专利名称：气举欠平衡连续管过油管钻井方法
技术领域：
本发明涉及一种用于油田欠平衡钻井的工艺技术，特别是一种使用连续管过油管 作业实现充气欠平衡钻井的技术。它也适用于低压储层和煤层气的低压钻井作业。
背景技术：
目前，欠平衡钻井技术是指在钻井过程中钻井液循环体系井底压力低于地层孔隙 压力，使产层的流体有控制地进入井筒并将其循环出井的钻井技术，在国内外的油气田开 发中得到了越来越广泛的应用。欠平衡钻井的主要作用及意义在于①利于及时发现和准 确评价储层；②可有效地保护储层，显著降低因钻井液固相与液相侵人对储层造成的伤害； ③可大大提高机械钻速和钻头进尺，缩短钻井周期，并减少储层的浸泡时间；④减少井漏、 压差卡钻等复杂情况的发生。在地层压力系数大于1. 1时，可采用常规钻井液，用降低钻井液密度的方法来实 现欠平衡钻井；而在地层压力系数小于1.1采用常规钻井液难以实现欠平衡钻井时，需使 用低密度流体(气雾、泡沫及气体，常用气体包括空气、天然气、二氧化碳、氮气等)作循环 介质，或往钻井液中注气(充气钻井)等方法，实现欠平衡钻井。随着油田开发进入中后期， 低压低产低渗问题逐步成为油田开发关注的焦点，使用低密度流体或充气钻井实现欠平衡 钻井的方法也自然成为研究的重点。在现有技术中1、申请号为200610065429.4的专利，提出了使用转盘和常规钻柱实施欠平衡钻 井的工艺技术。其主要问题是①接单根的过程需中断循环需停泵后利用钻柱内的回压 阀阻断钻柱内的回流，打开立管泄压后卸扣、接单根，再关闭立管泄压阀，才能开泵重新建 立循环；②在起钻过程同样需中断循环；③在上顶力大时，还需使用不压井起下钻装置。在 钻遇异常高压地层或气层时，循环的中断易导致地层流体不断进入井内，最终发展为气体 上移和膨胀，使井内压力持续上升，易诱发井控失控的风险和事故，危及作业安全。使用常规钻柱实施欠平衡钻井的另一个问题是在实施该专利所述的气体欠平衡 (包括使用氮气、天然气、柴油机尾气、充气泥浆、泡沫和雾化、空气等介质)进行定向钻井 或水平井钻井时，需使用特殊的井下动力钻具和随钻测量系统，不能使用适用于泥浆钻井 的井下动力钻具和泥浆脉冲测量系统(MWD)。2、申请号为200610005543. 8的专利提出的使用欠平衡井下封井器实现全过程欠 平衡钻井的方法，和Weatherford的井下套管阀技术，其起下钻过程也需中断循环。起下钻 时下部井筒处于完全关死的状态，是一种不可控的、自然发展的欠平衡状态，严重时可能发 展为过平衡状态或引起井漏。3、申请号为200410081640. 6和200510020179. 8的专利，提出了一种使用永久性
双层井身结构实现油气井连续循环的系统和方法。该技术能实现全过程可控欠平衡钻井和 全井寿命全过程可控欠平衡作业，但需要在套管内下入特制的异形内管以增加一个环空通 道，并需要使用与异形内管相匹配的特殊钻头，在很大程度上限制了该技术的实际应用。
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4、申请号为 200610134984. 8,200420070691. 4 和 200620168533. 1 的专利，提出 了
一种使用双壁钻杆实现低压钻井的技术和配套管柱结构。该技术从双壁钻杆的环形间隙内 充入压缩空气并在井眼环空内与返出的钻井液混合形成低密度液体，从双壁钻杆中心水眼 内泵入常规钻井液进入井下钻具与钻头，解决了将适用于泥浆钻井的井下动力钻具和泥浆 脉冲测量系统(MWD)用于充气钻井的问题，使该技术能用于定向井和水平井的低压钻井作 业。但该技术需使用特制的双壁钻杆、旋转充气水龙头和井下气液混流器等特殊装置；接单 根的过程不仅要中断循环，而且由于要解决双通道的连接与密封而变得非常复杂，在很大 程度上限制了该技术的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于为提高油气井与煤层气井钻井完井的安全性、减少对储层的 污染、提高钻速，提供一种能实现全过程可控欠平衡钻井和连续循环的气举欠平衡连续管 过油管钻井方法；并通过采用所提供的技术，使适用于泥浆钻井的井下动力钻具和泥浆脉 冲测量系统(MWD)也能应用于充气欠平衡钻井，为低压储层内的定向钻井和水平井钻井提 供一种低成本的解决方案。本发明提供的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，在已钻成上部井眼的井筒内， 采用连续管过油管作业的方式对下部的目标井段进行欠平衡钻井或低压钻井，目标井段是 直井、定向井或水平井。其主要工艺过程如下(1)预先完成目标井段之上的井眼钻进和下套管固井作业，安装套管头和油管头， 下油管至设计深度并密封悬挂在油管头内，下入前在油管适当高度安装注气接头；(2)安装单闸板防喷器、防喷管，将钻具下入并悬吊在防喷管中。钻具主要包括 钻头、泥浆马达和MWD、安全接头、定向工具和连接器等；(3)安装连续管装置，将连续管依次穿过注入头、防喷盒和连续管防喷器组后，用 连接器将连续管末端与悬吊的钻具相连；安装连续管防喷器组、防喷盒和注入头；(4)连接地面注入系统、井控装置和地面返出系统，按设计的技术方案下放连续管 至钻具穿过油管下端，对目标井段进行欠平衡钻井作业。(5)完成目标井段的井眼钻进后，上提连续管将钻具收回到油管内，继续上提直到 钻具处于单闸板防喷器之上时，即可关闭单闸板防喷器。打开连续管防喷器组的泄压阀泄 压后，可拆卸钻具和连续管装置，完钻。实施欠平衡钻井的主要技术方案如下(1)循环通道与注入方式。在钻井过程中，利用连续管通道、连续管与油管环空通 道(内环空)、油管与套管环空通道(外环空)构成三条循环通道。从连续管内注入常规钻 井液给钻具提供动力，钻井液携带钻屑沿新钻的井筒返回到外环空内上返；从内环空内注 入高压气体，高压气体通过注气接头进入外环空，与返回的钻井液混合后形成低密度液体， 经外环空的排出管线返出地面。由此，外环空的流动发生改变，注气接头以下为纯液相，以 上为气液混合相。合理设计注气接头的位置可控制气液混合相的高度，调节注气量的大小 可控制气液混合相的密度，调节外环空排出管线上的节流管汇可控制井口回压，三者结合 可有效控制井底压力，得到预期的欠压值实现欠平衡钻井，或达到设计的压力值实现低压 钻井。
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由于连续管、钻具和新钻井眼中均为常规钻井液，可使用适用于泥浆钻井的井下 动力钻具和泥浆脉冲测量系统(MWD)进行钻井作业和轨迹控制。由于连续管内液柱与环空液柱之间存在静压差，在同等钻头水眼压差下所需的泥 浆泵注压力变小，有利于降低地面工作压力。由于采用过油管作业的方式，缩小了返出通道 的截面积，加上内环空注气的作用，使钻井液返出速度大大提高，有利于提高连续管钻井时 携带岩屑的能力。(2)连续循环与全过程可控欠平衡钻井。采用连续管作业无需接单根，不存在接单 根中断循环的问题，在起下钻和钻井过程中均可保持连续循环。而且，连续管装置的注入头 提供的注入力能克服上顶力的作用，作业过程不需要使用不压井起下钻装置。与常规技术中依靠环形防喷器和旋转防喷器保持环空密封的方式不同，本发明利 用油管头与套管头承受外环空通道的压力，利用防喷盒与连续管间的动密封承受内环空通 道的压力，根据需要内、外环空通道的承压能力可达到35MPa或70MPa甚至更高；防喷盒的 密封出现失效时，只需停止连续管的送进关闭连续管防喷器组中的半封闸板封住上部的内 环空通道，即可现场更换，不影响循环和欠平衡状态的控制。(3)地面设备的配套。主要包括连续管装置、井控装置、地面注入系统和地面返出 系统。连续管装置主要由滚筒、连续管、注入头、防喷盒、防喷器组和控制与动力系统构成； 井控装置主要由防喷盒、连续管防喷器组、防喷管、单间板防喷器和油管头、套管头组成；地 面注入系统主要由泥浆注入系统(主要包括泥浆罐、泥浆泵和泥浆注入管汇)、高压气体注 入系统(主要包括气源、气体增压机组、气体注入管汇)组成；地面返出系统主要由井口四 通、排出管线、节流管汇、放喷管线、三相分离器、四相分离器、储油罐和燃烧火炬等组成。作业时，泥浆泵输出的泥浆经泥浆注入管汇、连续管滚筒轴端的旋转接头进入连 续管内；气体增压机组增压后的气体经气体注入管汇、油管头四通进入内环空通道；外环 空通道内返回的充气泥浆，经套管头上的井口四通进入排出管线、节流管汇，由放喷管线排 出或进入三相分离器、四相分离器进行处理。如果返出流体内含有地层油气，则注入气体必须是氮气等惰性气体或天然气；否 则，可以注入空气。本发明与现有技术相比具有以下特点1、采用连续管过油管作业，利用连续管、油管和套管形成三个循环通道，配套管柱 的成熟度高、通用性好，不需要特制的钻柱或内管，也不需使用旋转防喷器等专用设备；2、注气通道与泥浆注入通道相互独立，能较方便地控制井底压力和欠压值；可使 用适用于泥浆钻井的井下动力钻具和泥浆脉冲测量系统(MWD)进行钻井作业和轨迹控制；3、无需接单根，在起下钻和钻井过程中均可保持连续循环，可实现全过程可控欠 平衡钻井和全过程可控低压钻井作业；作业过程不需要使用不压井起下钻装置；4、由于连续管内液柱与环空液柱之间存在静压差，有利于降低地面工作压力；5、由于采用过油管作业和向内环空注气的方式，使钻井液返回速度大大提高，有 利于提高连续管钻井时携带岩屑的能力。
图1为本发明的连续管装置与井控装置布置示意图。
图2为本发明的井身结构示意图。图3为本发明的地面注入系统和地面返出系统示意图。图中1.连续管滚筒；2.(连续管滚筒轴端的)旋转接头；3.连续管；4.注入头； 5.防喷盒；6.连续管防喷器组；7.防喷管；8.单闸板防喷器；9.油管头；10.套管头；11.气 体注入管汇；12.排出管线；13.泥浆注入管汇；14.套管；15.油管；16.注气接头；17.连接 器；18.钻具；19.泥浆罐；20.泥浆泵；21.三相分离器；22.放喷管线；23.气体增压机组； 24.气源；25.储油罐；26.四相分离器；27.钻屑；28.节流管汇。A.已钻成的上部井眼； B.新钻的目标井眼；a.连续管通道；b.内环空通道；c.外环空通道。
具体实施例方式本发明提出的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，主要用于在已钻成上部井眼A 的井筒内，采用连续管过油管钻井的方式对下部的目标井段B进行欠平衡钻井或低压钻 井。下面结合附图对本发明的钻井工艺的具体实施方式
进行说明(1)参阅图2。作业在上部井眼A完成固井作业之后进行，本实施例目标井段B是 定向井。(2)根据井眼A内套管14的规格和目标井段B井眼直径的要求，选择要下入的油 管15和要使用的连续管3的规格。本实施例套管14的直径为51//'，选择油管15的直径 为31//、连续管3的直径为23/8" ο(3)安装套管头10和油管头9，下入油管15至设计深度并密封悬挂在油管头9内。 下入前按设计要求在油管15的适当高度安装注气接头16，本实施例注气接头16安装在油 管15管柱的末端。(4)参阅图1和图2。安装单闸板防喷器8、防喷管7，将钻具18下入并悬吊在防 喷管7中。钻具18主要包括钻头、泥浆马达和MWD、安全接头、定向工具和连接器17等。 防喷管7的高度大于钻具18的长度，能够在下入和起出钻具18时容纳钻具18。(5)安装连续管装置，将连续管3从连续管滚筒1上释放，依次穿过注入头4、防喷 盒5和连续管防喷器组6后，用连接器17将连续管3末端与悬吊的钻具18相连；安装连续 管防喷器组6、防喷盒5和注入头4。(6)参阅图3和图1。安装连接地面注入系统和地面返出系统。将泥浆注入管汇 13与连续管滚筒轴端的旋转接头2相连，气体注入管汇11与油管头9上的四通相连，排出 管线12与套管头10上的井口四通相连。(7)参阅图2。按设计的技术方案下放连续管3至钻具18穿过油管15下端，对目 标井段B进行欠平衡钻井作业。(8)完成目标井段B的井眼钻进后，上提连续管3将钻具18收回到油管15内，继 续上提直到钻具18处于单闸板防喷器8之上时，即可关闭单闸板防喷器8。打开连续管防 喷器组6的泄压阀泄压后，可拆卸钻具18和连续管装置，完钻。下面结合附图对本实施例欠平衡钻井的主要技术方案进行说明参阅图2。本发明利用连续管3、油管15和套管14形成三个循环通道，包括连 续管3通道a、连续管3与油管15环空通道b (内环空通道b)、油管15与套管14环空通道c (外环空通道C)。参阅图3和图1。作业时，泥浆罐19中的泥浆由泥浆泵20加压后经泥浆注入管 汇13、连续管滚筒轴端的旋转接头2进入连续管3内；气源24的气体由气体增压机组23增 压后经气体注入管汇11、油管头9的四通进入内环空通道b ；外环空通道c内返回的充气泥 浆，经套管头10上的井口四通进入排出管线12、节流管汇28，由放喷管线22排出或进入三 相分离器21、四相分离器26进行处理。分离出的钻屑27堆放在指定位置，分离出的可燃气 体输送到火炬中燃烧，分离出的原油输送至储油罐25。参阅图2。在钻井过程中，从连续管3内注入的常规钻井液给钻具18提供动力， 钻井液携带钻屑沿新钻的井筒返回到外环空c内上返；从内环空b内注入的高压气体通过 注气接头16进入外环空c，与返回的钻井液混合后形成低密度液体，经外环空c的排出管 线12返出地面。由此，使外环空c的流动发生改变，注气接头16以下为纯液相，以上为气 液混合相。将注气接头16安装在油管15管柱的末端可使气液混合相的高度达到最大，调 节注气量的大小可控制气液混合相的密度，调节外环空c排出管线12上的节流管汇28可 控制井口回压，三者结合可有效控制井底压力，得到预期的欠压值实现欠平衡钻井，或达到 设计的压力值实现低压钻井。由于连续管3、钻具18和新钻井眼B中均为常规钻井液，使用适用于泥浆钻井的井 下动力钻具和泥浆脉冲测量系统(MWD)进行钻井作业和轨迹控制。由于连续管3内液柱与外环空c液柱之间存在静压差，在同等钻头水眼压差下所 需的泥浆泵20泵注压力变小，有利于降低地面工作压力。由于采用过油管作业，缩小了返 出通道c的截面积，加上内环空b注气的作用，使钻井液返出速度大大提高，有利于提高连 续管钻井时携带岩屑的能力。连续管作业无需接单根，不存在接单根中断循环的问题，在起下钻和钻井过程中 均可保持连续循环。防喷盒5的密封出现失效时，只需停止连续管3的送进关闭连续管防 喷器组6中的半封间板封住上部的内环空通道，即可现场更换，可保持连续循环和对欠平 衡状态的控制。连续管装置的注入头4提供的注入力能克服上顶力的作用，作业过程不需 要使用不压井起下钻装置。如果返出流体内含有地层油气，则注入气体必须是氮气等惰性气体或天然气；否 则，可以注入空气。
权利要求
一种气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于在已钻成上部井眼的井筒内，采用连续管(3)过油管(15)作业的方式对下部的目标井段进行欠平衡钻井或低压钻井，目标井段是直井、定向井或水平井。
2.根据权利要求1所述的一种气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于利用 连续管(3)、油管(15)和套管(14)形成三个循环通道，包括连续管(3)通道、连续管(3) 与油管(15)环空通道、油管(15)与套管(14)环空通道；并在油管(15)上安装注气接头 (16)，连通内外环空通道。
3.根据权利要求1所述的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于从连续管 (3)内注入常规钻井液给钻具(18)提供动力，钻井液携带钻屑(27)沿新钻的井筒返回到外 环空内上返；从内环空内注入高压气体，高压气体通过注气接头(16)进入外环空，与返回 的钻井液混合后形成低密度液体，经外环空的排出管线(12)返出地面；由此，使外环空的 流动发生改变，注气接头(16)以下为纯液相，以上为气液混合相。
4.根据权利要求1、2或3所述的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于通 过调节注气接头(16)的安装位置控制气液混合相的高度，通过调节向内环空注气量的大 小控制气液混合相的密度，通过调节外环空排出管线(12)上的节流管汇(28)控制井口回 压，由三者结合来控制井底压力，得到预期的欠压值实现欠平衡钻井，或达到设计的压力值 实现低压钻井。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于 连续管(3)、钻具(18)和新钻井眼中均为常规钻井液，使用适用于泥浆钻井的井下动力钻 具和泥浆脉冲测量系统(MWD)进行钻井作业和轨迹控制。
6.根据权利要求1、2或3所述的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于作 业过程中无需接单根，在起下钻和钻井过程中均可保持连续循环，可实现全过程可控欠平 衡钻井和全过程可控低压钻井作业；连续管装置的注入头(4)提供的注入力能克服上顶力 的作用，作业过程不需要使用不压井起下钻装置。
7.根据权利要求1、2或3所述的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于连 续管(3)内液柱与外环空液柱之间存在静压差，使达到同等钻头水眼压差所需的泥浆泵 (20)泵注压力变小，有利于降低地面工作压力。
8.根据权利要求1、2或3所述的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于采 用过油管(15)作业的方式，以连续管(3)作为注入通道、外环空作为返出通道，缩小返出通 道的流通面积；使向内环空注入的气体经注气接头(16)进入外环空与返回的钻井液混合， 增大返出通道的排量；二者结合，有利于提高钻井液的返出速度和携带钻屑(27)的能力。
9.根据权利要求1、2或3所述的气举欠平衡连续管过油管钻井方法，其特征在于在 注入头(4)和油管头(9)之间，自上而下依次装有防喷盒(5)、连续管防喷器组(6)、防喷管 (7)和单闸板防喷器(8)；并要求防喷管(7)的高度一般应大于钻具(18)长度，能够在下入 和起出钻具(18)时容纳钻具(18)；钻具(18)较长时为避免防喷管(7)过高影响施工，可 控制防喷管(7)的长度，使用专门的钢丝绳作业工具下入和起出钻具(18)。
全文摘要
气举欠平衡连续管过油管钻井方法，应用于石油钻井技术领域。在已钻成上部井眼的井筒内，采用连续管过油管作业的方式对下部的目标井段进行欠平衡钻井或低压钻井，目标井段是直井、定向井或水平井。效果是采用连续管过油管作业，利用连续管、油管和套管形成三个循环通道，配套管柱的通用性好，不需要特制的钻柱或内管，也不需使用旋转防喷器等专用设备；注气通道与泥浆注入通道相互独立，能较方便地控制井底压力和欠压值，能使用适用于泥浆钻井的井下动力钻具和泥浆脉冲测量系统进行钻井作业和轨迹控制；无需接单根，在起下钻和钻进过程中均可保持连续循环，可实现全过程可控欠平衡钻井和全过程可控低压钻井作业。
文档编号E21B21/08GK101942962SQ201010254148
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者于东兵, 吕维平, 张友军, 朱峰, 盖志亮, 胡强法, 袁光杰, 谭多鸿, 辛永安, 陈智 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团钻井工程技术研究院;中国石油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所