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钻进过程中井喷事故的预防

  
评论: 更新日期:2012年11月16日
2-3-2 新型多级节流管汇的合理流动通道

 

序号
级数
节流阀
流动通道
备注
1
一级节流
J4b
J0-J6a-J7a-J7c-J4b-J7d-J10b
正常情况
2
J1
J0-J6a-J5d-J5C-J2a-J1-J5a-J8b-J10a-J1Ob
备用
3
二级节流
J4a J4b
J0-J3a-J4a-J3b-J7C-J4b-J7d-J10b
正常情况
4
G2 J1
JO-J2b-G2-J2a-J1-J5a-J8b-J0a-J10b
 
备用
 
5
三级节流
G2 J1 J4b
J0-J2b-G2-J2a-J1-J5b-J5d-J7a-J7C-J4b-J7d-J10b
 
6
放喷
J0-J6a-J6b-J9
 
    c. 多级节流管汇在压井作业中节流级数的选择
    节流级数的选择应当保证压井作业的安全(主要是阀门的安全),同时又要便于调节压力,满足套压变化规律。据此应遵循以下原则:压井时,额定工作压力105MPa的节流阀一般在70MPa左右可以实现正常有效工作,超过此压力则有可能出现阀杆断裂、阀板刺坏等情况,引发溢流、井涌、井喷事故。由此,对节流阀而言,其承压能力要保证在额定工作压力的60%~70%以内;流动通道中的第一个固定节流阀和第二个液动节流阀按60%和40%进行节流压力分配,调节液动节流阀时压力变化比较敏感。
    在一级节流情况下,采用的节流阀J4b和J1都是液动节流阀,其额定工作压力都是70MPa。按设计要求,其允许的套压必须满足:p<70×(60%~70%)=40~50MPa。
    由上述可知,套压小于50MPa可采用一级节流;套压在50~105MPa时,可二级或三级节流;套压高于105MPa则需要通过三级或更多级节流控制。
    在三级节流情况下,流动通道将分别经过固定节流阀G2、液动节流阀J1以及液动节流阀J4b,其额定工作压力分别为105MPa、70MPa、70MPa。由此可以推出,三级节流套压不能超过160MPa。
    d. 多级节流系统操作
    根据压井节流操作规程,并参考常规节流管汇阀门开关转换顺序,多级节流管汇在实现流动通道的转换时,阀门开关转换原则为:先执行由关到开,再执行由开到关;执行由关到开时,由远而近;执行由开到关时,由近而远。阀门编号越靠后越远,越靠前越近。
为了便于操作,新型多级节流管汇在不同流动通道时阀门开关状态见表2-3-3。
2-3-3 新型多级节流管汇阀门开关状态表

 

阀门编号
阀门类型
规格
一级节流(备用)
一级节流(正常情况)
二级节流(备用)
二级节流(正常情况)
三级节流
放喷
J0
手动平板阀
105
J1
液动节流阀
70
开(1/4)
开(1/4)
开(1/4)
开(1/4)
J2a
液动平板阀
70
J2b
液动平板阀
105
G2
固定节流阀
105
J3a
手动平板阀
105
J3b
手动平板阀
70
J7c
液动平板阀
70
J4a
手动节流阀
105
开(1/4)
J4b
液动节流阀
70
开(1/4)
开(1/4)
开(1/4)
开(1/4)
开(1/4)
开(1/4)
J5a
手动平板阀
70
J5b
手动平板阀
70
J5c
液动平板阀
70
J5d
手动平板阀
105
J6a
手动平板阀
105
J6b
液动平板阀
105
J7a
手动平板阀
105
J7b
手动平板阀
70
J7d
手动平板阀
70
J8a
手动平板阀
70
J8b
手动平板阀
105
J9
手动平板阀
105
J10a
手动平板阀
105
J10b
手动平板阀
70
   (3) 钻具内防喷工具
    钻井过程中,当地层出气后井底流压超过钻柱内流体注入压力时,井内流体将推动钻柱内的流体沿钻柱水眼上窜,此时需要使用钻具内仿喷工具。钻具内防喷工具包括上部和下部方钻杆旋塞阀、钻具止回阀、钻具旁通阀和防喷钻杆。
    1) 方钻杆上、下旋塞阀
    方钻杆上、下旋塞阀一般采用球阀结构,其开启和关闭一般采用手动方式。上旋塞也有采用气动远程控制方式的。联合使用上、下旋塞时,无论方钻杆处于任何位置,都有一个可以使用,而且,当一个发生故障时,另一个可起作用。欠平衡钻井应联合使用上、下旋塞,且上旋塞采用气动远程控制开关。
    2) 钻具止回阀
    钻具止回阀主要有弹簧式碟形止回阀、箭形止回阀、浮阀和投入式止回阀,其使用方法不同。
    在常规钻井中,因钻井液的冲蚀和腐蚀,钻具止回阀容易损坏,一般将钻具止回阀(投入式止回阀除外)放在钻台上备用(油气层钻井除外),需要时再连接到钻柱上。现场应用情况表明,箭形止回阀性能优于弹簧式碟形止回阀,其受钻井液的冲蚀作用小,表面有较高硬度,密封垫采用耐冲蚀、抗腐蚀的尼龙材料,整体性能好。
    投入式止回阀由止回阀组件和一个联顶接头组成。联顶接头预先装在靠近钻铤的钻柱部位上,当发生井涌、井喷或进行不压井起下钻作业时,投入止回阀组件将自动锁紧在联顶接头处即可封堵水眼,需要时还可通过投入止回阀循环。
    根据钻具止回阀的原理和使用方法,钻具止回阀的连接形式有:
    a. 在近钻头处安装一个箭形止回阀。
    b. 当液体欠平衡钻井时,在靠近钻铤的钻柱部位安装一个投入式止回阀。
    c. 钻进过程中,在井口处安装强制回压阀随钻入井,随着井深每增加200m左右,在井口又加接一只同样的下旋塞和强制式回压阀。需要测斜时,在安全许可的前提下可起钻将钻柱上部的回压阀取出,然后下钻到底进行测斜作业。
    3) 钻具旁通阀
    钻具旁通阀主要用于压井作业中钻头水眼被堵时建立循环。
    钻井时,将钻具旁通阀接在钻铤顶部,当钻头水眼被堵而无法解堵时,卸掉方钻杆投球后再接方钻杆使球落至钻具旁通阀阀座处,开泵憋压剪断固定销,使阀座下行直到排泄孔全部打开,建立循环。
    4) 防喷钻杆
    起下钻作业时,准备一根防喷钻杆单根,该防喷钻杆单根应接上与钻铤连接螺纹一致的配合接头和钻具止回阀。
    5. 套管鞋处的地层破漏压力试验及地层承压试验
    一般在下表层套管或技术套管后,在钻开套管鞋以下第一个砂体进行地层破漏压力试验,测定砂岩层的破漏压力梯度,为一旦发生井喷关井提供控制井口压力的依据。
    通常采用套管鞋试漏法测定地层破漏压力,其主要步骤为:
    (1) 利用预测模式或邻井资料估算试漏层的破漏压力。
    (2) 井口安装试压后下钻扫水泥塞,进入新地层3~5m或钻至套管鞋以下第一个砂体开始进行套管鞋处的地层破漏压力试验。
    (3) 循环并调整钻井液性能,保证钻井液密度等性能均匀稳定。
    (4) 上提钻头到套管鞋以上,关闭井口防喷器,缓慢启动钻井泵(最好采用水泥车或压裂车),以1~2L/s的排量向井内注入钻井液,若裸眼长度超过5m则以2~4 L/s的排量向井内注入钻井液。
    (5) 为了求取试漏层最小主地应力和岩石抗拉强度数据,地层压裂后应进行停泵和重张压力测量;当压力达到井口承压设备中的最小额定工作压力或套管承受的压力达到套管中的最小抗内压强度80%时仍末被压裂,应停止试验。
(6) 准确记录不同时期的注入量和泵压,并作图(图2-3-19)。曲线图中各点的意义:L为初始偏离直线段的点,该点的压力即为漏失压力pL;F为曲线段上最高压力点,即为破裂压力pF;S为停泵压力稳定点;R为重张压力稳定点。

 

    (7) 破漏压力及地层破裂压力的当量钻井液密度计算:
    ① 漏失压力
    pL=pGL+0.00981ρmH    (2-3-5)
式中pL——计算点的漏失压力,MPa;
    pGL——泵压表上读出的计算点的漏失压力,MPa;
    ② 破裂压力
    pF=pGF+0.00981ρmH    (2-3-6)
式中pF——计算点的破裂压力,MPa;
    pGF——泵压表上读出的计算点的破裂压力,MPa。
    ③ 地层破裂压力当量钻井液密度
    地层破裂压力当量钻井液密度,一般情况下以漏失压力pL作为允许压力,则:
    pF=pGL+0.00981ρmH      (2-3-7)
将地层破裂压力换算成钻井液当量密度,则(2-3-7)变成:
 

 

式中ρF——地层破裂压力的当量钻井液密度,g/cm3
    式(2-3-8)计算出的地层破裂压力的当量钻井液密度即为所允许的最大钻井液密度。
    在钻至目的层以上50~100m,应做一次地层裸眼承压试验。做裸眼承压试验时,不能以地层破裂压力为依据,而应以地质预告的地层孔隙压力为依据,进行地层承压能力试验,其试验的承压梯度应不小于气层的压力梯度,否则应采取提高承压措施,提高裸眼井段的地层承压能力,为加重钻井液提供保障。

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