全过程欠平衡钻井用井下套管阀的研究及室内试验
全过程欠平衡钻井用井下套管阀的研究及室内试验
李宗清 宋林松 王岩鹏
(胜利石油管理局钻井工艺研究院 山东东营 257017)
摘要:随着欠平衡钻井技术的深入研究和推广应用,各油公司逐渐开始研究全过程欠平衡钻井技术.除了常规的欠平衡井口压力控制设备外,全过程欠平衡钻井还需配备井下套管阀或强行起下钻装置.目前利用套管阀开展井下隔离法全过程欠平衡钻井技术研究已成为研究热点.为此,胜利油田研制了一种双液控井下套管阀,并进行了全面的室内试验和测试.试验和测试内容包括:密封能力,高压,有流动情况下阀板关闭的动作准确性,模拟现场阀板下憋压时打开阀板的作业程序,检测在各种密封压力时阀的微泄漏量.试验结果表明该阀已达到设计要求,能够满足全过程欠平衡作业的工艺要求.
关键词:全过程欠平衡钻井 井下隔离技术 井下套管阀 室内试验
随着欠平衡钻井技术的深入研究和推广应用,各油公司对欠平衡技术的要求越来越高,要求从打开油层开始至完井结束整个过程,井下都要保持欠平衡状态,这就是所说的全过程欠平衡技术.为了更安全地实施全过程欠平衡钻井技术,从2004年起,胜利油田钻井院开始研制一种井下套管阀,并已生产出样机.为全面检测该系统的性能是否达到设计要求,能否满足全过程欠平衡作业工艺的要求,对该井下套管阀样机进行了长时间的室内试验.
一,全过程欠平衡钻井及其技术关键
1. 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,过井口密封装置带压起下钻具,电测仪器,完井管具等.虽然各种文献中对全过程欠平衡技术的叫法不一致,但对该技术的理解基本一样,一般认为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.随着我国欠平衡行业标准的颁布,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;
(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) 不压井下入完井管具.同起下钻一样,如果下入完井管具时操作不当,也会对储层产生污染,因此,在下完井管具时也必须要保持欠平衡状态.
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(Casing Well-Control
Valve)[1],威德福公司研制了井下控制阀( Downhole Deployment Valve,
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如图1所示,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.模拟井口打压开启阀板试验原理示意图如图2所示.
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,记录阀内压力;同时打开上部试压口的截止阀,用烧杯量取阀板泄漏量.共进行了10次试验,试验压力为1~11 MPa,各压力等级的泄漏量如图3所示.试验压力1 MPa时泄漏量为8 l/h,相对于整个井筒几百立方米的体积来说非常小;试验压力超过11MPa后几乎没有泄漏量,也就没有继续测试.试验表明即使在井筒存在高压情况下该阀也能良好关闭.分析认为如此小的泄漏量对高硬度和高强度的阀板密封面不会引起冲蚀.
(4) 模拟现场试验.如图2所示,高压泵连接上部试压口,低压泵和蓄能器连接下部试压口.首先关闭阀板,从下部试压口泵入清水,并维持一定压力,经计算此时开启筒向下的推力不足以开启阀板,需要从上部试压口泵入清水平衡阀板上下的压力,这与现场施工情况完全相同.高压泵开始工作时上部试压口的压力匀速上升,到达一个点后测试到的压力几乎不再变化,确认该点的压力就是阀板下的压力.然后推动开启筒就可以开启阀板.这是因为由高压泵泵入的高压水全部被蓄能器吸收了,正如从井口泵入的压力被下面几千米的井筒吸收一样.共进行11次这样的开启试验.该试验能够完全模拟现场作业情况,为施工提供了宝贵的经验.
(5) 高压试验.从下部试压口泵入高压,最高试验压力36MPa,并在压力为18MPa保压14小时.试验后检验发现阀板和阀内各部件保持正常,无一损坏.
(6) 重复试验.再重复步骤3的试验,测得的泄漏量明显减小,泄漏量如图4所示,试验压力为1MPa时泄漏量仅为1.92
l/h.这表明经过多次开关试验,阀板的密封性能有了一定提高.说明如果进一步对阀板/阀座的配合面进行研磨精加工,阀的密封性能还将有改进.
四,结论
1)采用套管阀的井下隔离技术是实现全过程欠平衡钻井最为简捷,安全的技术,国内需对该技术进行更深入的研究.
2)室内试验表明研制的井下套管阀能够实现压力密封功能,阀板动作灵活可靠,基本上达到了设计要求.
3)室内试验能够完全模拟现场作业情况,为施工提供了宝贵的经验.
4)下一步需要进行和完善的工作包括:进一步对阀板/阀座的配合面进行精加工;提高压力试验等级;采用固相含量较高的钻井液进行试验;检索国外对该阀的试验,测试要求,提出更为全面的测试技术规范.
参考文献
[1] Travis W.Cavender, Henry L.Restarick. Well completion techniques and
methodologies for maintaining underbalanced conditions throughout initial and
subsequences interventions[R]. SPE90386
[2] Brian Grayson. DDV usage reduces time to round-trip drill string, cuts
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
图1 阀体室内试验装置图
1-液压管线 2-液缸 3-上部试压口 4-试验架
5-阀体 6-下部试压口 7-液压站 8-摄像头
试验压力 /MPa
图4 第二次试验泄漏量
泄漏量 l/h
试验压力 /MPa
图3 第一次试验泄漏量
图2 阀体试验系统原理示意图
1-液压系统 2-快换接头 3-高压泵4-低压泵
5-蓄能器6-阀板 7-阀座 8-开启筒 9-油缸
蓄能器使系统运行更加平稳；
蓄能器使系统运行更加安全；
蓄能器使系统运行效率提高；
蓄能器使系统运行能耗降低。