引言

      发现油气层和产层保护是油气井钻探和开发过程中的一个重要环节。欠平衡钻井是直接、直观、时间打开地层发现油气显示和油气层的一种重要手段。随着欠平衡钻井工艺技术及井口装备的发展，以及对欠平衡钻井技术日益扩大的需求，全过程欠平衡钻井技术受到越来越大的关注。要实现全过程的欠平衡作业，*关键的技术是解决欠平衡条件下不压井起下钻和测井问题。

      新疆石油管理局钻井工艺研究院从2001年开始研制井下控制阀和全过程欠平衡钻井技术，并于当年完成总体方案设计和零部件结构设计。由于控制阀结构特殊，对加工工艺要求较高，在反复试制和上千次的室内严格试验之后，2004年初研制的井下控制阀具备了现场应用条件，并完成了全过程欠平衡钻井技术的其它配套附件和工艺技术。

      1 欠平衡钻井用井下控制阀的使用特点

      在欠平衡钻井过程中，若需要起下钻换钻头或调整钻具组合，以及进行电测或筛管完井作业时，往往先压井后再进行后续作业。这是因为：（1）井口负压差较大，钻柱提至井筒上部时，钻柱重量不足以克服井内钻井液对其产生的上浮力，致使钻柱被顶出井口。（2）井口以上钻柱重量不足将导致其无法二次入井。（3）电测仪器的重量比钻柱还轻，更是无法入井。（4）若采用筛管完井作业时，井口将会失控或无法将筛管下入井内。井下控制阀的作用就是要解决上述问题。

      井下控制阀的作用原理：井下控制阀是配合井口旋转放喷器实现全过程欠平衡作业的一种特殊工具。在需要实施全过程欠平衡作业的井中，先将井下控制阀预置在上层套管的某一位置上，当起下钻、电测或下筛管时，可以根据需要，利用井下控制阀将井筒上下分隔开，由此完成其相关工具、仪器的起下作业。在欠平衡作业正常钻进过程中，控制阀处于开启状态，对钻进作业不产生任何影响；当提钻至控制阀以上某一位置时，将其关闭可以达到控制井内流体和压力的目的，这样就可安全、顺利的完成提钻作业；当需要下钻、下电测仪器或筛管时，在钻头、电测仪器或筛管下至控制阀以上某一位置时，将其打开即可使井眼畅通，完成后续作业。

关闭状态              开启状态               钻进状态
图1  井下控制阀的作用示意图

      2  井下控制阀的规格及性能参数

      综合考虑欠平衡钻井、固井、完井及井口作业对井下控制阀的要求，确定了井下控制阀的有关参数。其内径满足下一级钻井钻头能顺利通过；外径满足施工安全下入和避免固井时造成过大的循环阻力；长度方便井口操作；抗内压、抗外挤及抗拉强度与常用的套管相当。室内模拟试验参数及几何尺寸如表1和表2。

表1  井下控制阀性能参数 

      * 不包括控制管线的压力损耗。

表2  井下控制阀几何参数

      3  井下控制阀的现场应用

      井下控制阀由地面控制部分、井下部分和中间连接部分组成。其中，地面控制部分包括气动泵、油箱、气路管线、泄荷阀、闸阀、气压表、油压表、定滑轮、滚筒和计量器具等组成。井下部分由井下控制阀本体和管接头等组成。中间连接部分包括液压副管、卡箍、管接头、液压软管和井口装置。其现场应用连接情况如下图所示。

图2  井下控制阀现场应用示意图

      2004年初，我们研制的井下控制阀完成了全部室内试验，同时完成了实现全过程欠平蘅钻井的全部配套附件研制和工艺技术研究。2004年10月首次在准噶尔盆地西北缘的夏202井进行了现场应用并获得了成功。此后，又在夏76井、新光1井，四川盆地的广安8井、核桃2井进行了现场应用，均取得了成功。现将其中三口井的应用情况介绍如下：

      3.1  夏202井

      ① 夏202井概况

      设计井深：4910m。实钻井深：4900m。三开井段采用全过程欠平蘅钻井方式施工。地层孔隙压力系数1.82；设计钻井液密度1.15～1.30g/cm3，设计欠压值25.5～32.9MPa；实际钻井过程中钻井液密度为1.15～1.23g/cm3，实际欠压值28.9～32.8MPa。
该井井身结构如下：

      一开：φ444.5mm钻头钻至井深530m，下φ339.7mm表层套管，水泥浆返至地面。
      二开：φ311.2mm钻头钻至井深3900m，下φ244.5mm技术套管和φ244.5mm井下封井器，φ244.5mm井下控制阀下深400m，水泥浆返至井深2900m。
      三开：φ215.9mm钻头钻至完钻井深4900m，下φ178mm×φ139.7mm套管固井，水泥浆返至井深3800m。

      ② 应用情况

      该井的井下控制阀于2004年9月30日下入井深400m位置。2004年10月11日进行了次开关，2004年11月7日*后一次开关，2004年11月11日完钻，共在井下工作43d，进尺1000m，开关7次，开关正常、密封可靠，实现全过程的欠平衡钻井、测井等作业。

表3  夏202井的现场应用数据

      表3是控制阀在夏202井的现场应用数据。可以看出，前六次开启井下控制阀时，其上下的压差始终小于1.3MPa，这表明欠平衡钻井过程中的欠压值较小，仅靠地面液压控制系统即可将其打开。

      第7次开启井下控制阀时，由于工具已在井下关闭时间近11h，工具上下的压差达到9MPa左右。这一方面说明了井下确实是欠平衡状态，另一方面，也充分证实了工具良好的密封和封井效果。

      第7次开启的过程：接好管线后开气动液压泵打压，15MPa压力持续2min后升至19MPa，地面液压控制系统显示井下控制阀无动作。分析其原因，在于工具已在井下关闭近11h，工具上下已经形成了较大的压差，因此，必须以井筒憋压的方式平衡掉工具上下的压差才能使工具动作。为此，经研究决定，关半封井口打压，从1MPa开始，每次增加1MPa，一直增至9MPa，地面液压控制系统才显示工具开始动作，随后按正常程序将工具打开，使井眼恢复畅通。

      3.2  夏76井

      设计井深：3800m。实钻井深：4100m。三开井段采用全过程欠平蘅钻井方式施工。地层孔隙压力系数1.60；设计钻井液密度1.05～1.20kg/cm3，设计欠压值15.2～20.9MPa；实际钻井过程中钻井液密度为1.05～1.08kg/cm3，实际欠压值21.3～22.6MPa。井身结构如下：

表5  井身结构数据 

      为保护油气层和发现油气层，该井使用了φ245mm井下套管控制阀，以实现全过程的欠平衡钻井、测井、取芯等作业。其中，φ245mm套管下深3326m，φ245mm井下控制阀下深390.6m，控制阀在井下工作42d，进尺774m，开关14次，开关正常、密封可靠。

      3.3  广安8井

      3.3.1  广安8井概况

      设计井深：2576m。实钻井深：2625m。三开井段采用气体钻井方式施工。地层孔隙压力系数0.98。井身结构如下：

      一开：φ311.2mm钻头钻至井深100m，下φ244.5mm表层套管，水泥浆返至地面。
      二开：φ215.9mm钻头钻至井深2063m，下φ177.8mm技术套管和φ177.8mm井下封井器，φ177.8mm井下控制阀下深350m，水泥浆返至地面。
      三开：φ149.2mm钻头钻至完钻井深2625m，下φ127mm尾管固井。

      3.3.2  应用情况

      该井为氮体钻井，三开井段仅用了两只钻头，即进行了一次提下钻。故仅实施一次井下套管封井器的开关作业。开启和关闭均正常。

      4  结论

      （1）欠平衡钻井技术是在钻开地层时，时间*直接、*直观发现油气显示和油气层的一种重要方法和手段。
      （2）井下控制阀的研制成功，有效地解决了钻井不压井起下钻、测井仪器安全入井等问题，可以很容易和很方便地实现全过程欠平衡作业，而不需要再进行压井作业。
      （3）配套的全过程欠平衡钻井技术为勘探及时发现油气层、正确评价油气层和作出科学决策提供了一种科学手段。
      （4）采用全过程欠平衡钻井技术是油田勘探开发中避免钻井流体污染、侵害油气层的一种*有效地方式。

      作者简介：

      许树谦，男，教授级高工，1999年3月毕业于西南石油学院油气井工程专业获博士学位，现任新疆石油管理局钻井工艺研究院党委书记、院长。2005年中国石油集团公司高级技术专家，2006年中国石油集团公司科技杰出工作者，2006年被聘为中国石油大学（华东）兼职教授。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司