鉆井循環(huán)旁通閥在遼河海上油田的應(yīng)用

摘" " 要：井漏是鉆井過程中常見的復(fù)雜情況之一。長(zhǎng)期以來，鉆井中對(duì)于井漏的預(yù)防和處置主要集中在鉆井液方面，鉆具方面采取的應(yīng)對(duì)措施較少。通過對(duì)比常規(guī)堵漏和鉆井循環(huán)旁通閥堵漏工藝，開展SWACO和PBL兩類鉆井循環(huán)旁通閥工作原理和參數(shù)對(duì)比，在KT1井鉆井過程中優(yōu)選使用SWACO循環(huán)堵漏閥，實(shí)現(xiàn)了堵漏時(shí)不起鉆和一次入井多次開關(guān)的目的，有效節(jié)約了因漏失導(dǎo)致的起下鉆時(shí)間，提高了作業(yè)效率，也降低了漏轉(zhuǎn)噴的井控風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：井漏；鉆井循環(huán)旁通閥；堵漏

Application of drilling circulation bypass valve in Liaohe Offshore Oilfields

DENG Xiaodong， JIAO Weiguo

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Lost circulation is a complex situation frequently seen in drilling. Drilling fluid has been the main prevention and disposal of lost circulation during drilling while there are relatively few measures taken on drilling string. SWACO drilling circulation bypass valve is selected in the drilling of KT1 well after the comparison between conventional plugging and drilling circulation bypass valve， as well as working principles and parameters between two kinds of drilling circulation bypass valve， SWACO， and PBL. Through the employment of SWACO， no pulling out is required during plugging， and repetitive switch is realized in a single operation， efficiently avoiding time waste of tripping and bit changing due to leakage， increasing operation efficiency， and reducing the well control risk of lost circulation to blowout.

Keywords：lost circulation; drilling circulation bypass valve; plugging leakage

井漏是鉆井過程中常見的復(fù)雜情況之一。隨著遼河海上油氣田開發(fā)的不斷深入，主要目的層從東營(yíng)組、沙河街組下至潛山地層，鉆遇地層的復(fù)雜性增加，井漏出現(xiàn)的概率也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，尤其是斷層、潛山界面破碎型風(fēng)化殼以及潛山裂縫、砂礫巖的發(fā)育是導(dǎo)致深部井漏的主要原因。通常發(fā)生井漏時(shí)，由于受到鉆頭水眼尺寸以及鉆具中的MWD（Measure While Drilling）、LWD（Logging While Drilling）、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、螺桿鉆具、提速裝置等的限制，需要起鉆后更換鉆具組合再下鉆進(jìn)行堵漏作業(yè)，對(duì)深井、復(fù)雜井而言將延誤最佳堵漏時(shí)機(jī)，增加井控風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)鉆井周期，增加鉆井成本。針對(duì)此問題，目前已開發(fā)出新工具鉆井循環(huán)旁通及其配套施工技術(shù)。安裝在鉆具組合下部的鉆井循環(huán)旁通閥，在鉆井過程中如果遇到井漏，只需投球激發(fā)打開循環(huán)孔，然后泵入堵漏劑即可進(jìn)行堵漏作業(yè)，而不需要起鉆更換鉆具組合。且該工具可泵送所有種類的堵漏材料，包括大顆粒堵漏材料及擠水泥堵漏，不受堵漏劑的顆粒大小和濃度的影響，可迅速有效地封堵漏失層。特別是對(duì)于使用馬達(dá)的定向井鉆具，可防止堵漏劑進(jìn)入馬達(dá)，堵塞馬達(dá)或?qū)Χㄗ赢a(chǎn)生不利影響。堵漏成功后可投球關(guān)閉循環(huán)孔，繼續(xù)鉆進(jìn)。如果再次遇到井漏，則依照上述方法再次打開循環(huán)孔，堵漏成功之后再關(guān)閉，此工具可重復(fù)進(jìn)行多次開關(guān)，實(shí)現(xiàn)不起鉆堵漏的目的，達(dá)到提速、提效并降低漏轉(zhuǎn)噴井控風(fēng)險(xiǎn)。

1" " 近年遼河油田部分海上井井漏統(tǒng)計(jì)

1.1" " YT1井井漏情況

2019年施工的YT1井二開鉆進(jìn)至井深3 760 m處發(fā)生氣侵，此時(shí)鉆井液密度1.42 g/cm3，為平衡地層壓力，提高鉆井液密度至1.46 g/cm3，提高密度過程中發(fā)生井漏，井口失返，起鉆更換常規(guī)鉆具，下鉆堵漏。累計(jì)漏失鉆井液73 m3，耗費(fèi)時(shí)間2.83 d。

1.2" " DL1井井漏情況

2019年施工的DL1井鉆進(jìn)至井深2 711 m處發(fā)生井漏，常規(guī)堵漏2次后，強(qiáng)行鉆進(jìn)至2 721 m，再次發(fā)生井漏，起鉆更換常規(guī)堵漏鉆具，使用橋漿（井漿+復(fù)合堵漏劑+3～5 mm果殼+單封+隨鉆堵漏劑+土粉）堵漏后，鉆進(jìn)至2 773 m，再次發(fā)生井漏，瞬時(shí)漏速32 m3/h，打堵漏漿堵漏失敗，井口失返，靜止漏速4 m3/h。多次堵漏失敗后選擇注水泥漿堵漏，注水泥塞井段2 473 ～2 773 m，堵漏成功。后續(xù)鉆進(jìn)過程中在2 777、2 871、2 898、2 906、3 065、3 192、3 294、3 825 m等處多次發(fā)生井漏，全井共發(fā)生井漏12次，累計(jì)漏失鉆井液1 588.2 m3（見表1），耗費(fèi)時(shí)間14.88 d。

1.3" " YH1井井漏情況

2020年施工的YH1井二開鉆進(jìn)及下套管期間，因鉆遇薄弱地層、斷層，以及提密度處理氣侵等原因，累計(jì)發(fā)生井漏7次，漏失鉆井液1 482.8 m3（見表2），耗費(fèi)時(shí)間12.8 d。

2" " 常規(guī)堵漏工藝與鉆井循環(huán)旁通閥堵漏工藝

2.1" " 常規(guī)堵漏工藝缺點(diǎn)

目前鉆井普遍使用動(dòng)力鉆具，馬達(dá)和MWD儀器過流面積較小，無法通過大顆粒堵漏材料。堵漏使用的大部分工藝都需要起鉆并更換常規(guī)鉆具組合，以便使用粒徑較大的堵漏材料，或者方便選擇特殊堵漏工藝進(jìn)行處理。

2.2" " 鉆井循環(huán)旁通閥技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）一次入井，可進(jìn)行多次開關(guān)。鉆井循環(huán)旁通閥內(nèi)部含有特殊構(gòu)件，可通過投球的方式使旁通閥復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)多次開關(guān)[1-2]。

2） 有效保護(hù)井下儀器和動(dòng)力鉆具免受堵漏材料、腐蝕性流體的損害。當(dāng)旁通閥處于打開狀態(tài)時(shí)，全部或大部分流體通過旁通閥直接進(jìn)入環(huán)空，可以有效保護(hù)旁通閥下部流體敏感性工具免受流體排量或流體性質(zhì)的影響。

3） 提高環(huán)空返速，有效清除巖屑床，清潔井眼。對(duì)于大位移井來說，井眼清潔是個(gè)難題。正常鉆進(jìn)時(shí)，循環(huán)排量受限于小尺寸工具、MWD工具或高循環(huán)泵壓，無法滿足清潔井眼的要求。當(dāng)打開井下旁通閥時(shí)，大部分流體通過旁通閥直接進(jìn)入環(huán)空，可提高循環(huán)排量，增大環(huán)空返速，提升鉆井液攜巖效率，有效清除高井斜、長(zhǎng)穩(wěn)斜井段的巖屑床，達(dá)到清潔井眼的目的。

4）減少起鉆次數(shù)，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。

3" " 鉆井循環(huán)旁通閥工作原理

目前常用的鉆井循環(huán)旁通閥主要有兩種類型：SWACO和PBL循環(huán)堵漏閥。

3.1" " SWACO鉆井循環(huán)旁通閥工作原理

SWACO公司的鉆井循環(huán)旁通閥由循環(huán)短節(jié)和捕球筒組成[3]。工具采用投球激活和復(fù)位，有開關(guān)球和隔離球2種不同尺寸的球組。循環(huán)短節(jié)采用滑套閥控制流道啟閉，在投入較大尺寸的開關(guān)球時(shí)，球落在球座上，鉆柱內(nèi)流體通過憋壓開關(guān)球，然后壓縮彈簧，內(nèi)滑套下行打開旁通孔，當(dāng)井下流體壓力達(dá)到預(yù)設(shè)的臨界壓力時(shí)，剪切球座，開關(guān)球落入到下部的捕球筒中。此時(shí)，大部分流體通過旁通孔進(jìn)入環(huán)空，少部分流體冷卻潤(rùn)滑下部的鉆具組合和鉆頭后進(jìn)入環(huán)空。在旁通閥打開的前提下，投入尺寸較小的隔離球，泵送隔離球到循環(huán)短節(jié)球座上，此時(shí)完全隔離下部鉆具組合，全部流體通過旁通孔進(jìn)入環(huán)空。作業(yè)結(jié)束后，需要恢復(fù)至正常循環(huán)狀態(tài)時(shí)，投入相同尺寸的開關(guān)球，關(guān)閉旁通閥，全部流體通過下部鉆具組合和鉆頭進(jìn)入環(huán)空。特殊設(shè)計(jì)的球座使打開和關(guān)閉旁通閥必須采用相同尺寸的球，避免了投入錯(cuò)誤尺寸球的風(fēng)險(xiǎn)。捕球筒的容積可容納18個(gè)球，若每次開關(guān)旁通閥使用1個(gè)打開球、1個(gè)隔離球和1個(gè)關(guān)閉球，工具一次入井，則最多可實(shí)現(xiàn)6次開關(guān)（見圖1）。

3.2" " PBL鉆井循環(huán)旁通閥工作原理

DSI公司的PBL鉆井循環(huán)旁通閥由開關(guān)球組、旁通短節(jié)和球籃短節(jié)3部分組成[4-5]（見圖2）。開關(guān)球組按照球徑由大到小排序，依次是開閥球、2個(gè)完全相同的關(guān)閥復(fù)位球及鎖定球，其中開閥球和鎖定球采用樹脂材料制成。旁通短節(jié)采用滑套閥控制流道啟閉，激活方式為投球激活，投球后通過地面鉆井泵控制井下流體壓力大小使鉆柱內(nèi)開關(guān)球憋壓壓縮彈簧，內(nèi)滑套下行打開旁通端口。內(nèi)滑套及工具外殼上的2個(gè)旁通端口都設(shè)有球座，當(dāng)井下流體壓力達(dá)到預(yù)設(shè)的臨界壓力時(shí)，剪斷落在球座上的開閥球或自鎖球。

該工具有激活打開旁通、鎖定旁通孔和正常鉆桿循環(huán)通道3種工作狀態(tài)。激活狀態(tài)時(shí)2個(gè)旁通端口全打開，鉆柱內(nèi)封堵，可進(jìn)行井眼清洗、隨鉆堵漏或其他作業(yè)。鎖定狀態(tài)時(shí)僅1個(gè)旁通端口打開，鎖定球在較小的流速和壓力下被泵送到井下，通過立壓上升確定鎖定球到位后，地面停泵，實(shí)現(xiàn)單球鎖定狀態(tài)，在該狀態(tài)下可進(jìn)行流體驅(qū)替、起出空鉆桿和充填鉆桿等作業(yè)。投入兩個(gè)一樣的關(guān)閉鋼球后，管柱憋壓達(dá)到臨界壓力時(shí)，樹脂開閥球被憋壓后穿過球座，開閥球、關(guān)閥球先后落入球座（見圖3）。

3.3" " SWACO和PBL鉆井循環(huán)旁通閥對(duì)比

SWACO和PBL鉆井循環(huán)旁通閥的各項(xiàng)參數(shù)見表3、表4。

通過研究對(duì)比，SWACO工具的過流面積較大，可使用的排量范圍也更廣，更適合堵漏作業(yè)。相同規(guī)格的工具在抗扭和抗拉強(qiáng)度方面，SWACO的強(qiáng)度相比PBL更高一些，因此SWACO更適合在深井、復(fù)雜井中使用。

4" " 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

遼河油田KT1井設(shè)計(jì)井深5 850 m，地質(zhì)設(shè)計(jì)中三開?215.9 mm井眼將鉆遇中生界安山巖、灰質(zhì)角礫巖等易漏層及斷層，四開?152.4 mm井眼將鉆遇古生界灰?guī)r、白云巖，均存在較大井漏風(fēng)險(xiǎn)。在三開、四開鉆具組合中使用SWACO多次循環(huán)堵漏閥，取得了良好效果。

4.1" " SWACO多次循環(huán)堵漏閥壓降計(jì)算

旁通閥在打開的情況下會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，可根據(jù)式（1）計(jì)算。

P =（14.5 × G2 × D）/C" （ 1 ）

式中：P為壓降，MPa；G為排量，L/s；D為鉆井液密度，g/cm3；C為常數(shù)（見表5）。

4.2" " 鉆具組合優(yōu)化

KT1井在三開和四開井段施工中的鉆具組合設(shè)計(jì)主要考慮了5個(gè)方面的因素：一是具有合理的環(huán)空間隙；二是具有較高強(qiáng)度和抗溫性，可以滿足深井作業(yè)要求；三是盡量降低水力消耗；四是能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)生井漏以后的堵漏處理，滿足大顆粒物通過的需要；五是針對(duì)潛山段地層可鉆性差的問題盡量提高鉆進(jìn)時(shí)效。

三開鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm馬達(dá)（1.25°）+浮閥+?205 mm扶正器+?172 mm無磁鉆鋌+?172 mm MWD懸掛短節(jié)+?172 mm無磁鉆鋌+?177.8 mm捕球短節(jié)+?177.8 mm旁通短節(jié)+?127 mm加重鉆桿×15根+?165 mm液壓隨鉆震擊器+?127 mm加重鉆桿×2根+?127 mm鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm鉆桿。

四開鉆具組合：?152.4 mm鉆頭+?120 mm高溫直馬達(dá)+浮閥+?122 mm無磁鉆鋌1根+?143 mm扶正器+?122 mm MWD加長(zhǎng)短節(jié)+?122 mm無磁鉆鋌1根+?122 mm MWD短節(jié) +?127 mm捕球短節(jié)+?127 mm旁通短節(jié)+?88.9 mm加重鉆桿×15根+?120.65 mm液壓震擊器+?88.9 mm加重鉆桿×2根+?88.9 mm鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm鉆桿。

4.3" " 選用的循環(huán)堵漏閥及其參數(shù)

選用兩種規(guī)格的SWACO多次循環(huán)堵漏閥，其技術(shù)參數(shù)見表6。

4.4" " SWACO多次循環(huán)堵漏閥操作流程

4.4.1" " 井口測(cè)試

以7 in鉆井循環(huán)旁通閥為例，入井前井口測(cè)試操作程序如下。

1）組合循環(huán)堵漏閥+鉆柱，入井。

2）開泵循環(huán)，排量16 L/s，泵壓3～3.5 MPa。

3）停泵、坐鉆桿卡瓦，卸開頂驅(qū)，投入2.115 in開/關(guān)球，接頂驅(qū)。

4）待球入座后緩慢開泵，排量1.6 L/s，穩(wěn)定泵速至持球壓力為6.5 MPa，停泵、穩(wěn)壓30 s，目的是為了工具內(nèi)部部件有時(shí)間運(yùn)行到下一個(gè)轉(zhuǎn)化位置。繼續(xù)以排量1.6 L/s開泵，泵壓上升至10 MPa，壓力迅速降至0，鉆臺(tái)可明顯感受到剪切現(xiàn)象。

5）以第2）步中的排量開泵循環(huán)，排量16 L/s，泵壓1 MPa。

6）停泵，起鉆至轉(zhuǎn)盤面以上檢查，確認(rèn)5個(gè)旁通孔完全打開（見圖4）。

7）卸開頂驅(qū)，投入2.115 in開/關(guān)球，接頂驅(qū)下鉆。

8）重復(fù)第2）～6）步，確認(rèn)旁通閥已經(jīng)關(guān)閉（見圖5）。

4.4.2" " 堵漏施工

4.4.2.1" " 打開循環(huán)旁通閥

1）以穩(wěn)定泵速記錄排量、泵壓等參數(shù)，完畢后沖數(shù)清零。

2）停泵，向鉆柱內(nèi)投入開關(guān)球。

3）開泵，小排量送球，最大排量不超過技術(shù)參數(shù)中要求的最大送球排量及壓力。記錄送球總沖數(shù)及排量壓力等數(shù)據(jù)。送球期間，可上下活動(dòng)及旋轉(zhuǎn)鉆具。

4）送球到達(dá)球座后立壓上升，此時(shí)不要停泵，降低排量繼續(xù)緩慢提高壓力至旁通閥持球壓力，穩(wěn)壓30 s，使工具內(nèi)部構(gòu)件有時(shí)間向下運(yùn)行。

5）繼續(xù)提高壓力至剪切壓力值，若泵壓出現(xiàn)明顯下降，說明旁通閥已打開（見圖4）；若泵壓未下降，再次提高壓力至3.45 MPa，穩(wěn)壓30 s。每增加一次泵壓前都要穩(wěn)壓30 s，直至觀察到泵壓迅速下降；待泵壓降為0后，再以投球前的穩(wěn)定泵速開泵并記錄排量、泵壓等參數(shù)。

4.4.2.2" " 隔離下部鉆具

旁通閥打開后投入隔離球，泵送隔離球時(shí)，使用與泵送開關(guān)球同樣的排量，在開始泵入堵漏材料之前，要達(dá)到泵送開球相同的泵沖總數(shù)。

4.4.2.3" " 泵入堵漏材料進(jìn)行堵漏作業(yè)

1）按堵漏程序泵入一定數(shù)量的堵漏泥漿，頂替到位。

2）堵漏作業(yè)結(jié)束后關(guān)閉旁通閥時(shí)，投入開關(guān)球，按照打開旁通閥的程序關(guān)閉旁通閥。

4.5" " 應(yīng)用效果

該套技術(shù)在KT1井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其中7 in循環(huán)旁通閥鉆進(jìn)至5 660 m、5 in循環(huán)旁通閥鉆進(jìn)至5 785 m，進(jìn)入中生界砂礫巖、凝灰質(zhì)角礫巖地層865 m，其間在5 240 m井下發(fā)生漏失，通過不起鉆投堵漏短節(jié)開啟球，泵入堵漏材料后成功堵漏。鉆進(jìn)過程中鉆井循環(huán)旁通閥與鉆井液防漏、堵漏技術(shù)措施的配套使用，順利達(dá)到地質(zhì)油藏目的層，完成勘探任務(wù)。

5" " 結(jié)論

1）針對(duì)斷層、潛山等易漏井段的鉆井作業(yè)，除優(yōu)選鉆井液的密度和性能外，鉆具中加入隨鉆堵漏工具也是一項(xiàng)重要的防漏措施，從KT1井的應(yīng)用情況來看效果較好。

2）鉆井循環(huán)旁通閥在KT1井的應(yīng)用結(jié)果表明，該工具和螺桿馬達(dá)、PDC 鉆頭的配合使用，一方面可提高鉆井時(shí)效，另一方面為鉆進(jìn)過程中發(fā)生井漏提供了在鉆井施工中堵漏的可行方案。

3）鉆井循環(huán)旁通閥實(shí)現(xiàn)了一次入井、多次開關(guān)，在清除巖屑床、清潔井眼、地層堵漏、保護(hù)井下流體敏感性工具等方面具有優(yōu)勢(shì)，可節(jié)約作業(yè)時(shí)間和成本，進(jìn)而能夠大幅提高作業(yè)效率。

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作者簡(jiǎn)介：

鄧小東（1986—），男，四川岳池人，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，主要從事鉆井工作。Email：dengxd.cpoe@cnpc.com.cn

編輯：王" " 巍