全过程欠平衡钻井关键技术及在沙特MTLH-1井的现场实践.pdf

石油 天然 气学报 江汉 石油学院学报 2 0 1 1 年 1 1 月第 3 3 卷第 l 1 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I N o v ． 2 0 1 l V o 1 ． 3 3 N o ． 1 1 全过程欠平衡钻 井关键技术 及在 沙特 MT L H一 1井的现场 实践 邢树 宾 ，思 娜 ，于玲玲 ，王 果 中国 石化石油 工程技术研究院， 北京1 0 0 1 0 1 [ 摘要]介绍 了全过程欠平衡钻井 的关键技术和关键配套设备 。在沙特 MTL H一 1井全过程欠平衡钻井实践 中，进行 了设备优选 ，配套 了性能可靠 的关键设备 ，为全过程 实施 欠平衡钻 井作业提供 了基础 。同时进 行 了欠平衡钻井关键参数设计与计算，为钻井参数、钻井 方式 、钻 井液 性能等 的设计 与选择 提供 了施工 依据。在施工 中，成功应用 了全过程 欠平衡钻 井 的关键 技术 ，实 现 了钻进 、取 心、起下 钻、测井 以及测 试等全过程 的欠平衡 ，有效保护 了油气层。沙特 MT [ H一 1井全过程 欠平衡钻井 关键 技术的 成功应用 ，对 该地 区的勘探开发具有重要意义。 [ 关键 词] 全过程欠平衡；欠平衡钻 井；MT I H一 1井；井下套管阀；现场实践 [ 中图分类号]TE 2 4 9 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 1 1 1 0 1 0 6 一O 4 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，在欠平衡钻井过程 中，为了确保在钻井 施工中钻井流体不对储层产生污染 ，就应该做到从钻井到完井过程都要保持井底的欠平衡状态 ，即实现 全过程欠平衡钻井口 ] 。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 、不压井测试 、不压井下人完井管具等_ 2 ] 。实现全过程欠平衡钻井，需采用相应的关键技术 ，配备特 定的关键设备。 在对全过程欠平衡钻井关键技术与设备进行论述的基础上 ，以沙特 MTL H一 1井为例 ，较为详细地 说明了全过程欠平衡钻井在各种工况下的应用 ，对其中关键技术进行 了分析与总结 ，对全过程欠平衡钻 井技 术在该 地 区 的推 广应 用具 有重要 意义 。 1 关键技术 全过程欠平衡钻井技 术是从 钻开 油气层 到完 井整个 过程均 保持井 筒环 空压力 低于地 层孔 隙压 力E e - 4 ] ，其 区别 于常规 钻井 的关键 技术 有 以下几个 方 面 1 欠平衡钻进 即正常钻进和取心钻进过程中保持钻井流体环空循环压力始终低于地层孔隙压力 。 环空循环压力 的影响因素主要有 钻井液密度 、钻井液流变性能、循环排量 、环空钻井液岩屑浓度 、地 层出气量以及井筒温度等 ，需要借助专业的多相流软件模拟计算 ，优选设计欠平衡钻井液体系、循环排 量和钻井参数 。配备井 口压力控制装置和液气分离装置，采用适合 的钻井参数，保持钻进过程地层为欠 平 衡状 态 。 2 欠平衡起 下钻 即不压井起下钻。实现不压井起下钻 ，首先要分析起下钻抽吸和激动压力随起 下钻速度的变化 ，设计 出地层欠平衡状态下的起下钻速度和井 口压力控制值[ 5 瑚] 。起下钻过程 中，开动 钻井泵，泥浆通过压井管汇、四通、自动节流管汇、泥浆池的循环回路，自动节流管汇调节到设定的井 口压力控制值 ，实现了起下钻的井 口压力控制 ，从而控制了井底压力，也达到起钻中连续灌浆的效果 。 3 欠平衡测井 是在不压井的情况下完成测井作业[ 9 ] ，通常在测井仪器入井后 ，采用 电缆防喷头 [ 收稿 日期] 2 0 1 1 0 8 1 6 [ 基金项目]国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X0 5 0 3 1 0 0 4 。 [ 作者简介 ]邢树宾 1 9 7 7一 ，男，2 0 0 1年江汉石油学院毕业 ，硕士 ，工程师 ，现主要从 事控制压力钻井及环空水 力学方面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第 1 1 期 邢树 宾等 全过程欠平衡钻井关键技术及在沙特 MT I H一 1 井的现场实践 密封井 口和测井电缆 ，实现带压测井。另一种方式 ，利用 L WD 随钻测井工具配合旋转防喷器也可 实现带压测井 ， 操作与欠平衡起下钻相同 ，钻具增加了 L WD测量短接 ，下钻 中要间歇式循环泥浆冷却 L WD仪器，起钻测井时要连续循环泥浆 ，将随钻测量的数据传到地面。 4 欠平衡测试 同样是不压井作业 ，采用的完井液密度低于地层孔 隙压力 当量密度 ，下人测试管 柱时 ，借助旋转防喷器密封井 口，控制下钻速度和井 口压力。要求设计测试管柱要保证测试工具阀的开 启压力高出井 口控压一定范围，以免在井 口控压过程 中启动测试管柱阀门，影响测试作业。封隔器坐封 后的测试过程与常规测试相同。测试完成后 ，起测试管柱的方式与欠平衡起钻相同。 5 欠平衡下入完井管柱通常是不压井下人油管 ，下人油管前 ，需将钻井 四通更换为钻采 四通 ， 旋转防喷器的钻杆密封胶心更换为油管密封胶心 ，防喷器闸板心也要更换为与油管匹配的闸板心 ，然后 实施不压井下油管作业 ，作业程序与欠平衡下钻的程序相同。 随着 随钻井 底环 空压 力测 量技 术 的 日臻 成熟 ，国外 已有 多家大 公 司成功 研制 了随钻 环空 压力 测量仪 器 ，可实时测量井底环空压力数据，通过 MWD或无线 电磁波技术将数据送到地面；技术人员可准确 掌握井底环空压力状况 ，极大优化全过程欠平衡钻井工艺和施工参数u ] 。 2 关键配套设备 实现全过程欠平衡钻井 ，就要始终满足井底 的欠压状态 ，同时又能够满足现场安全施工的条件。为 了解决这一 问题，除了井口必备的旋转防喷器 进行带压测井作业时还需要配备电缆防喷器装置和 自 动节流管汇外 ，还应配备强行起下钻装置或井下隔离工具 。 1 强行起 下钻 装 置 井 口安 装强 行起 下 钻 装 置 ，在 安 全压 差 内实 现带 压情 况 下 的起 下 钻 、取 心施 工 。配备强行起下钻装置可消除在起下钻及完井过程 中的压力波动，实现全过程的欠平衡钻井口 。优 点是 结构合理，施工直观 ，能被用户接受。缺点是 该装置安装在钻台上 ，体积较大，不便于现场安 装和拆卸 ，增加钻机操作费用；起下钻时旋转防喷器始终封住钻具，对胶芯磨损严重 ；由于液缸伸缩缓 慢及伸缩距离有限，增加起下管柱的时间 。 2井下套管阀 井下隔离技术使用特殊井下工具将井筒内的流体隔离为上下 2个部分 ] 。在井底 欠平衡状态下进行起钻作业时，该工具可以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 。威德福公司的井下套管阀 D o wn h o l e D e p l o y me n t Va l v e ， D DV就是典型的井下隔离工具 。其作用原理是 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 。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 ；当起钻至控制 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 、顺利地完成提钻作业 ；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l 3 ] 。井下套管阀具有 以下特 点①起下钻过程中，不需压井 ，避免了压井对储层的伤害 ；②起下钻作业时间基本不增加 ；③节约了 因压井而导致的钻井液材料和调整性能 的时间 ；④允许下入长而复杂 的钻井、完井管串及测井仪器 ； ⑤为带压测井创造了条件；⑥套管阀随上一级套管一起下人井内，不可回收。 ‘ 3 全过程欠平衡钻井实践 MTL H一 1 井是沙特 B区块 的一 口重点探井 ，设计 深度为 5 4 0 7 m。为促进 油气发现，该井在钻进 S a r a h组地层施工 中，配备了旋转防喷器 、自动节流管汇、井下套管阀等关键设备 ，采用全过程欠平衡 关键工艺技术 ，实现了全过程欠平衡钻井作业 。 3 ． 1 欠平 衡钻 进作 业 1 井底 E C D设计计算 环空摩阻最终将施加在井底 ，增加井底压力 ，其大小决定了摩阻对井底压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1年 1 1 月 力的影响程度 。依据实钻的井身结构 、钻具组合和泥浆性能，同时考虑温度 的影响，模拟计算了不同循 环排量下的环空摩阻。在获取准确环空摩阻数据的基础上，计算 出 5 2 5 4 m 井深 的井底 E C D 有效循环 密度图版 ] 图 1 ，为井E l 回压的设计提供依据 。 2 欠平衡钻进作业 钻进施工 中，采用 1 ． 3 9 g ／ c m。 的泥浆密度，实时进行 E C D的计算 ，调节井 口 回压以控制井底 E C D，其井 E l 回压和井底 E C D控制 曲线如图 2所示。通过合理控制井 口回压 ，井底 E C D均低于 1 ． 5 2 g ／ c m。 预测孑 L 隙压力下限 ，保持了欠平衡钻进 图 2 。 盆 l 8 2 O 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 捧量／ L s - I 井深 ， m 图 1 井底 E C D随排量变化结果图示 图 2 钻进 过程 的井口回压和 井底 E C D 矗 室 兽 杀 3 ． 2欠平衡 起 下钻作 业 1 抽吸和激动压力计算在起下钻过程 中，会存在激动和抽吸压力 ，在使用单流阀下钻时的激动 压力尤为明显。参照实钻钻具组合和泥浆性能 ，模拟计算 了 5 2 5 4 m深度上，井底抽吸和激动压力随起 下 钻速 度 的变化情 况 图 3 。由图 3可见 ，起下 钻 速度 对波 动 压力 影 响非 常大 ，因此要 严 格 控制 起 下 钻速度 在 1 0 m／ mi n以下 ，才能使波动压力降为’ 1 MP a左右。 矗 枣 趔 出 售 盆 时间 ／ min 图 3 不 同起下钻速度时的抽吸和激动压力 图 4 起下钻过程的井底 E C D 2 欠平衡起下钻作业 借助套管 阀工具 ，起下钻过程 中未采用重浆压井 。套管阀位置在 2 1 0 3 m， 钻头在套管阀以上时，套管阀处于关闭状态 ，套管阀上下的井筒是隔离的，起下钻产生的压力波动对井 底 没有影 响 。 钻头在套管阀以下时，套管阀处于开启 状态 ，起钻过程 中，井底会 由于钻杆快速上提产生抽吸压 力 ，引起井底负压值增加 ，为了减小井底压力波动 ，需控制起钻速度。起钻速度 6 ～9 m／ mi n ，起钻过 程井 口加 5 ． 2 ～5 ． 9 MP a回压 。下钻过程中，会产生激动压力 ，增加井底压力 ；下钻速度6 ～9 m／ mi n ， 起 钻过程井 口加 5 ． 9 ～ 6 ． 2 MP a回压 。实 际起 下 钻 中 井 底 E C D见 图 4 。起 下 钻过 程 的井 底 E C D 为 1 ． 5 2 g ／ c m。 ， 地层处于欠平衡状态。 舶 H船 舶 ∞ 蕊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3 卷第 1 1期 邢树宾等 全过程欠平衡钻井关键技术及在沙特 MT LH 一 1井的现场实践 欠平衡测 井作 业测 井时 ，不采 用重 浆压 井 ， 与欠平衡起下钻过 程相 同，套管 阀开启后 ，通过 控制井 口回压调节井底压力 ，保 持测 井过程地层 的欠平衡状态 。该井采用 了 L WD随钻测量工具 ， 配合旋转防 喷器设备完 成整个欠 平衡 测井 作业 。 起钻测量时 ，开泵循 环，实 时将测量数 据传到地 面。循环过程 中依据排量 ，井 口采用一定 的 回压 来调节井底 E C D，保持了测井时的井底 E C D低于 地层孔隙压力 图 5 。 3 ． 3欠平衡 测 试作 业 垦 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 o 0 4 5 0 0 5 0 0 0 井深／ m 图 5 测 井和测试过程 的井底 E C D 测试时，没有压井 ；如同欠平衡下钻过程一样 ，在套管阀开启后，采用井口带压方式下钻 ，以控制 井 底压 力 。测试 液采 用 密度 为 1 ． 3 6 g ／ c m。的 无 固相 盐 水 ，测试 管 柱 下 钻 过 程 适 当控 制 井 口 回压 ，稳定 控 制 了井底 E C D 图 5 。 通过分析测试结果 ，认为该地层未达到商业价值的产量 ，不再实施欠平衡完井作业 。 MTL H一 1 井欠平衡施工 中，井下套管阀共关闭、开启 2 5次，密封性能 良好 ，为欠平衡的成功实施 提供了设备保障。在钻进 、取心 、起下钻 、测井以及 测试的各个环节 除完井 ，井底 E C D均控制在 1 ． 5 2 g ／ c m。以下 ，实现了全过程欠平衡作业 ，测试分析结果显示表皮系数为一3 ． 4 4 ，表明作业过程中保 护油气层效果显著。 4 结 论 1 沙特 MTL H一 1 井全过程欠平衡钻井施工中，配套 了关键设备 、同时实钻中很好地应用了关键控 制技术 ，实现全过程欠平衡钻井作业 ，有效保护了油气层。 2 沙特 MTL H一 1井的全过程欠平衡钻井的成功应用 ，为该项技术在该区块的应用与推广提供了宝 贵的实践经验与参考价值 ，对沙特 区块 的勘探开发亦具有重要意义。 [ 参考文献] E 1 ] 赵金 洲 ．井下隔离法全过程欠平衡钻井技术及应用 E J ]．天然气工业，2 0 0 6 ，2 61 1 7 3 ～7 6 ． [ 2 ] 陈永 明 ．全过程欠平衡钻井 中的不压井作业 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 6 ， 3 2 2 2 2 ～2 5 ． E 3 ] 周英操 ， 翟洪军 ．欠平衡钻井技术与应用 E M ]．北京 石 油工业 出版社 ，2 0 0 3 ． E 4 ]周英操 ，刘永贵 ，鹿志文 ．欠平衡钻井井底压力控制技术 E J ]．石油钻采工艺 ， 2 0 0 7， 2 9 2 1 3 ～1 7． E 5 3杨顺辉 ．全过程欠平衡钻井设备配套技术研究 E J ]．石油地质与工程 ， 2 0 0 7 ，1 7 4 6 3 ～6 5 ． E 6 ]谢俊 ．欠平衡钻井井控设备技术及关键设备的国产化可行性研究 E J ]．海洋石 油 ， 2 O O l ，1 9 3 5 2 ～5 5 ． [ 7 ]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 ， 2 0 0 6 ，3 5 2 5 ～8 ． [ 8 ]樊洪海 ，冯广庆 ，王果 ， 等 ．一种新的流变模式及其应用性评价 [ J ]．中国石 油大学学报 ，2 O l O ， 3 4 5 8 9 ～9 3 ． [ 9 ]樊洪海 ，王果 ，张辉 ，等 ．四参 数流变模式及 其水力 计算模 型 口]．石 油学报 ，2 O l O ， 3 1 3 5 1 1 ～5 1 5 ． E l O ]周英操 ，崔猛 ， 查永 进 ．控压钻井技术探讨与展望 E J ]．石油钻探技术 ， 2 0 0 8 ，3 6 4 1 ～4 ． [ 1 1 ]陈养厚 ，陈国明 ， 殷 志明 ．欠平衡钻井过程中的井控新设备 口]．石油矿场机械，2 0 0 6 ，3 5 6 9 5 ～9 7 ． [ 1 2 ] 肖润德 ，潘登 ， ’ 杨玻 ．四川油气 田欠平衡钻井装备的研究与应用 E J ]．钻采工艺，2 0 0 3 ，2 6 5 6 o ～6 3 ． [ 编辑] 苏开科 眈 ∞勰 ∞ 铊 }i 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m