井下套管封井器在氣藏開發的應用

劉 偉 陳若銘 何新航 王開華 張寶龍

中國石油西部鉆探工程有限公司 鉆井工程技術研究院 (新疆 克拉瑪依 834000)

井下套管封井器在氣藏開發的應用

劉 偉 陳若銘 何新航 王開華 張寶龍

中國石油西部鉆探工程有限公司 鉆井工程技術研究院 (新疆 克拉瑪依 834000)

根據氣藏開發的風險及難點，探討了井下套管封井器在氣藏開發的應用優勢，并從氣藏保護、作業安全等方面，對欠平衡起下管柱作業期間，井下套管封井器在關閉前后，井筒內各壓力變化、天然氣運移規律進行了理論分析，并總結出相應的技術方法;列舉了井下套管封井器在部分井次的應用實例，并提出了建議。

井下套管封井器 氣藏開發 安全作業

隨著油氣田勘探開發的不斷深入，環保意識的進一步提高，天然氣作為一種優質高效的重要清潔能源而得到更加廣泛的利用，對其的需求量也在穩步提高，并遠遠超過了產量的增長，天然氣的供需矛盾已日漸凸現。鑒于氣藏的特性及開采難點，應用更加先進的配套裝備——井下套管封井器，并輔以更加科學的技術方法，能有效、安全地開發氣藏。

1 氣藏開發難點及對策分析

相對于油藏而言，氣藏勘探開發的風險及難度更大，在其鉆探作業中，天然氣的侵入方式較多，有溢流侵入、置換侵入、擴散侵入及巖屑侵入等，從而極易進入井筒，并對氣藏的后續開發作業帶來影響?，F根據天然氣自身的物理、化學特性，對這些影響進行分析：①天然氣的主要組成為甲烷和乙烷，密度較低，對鉆井液置換性強，不論井口開關與否，都會不斷向上運移，從而打破體系原有的平衡狀態，增加作業風險；②天然氣侵入井筒后，在開井狀態下，其體積會隨著上部鉆井液液柱壓力的減小而膨脹，造成液柱壓力逐漸降低，加劇溢流的發展。在關井狀態下，天然氣帶壓滑脫，井口套壓不斷攀高，危及井口設備安全，甚至導致井控失??；③天然氣作為一種可燃性氣體，在欠平衡鉆井作業及常規井控作業中，存在井口爆燃失控的風險。另外，在以往空氣鉆井作業中還出現井下燃燒現象。這些情況不但危及作業安全，還會浪費油氣資源、污染環境；④如果天然氣中含有硫化氫，當設備裝配及技術措施不當時，會造成人員中毒，設備氫脆腐蝕，非金屬材料老化加速，水基鉆井液形成凍膠污染等情況；⑤如果天然氣埋藏較淺，井筒內鉆井液液柱壓力偏低，則天然氣入侵后，其上竄速度也就越快。如負壓差值稍大，大量天然氣將迅速進入井筒，短時間內就能到達井口，致使井筒內不多的鉆井液迅速噴出，從而增大作業風險。且淺氣層經常未下入技術套管，即使關上井，也容易在上部淺層或表層套管鞋處憋漏地層。

因此，應針對氣藏的特點及開發難點，尋求更好的裝備及技術方法。合理使用井下套管封井器，科學應用配套技術，不但能有效發現與保護氣藏，還能有效保障作業安全。

2 井下套管封井器應用優勢分析

井下套管封井器是新型欠平衡鉆井配套工具，分φ244.48mm和φ177.80mm兩種規格，通過與相關設備的配合，可實現全過程欠平衡鉆進、起下鉆、測井作業等，滿足油田公司正確識別、評價及開發油氣層的需求。

該工具連接在相應的技術套管中，其開啟或關閉由地面控制系統操作，可隔絕井下壓力，是取代不壓井強行起下鉆設備或起鉆前應用重泥漿壓井作業的一種新型井下封井工具。

井下套管封井器作為欠平衡鉆井專用工具，其特點有：①可實現欠平衡起下管柱作業，能有效保護油氣生產層；②可降低鉆井作業成本。在起下鉆施工中，由于不需壓井，從而節約了鉆井液材料和調整鉆井液性能的時間；③應用配套測井接頭及旋轉控制頭，可實現欠平衡測井；④允許下入長而復雜的井底鉆具組合、測井儀器組合及完井管柱組合；⑤同比強行起下鉆裝置，井下套管封井器具有性能可靠、不影響起下鉆作業時間，安裝簡便，不占據鉆臺空間等諸多優勢。

3 科學應用井下套管封井器有利于開發氣藏

在氣藏的勘探開發作業中，保護、發現氣藏和井控安全作業有時是矛盾的。如提高鉆井液密度，可增強井控作業安全，但卻污染了氣藏，甚至錯失新氣藏，并存在降低機械鉆速，易壓漏地層之缺憾。反之，如降低鉆井液密度，會增加了井控作業風險。

在以往欠平衡鉆井作業中，一般均備有配套的防噴器組和地面處理設備（如液氣分離器、撇油罐、燃燒管線、點火裝置等），鉆具內也裝上了內防噴工具（如旋塞、單流閥、蝶閥等），如技術措施得當，可實現安全欠平衡鉆井作業。但在起下入井管柱、電測作業中，只能提高鉆井液密度壓井。而井下套管封井器的應用，則使欠平衡起下管柱、電測成為可能。

全過程欠平衡鉆井工序可簡介如下：優化負壓差值，確定鉆井液密度，實施欠平衡鉆井；起鉆前節流循環，盡量排出井筒天然氣；利用旋轉控制頭帶壓起鉆至井下套管封井器之上；關閉井下套管封井器；釋放旋轉控制頭下部壓力，快速起鉆；快速連接入井工具（包括鉆頭、接頭及各種下部鉆具等）；快速下鉆至井下套管封井器上部；安裝旋轉控制頭；憋壓打開井下套管封井器；根據具體情況確定是否先循環排氣還是繼續下鉆；完成下鉆；循環鉆井液，測后效，并檢驗鉆井液性能；恢復欠平衡鉆進。

3.1 欠平衡起鉆時井筒內各參數變化探討 （起鉆至井下套管封井器下深位置之前）

現將起鉆過程中，地層天然氣入侵井筒的流量及各壓力分布、變化情況分3種情況討論。

第1種情況：在欠平衡起鉆初期，地層天然氣在負壓差作用下侵入井筒，在t1時間內（圖1），流量Qg處于最大值，且相對穩定。但由于井口旋轉控制頭處于關閉狀態（環空關閉），入井天然氣不能膨脹，只能向上帶壓滑脫，天然氣的穩定壓力Pg加上氣柱下不斷增高的鉆井液高度所形成的壓力P下同時作用于井底，致使井底壓力Pp不斷升高。在這種情況下，負壓差值逐漸降低，迫使入侵天然氣量逐漸減少。當在t2時刻，井底壓力平衡地層壓力時（圖2），地層天然氣入侵流量Qg降為零。此時，雖然天然氣不再進入井筒，但已侵入的氣體仍將繼續向上滑脫，致使井口套壓也繼續上升。當在t3時刻，井口套壓接近旋轉控制頭承受最大壓力值或最高設定值時，則應停止起下鉆，節流循環脫氣。當井筒天然氣排出后，方可繼續起鉆，在圖1、圖2所標的t4、t5、t6時間內依次重復之前t1、t2、t3時的作業步驟，如此反復，直至井內管柱均起至井下套管封井器之上。

圖1 地層氣體入侵井筒流量圖

圖2 地層流體入侵井筒壓力變化圖

從圖1可以看出，起鉆過程中，天然氣入侵體積量并非是連續的，天然氣流量曲線同橫、縱座標軸所圍成的面積，即天然氣入侵量之體積。只有當再次循環脫氣后，天然氣才重新進入井筒。從圖2可以看出，隨著起鉆作業的進行及天然氣的持續滑脫，井底壓力和井口套壓會不斷攀升。其中，在t2時刻后，井底壓力將高于地層壓力，出現正壓差；在t3時刻，井口套壓將達到最高允許套壓。

值得注意的是，雖然t3一般都大于t2，但在少數情況下，也會出現 t2大于t3的情形，即井底壓力與地層壓力重新平衡所需的時間小于井口套壓達到旋轉控制頭允許最大壓力值所需的時間。此情形同負壓差值、天然氣入侵量、旋轉控制頭承壓能力（或允許最高值）、井深、鉆井液性能有關。

第2種情況：在欠平衡起鉆作業中，井口套壓將不斷上升。在套壓接近旋轉控制頭壓力承受最大值或最高設定值之前，完成將鉆具起至井下套管封井器之上的作業，如圖3、圖4所示，其中，t1、t2、t3所定義的時刻同圖1、圖2。

圖3 地層氣體入侵井筒流量圖

圖4 地層流體入侵井筒壓力變化圖

第3種情況：實施平衡壓力或過平衡壓力起鉆。起鉆過程中，不允許出現負壓差，不允許地層天然氣進入井筒。

另外，起下鉆作業中，中途可能還會出現地層壓力掌握不準，波動壓力偏高，地層天然氣侵入過多，而導致的重新調整井筒鉆井液性能的現象，但天然氣入侵流量、各壓力變化情況最終還是會回到這3種情況上來。

第1種情況雖可在大部分時間內實現欠平衡起鉆，但還是會出現數次過平衡現象，且套壓常升至允許最高值，從而帶來風險。另外，工序較為復雜，起鉆中途還需數次循環洗井。第3種情況為平衡起鉆或過平衡起鉆，鉆井液將污染氣藏，未實現全過程欠平衡作業目的。第2種情況是在套壓接近設備設定最大值前完成起鉆作業。此情況出現過平衡施工作業的幾率大為減少，且作業更趨安全。因此，在欠平衡起下鉆作業中，應盡量保持為第2種情況。

3.2 井下套管封井器關閉后各參數變化探討 （起鉆至井下套管封井器下深之后）

井下套管封井器關閉后，已侵入井筒內的天然氣還將繼續帶壓滑脫上升，作用于氣藏的井底壓力將不斷加大。如在關閉的初始階段，井底壓力依然小于氣藏壓力，則地層天然氣將繼續侵入井筒，且近井筒地層還會出現壓力降現象。地層壓力降主要發生在井底附近較小范圍內，2～3倍井眼半徑的范圍內最為突出，可達總壓降70%以上，而在10倍于井眼半徑以外，壓降幾乎為零[1]。雖然井底壓力逐漸上升，但地層壓力降仍可能繼續下降，即地層某點的壓力恢復較井底壓力的恢復有一個時間延后，其恢復速度與井眼尺寸、泥漿性能、原始地層壓力、地層滲透率、孔隙度、打開氣層厚度、溢流量的大小等眾多因素有關。

隨著天然氣沿井筒繼續向上滑脫，井底壓力繼續增加（圖5），在tx時刻，井底壓力開始大于地層壓力，地層天然氣不再進入井筒。

同樣，井下套管封井器關閉后，隨著入井天然氣帶壓滑脫上升，天然氣柱與井下套管封井器舌板間的液柱高度也將越來越短，相對穩定的天然氣壓力減去不斷變小的液柱壓力，致使作用于舌板下部的壓力Py和舌板上部、下部的壓差Px均不斷攀升（圖5）。需說明的是，Py與 Px之差即為舌板上部液柱壓力。

圖5 封井器關閉后舌板下部各壓力變化圖

另外一種情況是，在井下套管封井器關閉時，井底壓力就已大于氣藏壓力，地層天然氣已不再侵入井筒，但已入井的天然氣還將持續滑脫，致使井底壓力和舌板下部壓力均繼續增大，當天然氣滑脫至舌板下部時，兩種壓力均達到最大值。

3.3 井下套管封井器現場應用優化技術

欠平衡起鉆期間及井下套管封井器關閉后井筒內天然氣入侵規律及各壓力值變化的探討：①盡量在井口套壓接近旋轉控制頭設定安全值前完成起鉆至井下封井器之上的作業，并關閉井下封井器；②盡量在井底壓力大于氣藏壓力前完成起鉆，再下鉆至井下套管封井器之上，再打開舌板作業；③盡量降低舌板上下部壓差，或降低該壓差之增幅速度。

為達到目的，可根據實際情況，選擇做好幾方面工作。

（1）盡量降低井筒天然氣滑脫速度。氣液兩相流流型按氣泡體積（氣侵量）由小向大，可依次分為泡狀流、段塞流、攪拌流、環狀流。根據理論分析及現場實踐，在井筒鉆井液中，大氣泡之滑脫速度要比小氣泡之滑脫速度快，因此，天然氣之滑脫速度也是依據流型而由泡狀流、段塞流、攪拌流、環狀流依次變大。液相流體的黏切力值越高，則流型轉換的含氣率值將越低，如純水相流體，泡狀流向段塞流過渡的含氣率值為20%，而一般鉆井液可低于7%[2]。

降低鉆井液黏切力，則氣液兩相流越難形成大氣泡，僅從這一方面來看，氣體滑脫速度變慢；但從另一方面分析，氣泡的上升阻力將變小，又提升了氣體的滑脫速度。

因此，在保持欠平衡作業的前提下，應控制天然氣侵入流量Vg，盡量避免過多天然氣進入井筒。流量Vg越大，則越易形成攪拌流、環狀流，越易形成大氣泡，滑脫速度也就越快。這也是開井狀態下，近井口天然氣迅速膨脹，加速滑脫的原因。實踐表明，微量小氣泡滑脫速度可近似為零[3]。

（2）優化欠平衡鉆井負壓差值。欠平衡鉆井作業中，應從維護井眼穩定、保護儲層、防止井噴3個方面設計負壓差值，在3個方面均滿足的前提下，應取中低值。另外，為提高負壓差值計算精度，還應詳細了解地質情況，包括地層壓力系數、地層流體分布狀況、滲透率、孔隙度等，并優化井身結構、鉆井液性能。

（3）起鉆前應盡量排出井筒天然氣。為此，起鉆前，應充分節流循環，適當加大回壓，排出井筒天然氣。建議循環1.5個循環周以上，可通過出口鉆井液密度、錄井出口氣測儀予以檢驗。

（4）減少波動壓力。起下鉆前，應根據井身結構、鉆具組合及泥漿性能，核算起下鉆速度和波動壓力的關系，確定并控制起下鉆速度。如起鉆速度過快，抽吸壓力偏高，將有過多天然氣進入井筒，增加作業風險；下鉆速度過快，激動壓力偏高，則可能污染氣藏。

（5）減少井下套管封井器關閉時間。起完鉆前，就應做好下鉆之準備，配備好所需更換的鉆頭、工具、鉆具、定向測量儀器、完井管柱或測井裝備等。起完鉆后，迅速下鉆。

（6）加大井下套管封井器下入深度。在條件允許的情況下，井下套管封井器下深應盡量接近氣藏。此措施可避免舌板下部壓力、井底壓力過高。

（7）適當增加鉆井液黏度及切力，或起鉆前，在氣藏上部泵入定量稠泥漿。此舉可延緩天然氣滑脫速度。

4 井下套管封井器現場應用

自2004年至今，井下套管封井器已在準噶爾盆地的滴西、彩南、夏子街、烏爾禾、克8區、北三臺、車排子、中拐等區塊，以及四川的廣安油田、內蒙古的大牛地氣田現場成功應用30余井次，其中氣井11口，部分井次現場應用數據統計如表1所示。

在這些井次應用井下套管封井器，成功實現了鉆井、測井、完井的全過程欠平衡施工。

5 結論及建議

（1）在氣藏的勘探開發中應用井下套管封井器并輔以配套技術，不但能有效地發現和保護氣藏，還能保障作業安全、人員安全及設備安全。

（2）應用井下套管封井器，應在充分掌握地質情況，包括地層壓力、流體特性、孔隙度、滲透率及井眼穩定狀況的基礎上形成科學的施工方案，才能切實實現全過程欠平衡鉆井作業。在探井作業中應用井下套管封井器，可提高作業安全系數，并可適當降低鉆井液密度，更便于發現油氣藏。

表1 井下套管封井器部分井次應用數據列表

（3）為達到欠平衡作業開發油氣藏之目的，不僅應做好井下套管封井器的現場應用工作，還應在其余各環節形成配套技術，并科學地貫穿于整個欠平衡鉆井作業的始終。另外，應用井下套管封井器開發氣藏，還需在井身結構和一次井控上下功夫，尤其是淺氣層，更應引起施工人員的重視。

（4）加大力度推廣應用第二代井下套管封井器，實時監測舌板下部壓力變化，確保施工作業安全。

[1]張發展.復雜鉆井工藝技術[M].北京:石油工業出版社,2006.

[2]周英操,翟洪軍.欠平衡鉆井技術及應用[[M].北京:石油工業出版社,2003.

[3]劉偉,聶世江.套管閥在夏72井的應用[J],石油鉆采工藝,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

劉偉（1972-），高級工程師，現主要從事鉆井專業相關項目的科研及現場技術服務工作。

路萍

2011-05-23