引言

      發(fā)現油氣層和產層保護是油氣井鉆探和開發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。欠平衡鉆井是直接、直觀、時間打開地層發(fā)現油氣顯示和油氣層的一種重要手段。隨著欠平衡鉆井工藝技術及井口裝備的發(fā)展，以及對欠平衡鉆井技術日益擴大的需求，全過程欠平衡鉆井技術受到越來越大的關注。要實現全過程的欠平衡作業(yè)，*關鍵的技術是解決欠平衡條件下不壓井起下鉆和測井問題。

      新疆石油管理局鉆井工藝研究院從2001年開始研制井下控制閥和全過程欠平衡鉆井技術，并于當年完成總體方案設計和零部件結構設計。由于控制閥結構特殊，對加工工藝要求較高，在反復試制和上千次的室內嚴格試驗之后，2004年初研制的井下控制閥具備了現場應用條件，并完成了全過程欠平衡鉆井技術的其它配套附件和工藝技術。

      1 欠平衡鉆井用井下控制閥的使用特點

      在欠平衡鉆井過程中，若需要起下鉆換鉆頭或調整鉆具組合，以及進行電測或篩管完井作業(yè)時，往往先壓井后再進行后續(xù)作業(yè)。這是因為：（1）井口負壓差較大，鉆柱提至井筒上部時，鉆柱重量不足以克服井內鉆井液對其產生的上浮力，致使鉆柱被頂出井口。（2）井口以上鉆柱重量不足將導致其無法二次入井。（3）電測儀器的重量比鉆柱還輕，更是無法入井。（4）若采用篩管完井作業(yè)時，井口將會失控或無法將篩管下入井內。井下控制閥的作用就是要解決上述問題。

      井下控制閥的作用原理：井下控制閥是配合井口旋轉放噴器實現全過程欠平衡作業(yè)的一種特殊工具。在需要實施全過程欠平衡作業(yè)的井中，先將井下控制閥預置在上層套管的某一位置上，當起下鉆、電測或下篩管時，可以根據需要，利用井下控制閥將井筒上下分隔開，由此完成其相關工具、儀器的起下作業(yè)。在欠平衡作業(yè)正常鉆進過程中，控制閥處于開啟狀態(tài)，對鉆進作業(yè)不產生任何影響；當提鉆至控制閥以上某一位置時，將其關閉可以達到控制井內流體和壓力的目的，這樣就可安全、順利的完成提鉆作業(yè)；當需要下鉆、下電測儀器或篩管時，在鉆頭、電測儀器或篩管下至控制閥以上某一位置時，將其打開即可使井眼暢通，完成后續(xù)作業(yè)。

關閉狀態(tài)              開啟狀態(tài)               鉆進狀態(tài)
圖1  井下控制閥的作用示意圖

      2  井下控制閥的規(guī)格及性能參數

      綜合考慮欠平衡鉆井、固井、完井及井口作業(yè)對井下控制閥的要求，確定了井下控制閥的有關參數。其內徑滿足下一級鉆井鉆頭能順利通過；外徑滿足施工安全下入和避免固井時造成過大的循環(huán)阻力；長度方便井口操作；抗內壓、抗外擠及抗拉強度與常用的套管相當。室內模擬試驗參數及幾何尺寸如表1和表2。

表1  井下控制閥性能參數 

      * 不包括控制管線的壓力損耗。

表2  井下控制閥幾何參數

      3  井下控制閥的現場應用

      井下控制閥由地面控制部分、井下部分和中間連接部分組成。其中，地面控制部分包括氣動泵、油箱、氣路管線、泄荷閥、閘閥、氣壓表、油壓表、定滑輪、滾筒和計量器具等組成。井下部分由井下控制閥本體和管接頭等組成。中間連接部分包括液壓副管、卡箍、管接頭、液壓軟管和井口裝置。其現場應用連接情況如下圖所示。

圖2  井下控制閥現場應用示意圖

      2004年初，我們研制的井下控制閥完成了全部室內試驗，同時完成了實現全過程欠平蘅鉆井的全部配套附件研制和工藝技術研究。2004年10月首次在準噶爾盆地西北緣的夏202井進行了現場應用并獲得了成功。此后，又在夏76井、新光1井，四川盆地的廣安8井、核桃2井進行了現場應用，均取得了成功。現將其中三口井的應用情況介紹如下：

      3.1  夏202井

      ① 夏202井概況

      設計井深：4910m。實鉆井深：4900m。三開井段采用全過程欠平蘅鉆井方式施工。地層孔隙壓力系數1.82；設計鉆井液密度1.15～1.30g/cm3，設計欠壓值25.5～32.9MPa；實際鉆井過程中鉆井液密度為1.15～1.23g/cm3，實際欠壓值28.9～32.8MPa。
該井井身結構如下：

      一開：φ444.5mm鉆頭鉆至井深530m，下φ339.7mm表層套管，水泥漿返至地面。
      二開：φ311.2mm鉆頭鉆至井深3900m，下φ244.5mm技術套管和φ244.5mm井下封井器，φ244.5mm井下控制閥下深400m，水泥漿返至井深2900m。
      三開：φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深4900m，下φ178mm×φ139.7mm套管固井，水泥漿返至井深3800m。

      ② 應用情況

      該井的井下控制閥于2004年9月30日下入井深400m位置。2004年10月11日進行了次開關，2004年11月7日*后一次開關，2004年11月11日完鉆，共在井下工作43d，進尺1000m，開關7次，開關正常、密封可靠，實現全過程的欠平衡鉆井、測井等作業(yè)。

表3  夏202井的現場應用數據

      表3是控制閥在夏202井的現場應用數據�？梢钥闯�，前六次開啟井下控制閥時，其上下的壓差始終小于1.3MPa，這表明欠平衡鉆井過程中的欠壓值較小，僅靠地面液壓控制系統(tǒng)即可將其打開。

      第7次開啟井下控制閥時，由于工具已在井下關閉時間近11h，工具上下的壓差達到9MPa左右。這一方面說明了井下確實是欠平衡狀態(tài)，另一方面，也充分證實了工具良好的密封和封井效果。

      第7次開啟的過程：接好管線后開氣動液壓泵打壓，15MPa壓力持續(xù)2min后升至19MPa，地面液壓控制系統(tǒng)顯示井下控制閥無動作。分析其原因，在于工具已在井下關閉近11h，工具上下已經形成了較大的壓差，因此，必須以井筒憋壓的方式平衡掉工具上下的壓差才能使工具動作。為此，經研究決定，關半封井口打壓，從1MPa開始，每次增加1MPa，一直增至9MPa，地面液壓控制系統(tǒng)才顯示工具開始動作，隨后按正常程序將工具打開，使井眼恢復暢通。

      3.2  夏76井

      設計井深：3800m。實鉆井深：4100m。三開井段采用全過程欠平蘅鉆井方式施工。地層孔隙壓力系數1.60；設計鉆井液密度1.05～1.20kg/cm3，設計欠壓值15.2～20.9MPa；實際鉆井過程中鉆井液密度為1.05～1.08kg/cm3，實際欠壓值21.3～22.6MPa。井身結構如下：

表5  井身結構數據 

      為保護油氣層和發(fā)現油氣層，該井使用了φ245mm井下套管控制閥，以實現全過程的欠平衡鉆井、測井、取芯等作業(yè)。其中，φ245mm套管下深3326m，φ245mm井下控制閥下深390.6m，控制閥在井下工作42d，進尺774m，開關14次，開關正常、密封可靠。

      3.3  廣安8井

      3.3.1  廣安8井概況

      設計井深：2576m。實鉆井深：2625m。三開井段采用氣體鉆井方式施工。地層孔隙壓力系數0.98。井身結構如下：

      一開：φ311.2mm鉆頭鉆至井深100m，下φ244.5mm表層套管，水泥漿返至地面。
      二開：φ215.9mm鉆頭鉆至井深2063m，下φ177.8mm技術套管和φ177.8mm井下封井器，φ177.8mm井下控制閥下深350m，水泥漿返至地面。
      三開：φ149.2mm鉆頭鉆至完鉆井深2625m，下φ127mm尾管固井。

      3.3.2  應用情況

      該井為氮體鉆井，三開井段僅用了兩只鉆頭，即進行了一次提下鉆。故僅實施一次井下套管封井器的開關作業(yè)。開啟和關閉均正常。

      4  結論

      （1）欠平衡鉆井技術是在鉆開地層時，時間*直接、*直觀發(fā)現油氣顯示和油氣層的一種重要方法和手段。
      （2）井下控制閥的研制成功，有效地解決了鉆井不壓井起下鉆、測井儀器安全入井等問題，可以很容易和很方便地實現全過程欠平衡作業(yè)，而不需要再進行壓井作業(yè)。
      （3）配套的全過程欠平衡鉆井技術為勘探及時發(fā)現油氣層、正確評價油氣層和作出科學決策提供了一種科學手段。
      （4）采用全過程欠平衡鉆井技術是油田勘探開發(fā)中避免鉆井流體污染、侵害油氣層的一種*有效地方式。

      作者簡介：

      許樹謙，男，教授級高工，1999年3月畢業(yè)于西南石油學院油氣井工程專業(yè)獲博士學位，現任新疆石油管理局鉆井工藝研究院黨委書記、院長。2005年中國石油集團公司高級技術專家，2006年中國石油集團公司科技杰出工作者，2006年被聘為中國石油大學（華東）兼職教授。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司