欠平衡鉆井裝備的研究與應用

近年來，四川對不平衡鉆井設備的性能進行了10.5pma的旋轉(zhuǎn)控制頭、zqf-1400和1.5m鉆井氣壓控制器、600kn不壓井提升液壓口、油壓門均勻壓力鉆等關鍵井的鉆孔，以及不同壓力級別的不平衡鉆井設備的支撐，以及不同壓力級別的不平衡鉆井和由氣田制造的救援產(chǎn)品。其中，10.5ma旋轉(zhuǎn)控制頭、zqf1400和1.5m鉆石液氣源、垂直油壓閥和600kv不壓井的內(nèi)壓裝置填補了國內(nèi)空氣壓縮鉆頭設備的不足，為四川不同類型的不平衡井提供了安全可靠的基礎設施。通過30多口井的欠平衡鉆井實踐,在及時發(fā)現(xiàn)和保護油氣層、解決工程地質(zhì)難題等方面取得了卓越的成效。旋轉(zhuǎn)控制頭和相關設備1.密封機理、潤滑、冷卻國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)控制頭公稱通徑為>230、>280、>346;額定轉(zhuǎn)速100r/min;密封機理為彈性密封和井壓助封;軸承冷卻、潤滑方式為強制水冷卻與潤滑油潤滑;適用介質(zhì)為氣體(空氣、氮氣、天然氣)和各種鉆井液;連接規(guī)范符合23—35、28、35、35、35API標準法蘭連接。2.相關液動平板裝置見表23.標準木材見表34.口井中管串密封性能目前,有3.5MPa、5MPa、7MPa、10.5MPa壓力級別的旋轉(zhuǎn)控制頭,分別在川內(nèi)30多口井中應用,在欠平衡鉆進、取心、不壓井起下管串時,其密封性能良好,能有效密封鉆具和油管串,膠芯使用壽命大于100h、最長的達193h(未壞),液動平板閥動作靈活可靠?，F(xiàn)場應用表明:旋轉(zhuǎn)控制頭及其配套設備設計先進、結構新穎合理、操作安裝方便,具有先進性、實用性、可靠性和安全性,能滿足欠平衡鉆井工藝技術的需要。鉆井液氣分離器1.現(xiàn)場應用情況80年代末研制的ZQF—800/0.7型鉆井液氣體分離器,開始在川局內(nèi)廣泛應用,為了適應欠平衡鉆井的需要,1998年又開始進行了改進設計。新設計、制造了ZQF2—800/0.8型、ZQF3—1200/1.0型和ZQF4—1400/1.5型鉆井液氣體分離器,通過近幾年的現(xiàn)場應用又逐步進行了改進和完善。(1)采用差動排液閥和U型管結構組成的自動控制液面裝置代替以前使用的U型管或氣動蝶閥,其差動排液閥的開啟依賴于浮球向上的浮力,在不需外界動力的情況下達到自動控制鉆井液液面高度的目的。這樣通過差動排液閥及U型管結構實行雙重自動控制鉆井液氣分離器液面高度,解決了原鉆井液氣分離器在氣源不穩(wěn)定時,氣動蝶閥不能開啟或關閉,使鉆井液從排氣管涌出或氣體從排液管噴出的問題。(2)在排液控制閥下端設計了水平帶閥的排污管路,可定時開閥將沉砂排出,解決了存砂及輸液不暢等問題。(3)其技術參數(shù)見表4。2.欠平衡鉆井鉆井液氣運移特性近幾年來,欠平衡鉆井用液氣分離器先后在川內(nèi)和長慶油田的陜242、青海深88等30口井進行了現(xiàn)場應用,欠平衡鉆井過程中都有油氣顯示,其中有18口井獲得工業(yè)性油氣流?，F(xiàn)場應用表明:其鉆井液氣分離器配備完善、性能良好,差動排液閥和U型管雙重自動控制液面高度的新型機構先進,動作靈活、可靠,排液通暢,無沉砂現(xiàn)象,液氣處理量均達到較好水平,分離效果好,點火裝置點火容易、且點火可靠。能滿足欠平衡鉆井工藝技術的需要。新型節(jié)流閥為了滿足在大井眼段進行欠平衡鉆井的工藝技術要求,開展了大通徑、低摩阻的欠平衡鉆井專用節(jié)流管匯的研制,管匯為>103大通徑,管匯架為升降式。在本節(jié)流管匯中采用了一種新型的籠式節(jié)流閥,節(jié)流閥的閥芯、閥座為整體式硬質(zhì)合金,具有耐擦傷、耐腐蝕、耐沖刷、使用壽命長等特點,該節(jié)流閥既能節(jié)流又能截止,改變了原節(jié)流閥閥芯的結構與閥桿的連接形式,使節(jié)流效果更加明顯。其主要技術參數(shù)如下:主通徑:>103;壓力等級:35MPa;翼徑:>103;節(jié)流閥的規(guī)格:>103(有效通徑:>80);下流出口通徑:>103;驅(qū)動形式:液動、手動。該節(jié)流管匯的樣機已試制完畢,準備在灌口2井投入現(xiàn)場應用。旋轉(zhuǎn)控制頭控制圖該系統(tǒng)具備以下功能特點:(1)采集功能:采集立壓、套壓、循環(huán)進口、出口的氣體流量、循環(huán)進口、出口的氣體溫度、鉆井泵沖數(shù)(排量)、鉆井液池液面、井深和鉆時。(2)控制功能:控制旋轉(zhuǎn)控制頭液動平板閥的開關動作、根據(jù)欠壓值動態(tài)控制液動節(jié)流閥的開啟大小、控制旋轉(zhuǎn)控制頭的卡箍動作。(3)整套系統(tǒng)安裝在一個控制室,具有數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、控制和視頻監(jiān)視功能。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在麻5井和董10井進行了現(xiàn)場應用,結果表明:數(shù)據(jù)采集元件性能可靠、穩(wěn)定,數(shù)據(jù)采集符合率在90%以上;界面以圖表和數(shù)字兩種方式顯示,數(shù)據(jù)可以用不同時間間隔方式存入硬盤,軟件界面友好、直觀;現(xiàn)場使用方便。沙參金84井、川中礦區(qū)金53井四川在20世紀60年代后期開始不壓井起下鉆裝備的研究。70年代成功地研制出了BY30-2型不壓井起下鉆液動加壓裝置以及相應的配套裝備,1984年至1989年先后在華北油田澤85井、新疆塔北地區(qū)沙參2井、川中礦區(qū)金53井應用,取得良好效果。但該裝置需ZJ32以上鉆機才能工作,且僅用于下油管作業(yè)。近幾年根據(jù)欠平衡鉆井過程中不壓井起下管串的工藝技術要求,對BY30-2型不壓井起下鉆液動加壓裝置進行了改造和完善,完善后的裝置具有了提升功能,并且能夠在無鉆機的情況下工作;新研制的600kN不壓井起下井內(nèi)管串裝置技術參數(shù)見表5。BY30-2型不壓井起下鉆液動加壓裝置改造后,先后在8口井中進行了使用,均按要求安全順利地完成了任務,達到了目的。單定壓軟管1.單向定壓閥為了滿足欠平衡鉆井中的不壓井下油管的需要,四川石油管理局鉆采工藝技術研究院新研制了適用于>73和>60.3油管的單向定壓閥,并申請了國家專利。其技術規(guī)范見表6。這種單向定壓閥的特點是在下油管過程中它允許向油管內(nèi)灌流體,解決了油管定壓接頭在下油管過程中油管內(nèi)流體因慣性作用力剪斷定壓銷,從而導致定壓接頭失效的問題。并且在下油管過程中允許正循環(huán),而現(xiàn)有定壓接頭、玻璃接頭和油管堵塞器都不能進行正循環(huán)。2.成功應用井本油管定壓閥目前已在潼南1井、井淺2井和公54井進行了成功應用?，F(xiàn)場應用證明該結構的單向定壓閥安全、可靠,安全能夠解決不壓井下油管時的油管內(nèi)密封問題。缺乏平衡控制措施1.欠平衡取心鉆具組合欠平衡取心與常規(guī)取心不同,在欠平衡取心作業(yè)時,需要進行不壓井起下取心鉆具和欠平衡取心鉆進;因此,在欠平衡取心鉆具組合中必須加鉆具內(nèi)防噴工具,這樣就不允許向鉆具內(nèi)投球,并且取心工具外筒的外徑必須與取心作業(yè)時的鉆鋌外徑相同,以便于不壓井帶壓起下鉆時能夠安全有效地卡緊取心工具外筒。為了滿足欠平衡取心工藝技術的特殊要求,四川石油管理局鉆采工藝技術研究院新研制了欠平衡專用取心工具,其技術規(guī)范見表7:2.關井求壓后損害情況欠平衡專用取心工具在邛西4井進行欠平衡取心試驗,本井采用1.15g/cm3的(地層壓力系數(shù)1.23)聚磺鉆井液從井深3524.80m開始欠平衡取心鉆進,欠平衡鉆至井深3528.50m見強烈顯示,液面累計上漲4m3,套壓0升至4.7MPa,分離器排氣點火焰高7~8m。關井求壓后采用密度為1.18~1.19g/cm3的鉆井液繼續(xù)欠平衡取心鉆進。共欠平衡取心6筒,取心進尺41.20m(3524.80~3566m;層位:須二;巖性:石英砂巖),取心收獲率100%。而在同一構造的邛西3井采用常規(guī)取心工具進行欠平衡取心,采用1.20g/cm3的鉆井液進行欠平衡取心鉆進,取心進尺7.74m(3503.00~3510.74m;層位:須二;巖性:石英砂巖),取得心長2.13m,取心收獲率只有27.5%。通過現(xiàn)場應用證明欠平衡專用取心工具結構設計合理、適用,能夠適應欠平衡取心工藝技術的需要,取心收獲率高,達到了預期的目的。非壓井壓井的配套設備1.u3000研究和試驗方案不壓井測井是一項嶄新的測井技術,即是在地層壓力大于泥漿柱壓力的狀態(tài)下的一種測井方法,在裸眼井中的帶壓測井作業(yè)中還未曾試驗過。由于井內(nèi)處于負壓狀態(tài),在井口存在著一定的井口套壓,所以在測井時井口要在密封的狀態(tài)下進行,同時測井儀器的下入也與常規(guī)測井有所不同,這就要求解決好測井過程中的井口密封和測井工具如何順利下入井底的問題。四川石油管理局測井公司根據(jù)生產(chǎn)測井的工藝原理,結合裸眼鉆井液中測井的不同特點進行一系列研究和試驗:(1)大直徑電纜動密封研制;(2)大通徑高壓防噴管的研制;規(guī)格為外徑:>160,內(nèi)徑:>140,耐壓:35MPa。(3)大直徑電纜防噴器的研制采用雙閘板式、可液壓或手動進行關閉。它的內(nèi)徑:>140,耐壓:35MPa。(4)電纜防噴器與環(huán)形防噴器配接的變徑轉(zhuǎn)換接頭研制;(5)加重桿的研制。它可以保證直徑為12mm的電纜在井口壓力25MPa以下能夠正常起下。2.儀器上下阻力利用不壓井測井配套設備與測井儀器先后在邛西3井、邛西4井、潼南1井和公54井進行了不壓井測井,成功地完成了雙側向、微自然伽瑪、補償聲波、井徑、井斜、自然伽瑪、補償中子、補償密度等測井項目。在井口4~5MPa的情況下儀器上下暢通無阻。從測井資料角度來看,測出的自然伽瑪、補償中子、井徑全部合格;但由于井下出氣泡,測出的聲波曲線跳波比較嚴重,雖經(jīng)反復重復測量,但一次比一次更差;由于沒用加長電極,測出的雙側向走雙軌,深側向曲線低于淺側向半個模數(shù)。通過這4口井的實際測井,證明測井的各項配套設備設計思想基本合理、適用,能夠適應欠平衡鉆井中的不壓井測井的需要,達到了預期的目的。欠平衡鉆井配套裝備研究(1)近幾年四川在欠平衡鉆井配套裝備實現(xiàn)國產(chǎn)化方面取得了重大突破,為四川氣藏不同儲層開展多種形式的欠平衡鉆井提供了安全、可靠的物質(zhì)基礎;其中10.5MPa旋轉(zhuǎn)控制頭、ZQF1400/1.5鉆井液氣分離器和油管單向定壓閥、600kN不壓井起下井內(nèi)管串裝置等填補了在欠平衡鉆井裝備上的國內(nèi)空白。(2)研制的欠平衡鉆井專用配套裝備基本上滿足了目前四川盆地內(nèi)開展各種循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井配套裝備的需要,并提高了盆地內(nèi)地層孔隙壓力縱橫向差異大的鉆井安全可靠性。(3)基本上能夠滿足四川盆地的欠平衡鉆進、欠平衡取心、不壓井電測和不壓井起下井內(nèi)管串的工藝技術要求。(4)欠平衡鉆井、完井配套裝備尚需從以下幾方面進一步研究與完善:①進一步完善旋轉(zhuǎn)控制頭尺寸系列