多功能隨鉆堵漏旁通裝置研制與應(yīng)用

張耀先 李開榮 妥紅 張勇 張勇

（1.中國石油集團(tuán)西部鉆探有限工程公司；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司）

在石油勘探開發(fā)過程中，井漏是鉆井施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一，一但發(fā)生井漏，輕者延遲鉆井施工周期，增加鉆井施工成本；重者污染地下水資源或引發(fā)井噴事故，破壞油氣層、污染環(huán)境等，造成不可挽回的損失。而堵漏是在發(fā)生漏失事故的漏層位置，并建立一個(gè)隔墻，通過堵漏材料封堵漏失通道[1]。在帶有MWD、測井儀器、井下動(dòng)力鉆具等隨鉆工具或儀器施工過程中，堵漏材料極易造成MWD、測井儀器或井下動(dòng)力鉆具故障，另外，也會(huì)容易堵塞工具或儀器內(nèi)環(huán)空（水眼），造成循環(huán)通道不暢，無法有效堵漏[2]。而現(xiàn)有PBL隨鉆旁通堵漏裝置也受球籃短節(jié)容量的限制，堵漏次數(shù)最多為5次，無法繼續(xù)進(jìn)行投球堵漏，需要起鉆至地面，人工操作才能取出球籃內(nèi)的堵球，存在諸多缺陷和不足。通過改變傳統(tǒng)隨鉆旁通堵漏裝置的結(jié)構(gòu)和原理，基于超系統(tǒng)的無償資源泥漿浮力，研制出一套無限次數(shù)使用的多功能隨鉆堵漏旁通裝置，實(shí)現(xiàn)了裝置旁通與內(nèi)環(huán)空自動(dòng)切換，完成堵漏后，利用自浮打撈工具將堵球自動(dòng)取出，從而解決所存在的難題，為單井體質(zhì)創(chuàng)新提供有力技術(shù)保障[3-6]。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

目前國外在隨鉆堵漏旁通裝置具有代表的是格瑞迪斯（PBL），國內(nèi)是國民油井（MOCS）。

1）格瑞迪斯（PBL）。PBL公司所生產(chǎn)的隨鉆堵漏旁通裝置是通過投入多個(gè)不同直徑的堵球來激活旁通，建立堵漏通道，每趟鉆PBL隨鉆堵漏旁通裝置可以開關(guān)5次，需要起出后人工清空捕球籃里的球再次入井，才能正常使用。該裝置在停泵和開泵的時(shí)候不會(huì)改變環(huán)空到BHA的流動(dòng)。投球后，在泵開狀態(tài)下，PBL的孔始終保持在開啟狀態(tài)[7]。

2）國民油井（MOCS）。MOCS公司所生產(chǎn)的隨鉆堵漏旁通裝置在使用中投一個(gè)球。旁通和非旁通模式間的轉(zhuǎn)換僅僅通過停泵或開泵即可實(shí)現(xiàn)，其開關(guān)次數(shù)不限，但流過MOCS的泥漿排量必須等于或超過其最小激活排量才可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即改變流向由BHA轉(zhuǎn)換為直接進(jìn)入環(huán)空。為了保持在所需的位置，必須保持不間斷的液流超過最小激活排量的90%。

3）存在不足。PBL和MOCS隨鉆堵漏旁通裝置雖然都實(shí)現(xiàn)了帶有MWD、測井儀器等，非常規(guī)鉆具結(jié)構(gòu)鉆井施工過程中旁通堵漏功能，但使用中仍存在三個(gè)方面不足：一是堵漏次數(shù)受限，最多只能投球堵漏3～5次后，需要起鉆才能取出堵球后再次下鉆使用；二是堵漏完成后堵球永遠(yuǎn)停留在井下鉆具內(nèi)，阻擋水眼的暢通，測井儀器、事故處理工具無法通過，尤其無法進(jìn)行卡鉆后MWD儀器的打撈及故障維修后的投放；三是費(fèi)用昂貴[8]，高達(dá)3 000元/d。

2 多功能隨鉆堵漏旁通裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思路分為三部分：第一部分是通過機(jī)械系統(tǒng)替代、時(shí)間、空間分離原理，重建一個(gè)新的機(jī)械場，研究一種由短節(jié)本體、活塞、阻檔環(huán)、噴嘴[9]、彈簧等組成的旁通短節(jié)；第二部分是研制一種帶有撈矛可打撈式堵球，完成功能后，通過投撈方式和旁通短節(jié)本體分離，實(shí)現(xiàn)水眼暢通；第三部分是利用系統(tǒng)內(nèi)的無償資源泥漿浮力，采用碳纖維材料研制一種投撈自浮載體，通過泥漿的浮力將堵球打撈到井口，實(shí)現(xiàn)無限次的堵漏[9-10]。

2.2 旁通短節(jié)設(shè)計(jì)

旁通短節(jié)采用綜合性能好、耐沖刷的鉆鋌鋼，外徑為?203 mm、?165 mm、?120 mm三種規(guī)格，短節(jié)兩端加工不同型號(hào)的連接螺紋，上端的母扣和井下鉆具連接，下端的母扣和倒扣短節(jié)連接，堵漏短節(jié)內(nèi)壁的上端加工絲扣來組裝固定鎖緊擋板，完成活塞、堵球限位功能。堵漏短節(jié)中部徑向開設(shè)有2個(gè)堵漏材料通往環(huán)空的旁通孔，旁通孔在活塞的活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，活塞主水眼封堵受壓下行后，實(shí)現(xiàn)旁通循環(huán)，旁通孔采用小擋環(huán)壓住合金套的鑲嵌方式，耐沖刷，有?23.5 mm、?22.3 mm、?17 mm三種規(guī)格，旁通短節(jié)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 旁通短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bypass short section

2.3 堵球設(shè)計(jì)

堵球采用鋁合金、不銹鋼材料加工一種可打撈堵球，堵球體上有撈矛裝置，便于打撈，為了滿足活塞主水眼的不同型號(hào)，研制了三種規(guī)格的堵球：?68 mm、?62 mm、?52 mm，堵球結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 堵球結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of ball plugging

2.4 自浮載體設(shè)計(jì)

自浮載體是根據(jù)條件分離、多孔性、復(fù)合材料等發(fā)明原理，采用碳纖維材料加工成外徑為45 mm，長度為1 000 mm的空心浮筒，作為攜球上浮的載體，兩端加工有螺紋，根據(jù)上浮速度可以隨意連接根數(shù)，便于拆裝攜帶。另外，也研制了和浮筒連接的投撈器，連接在浮筒下端，完成投撈過程中的堵球撈矛的對(duì)接鎖緊，為了滿足不同鉆具水眼的需求，研制了五種不同規(guī)格的對(duì)接引鞋：?53 mm、?56 mm、?58 mm、?60 mm、?62 mm，自浮載體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 自浮載體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of self floating carrier

2.5 工作原理

井漏發(fā)生后，采用下投堵漏堵球的方式來完成主水眼的關(guān)閉和旁通孔的打開，向井口鉆具內(nèi)投入堵漏堵球，堵漏堵球到達(dá)球座位置后將封堵球座活塞的主水眼，在泵壓的作用下推動(dòng)球座活塞下行，活塞上端面到達(dá)旁通孔位置后，旁通孔打開，此時(shí)堵漏漿通過旁通孔進(jìn)入環(huán)空實(shí)現(xiàn)靜止堵漏、承壓堵漏或其它方式的堵漏，堵漏結(jié)束停泵后，活塞在彈簧作用下推動(dòng)上行，旁通孔關(guān)閉，這樣就完成了整個(gè)堵漏過程，恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)選擇在HD1井，該井是一口位于三塘湖盆地漢水泉凹陷漢東構(gòu)造的一口預(yù)探井，2021年8月2日15:00隨鉆堵漏旁通裝置第一次入井，入井井深611 m，2021年8月5日7:30鉆至井深1 098 m起鉆，共計(jì)入井時(shí)間65.5 h。

試驗(yàn)一：2021年8月5日22:00二次入井，入井井深1 098 m，8月10日10:00鉆至井深1 736.78 m起鉆（煤層鉆進(jìn)至井深1 736.78 m起鉆），共計(jì)入井時(shí)間108 h。8月10日21:00起鉆至600 m，接方鉆桿開泵循環(huán)（排量：25 L/s、泵壓：5 MPa、密度：1.24 g/cm3、黏 度：70 s），MWD儀 器 有信 號(hào)，8月10日21:14下投堵球、接方鉆桿，21:16開泵下送堵球，泵壓6 MPa，21:18堵球到達(dá)球座，旁通孔打開，泵壓下降至3 MPa，MWD儀器無信號(hào)，泥漿出口返出正常，連續(xù)三次開、關(guān)泵檢驗(yàn)，旁通堵漏裝置工作壓降均為3 MPa，MWD儀器無信號(hào)，驗(yàn)證堵漏裝置工作正常，壓降符合標(biāo)準(zhǔn)，2021年8月10日21:28下投自浮載體，開泵（排量：25 L/s、泵壓：2 MPa）循環(huán)，21:32載體到達(dá)堵球位置，泵壓升至3 MPa，21:33停泵，21:45自浮載體攜球上浮到達(dá)井口，投撈成功，投球后泵壓實(shí)時(shí)曲線見圖4。

圖4 投球后泵壓實(shí)時(shí)曲線Fig.4 Real time curve of pump pressure after ball throwing

試驗(yàn)二：2021年8月31日20:00堵漏裝置第三次下鉆入井，9月1日6:00下鉆到底，到底井深為3 030 m，開泵循環(huán)，泵壓正常。9月2日7:30鉆至井深3 150 m時(shí)起鉆，18:00起鉆完。共計(jì)入井時(shí)間25.5 h，起鉆至套管內(nèi)600 m處，再次進(jìn)行投球試驗(yàn)，井口下投堵球，排量25 L/s開泵循環(huán)，泵壓6 MPa，3 min后待堵球到達(dá)球座封堵主水眼，泵壓下降至3 MPa旁通孔打開，工作正常。起出地面后檢查活塞復(fù)位，旁通孔關(guān)閉，旁通孔內(nèi)活塞面、旁通孔、堵漏裝置外觀完好，均無刺漏損壞現(xiàn)象。

該裝置先后完成7次堵漏工作，累計(jì)入井時(shí)間413 h，最深井段為3 150 m，井下無刺漏現(xiàn)象、開泵旁通孔打開，停泵活塞復(fù)位旁通孔關(guān)閉靈活，抗壓105 MPa，耐高溫150℃，“O”型圈選材優(yōu)質(zhì)、密封件間隙設(shè)計(jì)合理，均符合井下需求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，自主研制的隨鉆堵漏旁通裝置試驗(yàn)成功。

4 推廣應(yīng)用效果

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用

多功能隨鉆堵漏旁通裝置研制成功后完成了5套加工，先后在吐哈、三塘湖、西南等油氣田應(yīng)用到25口井，發(fā)生井漏18口井，準(zhǔn)確打開隨鉆堵漏旁通40次，成功率達(dá)100%，平均單次堵漏節(jié)約起下鉆時(shí)間為72.63 h。自主研制的隨鉆堵漏旁通裝置現(xiàn)場應(yīng)用部分井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 自主研制隨鉆堵漏旁通裝置現(xiàn)場應(yīng)用部分井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.1 Statistics data of some wells in field application of independently developing plugging with drilling bypass device

應(yīng)用表明，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，易拆卸保養(yǎng)；水眼暢通，便于井下儀器的打撈投放；在堵漏的同時(shí)能有效保護(hù)井下MWD、螺桿等各種儀器和設(shè)備；采用投撈方式，實(shí)現(xiàn)了無限次的堵漏；尤為重要的是單向旁通，有效的防止因裝置活塞失效旁通孔無法關(guān)閉，導(dǎo)致防地層高壓流體進(jìn)入鉆具內(nèi)引發(fā)井涌、井噴等重大事故的發(fā)生[11]。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

直接經(jīng)濟(jì)效益：隨鉆堵漏旁通裝置直接經(jīng)濟(jì)效益是以節(jié)約工時(shí)計(jì)算，原裝置每井次堵漏平均起下鉆時(shí)間為72.63 h，折3.03 d；自主研制的隨鉆堵漏旁通裝置每井次堵漏平均投撈自浮時(shí)間為1.23 h，折0.05 d；鉆機(jī)每天實(shí)際成本費(fèi)用5.5萬元，截至目前已完成40井次，共節(jié)約成本累計(jì)655.6萬元。

間接經(jīng)濟(jì)效益：自主研制的隨鉆堵漏旁通裝置，實(shí)現(xiàn)了無限次數(shù)堵漏，縮短了鉆井工期、降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約了生產(chǎn)的直接成本所產(chǎn)生的間接效益高達(dá)2 000多萬元。

4.3 與國內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比

自主研制的隨鉆堵漏旁通裝置與國內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比[12-13]，具有無限次數(shù)堵漏使用、無需起鉆，自浮載體自動(dòng)打撈堵球和不受流量大小影響的優(yōu)點(diǎn)，與國內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比見表2。

表2 與國內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比Tab.2 Comparison with similar products at home and abroad

5 結(jié)論

該工具的成功研制，打破了國外公司在該技術(shù)領(lǐng)域的壟斷，具有獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，水眼暢通，風(fēng)險(xiǎn)小。采用了投球堵漏，自浮攜球上浮或打撈的方式將堵球取出后，能進(jìn)行多次的高濃度、大顆粒堵漏材料的靜堵或承壓堵漏，有效的保護(hù)井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、垂直導(dǎo)向、MWD儀器、螺桿等多種井下儀器及工具正常工作；另外該旁通堵漏系統(tǒng)能滿足MWD儀器打撈投放的通過，一旦發(fā)生卡鉆，能及時(shí)的將MWD儀器打撈出來，確保儀器的安全；當(dāng)MWD儀器發(fā)生故障后，在不起下鉆的情況下也可以進(jìn)行MWD儀器打撈和維修后的投放，從而減少起下鉆，具有較好的推廣應(yīng)用前景。