井下套管封井器在气藏开发的应用

刘 伟 陈若铭 何新航 王开华 张宝龙

中国石油西部钻探工程有限公司 钻井工程技术研究院 (新疆 克拉玛依 834000)

井下套管封井器在气藏开发的应用

刘 伟 陈若铭 何新航 王开华 张宝龙

中国石油西部钻探工程有限公司 钻井工程技术研究院 (新疆 克拉玛依 834000)

根据气藏开发的风险及难点，探讨了井下套管封井器在气藏开发的应用优势，并从气藏保护、作业安全等方面，对欠平衡起下管柱作业期间，井下套管封井器在关闭前后，井筒内各压力变化、天然气运移规律进行了理论分析，并总结出相应的技术方法;列举了井下套管封井器在部分井次的应用实例，并提出了建议。

井下套管封井器 气藏开发 安全作业

随着油气田勘探开发的不断深入，环保意识的进一步提高，天然气作为一种优质高效的重要清洁能源而得到更加广泛的利用，对其的需求量也在稳步提高，并远远超过了产量的增长，天然气的供需矛盾已日渐凸现。鉴于气藏的特性及开采难点，应用更加先进的配套装备——井下套管封井器，并辅以更加科学的技术方法，能有效、安全地开发气藏。

1 气藏开发难点及对策分析

相对于油藏而言，气藏勘探开发的风险及难度更大，在其钻探作业中，天然气的侵入方式较多，有溢流侵入、置换侵入、扩散侵入及岩屑侵入等，从而极易进入井筒，并对气藏的后续开发作业带来影响。现根据天然气自身的物理、化学特性，对这些影响进行分析：①天然气的主要组成为甲烷和乙烷，密度较低，对钻井液置换性强，不论井口开关与否，都会不断向上运移，从而打破体系原有的平衡状态，增加作业风险；②天然气侵入井筒后，在开井状态下，其体积会随着上部钻井液液柱压力的减小而膨胀，造成液柱压力逐渐降低，加剧溢流的发展。在关井状态下，天然气带压滑脱，井口套压不断攀高，危及井口设备安全，甚至导致井控失败；③天然气作为一种可燃性气体，在欠平衡钻井作业及常规井控作业中，存在井口爆燃失控的风险。另外，在以往空气钻井作业中还出现井下燃烧现象。这些情况不但危及作业安全，还会浪费油气资源、污染环境；④如果天然气中含有硫化氢，当设备装配及技术措施不当时，会造成人员中毒，设备氢脆腐蚀，非金属材料老化加速，水基钻井液形成冻胶污染等情况；⑤如果天然气埋藏较浅，井筒内钻井液液柱压力偏低，则天然气入侵后，其上窜速度也就越快。如负压差值稍大，大量天然气将迅速进入井筒，短时间内就能到达井口，致使井筒内不多的钻井液迅速喷出，从而增大作业风险。且浅气层经常未下入技术套管，即使关上井，也容易在上部浅层或表层套管鞋处憋漏地层。

因此，应针对气藏的特点及开发难点，寻求更好的装备及技术方法。合理使用井下套管封井器，科学应用配套技术，不但能有效发现与保护气藏，还能有效保障作业安全。

2 井下套管封井器应用优势分析

井下套管封井器是新型欠平衡钻井配套工具，分φ244.48mm和φ177.80mm两种规格，通过与相关设备的配合，可实现全过程欠平衡钻进、起下钻、测井作业等，满足油田公司正确识别、评价及开发油气层的需求。

该工具连接在相应的技术套管中，其开启或关闭由地面控制系统操作，可隔绝井下压力，是取代不压井强行起下钻设备或起钻前应用重泥浆压井作业的一种新型井下封井工具。

井下套管封井器作为欠平衡钻井专用工具，其特点有：①可实现欠平衡起下管柱作业，能有效保护油气生产层；②可降低钻井作业成本。在起下钻施工中，由于不需压井，从而节约了钻井液材料和调整钻井液性能的时间；③应用配套测井接头及旋转控制头，可实现欠平衡测井；④允许下入长而复杂的井底钻具组合、测井仪器组合及完井管柱组合；⑤同比强行起下钻装置，井下套管封井器具有性能可靠、不影响起下钻作业时间，安装简便，不占据钻台空间等诸多优势。

3 科学应用井下套管封井器有利于开发气藏

在气藏的勘探开发作业中，保护、发现气藏和井控安全作业有时是矛盾的。如提高钻井液密度，可增强井控作业安全，但却污染了气藏，甚至错失新气藏，并存在降低机械钻速，易压漏地层之缺憾。反之，如降低钻井液密度，会增加了井控作业风险。

在以往欠平衡钻井作业中，一般均备有配套的防喷器组和地面处理设备（如液气分离器、撇油罐、燃烧管线、点火装置等），钻具内也装上了内防喷工具（如旋塞、单流阀、蝶阀等），如技术措施得当，可实现安全欠平衡钻井作业。但在起下入井管柱、电测作业中，只能提高钻井液密度压井。而井下套管封井器的应用，则使欠平衡起下管柱、电测成为可能。

全过程欠平衡钻井工序可简介如下：优化负压差值，确定钻井液密度，实施欠平衡钻井；起钻前节流循环，尽量排出井筒天然气；利用旋转控制头带压起钻至井下套管封井器之上；关闭井下套管封井器；释放旋转控制头下部压力，快速起钻；快速连接入井工具（包括钻头、接头及各种下部钻具等）；快速下钻至井下套管封井器上部；安装旋转控制头；憋压打开井下套管封井器；根据具体情况确定是否先循环排气还是继续下钻；完成下钻；循环钻井液，测后效，并检验钻井液性能；恢复欠平衡钻进。

3.1 欠平衡起钻时井筒内各参数变化探讨 （起钻至井下套管封井器下深位置之前）

现将起钻过程中，地层天然气入侵井筒的流量及各压力分布、变化情况分3种情况讨论。

第1种情况：在欠平衡起钻初期，地层天然气在负压差作用下侵入井筒，在t1时间内（图1），流量Qg处于最大值，且相对稳定。但由于井口旋转控制头处于关闭状态（环空关闭），入井天然气不能膨胀，只能向上带压滑脱，天然气的稳定压力Pg加上气柱下不断增高的钻井液高度所形成的压力P下同时作用于井底，致使井底压力Pp不断升高。在这种情况下，负压差值逐渐降低，迫使入侵天然气量逐渐减少。当在t2时刻，井底压力平衡地层压力时（图2），地层天然气入侵流量Qg降为零。此时，虽然天然气不再进入井筒，但已侵入的气体仍将继续向上滑脱，致使井口套压也继续上升。当在t3时刻，井口套压接近旋转控制头承受最大压力值或最高设定值时，则应停止起下钻，节流循环脱气。当井筒天然气排出后，方可继续起钻，在图1、图2所标的t4、t5、t6时间内依次重复之前t1、t2、t3时的作业步骤，如此反复，直至井内管柱均起至井下套管封井器之上。

图1 地层气体入侵井筒流量图

图2 地层流体入侵井筒压力变化图

从图1可以看出，起钻过程中，天然气入侵体积量并非是连续的，天然气流量曲线同横、纵座标轴所围成的面积，即天然气入侵量之体积。只有当再次循环脱气后，天然气才重新进入井筒。从图2可以看出，随着起钻作业的进行及天然气的持续滑脱，井底压力和井口套压会不断攀升。其中，在t2时刻后，井底压力将高于地层压力，出现正压差；在t3时刻，井口套压将达到最高允许套压。

值得注意的是，虽然t3一般都大于t2，但在少数情况下，也会出现 t2大于t3的情形，即井底压力与地层压力重新平衡所需的时间小于井口套压达到旋转控制头允许最大压力值所需的时间。此情形同负压差值、天然气入侵量、旋转控制头承压能力（或允许最高值）、井深、钻井液性能有关。

第2种情况：在欠平衡起钻作业中，井口套压将不断上升。在套压接近旋转控制头压力承受最大值或最高设定值之前，完成将钻具起至井下套管封井器之上的作业，如图3、图4所示，其中，t1、t2、t3所定义的时刻同图1、图2。

图3 地层气体入侵井筒流量图

图4 地层流体入侵井筒压力变化图

第3种情况：实施平衡压力或过平衡压力起钻。起钻过程中，不允许出现负压差，不允许地层天然气进入井筒。

另外，起下钻作业中，中途可能还会出现地层压力掌握不准，波动压力偏高，地层天然气侵入过多，而导致的重新调整井筒钻井液性能的现象，但天然气入侵流量、各压力变化情况最终还是会回到这3种情况上来。

第1种情况虽可在大部分时间内实现欠平衡起钻，但还是会出现数次过平衡现象，且套压常升至允许最高值，从而带来风险。另外，工序较为复杂，起钻中途还需数次循环洗井。第3种情况为平衡起钻或过平衡起钻，钻井液将污染气藏，未实现全过程欠平衡作业目的。第2种情况是在套压接近设备设定最大值前完成起钻作业。此情况出现过平衡施工作业的几率大为减少，且作业更趋安全。因此，在欠平衡起下钻作业中，应尽量保持为第2种情况。

3.2 井下套管封井器关闭后各参数变化探讨 （起钻至井下套管封井器下深之后）

井下套管封井器关闭后，已侵入井筒内的天然气还将继续带压滑脱上升，作用于气藏的井底压力将不断加大。如在关闭的初始阶段，井底压力依然小于气藏压力，则地层天然气将继续侵入井筒，且近井筒地层还会出现压力降现象。地层压力降主要发生在井底附近较小范围内，2～3倍井眼半径的范围内最为突出，可达总压降70%以上，而在10倍于井眼半径以外，压降几乎为零[1]。虽然井底压力逐渐上升，但地层压力降仍可能继续下降，即地层某点的压力恢复较井底压力的恢复有一个时间延后，其恢复速度与井眼尺寸、泥浆性能、原始地层压力、地层渗透率、孔隙度、打开气层厚度、溢流量的大小等众多因素有关。

随着天然气沿井筒继续向上滑脱，井底压力继续增加（图5），在tx时刻，井底压力开始大于地层压力，地层天然气不再进入井筒。

同样，井下套管封井器关闭后，随着入井天然气带压滑脱上升，天然气柱与井下套管封井器舌板间的液柱高度也将越来越短，相对稳定的天然气压力减去不断变小的液柱压力，致使作用于舌板下部的压力Py和舌板上部、下部的压差Px均不断攀升（图5）。需说明的是，Py与 Px之差即为舌板上部液柱压力。

图5 封井器关闭后舌板下部各压力变化图

另外一种情况是，在井下套管封井器关闭时，井底压力就已大于气藏压力，地层天然气已不再侵入井筒，但已入井的天然气还将持续滑脱，致使井底压力和舌板下部压力均继续增大，当天然气滑脱至舌板下部时，两种压力均达到最大值。

3.3 井下套管封井器现场应用优化技术

欠平衡起钻期间及井下套管封井器关闭后井筒内天然气入侵规律及各压力值变化的探讨：①尽量在井口套压接近旋转控制头设定安全值前完成起钻至井下封井器之上的作业，并关闭井下封井器；②尽量在井底压力大于气藏压力前完成起钻，再下钻至井下套管封井器之上，再打开舌板作业；③尽量降低舌板上下部压差，或降低该压差之增幅速度。

为达到目的，可根据实际情况，选择做好几方面工作。

（1）尽量降低井筒天然气滑脱速度。气液两相流流型按气泡体积（气侵量）由小向大，可依次分为泡状流、段塞流、搅拌流、环状流。根据理论分析及现场实践，在井筒钻井液中，大气泡之滑脱速度要比小气泡之滑脱速度快，因此，天然气之滑脱速度也是依据流型而由泡状流、段塞流、搅拌流、环状流依次变大。液相流体的黏切力值越高，则流型转换的含气率值将越低，如纯水相流体，泡状流向段塞流过渡的含气率值为20%，而一般钻井液可低于7%[2]。

降低钻井液黏切力，则气液两相流越难形成大气泡，仅从这一方面来看，气体滑脱速度变慢；但从另一方面分析，气泡的上升阻力将变小，又提升了气体的滑脱速度。

因此，在保持欠平衡作业的前提下，应控制天然气侵入流量Vg，尽量避免过多天然气进入井筒。流量Vg越大，则越易形成搅拌流、环状流，越易形成大气泡，滑脱速度也就越快。这也是开井状态下，近井口天然气迅速膨胀，加速滑脱的原因。实践表明，微量小气泡滑脱速度可近似为零[3]。

（2）优化欠平衡钻井负压差值。欠平衡钻井作业中，应从维护井眼稳定、保护储层、防止井喷3个方面设计负压差值，在3个方面均满足的前提下，应取中低值。另外，为提高负压差值计算精度，还应详细了解地质情况，包括地层压力系数、地层流体分布状况、渗透率、孔隙度等，并优化井身结构、钻井液性能。

（3）起钻前应尽量排出井筒天然气。为此，起钻前，应充分节流循环，适当加大回压，排出井筒天然气。建议循环1.5个循环周以上，可通过出口钻井液密度、录井出口气测仪予以检验。

（4）减少波动压力。起下钻前，应根据井身结构、钻具组合及泥浆性能，核算起下钻速度和波动压力的关系，确定并控制起下钻速度。如起钻速度过快，抽吸压力偏高，将有过多天然气进入井筒，增加作业风险；下钻速度过快，激动压力偏高，则可能污染气藏。

（5）减少井下套管封井器关闭时间。起完钻前，就应做好下钻之准备，配备好所需更换的钻头、工具、钻具、定向测量仪器、完井管柱或测井装备等。起完钻后，迅速下钻。

（6）加大井下套管封井器下入深度。在条件允许的情况下，井下套管封井器下深应尽量接近气藏。此措施可避免舌板下部压力、井底压力过高。

（7）适当增加钻井液黏度及切力，或起钻前，在气藏上部泵入定量稠泥浆。此举可延缓天然气滑脱速度。

4 井下套管封井器现场应用

自2004年至今，井下套管封井器已在准噶尔盆地的滴西、彩南、夏子街、乌尔禾、克8区、北三台、车排子、中拐等区块，以及四川的广安油田、内蒙古的大牛地气田现场成功应用30余井次，其中气井11口，部分井次现场应用数据统计如表1所示。

在这些井次应用井下套管封井器，成功实现了钻井、测井、完井的全过程欠平衡施工。

5 结论及建议

（1）在气藏的勘探开发中应用井下套管封井器并辅以配套技术，不但能有效地发现和保护气藏，还能保障作业安全、人员安全及设备安全。

（2）应用井下套管封井器，应在充分掌握地质情况，包括地层压力、流体特性、孔隙度、渗透率及井眼稳定状况的基础上形成科学的施工方案，才能切实实现全过程欠平衡钻井作业。在探井作业中应用井下套管封井器，可提高作业安全系数，并可适当降低钻井液密度，更便于发现油气藏。

表1 井下套管封井器部分井次应用数据列表

（3）为达到欠平衡作业开发油气藏之目的，不仅应做好井下套管封井器的现场应用工作，还应在其余各环节形成配套技术，并科学地贯穿于整个欠平衡钻井作业的始终。另外，应用井下套管封井器开发气藏，还需在井身结构和一次井控上下功夫，尤其是浅气层，更应引起施工人员的重视。

（4）加大力度推广应用第二代井下套管封井器，实时监测舌板下部压力变化，确保施工作业安全。

[1]张发展.复杂钻井工艺技术[M].北京:石油工业出版社,2006.

[2]周英操,翟洪军.欠平衡钻井技术及应用[[M].北京:石油工业出版社,2003.

[3]刘伟,聂世江.套管阀在夏72井的应用[J],石油钻采工艺,2004,27 (3):95-97.

According to the risk and difficulty in the development of gas reservoirs,discussions focus on the application advantages of downhole casing blowout preventers in the development of gas reservoirs.Meanwhile,from the perspectives of gas reservoir protection and operation safety,the theoretical analysis is carried out about different pressure changes in the well bore and the transportation law of natural gas at the moment around the closing of downhole casing blowout preventers during the operation period of underbalance round trip,together with the summary of corresponding technical methods.In addition,some suggestions are put forward based on the examples of applying the downhole casing blowout preventer to some wells.

downhole casing blowout preventers;development of gas reservoir;safety operation

刘伟（1972-），高级工程师，现主要从事钻井专业相关项目的科研及现场技术服务工作。

路萍

2011-05-23