综上所述,全过程欠平衡钻井的关键在于不压井作业。
2.全过程欠平衡技术关键
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隔离阀。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。但实践证明,不压井起下钻装置在使用前需要大量时间安装设备,使用过程中需要大量时间实现起钻和下钻作业,延长了起下钻的时间,增加了钻井费用。因此采用套管阀的井下隔离技术已成为研究热点。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(CasingWell-ControlValve)[1],威德福公司研制了井下控制阀(DownholeDeploymentValve,DDV)[2-3]。但国外公司对该项技术进行垄断。为打破技术垄断,胜利油田自主研制了一种井下套管阀.
二 井下套管阀的结构及工作原理
井下套管阀是一种全井筒的安装于套管的截止阀,可作为技术套管的组成部分下入并固在井中,在阀板关闭状态能够隔离井下的油气和压力,保证井口安全作业;在开启状态允许钻具组合通过。当欠平衡钻井过程中需要起钻时,首先将钻具带压起钻至井下套管阀以上,然后关闭阀板,泄掉上部套管的压力,按照常规方法起钻;下钻时按常规方法下至阀板上方时,首先关闭地面压力控制系统,从井口泵入流体以平衡阀板上,下的压力,然后打开阀板,带压下钻到井底并进行欠平衡钻进。
胜利油田研制的井下套管阀由外筒,内部滑动芯轴,阀板,阀座及阀板复位机构组成。外筒为空心筒体,并通过上下接头与常规套管连接;外筒上部装有滑动芯轴,滑动芯轴与外筒及安装于外筒的密封圈形成空心油缸,钻具可从芯轴内孔穿过;外筒外部加工有上下两个油口,由地面控制系统向油口内注入液压油,驱动滑动芯轴在液压力作用下上下移动,打开或关闭阀板.该阀已获得国家专利。
三 井下套管阀的室内试验
1.试验目的及试验参数设定
作为封隔油气和水层,加固油层和稳定井壁的管具,套管在钻井,采油作业中都起到了非常关键的作用,其质量直接影响油气井的寿命。井下套管阀作为套管串的一部分,也必须具有非常高的性能和使用可靠性,因此需要进行严格的室内试验,检验套管阀的各项性能参数。检验的项目包括密封能力,开关的动作可靠性,在各种压力下的泄漏量等,另外还要模拟套管阀的实际工作,对职工进行作业培训,希望及早发现作业中的问题,做好应对准备,为现场工作积累经验。对该阀的具体技术要求为:
(1)密封性要求。井下套管阀属于高压密封装置,安装于井口以下几百至几千米。当阀板关闭时,阀板下的压力值为欠平衡压力或圈闭压力;需要打开阀板时,必须从地面憋压以平衡阀板下的密封压力。如果是气井,阀板下的压力近似等于井底压力,阀板上的压力可能很低。这样,一方面,阀板要承受高的压力差,另一方面,外筒也要承受很高的内压和外压。并且一旦阀失效,阀板下隔离的高压油气将以很高的流量,令人措不及防地喷出地面,造成井喷事故,所以必须对阀体进行严格试压。考虑到井下套管阀为最新技术和设备,国内外都没有相应的试验和施工标准,我们结合胜利油田采用液相,充气,泡沫欠平衡技术完成90多口井的经验,初步确定阀板密封压力要达到35MPa,外筒承受内,外压能力为35MPa,抗拉能力300t以上。
(2)开关动作的可靠性。设计的井下套管阀利用液压驱动的滑动芯轴开启阀板,利用阀板复位机构关闭阀板,要求这两种机构必须灵活动作,否则如果阀板开关不到位,钻具将不能通过,必然影响进一步钻进,甚至可能报废一口井。为检验开关动作的可靠性,要求在各种压力,各种开关速度,各种气液流动速度下反复试验,查找可能影响动作灵活的因素。
(3)泄漏量试验。阀板与阀座的密封形式为金属对金属的密封。由于井压助封,这种密封形式能够保证高压密封,但考虑到低压时可能有微漏,因此需要试验低压泄漏量,分析能否造成井控危险及能否损坏密封面。
2.试验装置及程序
井下套管阀试验装置,其中液压缸用于推动开启筒以开关阀板;水压系统包含有低压泵和高压泵,低压泵出口还并联有2部蓄能器;各管线连接处安装有截止阀,快换接头和压力传感器,便于计算机远程监控试验压力;试验台架附近还装有摄像头,与监控室的硬盘刻录机连接,保证试验的安全性。
模拟现场施工进行了以下试验:
(1)低压密封试验。关闭阀板利用低压泵从下部试压口泵入清水,密封压力达到12MPa后(低压泵的最大工作压力为14MPa),停低压泵,进行低压保压试验。保压4小时后,密封压力降至11.6MPa,密封效果良好。
(2)阀板关闭可靠性试验。首先利用开启筒打开阀板,将上部试压口用管线直接接至水箱,然后从下部试压口泵入水和空气混合物,分别快速和慢速提升开启筒,关闭阀板.该试验用于模拟井中有较大溢流的关井。阀板关闭后,停止泵入气体,开高压泵,使阀板下压力达到8MPa,保压10分钟,检验压力降低情况。
(3)测量泄漏量。打开阀板,关闭上部试压口的截止阀,利用高压泵从下部试压口泵入清水,使阀内维持一定压力,再分别快速和慢速提升开启筒,关闭阀板。确认阀板关闭后,停高压泵,记录阀内
