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非常规压井技术


非常规压井技术
一、顶部压井技术 当井内起出钻具、喷空、钻具刺漏或钻头水眼被堵塞,钻具无 法正常循环时,最为安全的处理方法就是使用顶部压井技术。其处理 方法可分为两个过程;容积法排溢流和反循环压井。 1,容积法排溢流 其原理是依据井底压力和井口套压之间的变化关系控制井底压力略 大于地层压力,允许天然气在沿井眼滑脱上升过程中适度膨胀,直至 井口,在进行顶部压井操作。在关井

期间井底压力等于环空静液压力 与井口套压之和,即 Pb=Pm+Pa。为了确保整个排溢流和压井期间的 井底压力略大于地层压力并将期保持在一定的范围内, 当气体滑脱上 升、井内液柱压力减小时,需将井内液柱压力的减小值加在井口套压 上,以补偿井底压力,平衡地层压力。 环空静液压力的减小值为: △Pm=0.0098ρm△V/Va 式中:△Pm——环空静液压力的减小值,MPa; ρm——环空钻井液密度,g/cm3; △V——环空钻井液体积减小值(为了让井内气体膨胀而放出的钻井 液量,用计量罐计量) 3; ,m Va——环空容积系数(即每米环空容积或环空截面积) 3/m; ,m 环空静液压力的减小值应等于井口套压的增加值,即: △Pm=△Pa

式中:△Pa——井口套压增加值,MPa。 操作程序: ①先确定一个大于初始关井套压的允许套压值 Pa1,再给定一个 允许套压变化值△Pa′, 例如初始关并套压 Pa=5 MPa, 允许套压值 Pa1=6 MPa,允许套压变化值△Pa′=0.5MPa。 ②当关井套压由 Pa 上升至(Pa1+△Pa′)=(6+0.5)MPa 时, 从节流阀放出钻井液,使套压下降至 Pa1,即 6MPa,关井,并将放 出的钻井液体积△V1 换算成环空静液压力的减小值,即得套压增加 值: △Pa1=△Pm1=0.0098ρm△V1/Va ③当关井套压由 Pa1 上 升 至 ( Pa1+△Pa′+△Pa1 ) =

( 6+0.5+△Pa1 ) MPa 时 , 从 节 流 阀 放 出 钻 井 液 , 使 套 压 下 降 至 (Pa1+△Pa1) ,关井; 放出钻井液体积△V2, 则套压增加值△Pa2 为: △Pa2=△Pm2=0.0098ρm△V2/Va ④ 当 关 井 套 压 由 ( Pa1+△Pa1 ) 上 升 至 (Pa1+△Pa1+△Pa2+△Pa′)=(6+0.5+△Pa2+△Pa′)时,从节流 阀放出钻井液,使套压下降至(Pa1+△Pa1+△Pa2) ,关井;放出钻井 液体积△V3,则套压增加值△Pa3 为: △Pa3=△Pm3=0.0098ρm△V3/Va ③按上述方法使气体滑脱上升膨胀,排放钻井液,使套压增加一 定值以维持井底压力与地层压力的平衡,直至气柱到达井口。此时不 能放气泄压,以免井底失去平衡,再次溢流。维持套压值是平衡地层

压力的关键。 2 反循环顶部压井 当井眼内天然气上升至井口时, 常采取反循环顶部压井法来置换 井口气体,进行压井。其原理是从井口间断泵入大密度压井液置换出 井口天然气,使泵入压井液液住压力等于放气后套压下降值,直至将 井眼中的天然气全部排除干净。 △Pak=△Pmk=0.0098ρk△Vk/Va 式中 △Pak——环空套压减小值,MPa; △Pmk——环空压井液静液压力的增加值,MPa; ρk——环空压井液密度,g/cm3; △Vk——环空压井液体积增加值,m3; Va——环空容积系数(即每米环空容积或环空截面积) 3/ ,m m。 操作程序: ①通过地面反循环压井管线向井口泵入一定量的大密度的压 井液,使套压上升一允许值(方法同前或以最大套压值为准) 。 ②当压井液因重力的作用下沉后,通过节流阀缓慢放气,使套 压下降至一定值 (即泵入的压井液静液压力的增加值) 后关闭节流阀。 ③重复上述步骤直至井内全部充满钻井液。 二、关井起下钻 发生溢流关井时,井内有压力(即关井后井口压力 Pa 不等于 0)的情况下,将钻具下入井内或下到井底,或为了井内钻具、测量

工具及仪器的安全, 将管具或钻具从井内起出的操作技术统称关井起 下钻。根据是否需要额外的辅助加压设备,可将其分为非加压关井起 下钻技术和加压强行关井起下钻技术。 非加压关井起下钻就是在溢流 或井喷关开后,当井口回压较小而井内剩有较长的钻具时,无需外力 支持,只靠钻具自身重量就能实现关井起下钻具的操作技术。它通常 被简称为关井起下钻。该方法较为简单。操作方便,不需要其它的辅 助设备;而加压强行关井起下钻则是在溢流或井喷关井后,由于井内 憋压过大(即关井后井口回压 Pa 过大) ,作用于钻具底部或钻具接箍 横截面上的上顶力大,当其大于或等于钻具的有效重力时,无法实现 上述常规关井起下钻操作, 只能在外力的帮助下实现将钻具强行下入 井内或从井内强行起出的操作技术。它通常被简称为强行起下钻技 术。 1.关井下钻原理 实现关井起下钻作业既可以通过环形防喷器, 也可以通过两个闸 板防喷器进行。是采用环形防喷器,还是采用两个闸板防喷器进行关 井起下钻作业,在此之前必须先解决两个问题:一是钻柱的有效重量 是否允许不加压关井起下钻作业;二是如果允许关井起下钻,是通过 环形防喷器还是通过两个闸板防喷器。 这就要先进行受力分析和相关 计算。只有有效的钻具重量大于井内的上顶力时,才能靠其自重进行 关井下钻作业,将钻具下入井内,直至井底。 为了成功与安全地实现关井下钻作业, 既要考虑关井条件下钻具 重力的平衡因素,又要考虑压井作业时间、安全、人力和设备等诸多

因素。其优选顺序方案见图 l-10.1。 图 1-10-1 关井下钻优选程序流程图 计算钻具有效重量为:
W = 1 × 10 ug ∑ Gi Li
i =1 ?3 n

式中 W——钻具有效重量,kN; u——浮力系数; G——钻具的每米质量(钻具线密度) ,kg/m; L——钻具的长度,m。 各种关井下钻时的钻具受力分析如图 1-10-2 和图 1-10-3 所 示。 通过建模分析得知:井内压力作用在钻具横截面上,从而产生 使钻具上窜的上顶力,即: F=A × Pa=π/4 × 10-3PaD2 式中 P——钻具上顶力,kN; A——井内钻具接头或本体截面积,m2; Pa——井眼内压力,MPa; D——钻具外径,mm; 注:1)当选用一个环形防喷器封井下钻时,D 为钻具接头或接箍的 外径;2)当选用两个闸板防喷器封井下钻时,D 为钻具本体外径。 从上式得知: 在同样的井眼和钻具条件下, 由于钻具受力部位的不同, D 的大小就不一样。所以,选用环形防喷器进行封井下钻时产生的上 顶力(下钻时必须克服的阻力)比选用两个闸板防喷器下钻时的上顶

力大。因此,在相同的井口压力和有效钻具重量的情况下,选用两个 闸板防喷器封井下钻比选用环形防喷器下钻更有可能或更容易实现 关井下钻。 在关井下钻期间, 钻具与防喷器胶心或闸板芯子之间的摩擦阻力可能 是相当大的。其大小取决于钻具的外径、粗糙度、密封元件的条件、 液控油压、井内压力及下钻时的润滑处理等因素。当钻具的重量大于 钻具的上顶力时,摩擦阻力将阻止钻具下行,因此,必须将摩擦阻力 加到钻具上顶力上,只有钻具的有效重量足够大时,才能实现关井下 钻。即: W≥F+f 式中:W——钻具的有效重量,kN; f——封井起下钻时钻具与防喷器胶芯或芯子之间的摩擦阻力,kN。 关井下钻时选用两个闸板防喷器,还是采用一个环形防喷器,除了力 的问题,还有时间效率和井下安全的因素。而时间和效率直接影响压 井作业的成功率及井眼安全,所以,必须进行全面分析考虑,以确定 最优的关井起下钻操作方法。如果采用两个闸板防喷器,其优点是关 井下钻时产生的上顶力(阻力)较小,只用较小的钻具重量就可以实 现关井下钻(特别是在空井关井下钻初期) 。但缺点是要使钻具接头 通过防喷器,必须采用较多较繁的倒换步骤,延长了排除溢流和压井 的时间,增加了井眼的不安全性。如果用环形防喷器,优点是关井下 钻时, 钻具接头通过防喷器的步骤较为简单, 占用时间较少, 能及时、 迅速地将钻具下到井底。但缺点是关井下钻时产生的上顶力(尤其是

钻具接头过胶芯时)较大。当井内钻具的有效重量不足以克服上顶力 时,必须借助于外力,迫使钻具通过环形防喷器胶芯下入井内。只有 足够的钻具重量才能实现关井下钻。所以,在刚开始关井下钻时,由 于钻具有效重量较小,一般采用倒换两个闸板防喷器的方法进行下 钻。当下至一定的深度,钻具有效重量足够大时,为了尽快将钻具下 至井底,可采用环形防喷器将钻具下至井底。这就需要求出在将两个 闸板防喷器换成环形防喷器封井下钻之前, 需要采用两个闸板防喷器 下入多少钻具。钻具需要额外增加的重量为: W 额=F-W 式中 W 额——需要多下的钻具有效重量,kN; F——钻具上顶力,kN; W——井内钻具有效重量,kN。 可以将需要多下的钻具有效重量换算成钻具的长度,即:
L额 = W额 1 × 10 ? 3 guG

式中 L 额——需要多下的钻具长度,m。 也就是说,在换成环形防喷器之前需要多下 L 额长的钻具。 例:某井从 3 048 m 起钻,起出 2 621m 钻杆后,发现溢流并关 井。测得 Pa= 7 MPa。井内钻铤外径 165mm,内径 63.5 mrn,长 度 122 m, 线密度为 143 kg/m; 钻杆外径为 114 mm, 线密度 24. 7 kg/m, 接头外径 156mm; 钻井液密度为 1.56 g/crn3, 摩擦力取 90 kN。 问: ①使用两个闸板防喷器还是采用环形防喷器进行封井下钻? ②如果使用两个闸板防喷器进行封井下钻, 在换成环形防喷器之

前,应下入多少钻具. 解:浮力系数 u=(ρs-ρm)/ρs=(7.854-1.56)/7.854=0.801 井内现有钻艇 122 m,钻杆 305 m,钻具有效重量为: W=Wdp1+Wdp2=1*10-3*9.8*305*24.7*0.801+1*10-3*9.8*122*14 3*0.801=196.085(kN) 封井下钻时需要克服的阻刀(钻具上顶力与摩擦阻力之和)为 当使用两个闸板防喷器进行封井下钻时: F+f=0.785*10-3PaD2+f =0.785*10-3*7*1142+90=161.41(kN) 当采用环形防喷器进行封井下钻时: F+f=0.785*10-3PaD 接头 2+f =0.785*10-3*7*1562+90=223.726(kN) 由以上计算可知.196.085kN 的钻柱有效重量大于使用两个闸板 防喷器进行关井下钻时的井内阻力 161.41kN,所以使用两个闸板防喷 器进行关井下钻是可行的。但是作用在接头上的井内阻力 (223.726kN)大于钻柱有效重量(196.085kN),所以无法采用环形 防喷器进行下钻. 在换成环形防喷器之前应关井下入的钻具有效重量为: W 额=223.726-196.085=27.641(kN) 在换成环形防喷器之前,应使用两个闸板防喷器关井下入的钻杆 长度:
L额 = W额 1×10 guG
?3

=27.641/(1*10-3*9.8*0.801*24.7)=142.56(m)

若是根据井内压力决定采用环形防喷器关井下钻, 则要考虑井内 压力越高,所需液控油压也越大,钻具与防喷器胶芯或芯子之间的摩

擦阻力就越大, 环形防喷器胶芯的密封橡胶磨损就越严重考虑可以使 用的液控关闭油压为 10.5 MPa。 虽然试验表明 Hydril 和 Shaffer 的环 形防喷器胶芯足以承受 21 MPa,但为了提高关井下钻过程中钻杆接 头过胶芯的次数,避免其过早损坏通常在钻杆过胶芯的过程中,液控 油压值的选取应按厂家推荐的最低曲线值来密封井口,如图 1-10- 4 所示。 当使用两个闸板防喷器进行关井下钻时, 钻井四通下喷器的重要作用 就是使钻杆接头方便顺利地通过上防喷器时能关往井口, 并允许接头 下行足够距离(两个防喷器之间应有足够距离,以便容纳钻柱接头) 。 从转盘面到每一个防喷器的距离必须清楚,并画图表示(如图 1-10 -5 所示) ,以便随时确定钻杆接头位置,确保钻具接头正好坐入两 个闸板防喷器芯子之间。以免闸板防喷器芯子误卡在钻具接头上,损 坏闸板芯子,从而造成井口失控. 在关井下钻期间, 每次打开上防喷器之前应将两防喷器之间的压 力泄掉,每次打开下防喷器之前应给两防喷器之间充压至井口压力。 其目的之一是使防喷器闸板上下的压力达到平衡, 保护闸板密封在打 开的过程中不被过大的压力差损坏掉; 其二是在整个关井下钻中不使 井口压力和井底压力减少, 能更快建立或维持井眼与地层之间的压力 平衡,减少或杜绝溢流。泄压操作可从节流管汇处利用打开节流阀的 方式实现,充压操作可通过高压泵来提供这个压力。 2.关井下钻的操作程序 (1)关井下钻的准备

①防喷器组中的两个闸板之间必须有足够的高度,以便容纳钻 柱接头。 ②钻井四通要安装在两个闸板防喷器之间, 最好不用底部的防喷 器闸板就可关井起下钻。 ③钻井液补充罐不能离井口太近,以防天然气释放出来,造成事 故。 ④井口上应安装有试压合格的压井管线、 节流管线及齐全的阀件 (为了精确控制,最好配有手动节流阀) ,以便在两个防喷器之间泵 送压井液。 ⑤钻台上应配备足够数量和种类齐全的、 试压合格的钻具内防喷 工具,如:钻具安全阀、钻具止回阀、投入式止回阀等,以便下钻时 控制钻具内喷。 ⑤在下钻之前,应将入井钻具及接头的数据预先查出,并做好记 录,以便压井时查用,如:钻具接头的长度、外径、钻具长度、每米 钻具内容积和排替量、每米环空容积(包括裸眼段、套管段) 。 ①应画出井口防喷器组合示意图(见图 1-10-5) ,并标注出转 盘面与每个防喷器顶面的距离、 每个防喷器之间的距离以及其它可能 的数据资料。 (2)采用环形防喷器进行关井起下钻作业的程序 在进行关井起下钻作业之前, 防喷器控制系统的储能器内必须按 标准储备有足够压力和足够数量的液控油。在油泵失效的情况下,依 靠储能器储存的能量就能关闭或打开防喷器。 当钻杆接头通过已关闭

的防喷器密封胶芯时, 环形防喷器应能根据预先调整设置的参数自动 调整其胶芯密封压力,从 10.5 MPa 降至关井下钻所需的油压。在下 钻过程中,用很短的时间,引导钻杆接头进入防喷器以后,调节减压 调压阀,将压力调节到最佳的关闭压力。当钻杆接头进入环形防喷器 时,驱动防喷器活塞向下运动,以便使密封元件适应较大尺寸的钻杆 接头。这个动作将增加防喷器关闭系统腔体内的油压。假如这个增加 的压力,没有被及时释放掉,那么密封元件可能很快损坏。一旦将减 压调压阀的压力调到所需的压力后,就应力图保持这一压力。 下放钻具要慢, 并在钻杆的表面上涂上润滑液或润滑油以减少防 喷器密封胶芯的磨损。 更重要的是要知道从转盘面到环形防喷器顶部 的距离,这样才能使钻具接头易于进入密封胶芯中。如果井内压力较 高,在钻杆接头通过环形防喷器时,允许在钻具与密封胶芯之间有少 量的渗漏。 (3)采用双闸板防喷器进行关井起下钻作业的程序 利用双闸板防喷器进行关井起下钻作业时,需要考虑的步骤较 多。下钻使用的两个闸板防喷器之间必须有足够的高度,以容纳下入 的钻具接头。 通常利用上闸板防喷器和钻井四通下面的闸板防喷器实 现下钻作业。注意必须清楚从转盘面到每一个防喷器的距离,以便随 时确定钻杆接头的位置高度。 在关井下钻期间,所用的两个防喷器之间必须间断地增压或泄 压。增压的目的是使下防喷器闸板上下的压力达到平衡,以便安全顺 利地打开下防喷器,这一程序是必要的。假如它不平衡,在打开下防

喷器时,井内液体就会在闸板芯子之间高速流过,从而导致闸板前缘 的密封被刺坏。泄压压力降为零,使上防喷器闸板上下的压力达到平 衡, 以便安全顺利地打开上防喷器, 以防过早损坏, 延长其使用寿命。 在已关井的情况下利用双闸板防喷器进行封井起下钻的具体程 序如下: ①闸板防喷器采用低关闭油压, 0.7~3.5 MPa, 即 这个压力取决 于井压,以延长防喷器芯子的寿命。 ②下放钻具直到接头至上防喷器闸板以上时, 应在钻杆上划上记 号。下放钻具的同时应定时泄压。 ③调节减压调压阀,增大关闭系统的关闭油压,直至达到 10.5 MPa 时,关闭下防喷器。 ④操作节流阀,释放两个防喷器之间的压力为零。 ⑤打开上防喷器。 ⑤调节减压调压阀,降低关闭压力直到密封压力。 ①下放钻具使钻具接头下至两防喷器之间。 ③调节减压调压阀,提高关闭压力到 10.5MPa。 ③关闭上防喷器,并在两个防喷器之间增压,直至井压。 11)打开下防喷器。 12)调节减压调压阀,降低上防喷器的关闭压力直到密封压力。 13)下钻直至下一个接头到开始的位置。观察并比较井内压力值。 (4)加压强行下钻 假如井内压力作用在钻具断面上的力大于钻具的有效重量,

就需要在钻具上施加外力,使其强行通过防喷器。目前有两种类型的 不压井加压强行下钻装置,能提供足够的下钻力,以满足需要。它们 分别是:机械加压装置和液压加压装置。 机械加压装置所需要的设备较为简单,其原理是利用现有的钻 机,用一套滑轮系统和缆索与钻机上的游动滑车和钻台相连接。当游 动滑车向上提起时,游动卡瓦抓紧钻具将其强行下入井内,而固定卡 瓦用于游动卡瓦打开时阻止钻具向上移动。 钢丝绳通过游动滑车的中 心滑轮(或大钩)并固定于游动卡瓦的手柄中。当滑车上提的时候, 钢丝绳用来传递一平衡向下的压力给游动卡瓦, 并且通过施加相等的 下压力来消除管子弯曲的趋势。当游动滑车下放的时候,游动卡瓦打 开,平衡重锤自动地使游动卡瓦升高到钻具上新的位置。 标准的自动液压加压装置本身设备齐全,不需要井场上的钻机, 其使用方便、简单、可靠。典型的液压加压装置可产生几百千牛的下 钻力,所下钻具的直径范围为 89~127mm。


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