CN114961565A - 一种表层套管下入和振动固井方法及其试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于海洋石油开发工程技术领域的一种表层套管下入和振动固井方法及其试验装置。该方法具体如下：首先，用钻杆钻井眼，在确定安装扶正器的位置上将可变径扶正器的扶正条束缚；然后上提钻杆，将表层套管送入井眼，当表层套管下入到指定位置后，在井口投入永磁体小球，磁场信号激活相应的装置工作，从而将被束缚的扶正条弹开；关闭高压井口的阀门，从钻井船工作区域泵入水泥浆，水泥浆被顶替到整个环空的同时利用触发装置启动振动固井工具，振动固井工具持续不断振动；最后直接用钻头钻掉振动固井工具。本发明可以提高表层套管的居中度，缩短工期，降低工程成本，为振动固井工具在深水固井中的工程应用奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及海洋石油开发工程技术领域，尤其涉及一种表层套管下入和振动固井方法及其试验装置。
背景技术
随着海洋石油钻井技术的不断进步，深水油气资源的开发越来越备受关注。如何根据实际工况在不改变现有下套管工艺以及固井工艺的情况下，缩短工期，减少开支，同时获得质量良好的水泥环，是海洋石油开采过程中面临的主要问题。
使用套管扶正器能有效地提高套管居中度，预防或减少水泥浆窜槽、压差卡钻等一系列固井难题。目前常用的刚性扶正器不可变径，在“大肚子”、扩眼井段等特殊井段就会失去作用；单弓形弹性扶正器，启动力大，对套管下入产生的摩阻也大，不利用于套管安全下入；双弓型弹性扶正器，其扶正力为单弓型弹性扶正器的两倍，但仍存在启动力大等问题。
深水地层中存在着海底低温，浅层气、浅层流以及天然气水合物层，这些问题会导致水泥浆的候凝时间长，且水泥浆的强度较差，固井的封隔性能差，所以在表层套管串的底端安装振动固井工具，陆地试验已证明振动可以有效降低水泥浆的候凝时间，获得质量良好的水泥环，因此在深水表层套管固井工艺中需要应用振动固井工具。综上，应用启动力小、扶正力大、可变径的套管扶正器以及振动固井工具，并合理优化扶正器安放间距对提高固井质量，对固井降本增效都具有重要的现实意义。
本发明中的可变径扶正器为专利CN110043200B《一种磁信号激活的可变径扶正器》公开的可变径扶正器，振动固井工具为专利CN109356549B《一种自动寻优井下振动固井工具》公开的振动固井工具。
发明内容
本发明的目的是提出一种表层套管下入和振动固井方法及其试验装置。
一种表层套管下入和振动固井方法，其特征在于，首先，钻井船开到指定作业海域进行导管下入工作，待疏松地层收缩稳固住导管，用钻杆钻井眼，在确定安装扶正器的位置上将可变径扶正器的扶正条束缚；然后上提钻杆，借助表层套管送入工具将表层套管送入井眼，高压井口的头部与表层套管配合，当表层套管下入到指定位置后，往钻杆中投入永磁体小球，永磁体小球随着钻井液在套管内循环移动，磁场信号激活相应的装置工作，从而将被束缚的扶正条弹开；关闭高压井口的阀门，从钻井船工作区域泵入水泥浆，水泥浆被顶替到整个环空的同时利用触发装置启动振动固井工具，振动固井工具持续不断振动，将振动波施加在表层套管和水泥浆上；最后振动固井完成作业，进行后续钻进作业时，直接用钻头钻掉振动固井工具。
所述振动固井工具安装在表层套管的底端，随表层套管一起下入井中。
一种表层套管下入和振动固井方法的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括管柱系统振动特性测试平台与振动提升水泥浆性能测试平台；其中，管柱系统振动特性测试平台包括水下加速度传感器、缩比表层套管、缩比导管、高压井口头、低压井口头、井口盘、第一计算机、多通道数据采集仪、电源接头、人工开关、线路、管接头、内管柱、海水、输液软管、水泥浆箱、钻井液、水泥浆、泥浆泵、泥土、刚性井壁、浮鞋、浮箍、激振器、缩比可变径扶正器和试验箱；
试验箱内装入海水，海水下方填满泥土；在试验箱中部钻有井眼，并下入缩比表层套管、缩比导管、高压井口头、低压井口头；高压井口头与缩比表层套管固连，低压井口头与缩比导管固连，低压井口头和泥土上表面接触区域装有井口盘；缩比表层套管与井壁环空中充满水泥浆，缩比表层套管与内管柱环空充满海水，内管柱内充满钻井液，缩比导管下部井壁内安装刚性井壁；缩比导管的下部管壁上装有激振器，激振器产生振动波模拟振动固井工具工作；激振器的下端装有浮箍防止水泥浆倒流；浮箍的下端装有浮鞋引导表层套管柱顺利下入井内；缩比表层套管外壁上均匀装有缩比可变径扶正器和水下加速度传感器；水泥浆箱内充满钻井液与水泥浆，水泥浆箱内装有泥浆泵，泥浆泵与输液软管相连，输液软管通过管接头与内管柱相连，其中管接头内置单向阀来控制泵入水泥浆与钻井液的剂量；电源接头和人工开关通过线路给泥浆泵、激振器和第一计算机供电，计算机和多通道数据采集仪相连，收集水下加速度传感器采集的参数并进行整合分析。
所述振动提升水泥浆性能测试平台包括第二计算机、静胶凝强度计算模块、数字通讯模块、数字信号处理模块、声学波形捕捉模块、振动测试仪、振动控制箱、超声波脉冲电路模块、控温控压釜体、传感器、振动台、阀、气压表、发热装置、温控装置和高压气罐；
振动台上装有传感器和控温控压釜体，控温控压釜体内置温控装置和发热装置来调整压力和温度以模拟水下高压低温的环境；控温控压釜体腔体内充满海水和水泥浆；传感器采集振动台产生的振动频率和振幅，并通过线路传输到振动测试仪；振动台由振动控制箱控制产生不同的振动频率、激振力和振动时长；高压气罐通过装有气压表和阀的管线给温控压釜体加压；水泥浆性能依次通过超声波脉冲电路模块、声学波形捕捉模块、数字信号处理模块、数字通讯模块、静胶凝强度计算模块送达第二计算机进行分析。
本发明的有益效果在于：
1、可变径扶正器在表层套管下入过程中可以减小摩擦力，同时可以提高表层套管的居中度；
2、振动固井工具可以缩短低温环境下水泥浆候凝时间，缩短工期，降低工程成本，并且可以提高水泥环的胶结强度；
3、管柱系统振动特性测试平台和振动提升水泥浆性能测试平台模拟实际的工作环境，可以降低在实际工况下试验的成本；通过试验收集数据并分析可以对振动固井工具的相关参数的选取起到一定的指导作用；
4、本发明为振动固井工具在深水固井中的工程应用奠定基础。
附图说明
图1是深水钻井表层套管下入及振动固井工艺总装示意图；
图2是表层套管振动固井工具最优参数选择的试验装置的使用方法流程图；
图3是管柱系统振动特性测试平台示意图；
图4是振动提升水泥浆性能测试平台示意图。
具体实施方式
本发明提出一种表层套管下入和振动固井方法及其试验装置，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1所示是深水钻井表层套管下入及振动固井工艺总装图，包括钻井船1、钻杆2、高压井口3、低压井口4、泥线5、导管6、表层套管7、水泥石8、振动固井工具9、可变径扶正器10等。
钻井船开到指定作业海域之后，先进行导管下入工作，待疏松地层收缩稳固住导管之后，用钻杆先钻井眼，然后上提钻杆；借助表层套管送入工具将表层套管送入井眼，高压井口头与表层套管配合，方便进行之后的固井工作。
要使可变径扶正器发挥最大作用，扶正器间安放间距的设计和优化也很重要。在实际作业中，过多的扶正器，不仅增加了固井成本，而且增加了套管的刚性，可能导致套管不能顺利下到预定井深；过少的扶正器则达不到要求。因此，需要通过计算在表层套管上均匀安装可变径扶正器，以提高表层套管送入作业的工作效率，同时提高表层套管的居中度。
在下表层套管前，根据计算在确定安装扶正器的位置上，先将可变径扶正器的扶正条束缚，当表层套管下入到指定位置后，在井口投入当量的永磁体小球，永磁体小球随着钻井液在套管内循环移动，磁场信号激活相应的装置工作，从而将被束缚的扶正条弹开，保证了表层套管的居中度。
振动固井工具安装在表层套管串的的最底端，随表层套管一起下入井中。当表层套管被送入到指定位置后，关闭高压井口的阀门，从钻井船工作区域泵入水泥浆，水泥浆被顶替到整个环空的同时利用触发装置启动振动固井工具，振动固井工具持续不断振动，将振动波源源不断地施加在表层套管和水泥浆上。当振动固井作业完成后，进行后续钻进作业的时候，可以直接用钻头钻掉振动固井工具。
图2所示是表层套管振动固井工具最优参数选择的试验装置的使用方法。试验装置包括管柱系统振动特性测试平台与振动提升水泥浆性能测试平台。由于深水表层套管柱系统原型试验投入高、时间长的特点，此两种测试平台都是基于相似原理及量纲分析方法建立的占地较小的动力学缩比模型。
其中管柱系统振动特性测试平台主要由能源装置、振动装置、数据采集及处理系统组成。用于产生不同的振动频率、振幅以及振动时长，并作用于缩比表层套管上，通过水下加速度传感器采集相关参数，传输到数据处理系统。
振动提升水泥浆性能测试平台主要由振动控制箱、振动台、高压气罐、控温控压釜体、超声波水泥浆性能测试系统、数据处理系统构成。振动控制箱控制振动台输出不同的振动频率、振幅和振动时长，作用于水泥浆，高压气罐和控温控压釜体主要用于模拟深水下的高压、低温环境，通过超声波水泥浆性能测试系统采集水泥在不同的温度、压力以及振动参数下水泥浆静胶凝强度、抗压强度以及水泥浆凝结时间，并将采集的数据传输到数据处理系统。
数据处理系统将两个试验平台的参数进行整合分析，基于低频共振方法，选择合适的振动频率范围和激振力范围；基于水泥浆性能提升最大化原则，优选智能寻优振动固井装备的振动频率、激振力和振动时长；运用扫频方法和MEMS加速度测量原理确定表层套管柱系统最佳振动频率。
图3所示是管柱系统振动特性测试平台。
基于相似理论，采用量纲分析法将深水表层套管柱原型缩小为占地面积较小的动力学缩比模型，并按照图示搭建相应试验平台。该实验平台由管柱系统、激振系统和振动信号采集和分析系统三部分组成。其中，管柱系统包括缩比表层套管、缩比扶正器、海水和水泥浆等；激振系统包括激振器和信号发生器等；振动信号采集及分析系统包括水下加速度传感器和多通道数据采集仪等。具体包括水下加速度传感器101、缩比表层套管102、缩比导管103、高压井口头104、低压井口头105、井口盘106、第一计算机107、多通道数据采集仪108、电源接头109、人工开关110、线路111、管接头112、内管柱113、海水114、输液软管115、水泥浆箱116、钻井液117、水泥浆118、泥浆泵119、泥土120、刚性井壁121、浮鞋122、浮箍123、激振器124、缩比可变径扶正器125和试验箱126。
试验箱126箱内装入海水114模拟海洋深水环境，海水114下方填满泥图以模拟深水泥线以下地层工况；在试验箱126中部钻有井眼，并下入高压井口头104、低压井口头105、缩比导管103、缩比表层套管102，其中高压井口头104与缩比表层套管102固连，低压井口头105与缩比导管103固连，低压井口头105和泥土120上表面接触区域装有井口盘，以增大接触面积，防止井口被压塌，表层套管与井壁环空中充满水泥浆118，表层套管与内管柱环空充满海水，内管柱内充满钻井液，缩比导管下部井壁内安装刚性井壁121，为了防止水泥浆118流失；在缩比导管103的下部管壁上装有激振器124，用来产生振动波，模拟振动工具的工作状况；在激振器124的下端装有浮箍123，是防止在注水泥浆时水泥浆倒流的装置；在浮箍123的下端装有浮鞋122，是一种带回压的装置，用来引导表层套管柱顺利下入井内；在缩比表层套管102外壁上均匀装有缩比可变径扶正器125，用来提高缩比表层套管102的居中度；同时，缩比表层套管102外壁上还均匀安装有水下加速度传感器101，用来收集激振器124产生的振动波在缩比表层套管102上的传播数据；表层水泥浆箱安置在试验箱126的右侧，其内充满钻井液117与水泥浆118，在水泥浆箱116内装有泥浆泵119，泥浆泵119与输液软管115相连，输液软管115通过管接头112与内管柱113相连接，其中管接头112内置单向阀，管接头112用来控制泵入水泥浆118与钻井液117的剂量；电源接头109、人工开关110、第一计算机107布置在试验箱126的左侧，可以通过线路给泥浆泵119、激振器124和第一计算机107供电，人工开关110可以根据具体试验方案进行电路的接通与关闭，第一计算机107和多通道数据采集仪108相连。
首先利用泥浆泵119将使相应体系液体泵入目标位置，将激振器124接通电源并闭合开关，采用水下加速度传感器101和多通道数据采集仪108完成缩比模型不同特征参数(结构参数、流体参数、支撑形式等)和不同激励参数下的振动响应数据的采集，将采集的数据进行数据分析，获得各特征参数对振动响应特性的影响程度与规律。试验分析结果与理论计算结果对比分析，评价和验证表层套管柱系统流固耦合动力学模型的可靠性和准确性。
针对表层套管柱系统的结构特性、流体特性和支撑形式，求解出表层套管柱系统的固有特性。基于低频共振方法，选择合适的振动频率范围和激振力范围。运用MEMS加速度传感器测试表层套管柱的振动幅值，运用扫频算法在振动频率范围内寻找最佳振动频率，并在最佳振动频率持续振动。
图4所示是振动提升水泥浆性能测试平台
基于超声波无损测量法设计并搭建振动提升水泥浆性能测试试验平台，拟搭建的振动提升水泥浆性能测试平台如图4所示。该试验平台由控温控压系统、振动系统和超声波水泥浆性能测试系统三部分组成，其中控温控压系统包括釜体、水浴控温系统和气压控压系统，水浴控温系统包括发热装置和温控装置，气压控压系统包括高压气罐、阀和气压表；振动系统包括振动台和振动控制箱；超声波水泥浆性能测试系统包括超声波脉冲电路模块、声学波形捕捉模块、数字信号处理模块、数字通讯模块和静胶凝强度计算模块等。具体包括第二计算机201、静胶凝强度计算模块202、数字通讯模块203、数字信号处理模块204、声学波形捕捉模块205、振动测试仪206、振动控制箱207、超声波脉冲电路模块208、控温控压釜体209、传感器210、振动台211、阀212、气压表213、发热装置214、温控装置215、高压气罐216。
振动台211上装有传感器210，控温控压釜体209，控温控压釜体209内置温控装置和发热装置，主要用来调整压力和温度的高低，从而模拟水下高压、低温的环境，在控温控压釜体209腔体内充满海水和水泥浆；传感器210主要用来采集振动台211产生的振动频率、振幅，并通过线路传输到振动测试仪206；振动台由振动控制箱控制，以产生不同的振动频率、激振力、以及振动的时长；在振动台211的右侧安装高压气罐216，高压气罐216通过管线箱给控温控压釜体209加压，在管线上装有气压表213以及阀212；在振动台211上安装有超声波水泥浆性能测试系统，其包括超声波脉冲电路模块208、声学波形捕捉模块205、数字信号处理模块204、静胶凝强度计算模块202和第二计算机201。
试验平台电源接通后，通过控温控压系统和振动系统改变温度、压力和振动参数(振动频率、振动幅值、振动时长等)，采用超声波水泥浆性能测试系统测得不同温度、压力和振动参数下的水泥浆静胶凝强度的发展历程和水泥浆凝结时间，将采集的数据进行分析并获得各参数对水泥浆性能的影响程度与规律。试验分析结果与理论计算结果对比，评价和验证水泥浆性能预测模型的可靠性和准确性。
基于水泥浆性能提升最大化原则，优选振动固井装备的振动频率、激振力和振动时长。依据优选的振动频率和振动时长设计该装备控制系统，控制电机转速范围与振动频率范围相匹配。
本实施例的可变径扶正器在表层套管下入过程中可以减小摩擦力，同时可以提高表层套管的居中度；振动固井工具可以缩短低温环境下水泥浆候凝时间，缩短工期，降低工程成本，并且可以提高水泥环的胶结强度；管柱系统振动特性测试平台、振动提升水泥浆性能测试平台，可以降低在实际工工况下试验的成本，这两种实验平台可以模拟实际的工作环境，通过试验收集数据并分析可以对振动固井工具的相关参数的选取起到一定的指导作用，为振动固井工具在深水固井中的工程应用奠定基础。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种表层套管下入和振动固井方法，其特征在于，首先，钻井船(1)开到指定作业海域进行导管下入工作，待疏松地层收缩稳固住导管(6)，用钻杆(2)钻井眼，在确定安装扶正器的位置上将可变径扶正器(10)的扶正条束缚；然后上提钻杆(2)，借助表层套管(7)送入工具将表层套管(7)送入井眼，高压井口(3)的头部与表层套管(7)配合，当表层套管(7)下入到指定位置后，往钻杆(2)中投入永磁体小球，永磁体小球随着钻井液在表层套管(7)内循环移动，磁场信号激活相应的装置工作，从而将被束缚的扶正条弹开；关闭高压井口(3)的阀门，从钻井船(1)工作区域泵入水泥浆，水泥浆被顶替到整个环空的同时利用触发装置启动振动固井工具(9)，振动固井工具(9)持续不断振动，将振动波施加在表层套管(7)和水泥浆上；最后振动固井完成作业，进行后续钻井作业时，直接用钻头钻掉振动固井工具(9)。
2.根据权利要求1所述的表层套管下入和振动固井方法，其特征在于，所述振动固井工具安装在表层套管的底端，随表层套管一起下入井中。
3.一种权利要求2所述表层套管下入和振动固井方法的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括管柱系统振动特性测试平台与振动提升水泥浆性能测试平台；其中，管柱系统振动特性测试平台包括水下加速度传感器(101)、缩比表层套管(102)、缩比导管(103)、高压井口头(104)、低压井口头(105)、井口盘(106)、第一计算机(107)、多通道数据采集仪(108)、电源接头(109)、人工开关(110)、线路(111)、管接头(112)、内管柱(113)、海水(114)、输液软管(115)、水泥浆箱(116)、钻井液(117)、水泥浆(118)、泥浆泵(119)、泥土(120)、刚性井壁(121)、浮鞋(122)、浮箍(123)、激振器(124)、缩比可变径扶正器(125)和试验箱(126)；
试验箱(126)内装入海水(114)，海水(114)下方填满泥土(120)；在试验箱(126)中部钻有井眼，并下入缩比表层套管(102)、缩比导管(103)、高压井口头(104)、低压井口头(105)；高压井口头(104)与缩比表层套管(102)固连，低压井口头(105)与缩比导管(103)固连，低压井口头(105)和泥土(120)上表面接触区域装有井口盘(106)；缩比表层套管(102)与井壁环空中充满水泥浆(118)，缩比表层套管(102)与内管柱(113)环空充满海水(114)，内管柱(113)内充满钻井液(117)，缩比导管(103)下部井壁内安装刚性井壁(121)；缩比导管(103)的下部管壁上装有激振器(124)，激振器(124)产生振动波模拟振动固井工具工作；激振器(124)的下端装有浮箍(123)防止水泥浆(118)倒流；浮箍(123)的下端装有浮鞋(122)引导表层套管柱顺利下入井内；缩比表层套管(102)外壁上均匀装有缩比可变径扶正器(125)和水下加速度传感器(101)；水泥浆箱(116)内充满钻井液(117)与水泥浆(118)，水泥浆箱(116)内装有泥浆泵(119)，泥浆泵(119)与输液软管(115)相连，输液软管(115)通过管接头(112)与内管柱(113)相连，其中管接头(112)内置单向阀来控制泵入水泥浆(118)与钻井液(117)的剂量；电源接头(109)和人工开关(110)通过线路(111)给泥浆泵(119)、激振器(124)和第一计算机(107)供电，计算机(107)和多通道数据采集仪(108)相连，收集水下加速度传感器(101)采集的参数并进行整合分析。
4.根据权利要求3所述表层套管下入和振动固井方法的试验装置，其特征在于，所述振动提升水泥浆性能测试平台包括第二计算机(201)、静胶凝强度计算模块(202)、数字通讯模块(203)、数字信号处理模块(204)、声学波形捕捉模块(205)、振动测试仪(206)、振动控制箱(207)、超声波脉冲电路模块(208)、控温控压釜体(209)、传感器(210)、振动台(211)、阀(212)、气压表(213)、发热装置(214)、温控装置(215)和高压气罐(216)；
振动台(211)上装有传感器(210)和控温控压釜体(209)，控温控压釜体(209)内置温控装置(215)和发热装置(214)来调整压力和温度以模拟水下高压低温的环境；控温控压釜体(209)腔体内充满海水和水泥浆；传感器(210)采集振动台(211)产生的振动频率和振幅，并通过线路传输到振动测试仪(206)；振动台(211)由振动控制箱(207)控制产生不同的振动频率、激振力和振动时长；高压气罐(216)通过装有气压表(213)和阀(212)的管线给温控压釜体(209)加压；水泥浆性能依次通过超声波脉冲电路模块(208)、声学波形捕捉模块(205)、数字信号处理模块(204)、数字通讯模块(203)、静胶凝强度计算模块(202)送达第二计算机(201)进行分析。
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