柱的一部分下到预定井深　位置，井下封井器通过油管快速接头与液压副管相　连，液压副管的另一端与地面液压控制系统相连。　井下封井器入井时，通过油管接头与液压副管相　连，液压副管位于套管外，在井下封井器下入过程　中，通过卡箍固定在套管上，以防止下入过程中挤　坏液压副管。　地面液压控制系统主要由液压泵、气压表、油　压表、卸荷阀和气压控制阀等部件组成，井下封井　器通过液压控制系统的液压泵提供液压力实现井下　封井器开关。气压控制阀可控制液压泵的打压　压力。　钻进过程中，封井器呈开启状态，对作业不产　生任何影响。当提钻至封井器以上一定的位置时，　将其关闭，即可达到控制井内流体和压力的目的，　并在封井的条件下快速进行后续作业。当下钻至封　井器以上一定的位置时，将其打开，可使井眼畅　通，继续下钻，或进行其它作业。　５．井下封井器的特点　（１）保护油气层。可与配套设备结合实现全　过程的欠平衡作业，包括钻井、完井、测井过程，　从而避免了常规欠平衡钻井施工过程中超压给油气　层造成的损害。　（２）与不压井强行起下钻设备相比可减少起　下钻时间。　（３）不用重钻井液压井，从而减少重钻井液　用量。　６．井下封井器规格及性能参数　井下封井器的规格及性能参数见表１。　

表１　井下封井器规格及性能参数表　注：３种型号封井器的连接扣型均为ＬＴＣ或ＢＴＣ；开关压力均　为０．７５　ＭＰａ（不包括控制管线的压力损耗）；开关次数均超过７５次。　

室内试验与现场试验　１．室内试验　井下封井器的室内试验包括４项：　（１）井下封井器主阀板开启关闭及密封承压　试验；　（２）疲劳变形试验；　（３）控制管路高压密封试验；　（４）井下封井器整体强度和抗压测试。　室内试验表明，新开发的井下封井器达到设计　要求。　２．井下封井器在夏２０２井的现场试验　夏２０２井设计井深４　９１０　ｍ；实钻井深４　９Ｏ０　ｍ。在现场试验中，共开启和关闭井下封井器各７　次，前６次开启井下封井器时，其上下的压差始终　为零，此时无需辅助憋压，地面可自动控制开启、　关闭。第７次开启井下封井器时，由于工具已在井　下关闭近１１　ｈ，工具上下的压差达到９　ＭＰａ。这既　说明井下确实处于欠平衡状态，又充分证实了工具　良好的密封性和封井效果。　第７次开启的过程：接好管线后憋压启动，１５　ＭＰａ压力持续２　ｍｉｎ后升至１９　ＭＰａ，地面液压控制　系统显示井下封井器无动作。分析其原因，在于工　具已在井下关闭近１　１　ｈ，工具上下已经形成较大压　差，因此，必须以井筒憋压的方式平衡工具上下的　压差。为此，半封井口打压，从１　ＭＰａ增至９　ＭＰａ，地面液压控制系统开始显示工具动作，随后　按正常程序将工具打开，使井眼恢复畅通。　３．井下封井器在新光１井的应用　井下封井器于２００５年７月２３日下入井深４２８　ｍ处，７月３０日第１次开关至８月７日完钻，井下　工作９　ｄ，开关５次，井下封井器工作正常。　

井下封井器使用要点　采用井下封井器技术可以实现全过程欠平衡钻　

维普资讯 http://www.cqvip.com ３６一　石　油机械　２００６年第３４卷第１０期　井、电测和完井。在需要钻柱或其它作业管柱通过　井下封井器时，作业管柱下至井下封井器顶部，通　过地面压力控制打开井下封井器，允许作业管柱通　过。需要关闭井下封井器平衡地层压力时，通过地　面压力控制，关闭井下封井器。其使用要点如下。　（１）确定井下封井器下入深度时，首先应根　据施工井井身结构、地层压力、钻具尺寸、欠平衡　条件下的下入管柱特征参数以及可能的作业时间，　来确定井下封井器的规格、性能参数及下入深度。　（２）在正常的欠平衡钻进过程中，井下封井　器处于完全打开状态，其通径为该层套管的通径，　允许作业管柱自由通过。　（３）起钻时，不必先替入重钻井液平衡地层　压力，只需借助井口旋转防喷器进行合理的回压控　制，带压起钻。当将钻柱起过井下封井器位置后，　通过地面液压控制操作，关闭井下封井器，用以平　衡下部井眼地层压力，然后就可敞开井口按正常作　业程序起钻。　（４）当钻柱下至井下封井器上部位置时，停　止下钻，实施地面压力控制，打开井下封井器后可　继续下钻。如果井下封井器以下未出现憋压情况，　则可直接通过地面液压操控打开井下封井器。如果　井下封井器以下出现较大憋压，则应先关闭单闸板　防喷器，开泵憋压，通过管内憋压逐步平衡井下封　井器舌板上下压力，然后通过地面液压操控，打开　井下封井器。此时即可带压下钻。　（５）下完井管柱，其作业过程与下钻柱基本　相同。　为进一步提高井下封井器在井下工作的可靠性　以及完善井下封井器的使用工艺，又进行了第２代　井下封井器的攻关研究。第２代井下封井器可在地　面通过井下封井器上安装的压力变送器以及测量机　构准确识别井下封井器的开关状态和测量出井下封　井器关闭时所承受负压值，为井下封井器的地面开　关操作提供施工参数，以增加其安全性。第２代井　下封井器已完成样机的试制，准备投入现场试验。　

结　论　（１）采用井下封井器技术实现了全过程的欠　平衡钻井，显著提高了欠平衡钻井工艺水平和作业　水平。由于在起下钻过程中不需预先加入重钻井　液，因此可有效地保护和发现油气层，满足了油田　勘探开发部门对油气储层科学、准确地识别和评价　的工艺技术要求。　（２）井下封井器技术与使用不压井强行起下　钻设备相比大大减少了钻井作业时间，具有更好的　适应性和使用性能，完全可以取代不压井强行起下　钻设备。　（３）井下封井器的开发成功并形成系列产品，　显著提高了欠平衡钻井工艺的整体配套水平和作业　能力。　

第一作者简介：李晓军，高级工程师，生于１９６８年，　１９９１年毕业于石油大学（华东）矿机专业，２００２年获西南　石油学院油气井工程工学硕士学位，现从事钻井机械及工　艺研究工作。地址：（８３４０００）新疆克拉玛依市鸿雁路８０　号。电话：（０９９０）６８８３４０７。　收稿日期：２００６—０６—０９　（本文编辑王志权）　

（上接第３３页）　控制电路，阀杆动作１００次以上。实验表明，节流　／密封阀切换灵活，动作到位准确，密封可靠，其　各方面性能均满足设计要求。将其装入封隔器单　元，同样加上试验压力２５　ＭＰａ，接通控制电路，　阀杆动作１００次以上。阀的各方面性能满足设计要　求。将各个阀件安装好以后，封隔器整机放入试验　井内进行试验，整机性能达到设计要求。　

结　束　语　节流／密封阀是一种用于井下测试器液压控制系　统中控制加压井液流方向的新型两位两通阀。它与　

普通密封阀有很大的不同，不仅具有密封阀通断功　能，还具有节流阀的流量控制功能。室内和现场实　验表明，节流／密封阀各方面的性能达到设计要求。　

参考文献　１成大先．机械设计手册（第５卷）．北京：化学工业出　版社，２００２：２２—１１～２２—１５