空气泡沫钻井技术在肯尼亚高温地热井的应用.pdf

第 3 2卷第 6期 V0 l _ 3 2 No ． 6 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P R O D U C T I O N T E C HN O L O G Y 5 空气泡沫钻井技术在肯尼亚高温地热井的应用 鲁立强， 单正明， 邓发兵， 史力卫 长城钻探工程有限公司 鲁立强等．空气泡沫钻井技术在肯尼亚高温地热井的应用． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 6 5 7 摘要 肯尼亚地 处东非 大裂谷 ， O L K A R I A构造是 一 个火山喷发 岩沉 积的 开放 性 隆起 。该 构造 与邻近 的构 造呈不均匀的阶梯状， 从地表到 目的层主要以流纹岩、 粗面岩和玄武岩为主， 凝灰岩次之， 上部地层有少量的燧石 和黄铁矿夹层。由于火山岩地层裂缝发育良好 ， 漏失严重， 用常规钻井液流体做为介质无法完成钻井作业， 通过空 气泡沫钻井技 术在肯尼亚 高温地热 井的应 用， 解决 了高温 、 漏 失、 低 效 率定 向等 因素给 钻 井．y - 作 带来 的一 系列 困 难 ， 从 而实现安全 、 快速、 低成本 的钻井施 工 ， 并探 索出 了一套适合高温地热 井的钻 井工艺技 术。 关键 词 i空气泡沫 ； 地层 漏失 ； 地层 坚硬 ；高温地热井 中图分类号 T E 2 4 2 ． 9 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 7 6 8 X． 2 0 0 9 ． 0 6 ． 0 0 2 根据肯尼亚 国家能源公 司提供的 O L K A R I A地 区已钻井的工程和地质资料 ， 该地区由于地层硬、 高 温 、 低压和漏失同时存在， 给钻井工作带来 了非常大 的困难。空气钻井 以空气代替常规钻井液做为循环 介质的 ， 有利于润滑井壁 ， 提高携砂 能力 ， 对于漏失 地层 ， 泡沫能有效封堵裂缝 ， 从而提高 了整体的机械 钻速 ， 缩短 了钻井周期。常规 的泥浆钻井方式难 以 满足钻井要求 ， 通过空气泡沫钻井技术 在肯尼亚高 温地热井的应用 ， 彻底解决 了高温 、 漏失 、 低效率定 向等因素给钻井工作带来 的一 系列 困难 ， 从而实现 安全 、 快速 、 低成本的钻井施工 。 一 、空气泡沫钻井设备配置 根据肯尼亚 甲方 的要求 ， 配置 了 4台 I n g e r s o l l R a n d X P 9 0 0 C A T空压机 ， 其最大额定流量为 2 5 ． 4 8 8 m ／ m i n ， 最大额定压力为 2 ． 4 1 MP a ， 四台空压 机总 计流量为 1 0 1 ． 9 5 2 m 。 ／ mi n ， 其 中一 台备用 。3台美 国 H u r r i c a n e 公 司增压机 ， 其最大额定流量为 6 0 m ／ m i n ， 最大额定压力为 1 5 MP a ， 一台备用 ， 增压机是 处理经空压机加压的空气。1台干燥器 ， 对空压机 输出的气体进行 干燥冷却处理 ， 输送 给增压机。1 台加拿大 N a t i o n a l O i l w e l l的雾化泵 ， 其最大额定流 量为 7 0 0 L ／ mi n ， 最大额定压力为 2 1 MP a 。1台化学 注入泵 ， 2套旋转防喷器 总成 ， 1套高低压气管线 ， 1 台 B a r t o n流量／ 压力有纸流量计 ， 1台 C a m e r o n数显 流量计 ， 记录 2 4 h连续流量及操作压力。 二、 泡 沫基 液的性能 泡沫钻井是指钻井时将大量 的气 体 如空气和 氮气 分散在少量含起泡剂 表面活性剂 的液体 中 作为循环介质 的工艺 ， 液体是外 相 连续 相 ， 气体 是内相 非连续相 ， 其产生黏度 的机理是气泡间的 相互作用 。 泡沫钻井时 ， 泡沫基液性能 的好坏直接影响到 钻井的成败 ， 井下流体和所钻岩性 的化学性质发生 变化时 ， 其相应 的泡沫基液性能要求也就不一样 ， 一 般泡沫流体要求其热稳定性能好， 抗盐性强， 低腐蚀 性 ， 稳定 的流变特性。根据肯尼亚 O K A R I A地 区地 层岩性的特性 ， 结合现场应用 ， 形成了一套适合该区 域地层的泡沫基液配方 ， 泡沫基液具有 足够 的抗高 温性 ， 性能达到下述要求 具有很强 的抗盐 抗氯离 子浓度大于3 ％ ， 抗钙离子大于 0 ． 2 ％ 的能力 ； 良好 的高温热稳定性 2 4 0 。 C条件保持发 泡能力 ； 具有 低腐蚀性 加缓蚀剂 ； 稳定 的流变特性。 三、 空气泡沫在肯尼亚地热井的应用 1 ． 肯尼亚 O L K A R I A构造与岩性表 肯尼亚 O L K A R I A构造是一个火 山喷发岩沉积 的开放性隆起 。该构造与邻近的构造呈不均匀的阶 梯状 ， 从地表到 目的层主要 以流纹岩 、 粗面岩和玄武 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 6 ；修 回日期 2 0 0 91 1 0 3 作者简介 鲁立强 1 9 8 0一 ， 工程师 ， 2 0 0 7毕业于中国石油大学 北京 自动化专业 ， 现在长城钻探公司从事欠平衡钻井工作。联系人 徐 长亮 ， 地址 1 0 2 2 4 9 北京 昌平 区府学路 1 8号国际合作 与交流处 。 6 钻 采 工 艺 DRI LUNG ＆ PR0DUCT I ON T ECHN0L0GY 2 0 0 9年 1 1月 N0 v ．2 o 9 岩为主， 凝灰岩次之 ， 上部地层有少量的燧石和黄铁 矿夹层。详细岩性见表 1 。 表 1 O L K A R I A地层岩性表 井深 m 岩 石类 型 矿物种类 硬度 地温 解 释 起点 终点 ℃ 0 6 2 火 山碎屑岩 无 软 l 8～5 4 m全漏失 黏土、 氧化物、 方解石、 玉 高孔 隙度 的熔 岩流 和砾 6 2 5 9 4 流纹岩 中硬 一硬 2 2 0～ 2 5 0 物 、绿帘石 、 黄铁矿 玄武岩 从表 1中可以看出井深 7 0 0 m 以前 ， 地层岩性 以流纹岩为主， 岩石硬度为中硬到硬 ， 其间夹杂的玄 武岩为中硬到软地层， 井深 7 0 0 m以下则以粗面岩 为主， 岩石硬度为中硬到硬 ， 中间亦夹杂着中软的玄 武岩 ， 综观全井 的岩性都 由火 山岩组成 ， 从机械钻速 的变化可以看出。 2 ． 井深结构及钻具组合 O K A R I A地热井一般井深为 3 0 0 0 m， 设计为四 开井 ， 一开一般设计为 6 0 m左右 ， 二开一般到 3 0 0 m左右 ， 三开到 1 2 0 0 m左右 ， 其井深结构见图 1 。 根据井身设计结构和地层岩性的特点 ， 所用钻 具组合为 三开 0 3 1 1 钻头 x 0 ． 3 m钻头短接 x 1 ． 2 3 m 0 3 1 1扶正器 1 ． 6 9 m0 2 0 3螺纹钻铤 9 ． 3 6 m 0 3 1 I扶正器 1 ． 6 9 m0 2 0 3螺纹钻铤 5 5 ． 2 1 m 配合接头 1 ． 1 0 m 0 1 2 7加重钻杆 8 3 ． 6 8 m 0 1 2 7钻杆 ； 四开 0 2 1 6钻头 0 ． 3 m钻头短接 1 ． 2 0 m 0 1 6 5扶正器 1 ． 6 9 m0 1 6 5短钻铤 2 ． 8 8 m十 01 6 5扶正器 1 ． 6 9 i n 0 1 6 5无磁钻铤 9 ． 0 6 m 0 1 6 5螺纹钻 铤 7 3 ． 0 0 m 0 1 2 7加重 钻杆 1 1 1 ． 4 1 m 柔性短接 3 ． 3 7 m震击器 6 ． 5 2 I n 0 1 2 7加重钻杆 2 8 ． 2 2 m0 1 2 7钻杆 ； 根据地层构造和井下实际情况， 适当调整钻具 组合， 如遇到松软地层， 未返出的岩屑泥砂大量沉积 在井底 ， 加上柔性短接和震击器 ， 以防止卡钻。 3 ． 钻井参数及时效分析 钻井参数 钻压 1 2～1 5 k N； 转速 0～ 8 0 r ／ ra i n ； 气量 5 0～ 8 0 IT I ／ ra i n ； 泵压 1 8 MP a 。 火 山岩 流纹岩 粗面岩 玄武岩 凝灰岩 流纹岩和 粗面岩 玄武岩 粗面岩 玄武岩和 粗面岩 粗面岩带少 量玄武颗粒 g V 撒 L_J- 2 0 - 1 0 允许偏斜范围0 1 0 0∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞ ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞ ●2 4 67 9mn M 掩 加 ∞ 第 3 2卷第 6期 V0 1 ． 3 2 No ． 6 钻 采 工 艺 D RI L L I N G P R 0 D UC T I O N T E C HN O L OG Y 7 肯尼亚 由于钻井成本的限制 ， 从三开开始用空 气泡沫钻井 ， 三开井 眼为 0 3 1 1 ， 其井段 约为 3 0 0～ 1 2 0 0 I l l ， 总进尺约为 9 0 0 13 3 ， 纯钻进时间 7 O～9 0 h ， 平均机械钻速为 5 ． 0 m ／ h ； 四开井眼为 0 2 1 6 ， 其井 段约为 1 2 0 03 0 0 0 m， 总进 尺 1 8 0 0 m， 纯钻进时 间 4 1 5 h ， 平均机械钻速为 4 ． 3 m ／ h 。 4 ． 钻头使用情况 一 般每 口井使用 1 2个钻头 一开 0 6 6 0钻头 1 个 ； 二开 0 4 4 5钻头 2个 ； 三开 0 3 1 1钻头 3个 ； 四开 0 2 1 6钻头 8个。地层硬度高 ， 尤其流纹岩地层对钻 头的外径磨损比较严重。钻头使用寿命与所钻地层 岩性有很大关 系， 当井深达到 2 5 0 0 m时 ， 井下温度 上升到 2 5 0 C以上 ， 这时一个牙轮钻 头的进 尺只有 2 0 0 I I l 左右 ， 用时 2 0 h左右 ， 钻头 的轴承 已松动 ， 因 此在高研磨性地层 中， 应选择牙齿齿形 、 刚度特别是 保径齿要好的钻头 ， 针对肯尼亚高温地热井 ， 应选择 耐高温的钻头 ， 从而延长钻头使用寿命 ， 减少起下钻 时间， 缩短钻井周期 ， 节约钻井成本 。 四、 结论与认识 1 空气泡沫钻井 以空气泡沫为循环介质 ， 减 小了对井底的压持力， 使地层保持原貌， 对于裂缝发 育 良好的层段 ， 有效的进行防漏堵漏 ， 与常规钻井液 相 比， 既保护了产层 的储量 ， 又提高了钻速 。 2 针对高温地热井 ， 空气泡沫的携砂能力尤 4 L| 哥 3 f } 啼 } 河坝 l 哥 哥 } 大 位 其重要， 遇到大裂缝 ， 井底的钻屑大部分都进入裂 缝 ， 封住了地热蒸汽的通道， 降低产量。如果在实施 充气钻井过程中， 通过调整液气 比或泡沫浓度都不 能良好携砂 ， 此时可以考虑提高一定的液相黏度 。 3 使用空气 泡沫钻井大大提 高了钻井周期 ， 使用常规 钻井方 式钻井周 期 8 0 d ， 长城钻井公 司 G W1 1 6钻井队在齐心协力努力下 ， 将钻井周期缩短 到 4 0 d ， 创造 了中方钻井公 司在肯尼亚钻井史上的 新记录。 4 在上部大尺寸井 眼井段 ， 钻进过程 中严格 执行“ 两洗一划 ” 制度 ， 即钻完单根后 要洗井划 眼， 条件许可时可以使用雾泵进行阶段洗井 ， 但要控制 好注入量。 5 空气泡沫钻 井成本较高 ， 主要表现在进 口 的气体发生设备和井 口压力控制等气体钻井专用设 备上 ， 应进一步将其 国产化 、 产业化 ， 以利于气体钻 井的进一步推广应用。 参考 文献 [ 1 ] 黄洁， 李虹． 地热资源及其 开发利用[ J ] ． 西部资源 ， 2 0 0 7 2 7 8 ． [ 2 ] 刘冰， 任临江． 空气泡沫钻井技术研究 [ J ] ． 生产一线， 2 0 0 5 4 8 9 ． [ 3 ] 孙宁， 苏义脑． 钻井工程技术进展[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 9 8 9 9 0 ． 编辑 黄晓川 构造嘉二段高含硫气藏 移井钻井极限延伸能力 自动垂直钻井 工具纠斜控制 尾管钻井技术研究 与试 验 P O WE RV及 P DX C E E D j的 应用与发展 刘峰 哥 f 稠油油藏氮气欠平衡钻完井技术研究与应用陈方远等 ； 西 部 深 井 超 深 井 钻 井 技 术 张 金 成 乎 孔 倾气藏气井超妣 等 禾 斌守 牙哈凝析气田边水推进判断方法研究 牛东火山岩储层压裂技术研究与应用 水平井抽砂泵的研制及应用 蒋漫旗等 马俯波等 王镇全等 基于物理模拟实验的密闭取心井油水饱和度校正 仁 刘 丽等 高 温 低 伤 害 暂 堵 剂 H T Z D 室 内 研 究 与 评 价 l 赵修太等 气田地层结盐机理实验研究及影响因素分析 文守成等 { 注甲醇吞吐解除反凝析堵塞和水锁的正负面作用分析 { 李虎 等￡ 竹竹竹竹竹竹竹竹