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1、石油工程学会：溧井钻井试油及装备技术研讨会论文选集塔里木油田超深井测试管柱设计刘德海。康建利 陶世军(塔里木石油勘探开发指挥部)摘要根据塔里术油田超深井试油作业实践，总结介绍5种测试管柱的基表结构，结合现场 实例对各类管柱的设计特点和井眼适应性分析，指出正确预测井下压力、温度和产出流体性质，是 搞好测试管柱设计的前提。主题词超深井测试管柱应力分析测试管柱设计应该遵循的基本原则是：保证封作管柱；超深井测试完井管柱。隔器能够可靠座封；能够顺利地实现井下开关井；能 够提供有控制的地层产出流体通道。这是保证测试超深井裸眼测试管柱成功和作业安全的基本条件。因此在设计测试管 基本结构仍然是支撑式：井口控制
2、头+钻杆+ 柱前必须对井下压力、温度和产出流体性质有一个 MFE工具十裸眼封隔器+筛管。 正确的预测。结合井眼条件，优选测试工具类型和BT封隔器是国内最常用的裸眼封隔器。它在 井口控制装置，设计出合理的测试管柱。轴向力作用下径向膨胀座封，胶筒膨胀能力有限。塔里木盆地自1989年开始进行大规模的油气 当井眼不规则，呈隋圆形，锯齿形，或者井径超过胶 勘探工作，共完钻探井257口，测试1512井次。 筒的有效密封直径时，宜采用靠液力座封的膨胀式80以上的探井试油层深度都超过4500m，地层压封隔器。塔里木油田在井深40006000m裸眼井 力系数一般为110120，异常压力区块高达i50 内膨胀式作
3、业30余井次。最大座封深度5752m(东2 0，个别井超过2 0；地层温度一般为120河12井)。井下工具是引进的莱茵斯和曼德利两种150，个别井超过150。井深压力高、温度高是膨胀式测试器。这两种工具都是靠井口旋转管柱带 测试管柱设计应考虑的基本特点。动井下膨胀泵使钻井液增压后注入胶筒膨胀座封， 应考虑的另个特点是塔里木探井独特的井身不需要支撑尾管，可以在任意井段进行分层测试作 结构。一般的中途测试井，9英寸技术套管下深业。在深井内反映的主要问题是座封开井时，易发4000m左右，或者用8蟛英寸钻头钻至设计井深，或 生封隔器下移而导致测试失败。塔里木江汉测试公者在9英寸套管内挂7英寸尾管再用5
4、英寸或司根据曼德利工具的性能特点，摸索出了一套操作6英雨钻头完钻；一般的完井测试，大多在7英寸尾 方法，较好地解决了封隔器承压下移的问题，1996 管或5英寸尾管内进行，典型的套管程序为9英 年共作业8井次成功率85最大座封井深 寸套管内下挂7英寸尾管，再下挂5英寸尾管。 5192m。测试工具类型的选择是测试管柱设计的核心。 目前国内已有膨胀式工具成型产品。但是无论 实践表明，对于一般的超深井国产MFE工具以其 哪一种膨胀式工具，其结构部比较复杂，施工难度较 操作简单安全可靠，成本较低的特点，在塔里木仍 大，成本也较高。在井眼条件具备时，也可采用常规 然得到了普遍使用。 的BT封隔器进行跨隔分
5、层测试作业，可以大大降总结8年来的勘探实践，本文介绍5种比较媳 低作业成本型的超深井测试管柱的基本结构。这5种管拄是：下面介绍一种裸眼支撑式跨隔测试管拄(其基超深井裸眼测试管柱；超深井5英寸尾管本结构如图1所示)。测试管柱；高压油气井测试管往；超深井测射联1山1井奥陶系地层裸眼支撑式跨隔测试实例*刘德海，高级工程师，从事试油专业。邮编：8410(10地址：新疆库尔勒市78信箱试油处。电话：(0996)2171520石油工程学会：深并钻井试油及装备技术研讨会论文选集(图2) 深度4400m。完钻后第三次中途测试，测试井段为4085-411923ra，奥陶系白云岩地层。 按照一般考虑，由于测试层距
6、井底较远，应该采用膨胀式跨隔测试工具。鉴于沙漠运输困难，重新5英寸钻杆4104ll循环接头410x 411 H送工具约需7天，分析奥陶系白云岩井壁稳定性较jk英寸钻铤410X411 好，井眼比较规则，钻井液防塌防卡性能也较好。于变扣接头410x 311 03 J记录仪悬挂器310x 311 152 是，大胆采用了常规裸眼封隔器进行支撑式跨隔测5英寸液压工具310x 311175 试，支撑尾管长达280m。5英寸取样器310311130 2山1井管柱设计特点间隔器3103110 305英寸伸缩接头310311 (1)在下封隔器上方连结盲接头，防止下部地层变扣接头310X 320与测试层沟通；20
7、0J压力计托筒32032 L184英寸TR震击器32032l2 36 (2)在下封隔器下方连结筛管和托筒(内装压力4英寸安全接头320x 321 0 60计)，以监测下封隔器密封效果；变扣接头320X 311 0285见英寸膨胀泵J10x 42l 144 (3)在震击器上方及两个封隔器之间设计一定5英寸吸入滤网420x 421l34 数量的钻铤(实际用加重钻杆代替)提供有效座封5兄英寸释放系统420421】10 力，同时提高震击解卡效果。j封隔器42031l I72 应用这套管往结构，还成功地在古董1井奥陶筛管0 B8H5“英寸压力计托简3103lll，62 系地层完成了裸跟跨隔测试，跨距为1
8、631 1m，支撑o问隔筒3lO3n 尾管长16711m。旁隔管059 H下封隔器310311】78 这两口井施工反映出的共同问题，是上提解封舞最祁悬挂器310311186 I负荷较大。分析解封困难的原因。在于下封隔器上盲堵头31006l 下方压力不平衡。为此，对管柱进行了改进，在盲接H头下部增加一个新型裸眼旁通阀。即将MFE裸眼圉1 裸眼井旋转泵膨胀式跨隔测试管柱图 旁通阀取消付旁通保留主旁通。超深井5英寸尾管测试管柱油层深度在50006000m的试油井，井身结构 通常为复合套管，即9英寸套管内挂7英寸尾管 再挂5英寸尾管。5英寸尾管内测试作业，除个别 井采用油管外，一般仍采用钻杆测试，测试
9、工具仍以 MFE为主。1管柱基本结构 测试控制头(35、70、105MPa)+5英寸钴杆+3英寸钻杆十2英寸钻杆+3坯英寸钻铤+MFE 十3英寸钻铤十卡瓦封隔器+开槽尾管(筛管)+ 压力计(托筒)。见图2。2管柱设计特点 (1)在不同规格的套管内配髓相适应的钻具组成复合钻具组合，尽可能符合等强度和等刚度设计原则在设计不同规恪钻具长度时应注意测试操作圈2 山1井裸眼支撑式跨隔测试管柱示意圈时避免大钻具座在小套管喇叭口上，导致不能座封和开井；山l井位于塔西南坳陷麦盖提斜坡鸟山构造高(2)在MFE上方配置适量钻铤提供打开多流 点。9英寸套管下深3297n，8英寸钻头完钻 测试阀的负荷，防止在深井条件
10、下小钻具(2妊英寸石油工程学会：漂井钻井试油及装备技术研讨会论文选集钻杆)产生螺旋弯曲效应而不能提供打开测试阀的决途径放在改善多流测试器延时性能上，进行了大 有效负荷；量的分析和室内试验工作。分析试验结果表明，对 (3)在卡瓦封隔上方配置适量钻铤取代液压锁 于井温在150左右，井深6000m左右的超深井，多 紧接头，既有利防止提松封隔器，又有利于打开多流 流测试器的延时性能仍能满足测试开关井操作的要测试阀。求。在超深井条件下，测试管柱在自重作用下产生 现场人员注意到了管柱结构对开关井的影响， 螺旋弯曲，与套管壁形成多点接触，接触摩擦力有可 提出合理利用钻铤取代锁紧接头，首先在牙哈3井 能与轴向
11、力平衡即使继续下放管柱仍然不能打开 修改了管柱的常规设计。至此以后，在超深井5英 多流测试阀，当使用液压锁紧接头时，锁紧接头所产 寸尾管中极少发生不能正常开井的现象。生的上顶力更增加了开井困难。高压、高产油气井测试管柱3牙哈3井5英寸尾管测试实例f见图3)该井9英寸套管下深4499 32m，7英寸套管对于探井试油首先必须对地层压力、温度及产4349325320 27m，挂5英寸尾管511457出流体有一个大致符合的预测，才能选择合适的井596849m。射孔井段591255915m。下工具和井口装置从而设计出较为科学合理的测 第一次测试作业：管往设计为5英寸钻杆+3坯试管柱。前面所举的两类管柱，
12、井下采用MFE系 英寸钻杆+2英寸钻杆+MFE+锁紧接头+3坯统，井口用测试控制头，这两类管住在设计上适用于英寸钻铤+卡瓦封隔器。座封负荷240kN，延时等 一般油气井作业。待60min，不能开井，测试失败。 这里所谈的高压、高产油气井，主要指塔里术油第二次测试作业：修改管主设计，在MFE上方田近年发现的一批高产凝析气井和个别异常高压 配置3坯英寸钻铤142mm，封隔器上方配置3英 井。在设计管柱时应特别注意两个方面的问题。 寸钻铤57m取代液压锁紧接头。座封负荷120kN， 1地层高压对封隔器密封性能的不利影响 延时1min顺利开井。例如东秋5井，白垩系深度5100mm左右，地层压力系数为1
13、 94，下第三系深度4700m左右，地层 压力系数2 18。属于比较典型的高压低渗透地层。 试油作业时采用清水压井测射联作工艺，井下关井 蹦后，环空静液拄压力不足以平衡地层恢复压力，在 地层压力作用下，封隔器上移密封失效。若采用 MFE工具，上提管柱进行开井操作时，多流测试器 不能换位而造成开井失败。对一些地层压力高，产 量也很高的油气井，如果采用清水或无固相压井液 作业，也会产生类似的现象。这类井不能用常规卡 瓦封隔器，必须采用具有双向锚定功能的封隔器，如 RTTS封隔器、A3封隔器等。2高产凝析气对井口控制的不良影响 凝折气井测试求产一般是气液(凝折油)同出，以气为主。因此井口控制既有高压
14、密封的特点(气 井)又有防地层出砂刺坏设备的特点(产液井)。根 据具体情况分析，可用采油树或耐高压的测试控制 头。井口装采油树井下可用全通径的环空液压控 制的APR工具；井口装测试控制头，井下则可用图3牙哈3井0127尾管单封隔器测试管柱示意图APR工具或MFE工具。根据以上分析可姒归纳两类基本管住结构： 在此之前，超深井5英寸尾管测试曾多次发生(1)适用于高压低渗或压力产量不是很高，地层打不开井，长期困拢着现场施工人员。曾一度把解不易出砂的测试作业：高压测试控制头+钻杆+石油工程学会：溧井钻井试油及装备技术研讨会论文选集MFE(或APR)十双向锚定封隔器。 到高产稳产的目的。 RTTS封隔器
15、，在塔里木地区的超深井多次成这口井钻开水平段总共漏失钻井液20000m3，功应用，国内已有成型产品，可推荐使用。 用p为1 031 089cm3钻井液钻进，基本上是只 (2)适用于高压、高产井测试管柱：采油树+油 进不返。气显示活跃，关井套压达37MPa开管线管+APR工具+双向锚定封隔器。 放喷，出纯气，点火焰高2030m。一个值得提醒的问题是，对于测试管柱来说，采 根据钻井显示，预测为高产气层，井口压力最高 油树和封隔器都是固定的。由管内压力产生的膨胀 不超过50MPa。因此，就测试管住讨论了两种方 效应可能使管柱缩短在拉伸力作用下出现拉断管案。 柱的事故。或者因温度效应使管柱伸长加剧管柱
16、弯(I)采油讨+3SB气密封油管(日本进口)+ 曲，封隔器受载过大而出现事故。因此，必须分析管APR工具+EZSV插管封隔器。 柱在温度、自重、及管内外压力作用下变形的综合效 (2)高压测试控制头+钻杆+APR工具+ 果，采取相应的措施，如使用伸缩接头等。 RTrS封隔器。3解放128超深水平井高产凝析气测试实测EZSV封隔器即哈里巴顿双作用桥塞。这 介绍近期在塔里木油田解放128井成功使用的种桥塞的结构特点是有内插入通iL和内部滑套。用 测试管柱其基本结构：高压测试控制头+钻杆旋塞 一专用密封塞装入插入通孔即成为只具封堵功能的 阀+钻杆十APR工具+RTTS封隔器(详见图4)，单作用桥塞。不
17、装密封塞与插管配套作业时即具备 测试封隔器的功能。测试结束后，起出插管，滑套立即关闭，可避免压井作业对油气层的污染。 但是EZsV封隔器插管启闭滑套的有效行程只有6cm，测试管柱变形(缩短)很可能使插管拨 出提前关闭滑套造成测试失败。考虑到地层压力不是很高，优选第2方案，井口 用105MPa双翼控制头，地面连结两套流程放喷求 产封隔器下部连结开槽尾管，有一定的防止岩屑作 用。采用第二方案如果求产时井口失控，可以立即上提管柱解封封隔器，同时灌注钻井液压井。现场测试作业12天，9525mm油嘴求产井口 压力最高44MPa，关并最高压力45 5MPa，解封压 井一次完成。超深井测射联作管柱恨据不同引
18、爆方式干口所配接测试工具的特氧，圈4解放129井超深水平井高产凝析气测试管柱示意图 先后设计了4种联作管往。l、环空加压释放撞针引爆射孔与测试联作井底垂深533135m，裸眼水平井段长起爆原理：环空加压到设计压力值剪断锁钉，活25947m，完钻井深6英寸钻头57503m。1997 塞携钢丝绳上移，解除钢球对撞针的锁定，撞针向下 年5月进行测试试油。钻这口井的目的，是探索碳 冲击雷管引爆射孔。 酸盐岩地层高产稳产的途径，通过水平钻开产层沟 采用该工艺共进行37井次施工成功率57， 通垂直微裂缝，提高导流能力。测试用9 525mni和 主要原因是起爆系统结构复杂钢丝绳松紧程度难 lI 11mm油嘴
19、同时放喷求产，井口压力37 24MPa， 以；i=握；活塞行程有眼，在深井高温条件下钢绳伸长 日产凝析油168m3，日产气108 X 104rill3。当放大油 导致不能解除对撞针的锁定而不能引爆。 嘴时井口压力下降很小。证实用钻水平井的方法2、投棒引爆射孔与APR测试工具联作 可以大大提高垂直裂缝的碳酸盐岩的导流能力，达 起爆原理：封隔器座封后，环空加压开井，使管100-石油工程学翕：漂井钻井试油及装备技术研讨会论文选集柱处于全通径。井口投棒撞击起爆器引爆射孔。在封隔器以下与起爆器之间连接两个减震 该工艺在井深4900m的轮南i01井和解放124器，并连接一定数量油管(一般24根)以减少射孔
20、 井进行过两次施工，先后都失败了，其原因是起爆针 震动对测试工具的影响同时油管又作为传递起爆砂埋和封隔器失封。 压力的通道增大了起爆器与封隔器的距离。3、环空加压引爆射孔与MFE测试联作这种管柱的优点是安全可靠，成功率高；缺点是根据前面两种管柱存在的问题，结合塔里木油 环空加压引爆压力限制了测试压差设计值，一般不 田在多流测试技术方面取得的经验，四川测井公司能超过25MPa。 在引进斯伦贝谢环空加压引爆装置的基础上，进一 4、压差引爆射孔与MFE测试联作 步改进研制成功一种新型旁通传压起爆装置，配合 (1)压差点火头起爆原理(图6) MFE测试联作，在“八五”期间，应用100余并次，成功率达9
21、0。 (1)环空加压起爆原理 环空压力经封隔器上面的旁通孔传递到起爆器活塞，活塞受压剪断锁钉后下行，撞击起爆药饼引爆懈妥 ；射孔。由于旁通的作用，使封隔器以上环空与封隔”管与封隔器以下环空连通，地层流体经筛管进入测F|器以下管柱连通，而封隔器以上测试管柱则通过筛j；试管柱(图5)。耋i器、。i；。l。一；疑lI；占三夕 ； 雾一；阳 基萋卜鲁辇霉图6压差点火头该点火头在下井过程中，起爆击针活塞套上下 受压相等绝不会出现因锁钉计算错误或压井液密 度不准出现误射孔，只有在封隔器座封并开井后才图5环空加压触发式起爆器结构示意图具有引爆射L的条件。既可实现座封开井后自动起爆，又可在座封开井后环空适当加
22、压引爆射孔。 (2)配合该I艺的I具改进I作(2)压差引爆射孔与MFE测试联作应用(见图 从工艺要求角度出发，进行了以下三个方面改 7)进 该管住共进行过9井次现场应用，成功率改进了减震器：从内外连通型改进为内外密 89，使用最深是在草2井，深达5950m，尤其是在 封型；将伸缩距由原来465mm提高到改进后的 克参1井，压差起爆射孔技术发挥了较大作用。200mm。 克参l井井深达5500m，采用清水压井，传输射改进旁通管：旁通管的传压孔增加了隔砂板， 孔与测试联作工艺。由于9英寸套管在2700m 以防杂质进入封隔器以下管柱内影响起爆器正常 左右破裂，地层盐水吐入井筒导致压井液密度变化， 起爆
23、。 再加上井ISI加压不能大于12MPa这一情况我们选石油工程学会：深井钻井试油及装备技术研讨会论文选集101择了压差起爆射孔方式。虽预先设计井口加压1两种管柱的基本结构5MPa，但实际上在座封开井后射孔枪便自动引爆 (1)采油树+油管十伸缩接头+APRA阀(或 了。取得测试卡片后发现该井压井液平均密度由原APRM2阀)+LPRN阀+侧装式压力计柱筒+ 来10上升到106若采用第3种即静压起爆射孔 EZSV封隔器(配合插管)。 则很容易出现提前射孔或打压至12MPa却不能引APRA阀、M2阀、N阀都是以环空压力控制 爆射孔这种情况。因此，在压井液不明确的情况下， 的工具。A阀一次性开启反循环压
24、井。N阀具有多 应积极采用压差起爆射孔配合MFE测试工艺。次开关功能，启闭压力靠预先充氮气设定。M2阀在N阀关闭之后继续向环空蹩压关闭，可以取得地 层流体样品，同时打开循环孔进行反循环压井作业。 取样器关闭之后，测试管柱处于关井状态，因此它具套管 R有取样、循环和确保井下关井的三个功能。但是从引油管， 现场使用情况看，M2阀深井作业的可靠性较差。定位 1992年11月在轮南59井应用这种管柱成功I童油管 地进行了作业(未下入M2阀)。射孔井段5368j5393m，压井液密度1 569cm3，求产井口压力阀)i篙40MPa，日产凝析油988m3，日产气118104rft3。鱼压力 (2)采油树+
25、油管+RD循环阀+RD安全循环爿MFE阀十侧装式压力计托筒+油管密封锚定器+密封延一城紧伸筒+SB一3永久式封隔器+CMD滑套阀+减震d压力，器+常孔油管+压力延时起爆器+射孔枪。一i由管(这是一种集射孔、测试、完井作业于一身的管柱d地盘结构。1997年5月，成历地应用于英科1井(详见囟封隔图8)。q2英科1井超深井测试实例|聂曩；射孔井段61596340m，射开42m2层。5英量油管 寸套管内作业，无固相压液密度1359cm3。预测刊减震a 地层压力142MPa，温度158，可能为高产气层。爿起爆因为是超深井作业，又是高压高产气层，为确保葛-d步躺安全安全可靠一次成功，管柱设计尽可能简化，未
26、考虑井下多次开关井和取样功能。同时，全套管拄均从国外引进，井口为20000Psi图7环空加压射孔与测试联作管柱示意图 采油树，专r-J引进日本NKK公司的3SB气密封油管。从对以上4种射孔与测试联作管柱的分析来管柱在地面分段连结，一次下入井内。座封、射 看，塔里木油田在深井和超深井射孔与地层测试联 7L开关井及压井解封均靠油管内外压力控制完成。 作管柱方面科学地分析和选择了环空加压引爆射 SB一3封隔器具有上下双向锚定功能，油管内 孔配合MFE测试这一工艺并取得了较大成功。 蹩压座封，永久性固定。它与油管锚定器，密封延伸 压差起爆射孔工艺作为对该工艺的进一步完善，具 简CMD、滑套阀配套通过一
27、根长插管提供地层流体 有较大的市场发展前景，值得进一步推广应用。 通道和测试结束后隔离压井液进入地层。在地面组装时插管与锚定器连结穿过密封延超深井测试完井管柱伸管、封隔器，插入cMD滑套阀形成通道。测试结关键技术是测试结束后起出测试管柱进行下步束后上提管柱CMD滑套阀关闭，使压井液与产层 完井作业过程中不让压井液进入射孔井段，有利于隔离。保护油气层。密封延伸管与油管密封锚定器配合起一个伸缩102 石油工程学会：潦井钻井试油及装备技术研讨会论文选集1测试操作程序简述校深、封隔器定位；管内蹩压座封隔器；座油管挂，装采油树；_管内蹩压，延时起爆射孔；地面关井，测井口压力，稳定后换算地层原始压力；地面
28、开井，放喷求产，地面取样；环空蹩压，关闭RD安全循环阀的球阀，同时 开启循环iL；继续蹩压，打开RD循环阀；反循环替 出管内油气；卸采油树；上提管柱，解脱油管密封锚定器，拔出插管CMD滑套阀关闭；起测试管柱。S133封隔器及以下管串包括 CMD滑套阀及射孔枪等留在井内，按原位固定。若 重新打开CMD阀则应另下入带开关工具的管柱。2结论英科1井测试地层表现为高压低渗特征。但是 现场施工反映这整管柱设计合理，井下工具动作灵 活可靠，达到了工艺设计要求。以上介绍的5种管结构部在超深井成功应用，现场设计时要根据井况和测试要求适当调整。图8英科1井超深井测试完井管柱示意宙分析管柱在井内的受力和变形对于超
29、深井高 产油气井尤为重要。不仅仗关系到管柱的强度，还接头作用，用以调节管拄变形引起的伸长或缩短，防影响井下工具的工作性能。管柱受力与变形分析止拉断油管的事故。其伸缩行程可根据需要选定。也能对现场操作提供有益的启示。在英科1井测试 RD循环阀、RD安全循环阀都是哈里伯顿专门营柱设计时应用管柱砬力分析软件计算了11种工 用于高温高压井测试的产品。为APRA阀、APR况条件下管柱变形的综合效果。根据最可能出现的M2阀的改进型靠环空蹩压一次性开启完成循情况，优选密封延伸筒的有效长度为4 57m，确定管 环压井作业。RD安全循环阀有球阀装置，当环 柱压缩距为2m。 空蹩压时球阀关闭同时开启循环孔。因此，它具有有关管挂力应分析方面的研究，将另文专门介 井下关井和循环压井的双重功能。 绍。
