波纹管堵漏技术及其在地质钻探领域的应用研究.pdf

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２８探矿工程（岩土钻掘工程）２０１２年第３９卷第５期波纹管堵漏技术及其在地质钻探领域的应用研究１１１１１２３张德龙，翁炜，黄玉文，史新慧，杨鹏，杨文勇，李光宏（１．北京探矿工程研究所，北京１０００８３；２．内蒙古第四地质矿产勘察开发院，内蒙古乌兰察布０１２０００；３．河北省地矿局第十一地质大队，河北邢台０５４０００）摘要：波纹管技术在石油钻井中已经成功应用于封堵漏失等复杂地层工作，此外还可以应用于减少套管层数、修复损坏套管等钻井作业过程，被认为是２１世纪石油钻采行业的核心技术之一。结合地质钻探及波纹管堵漏现场试验情况，在介绍波纹管技术基础上着重分析了该技术在地质钻探领域应用可行性和存在的关键问题。关键词：波纹管；堵漏；地质钻探；应用分析中图分类号：Ｐ６３４．８文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－７４２８（２０１２）０５－００２８－０３１ResearchonBellowsSealingTechnologyandtheApplicationinGeologicalDrillingField／ZHANGDe-long，WENG１１１１２３Wei，HUANGYu-wen，SHIXin-hui，YANGPeng，YANGWen-yong，LIGuang-hong（１．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｘｐｌｏｒａ-ｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＦｏｕｒｔｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＭｉｎｅｒａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａ，Ｕｌ-ａｎｑａｂＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａ０１２０００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｎｏ．１１ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＢｒｉｇａｄｅ，ＨｅｂｅｉＢｕｒｅａｕｏｆＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＭｉｎｅｒａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ＸｉｎｇｔａｉＨｅｂｅｉ０５４０００，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｔｈｅｂｅｌｌｏｗｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｕｓｅｄｆｏｒｓｅａｌｉｎｇｉｎｄｒｉｌｌｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄａｌｓｏｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｍａｎｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｄｏｗｎ-ｈｏｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｔｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｂｅｏｎｅｏｆｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ａｃ-ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｆｉｅｌｄｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｂｅｌｌｏｗｓｓｅａｌｉｎｇ，ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂｅｌｌｏｗｓｔｅｃｈ-ｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｉｎｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｓｓｕｅｓ．Keywords：ｂｅｌｌｏｗｓ；ｓｅａｌｉｎｇ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ［１］1波纹管技术简介了堵漏试验并获得了成功。1．1基本原理1．2技术特点波纹管技术的基本原理是将具有良好的塑性变波纹管技术与常规的膨胀管技术膨胀机理不形能力和较高的机械强度的无缝钢管压制成小于井同，其特点是：眼直径的波纹状截面管柱（见图１），将管柱下入预（１）可快速、有效地封隔复杂地层，解决漏失以定井段利用水力或机械力使其产生永久塑性变形而及井壁稳定问题；将其内径扩大到需要的尺寸，从而达到增大套管，实（２）减少套管层次，尽可能保证大尺寸井眼完现节省井眼尺寸、封堵复杂地层的一种技术方法。井；（３）能够对损坏套管或废弃射孔段进行补贴修复；（４）具有更大的完井灵活性；（５）与常规膨胀管相比，膨胀工艺相对简单，作业周期短；图１可膨胀波纹管原理图（６）可降低钻井成本。目前，国内外都在进行波纹管技术相关研究工2波纹管堵漏技术的施工程序作，国外以俄罗斯鞑斯坦石油科学研究院为代表，国［２］膨胀波纹管技术施工程序：内主要是中国石化石油勘探开发研究院、中国石油（１）钻穿漏失地层，确定封隔井段以及井眼尺勘探开发研究院和中国石油大学（北京）为代表。寸；国内自行研制的膨胀波纹管技术已在国内油田进行（２）根据封隔井段确定扩眼井段，用扩眼器扩收稿日期：２０１１－０８－３０；修回日期：２０１２－０２－０９作者简介：张德龙（１９８４－），男（汉族），辽宁朝阳人，北京探矿工程研究所工程师，油气井工程专业，硕士，从事地质、石油钻探及岩土工程方面的研究工作，北京市海淀区学院路２９号探工楼１０３室，ｎｅｗｚｄｌ＠１２６．ｃｏｍ。 ２０１２年第３９卷第５期探矿工程（岩土钻掘工程）２９眼；通过饱１９６、２０８、２１６ｍｍ球形胀管器、饱２１７ｍｍ（３）将波纹管下入指定位置；滚子胀管器反复膨胀修整。下入饱２１６ｍｍ钻头通（４）先进行水力膨胀；过２４５３～２４５８和２４８３～２４８８ｍ井段有卡阻现象，（５）倒开膨胀波纹管上端扣，并提出钻具；划眼通过。用饱２１６ｍｍ球形胀管器胀开波纹管上（６）下入胀管器进行机械膨胀，修整波纹管；封隔器后，井漏现象完全消失。钻至２５３２ｍ，钻井３（７）继续钻进。液密度加至１畅５１ｇ／ｃｍ无漏失现象，钻头、钻具均能［３］顺利通过，波纹管堵漏技术试验成功。3波纹管堵漏技术的应用3．2国内波纹管技术的应用情况目前，在波纹管技术研究方面，国内外都已经取中国石化石油勘探开发研究院研制的波纹管在得了一定的成绩。在波纹管结构形式方面国内外差江苏油田韦１５－１９井、新疆油田Ｔ６１８２井进行了现别不大，虽然都普遍采用８字形的结构形式，但在波场堵漏试验，并获得了成功。以下介绍新疆油田纹管材质、膨胀技术及工艺方面存在较大差距。Ｔ６１８２井波纹管堵漏情况。3．1国外波纹管技术在国内油田的应用情况Ｔ６１８２井设计井深８００ｍ，在钻至井深４４３ｍ处３在波纹管技术研究方面，国外以俄罗斯鞑斯坦发生井漏，５ｈ共漏失钻井液７２ｍ。边堵漏边钻进３石油科学研究院为代表。国内吐哈油田和胜利油田至井深５２１ｍ，共漏失钻井液１２０ｍ。现场分析认引进了俄罗斯波纹管技术，在胜利油田Ｔ２－５－２８３为，发生井漏的井段为４４３～５００ｍ，由于采用钻井井、Ｔ３－８斜２１６井和吐哈油田Ｌ７－７１井进行了现液堵漏材料进行堵漏无法达到预期效果，决定采用场堵漏应用，并取得了成功。下面介绍吐哈油田Ｌ７波纹管进行堵漏。－７１井波纹管试验情况。根据计算确定拟用波纹管封固井段为４１０～Ｌ７－７１井设计井深２８１０ｍ。钻至井深２４９２ｍ５１０ｍ井段，扩眼井段为４０５～５１６ｍ。扩眼后进行处钻速加快，钻进２４９２～２４９５ｍ的３ｍ段钻速为３测井，发现４０５～５２７ｍ井段井径为２３５ｍｍ左右。～４ｍ／ｍｉｎ，钻至２４９５ｍ钻井液失返。确定发生井其中４２７～４３２、４４９～４５１和４５１～４５６ｍ井段井径漏井段为２４５０～２５１５ｍ井段。明显小于２３５ｍｍ；４７０～４９７ｍ井段井径在２３５ｍｍ先后共进行６次堵漏，包括静止堵漏、凝胶堵左右，较为合适；４９７～５１６ｍ井段井径大于２５０漏、综合堵漏，其中２次打水泥堵漏，共漏失钻井液ｍｍ。再次对４２７～４３２ｍ井段及４４９～４５６ｍ井段３１００７ｍ。在堵漏过程中，通过降低钻井液密度和打进行扩眼，补贴点从４９７ｍ往上至４０５ｍ以下。水泥塞堵漏，漏失情况得到了缓解，但是当钻井液密波纹管（图２）下至预定位置，用水泥车加压胀３度提高到１畅４５ｇ／ｃｍ以上时又发生严重漏失，而钻管，压力升至７ＭＰａ后，压力不再上升；后改用钻井３井液密度设计值为１畅６５ｇ／ｃｍ，无法进行进一步钻泵加压至２０ＭＰａ（压力稳不住），上提３５０ｋＮ，表明进。通过研究讨论，决定采用波纹管堵漏技术进行波纹管已悬挂成功。丢手投球剪销，加压５ＭＰａ，剪堵漏。钉剪断，起钻。通过井眼状况调查，确定波纹管封固段为２４５０～２５１５ｍ，扩眼井段为２４４５～２５２０ｍ。用扩眼器将２４４５～２５２５ｍ井段２１５畅９ｍｍ井径扩至２３４畅０ｍｍ。扩眼后进行井径测井，发现除２４８８～２４９１ｍ井段井径稍小于２３２ｍｍ，其它井段井径基本满足下入波纹管的要求。最终确定波纹管封固井段为２４５１畅０～２５１３畅５ｍ，段长为６２畅５ｍ。波纹管采用焊接的连接方式，每一焊口需用时约３畅５ｈ，为节约时间，首先将８根波纹管焊成双根，并将上下封隔器焊至波纹管上。波纹管下入预定井图２可膨胀波纹管现场实物图段后，先进行液压胀管，打压３～８ＭＰａ，共注入钻井３下入饱２１０畅０ｍｍ平底磨鞋磨铣波纹管上端口；液７ｍ。再用钻井泵打压至１４ＭＰａ，下压１５０ｋＮ，起出后再分别下入饱２０６畅０、２１６畅０ｍｍ球形胀管器波纹管不上下移动，说明波纹管已胀开，倒扣，起钻。 ３０探矿工程（岩土钻掘工程）２０１２年第３９卷第５期进行机械膨胀，修整波纹管。膨胀过程中发现国内能够成型的产品规格有限，中国石油勘探开发２１６畅０ｍｍ球形胀管器球体落入井下，经过分析认为研究院拥有饱８霸斑和１２霸搬ｉｎ两种井眼尺寸的波纹管是由于球形胀管器在撞击过程中，工艺孔卡块掉出，堵漏现场施工能力，中国石化石油勘探开发研究院导致球体脱落，估计球体位置在井深４２０畅５ｍ处。目前已形成饱８霸斑、９霸斑、１２霸搬ｉｎ井眼尺寸的波纹管随后下入４只磨鞋，３次下入胀管器整形，３次下入堵漏现场施工能力。磁铁打捞器，共起下钻１２次，施工结束，无漏失现地质钻探钻孔直径相对石油钻井较小，现有规象，钻头及其它工具可以顺利起下，后续施工完全可格无法满足地质钻探堵漏作业使用，因此需要进一［４］以正常进行。步进行波纹管的系列化研究，开发适合地质钻探用小口径波纹管。4地质勘探领域对波纹管堵漏技术的需求此外，由于现场实践较少，在波纹管堵漏施工工井漏是指在钻井等井下作业过程中，各种工作艺技术以及配套作业设备方面还存在较大的空间，液在压差作用下漏入地层的一种常见的复杂现象。需要进一步的研究和摸索。不论是石油钻井还是地质钻探，都会时常发生井漏5．1波纹管材料研究现象。井漏影响钻探安全作业，给钻井工程带来不由于波纹管是先将管材在车间压制成型，再到便和损失（如耗费钻井时间，损失钻井液，引起卡现场焊接，下井膨胀，因此要求管材必须具有较好的钻、井塌埋钻等一系列后果，甚至导致井眼报废，造塑性变形能力、较高的机械强度、良好的形变加工适成重大经济损失），给矿产勘探开发带来极大困难。应性和焊接性。这就需要对管材的抗拉、抗挤、抗冲随着地质勘探工作量逐年增加，钻孔深度也越击韧性、延展性、抗破裂性等性能进行试验研究，优来越深，钻遇地层愈加复杂、多样。与石油钻井不同选适合作为波纹管生产的材料。的是，地质勘探通常是在地质资料不全，对地层分布5．2小口径波纹管施工工艺研究不了解的情况下进行钻进施工的。井漏发生时，可5．2．1连接方式研究采取常规堵漏、针对性的钻井液体系及其维护处理、受波纹管截面形状以及施工工艺限制，当前波制订针对性的钻井施工措施、以至下套管封固等方纹管间的连接方式主要采用现场焊接的方式。焊接法处理。一旦发生长裸眼复杂井段严重井漏，除下质量的好坏对波纹管的性能以及膨胀施工有重要的套管封固外，尚无好的解决办法，这种办法势必增加影响，是波纹管的关键技术之一。国外个别厂家采套管层次，使钻孔结构复杂，工程成本增加。用在波纹管两端添加变径接头的方法将截面形状变在深部复杂地层钻进，由于对下部地层分布不为圆形截面，然后进行螺纹连接。有必要进一步研了解，为了确保钻孔深度，通常在钻井设计时预留足究波纹管的连接形式，采取更安全、可靠的办法。够多套管层次，加大开孔直径，这给钻井施工带来了5．2．2扩眼直径控制巨大的风险，同时造成钻进费用的急剧增加。扩眼直径直接影响波纹管膨胀后与井壁的结合波纹管技术主要用于解决钻井过程中出现的井强度，在裸眼井段，扩眼直径过大波纹管与井壁结合下复杂情况，即封隔复杂井段，处理井漏、井涌、水侵力不够，扩眼直径太小将影响波纹管膨胀施工，给后或坍塌等事故，可保证复杂地区深井钻井的顺利进续的钻井作业留下隐患。行。应用波纹管技术，在钻遇井漏地层时，下入波纹5．2．3施工工艺管，进行快速高效堵漏，可以保持钻孔直径，简化井由于口径不同，不同波纹管的力学性能也不尽眼结构，减少套管层次，大大的降低钻井综合成本。相同，需要进一步研究小口径波纹管的性能参数以研究认为，采用波纹管技术，单一井径油井可减少及在施工作业过程中应该注意的问题，对施工工艺４４％的钻井液用量、４２％的水泥用量、４２％的套管用进行简化和优化。量和５９％的钻屑生成量，在海上钻井和建井中可节5．3小口径波纹管配套设备［５］省３３％～４８％的建井费用。在波纹管堵漏施工过程中需要用到很多专用设备及工具，如果在地质钻探中应用小口径波纹管进5地质钻探领域应用波纹管堵漏技术关键问题行堵漏作业，必须研发相应的小口径专用设备，如扩我国自行研制的产品现场应用的成功，标志着眼器、球形胀管器、滚子胀管器、磨鞋等都要进行进我国已经基本上掌握了波纹管堵漏技术。但是目前（下转第５２页） ５２探矿工程（岩土钻掘工程）２０１２年第３９卷第５期表１我国不同地区风压的组合，作为计算载荷是不合理的。因此，设计计算高度序号包括的地区中应对钻塔的载荷作充分的分析，合理地确定其计＜２０ｍ＞１００ｍ算载荷。１广东沿海、海南岛、南海诸岛、台＞１＞２湾最南部２东部沿海、松辽平原、甘肃、新疆１畅０～０畅７２畅０～１畅５6结语３华北平原，东北、西北大陆０畅７～０畅４１畅５～１畅０４东南及西南的大陆地区０畅４～０畅２５１畅０～０畅７５多年的钻塔研制及配套工作实践证明，只有对５川南及云贵高原０畅２５０畅７５钻塔的主要问题和核心问题进行认真研究，并尽量做到标准化和规范化，才能保证交付给用户满足使较高的钻塔，风载对其的影响在总载荷中占有相当用要求的产品。钻塔的设计制造涉及的问题很多也的比重。计算方法可以参照上述公式，挡风面积A较复杂，需要在科学的理论指导下，紧密结合生产施需要根据钻塔及部件的侧界面积来确定。工实践，不断总结经验，完善设计、制造和配套，更好（３）钻塔因受载荷而在绷绳中产生的拉力，它地为钻探施工服务。希望本文能够对钻塔的研制及的大小因结构尺寸、绷绳数量和固定位置不同而异。日后的配套工作提供一定的参考。一般来讲，绷绳基本对称布置，此水平载荷相互平衡可以忽略不计。参考文献：［１］侯依甫．钻井和修井井架、底座设计指南［Ｍ］．北京：石油工业5钻塔的校核出版社，２００５．由于各钻塔结构不同，截面尺寸和形状也不一［２］张西坤，靳益民．关于钻塔的几个问题的探讨［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２００９，３６（７）．定相同，因此强度的校核要因塔而异。校核的内容［３］屠厚泽．钻探工程学（中册）［Ｍ］．湖北武汉：中国地质大学出包括强度和稳定性２个方面。钻塔的强度校核，包版社，１９８８．括：钻塔工作时不同工况下的载荷组合；钻塔受外载［４］胡辰光．钻探工程技术［Ｍ］．安徽合肥：安徽文化音像出版社，２００３．后各杆件内力的计算；根据各杆件受力的大小，进行［５］张西坤，宋小娟．关于钻塔的几个问题的探讨［Ｊ］．探矿工程强度校核。钻塔承载情况依其类型及工作条件的差（岩土钻掘工程），２００４，３１（１２）．异而不同。应根据使用要求和工作条件合理确定其计算载荷。显然，以各种载荷可能同时出现最大值（上接第３０页）（２）地质岩心钻探领域采用波纹管堵漏技术能一步的优化设计，甚至有些工具需要重新进行设计。够降低钻井工程风险和成本，具有较好的前景。5．4波纹管施工过程中复杂事故的处理（３）波纹管堵漏技术目前尚不成熟，需要进一波纹管堵漏技术尚属起步阶段，在施工作业过步开展系列化研究，在施工工艺以及复杂情况处理程中还会遇到一些复杂问题，需要进一步针对波纹方面还需要大量的现场实践和探索。管施工作业可能发生的事故进行深入研究，探索解（４）波纹管在补贴损坏套管、减少套管层次方决办法。如：面尚无成功案例，需要在这方面进一步开展理论及（１）波纹管下井遇阻、卡，无法起下钻时如何处试验研究。理；（２）对溶洞、空洞地层以及破碎坍塌井段进行参考文献：施工时，钻井液大量漏失可能遇到的复杂情况；［１］李娟．可膨胀波纹管技术在钻井工程中的应用［Ｊ］．西部探矿工程，２００６，（１１）：１７５－１７７．（３）地层缩径波纹管受挤变形，或者发生剪切、［２］胡彦峰，涂玉林，汪胜武，等．可膨胀波纹管技术在钻井工程中拉伸变形导致钻具无法下井如何解决。的应用［Ｊ］．西部探矿工程，２０１１，（２）：９１－９７．［３］张彦平，田军，赵志强，等．波纹管堵漏技术在吐哈油田Ｌ７－７１井的应用［Ｊ］．石油钻采工艺，２００５，２７（１）：２０－２２．6结论与展望［４］陶兴华，马开华，吴波，等．膨胀波纹管技术现场试验综述及存（１）波纹管堵漏技术是最直接有效的堵漏方法在问题分析［Ｊ］．石油钻探技术，２００７，３５（４）：６３－６６．之一，现场堵漏试验成功表明我国已经基本掌握该［５］姚彤宝，于好善，夏柏如，等．膨胀管技术在地质勘探领域应用初探［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２００８，３５（２）：８－１１．项技术。