气体钻井井下复杂情况分析及预防-.pdf

201 4笠 第 8 卷 第 1 期 天 然 气 技 术 与 经 济 Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y a n d Ec o n o my Vo 1 ． 8． No ． 1 F e b ． 2 0 1 4 d o i 1 0 ．3 9 6 9／ j ．i s s n ．2 0 9 5 1 1 3 2 ．2 0 1 4 ． 0 1 ．0 1 2 气体钻井井下复杂情况分析及预防 谢春强 史辉 高尧 黄晓川 1 ．中国石化中原石油勘探局钻井管具工程处，河南濮阳4 5 7 3 3 1 ； 2 ．中国石} S i l l 庆钻探工程公司钻采工程技术研究院，四J l I 广汉6 1 8 3 0 0 摘要 气体钻井是一种特殊的欠平衡钻井方式，也是一种钻井效率比较高的技术手段 ，其优势主要表现在提高 机械钻速、减少井下复杂事故的发生、延长钻头寿命等方面。为了保证气体钻井安全，对气体钻井过程中可能出现的 井下复杂情况进行分析，并以川东北地区实际施工过程 中出现的事故为实例 ，列出了气体钻井中易出现的井下燃爆 、 井下下钻、井壁倾斜等导致井下复杂情况的因素，得 出了相应的预防措施 ，确保气体钻井施工安全。 关键词气体钻井欠平衡钻井井下复杂情况安全 文献标志码B 文章编号2 0 9 5 1 1 3 2 2 0 1 4 0 1 0 0 4 2 0 4 O 引言 气体钻井是一种特殊 的欠平衡钻井方式 ，它是 以压 缩气 体 为循环 介 质 ，充 当破 岩工 具并 清洗 井 眼；能极大地提高钻进 速度 ，缩短钻井周期 ，消除 常规钻井出现的漏失现象。同时气体钻井对于地层 要求极其苛刻 ，需要井壁稳定 ，不存在垮塌现象 ， 而且地层不能 出水 ，对于不符合使用条件者不能勉 强使用。即使是条件适合于空气钻进技术要求的情 况 ，也应根据实 际条件制定相应的技 术措施 ，各施 工单位及辅助部 门应在施工过程 中密切关 注各项施 工参数及监测参数 ，及时发现施工过程 中出现的井 下燃爆 、井下出水 、井壁坍塌等井下复杂情况 ，以 便在施工时出现突发事件时能够确保生产安全。 l 气体钻井井下燃爆 1 ． 1 气体钻井燃爆成 因分析 用空气作为钻井循环介质时 由于空气 中含有氧 气 ，氧气 进入含烃 环境容易造成 井下着火 、爆 炸 ， 井下着火 、爆炸是空气钻井 的一大缺点 n 。天然气 或油等烃类物质与空气混合后 ，当混合量达到爆炸 极限范围并在有火源或高温、高压的情况下 ，就会 引起井下燃爆 。空气钻 井作业 时 ，若有地层水进 入井眼 ，与钻屑混合形成 泥环 ，井 内循环介质流动 受阻 ，井下压力迅速上 升 ，泥环 以下 的气体温度 升 高 ，这时，即使天然气等烃类物质进入井眼的流速 很低 ，也可能会迅速形成可燃的混合物。一旦混合 物达到爆炸极限，在遭遇明火或高温的条件下很容 易发生燃爆 图 1 。另外 ，钻柱与井壁的摩擦 、钻头 在钻硬地层时会产生火花 、钻柱 出现微裂缝或4 , T L 刺漏出的气体在其周围产生局部高温等原因把井下 混合气体点燃也会发生燃爆 b ] 。 图 1 混合物燃爆示意图 1 ． 2 气体钻井井下燃爆实例 2 0 1 3 年 5 月 1 日，X X 井使用 2 j 3 1 4 ． 1 m m空气锤 钻头钻进至井深 2 1 7 7 ． 6 1 m起 钻。5 月 2日2 2 1 9 下 牙轮钻头至井深 1 8 4 6 ． 0 7 m遇阻 ，安装旋转 防喷器 、 接方钻杆，准备划眼。2 2 2 5 开始送气 排砂口为常 收稿 日期 2 0 I 31 I 一0 6 修订 日期 2 0 1 40 l 一1 3 作者简 介i 【 F I 9 7 2一 ， r 0 Il i ，从 } i f i i l l 愉测 -1 发令性 价 、 37 3 08 4738 q 1 t 。 0 1 | 1 42／N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o m y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第4 3 期 天然气技术与经济 钻井工程 明火 ，气量为 2 5 m。 ／rai n ，立压为 0 ． 1 MP a ，2 2 3 4 井 口突然爆炸 ，排砂 口火焰高 2 IT I 左右 ，排砂管灼热 烫手 ，悬重 由 8 8 8 ． 6 k N下 降至 1 3 0 ． 5 0 k N。 5 月 4 F t 7 0 0 起 钻完发 现 2 号 2 2 8 ． 6 m m钻铤 由母 扣下 3 ． 8 4 m 处断 裂 ，有燃烧现象 ，断 口呈斜坡状 ，局部燃烧后 形成黑色氧化物 图2 ，可见井下燃爆 、着火常常会 炸断或熔化掉着火点附近的钻具 。 图 2 2 2 8 ． 6 m m钻铤燃爆断 口图 l - 3 事故原因分析 下钻 中途通过节流管汇循环点火 ，气体排量 为 2 5 m ，循环期间闸板防喷器顶密封或前密封失效 ， 气体从 闸板上部进入旋转 防喷器后经排砂管线至排 砂池 点火 口处 ，可燃气体经管线 回火 至井 口发 生井 下燃爆 ，万 能胶芯 、闸板 总成严重烧损 ；故 障损失 时 间为 7 6 0 h ，报废进尺为 1 2 8 6 ． 6 1 m，该井最终实 施填井侧钻 。 1 ． 4 事故预防方法 1 气体钻进过程 中应安装燃爆检测仪器 ，没有 条件的可以与录井配合 ，加强气体监测。钻遇少量 可燃气体 时 ，要加 大气量 ，提起钻具充分循环 至烃 值降至安全值后方可继续钻进。 2 钻进施工应安装流量计 ，气体排量要严格按 照钻井设计提供 ，如需调整应按程序由气体钻井施 工队、钻井队及甲方技术人员三方结合确定方案 ， 不得 随意减少供气量 。氮气钻井期 间 ，氮气 的纯度 不得低于 9 5％。 3 应尽量避免钻至气层后对排砂管线等进行焊 补作业 ，薄弱部位应提前更换 ，必须进行焊补作业 时应与监督 、钻井队等做好多方协调工作 ，取得动 火证并经充分循环后 ，熄灭排沙 口长明火 ，关闭万 能防喷器 防止 闸板防喷器前密封 、顶密封失效 、时 间小于 3 0 mi n ，气体经节流管汇至防喷 口释放并在 防喷口处点火，焊接完毕后 ，反向操作 ，充分循环 后恢复钻进。 4 钻至气层后 ，起下钻过程 中要缓慢 ，尽量避 免钻具 与井壁岩石摩 擦从 而产生火花 ，起下钻过程 中应进行气体抽吸作业 ，在井 口处形成负压力，避 免井内可燃气体在井 口处聚集 ，并在点火口处点燃 倒吸入环空 ，从 而引起燃爆 。循环 防喷点火前应及 时熄灭排砂 口长明火。 5 钻遇油气显示 ，如环空不畅 ，不应采用高压 空气憋通环空 ，宜更换其他钻井介质 。 6 发现油气显示应停止钻进循环观察，排砂口 及时点火 。全烃含量低 于 3％时 ，采用控制钻 时钻 进 ，全烃值大于 3％ 应维持排量循环观察 ，长时间循 环烃值保持 3 ％以上，应及时转为其他安全的钻井方 式。 2 气体钻井井下卡钻 2 ． 1 气体钻井卡钻成 因分析 气体钻井卡钻常见地层出水形成卡钻及地层坍 塌形成卡钻等情况 。地层 出水形成卡钻 的原 因 有 足够的水 量将 空气钻井形成 的粉尘及岩屑变为 段 塞 ，更 为严 重的是 湿岩屑会黏 附在一起 ，在钻杆 外壁上形成泥饼环 图 3 ，不能被空气从环空 中带上 来 ，引起井眼缩小 、循 环阻力增大 。当泥饼环填充 环空时 ，阻止了空气流动并最终产生卡钻 图4 。另 外这些空气 、段塞相间的混合物沿着井眼向上运 移，它们会堵塞地面设备并且对井壁产生不稳定性 效应 ；气体钻井井壁坍塌也是阻碍气体钻井发展的 一 大难题。井筒内空气柱几乎对地层无作用力，因 此靠静 液柱压力来平衡坍塌压力 的地层不能用气体 来钻 。但 是 ，空气 钻井 的井壁 不稳定在部分 地层 ， 尤其是 泥页岩地层是 客观存在 的 ，它大致分为两种 形式 ① 井壁剥落、掉块，并且不能及时排走，造 成堵塞和卡钻；② 地层大块坍塌甚至错动，会造成 卡钻。 2 ． 2实例 2 ． 2 ． 1 地层出水形成卡钻 2 0 1 3 年 7月 1 6日，X X井 于 1 1 2 5时钻 至井 深 2 2 7 3 m发现不返砂 ，但立压 、钻时没有明显变化 ，转 盘扭矩轻微增加 ，由2 ． 9 k N／m 上升至 3 ． 1 k N／m， 有 连续 憋钻现象 ，循 环观察后试钻 l m仍然不返砂 。 1 3 1 0 时 ，开 6台排量为 3 5 m 的空气压缩 机循环 ， 天然气技术与经济 ／ 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 卷 谢春强，等气体钻井井下复杂情况分析及预防 第 1 期 有少量掉块返 出，略潮湿 。边钻进边循环至 2 2 8 8 m 仍 不返 砂 ，怀疑 井底 出水 井壁 失稳 ，决 定起 钻检 查 。1 7 3 0时 ，起钻至 2 0 0 3 m遇卡 。1 7 4 5 时 ，循 环立 压 最 高 2 ．4 MP a 后 逐 渐 降至 2 ． 0 MP a ，循 环通 畅 ，继续起钻 。分析地层 2 0 0 0 m左右 出水较大 ，导 致井底上返岩屑全部黏附该段井壁，但井底返屑正 常 ，故能正常钻井 1 0 m且未见返砂。出水后井壁失 稳 ，开 6 台车循环 出掉块 ，但岩屑黏附于井壁未能返 出。起钻至该段地层时遇卡 ，活动钻具 ，起 6 台车循 环上提解卡成功。 图 3 形成 泥饼环 图 图4 发生卡钻图 2 ． 2 ． 2 地层坍塌形成卡钻 2 0 1 3 年 1 月 7日，X X 井二开整改验收合格，1 1 O 0 开始气举 ，2 0 1 5 井筒干燥并开始空气钻进 ；钻进至 凉 高 山组地 层 ，钻遇 地层 软硬 频繁 交错 ，可 钻性 差 ，局部有放空现象，全烃有显示 ，气测最高显示 为 0 ． 9 7％；1 月 1 8日1 1 O 0 钻 至井深 2 6 7 6 m，全烃 升 3 ． 8 ％，排砂 口点火未成功 。1 月 1 9日0 6 1 0 接单 根后下放困难 ，尚余 4 m下不到底 ，判断井壁垮塌 、 掉块 ，之后启增压机 恢复钻进 ，接单 根仍沉砂约 4 m。1 月 2 0日0 3 5 0 钻进至井深 2 8 4 1 m，打完单根 划眼时井壁突然垮塌 ，立 即倒换增压机 2 级压缩 ，起 44／N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o my 双增压机循环 ，循环至 1 6 O 0 排砂 口基本不返砂 ， 立压上涨至 1 0 ． 2 MP a ，判断井壁持续垮塌 ，掉块难以 返 出 ，活 动钻具 有严 重 阻卡 现象 ，经反 复循 环划 眼 ，无好转 ，决定转换钻井液 。采用加 重稠泥浆推 井底掉块，返出掉块约5 m ，可推测井筒存在多处大 肚子井眼 图5 。 图 5 大肚子 井眼图 2 ． 3 气体钻井卡钻的判断 气体钻井卡钻的判断依据有 ① 注气压力增 大 ；② 转盘扭矩增大 ；③ 取样器 中返 出岩屑湿 润；④ 排屑管出口喷出的岩屑增多 ，有掉块 ；⑤ 上提 、下放钻具阻力增大。⑥ 降尘泵停注喷淋水 后 ，排屑管出口无粉尘物。 2 ． 4 气体钻井卡钻的预防方法 1 小流量 出水较难判断 ，需仔细观察。对 于小 流量出水，比较有效的措施是提高注入气体排量 ， 可边循环边钻进 ，异常情况排除后 ，恢复钻进 。 2 中等水量发生岩屑结团的危险性较小 ，由于 井 内水 较 多 ，只要在 空气 压缩 机排 量足 够 的情 况 下 ，可将水及钻屑 以气泡形式 吹至地 面。但是对于 存在水敏性不稳定地层 的井 ，有可能导致严重 的井 塌 。对 于中等流量 出水若循环 1 0 h以上烘 干无效可 转化为雾化钻井 。 3 大水量危险性较大 ，因为极可能导致地层坍 塌 ，而且 空压机功率不能满足将水吹至地面。但是 由于井 内水多 ，钻屑被稀释 ，不会使岩屑黏结成 块。对于大流量的出水只能转化为雾化钻进，若 水量超过 2 0 13 3 ／h ，则必须转化成钻井液钻进 。 4 在气体钻井过程中如果出现轻微坍塌掉块， 可 以采用减慢钻井 速度或划 眼 ，防止卡钻 ，同时也 应加大气体注入量 ，提 高携带效率 ，满足井眼清洁 的需要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第4 3 期 天然气技术与经济 钻井工程 5 现场空气钻井时，为了避免特殊地层出现井 壁不稳定情况，一般使用雾化钻井。注入的雾化液 使环空出现两相流，即在井壁表面形成连续覆盖的 液膜，使井壁表面完全浸润，雾化液中强抑制性表 面活性剂在液膜发生毛细管作用，防止 自由水扩散 吸附和各种化学离子的扩散和交换，促使井壁稳定。 6 井壁失稳可 以根据立压 、扭矩 、钻时及返出 岩 屑 的变 化来 判 断 。如果 扭矩 增 大 、出砂情 况 较 好 、机械钻速变化不大 、返 出岩屑增 多就可以判定 是掉块 ，轻微掉块可 以通过多循环 ，控制下钻速度 解决 。如果立压 增大 、扭 矩增大 、机械钻速减 慢 、 上提下放遇阻则很有可能是井壁掉块严重或坍塌， 出现这种现象 ，应尽快转换成常规钻井 。 3 气体钻井井壁倾斜 3 ． 1 气体钻井井斜成因分析 钻井实践表 明 ，井斜 的原 因是 多方面 的 ] ，如 地质条件、钻具结构、钻井操作技术措施以及设备 安装质量等 。归纳起来 ，造成井斜 的原 因主要有两 方面 一是钻头与岩石的相互作用，即因所钻地层 的倾斜 和非均 质性使钻 头受力不平 衡而造成井 斜 ； 二是钻柱力学方面，即下部钻具受压发生弯曲变形 使钻头偏斜并加剧其受力不平衡而造成井斜。其 中，地质条件是产生井斜的重要原因，一般影响井 斜 的地 质 因素有 地层倾 角 、层状结 构 、各 向异性 、 岩性的软硬交错以及断层等。下部钻具在钻压作用 下发生弯曲是引起井斜的另一个重要原因，其弯曲 程度越严重，井斜也越严重。下部钻具弯曲使钻头 偏斜 ，其钻进 的方 向偏离原井眼轴线 ，直接导致井 斜；下部钻具弯曲使钻压作用方向改变，不再沿井 眼轴线方 向施加给钻头 ，而是偏离一个角度 ，即钻 头偏斜角 ，从而产生一个引起井斜 的横向偏斜力。 3 ． 2 气体钻井井斜预防方法 1 合理确定测斜频率 。一经发现井斜超过标准 要求立 即采用减压吊打的常规方法 ，如表 1 所示 ，X X 井 5 0 0 ～ 2 3 6 2 m合理采用测斜 间隔 ，从而很好地控制 井斜 。 2 空气锤防斜技术。因空气锤完全依靠空气锤 活塞 作用 在 钻头 上 的震击 作用 而不 是 钻压 吃人 地 层，其作用就是用低转速 通常为 2 0 3 0 r ／ m i n 和 极小的钻压震击岩石，钻具处于悬吊状态，从而使 得钻头振动减少到最低限度 ，保持高钻速又不会造 成井斜。 3 钻具 组合 防斜 技术 。常见 的有钟摆 钻具 防 斜 、塔式钻具组合 防斜 、满眼钻具控制井斜 、偏轴 钻具组合防斜打快技术等。 表 1 X X 井5 0 0 ～ 2 3 6 2 m井斜情况统计表 4结论 1 气体钻井是一项对地质条件 、施工工艺和施 工设备要求较多的复杂钻井技术 ，井壁的稳定性 、 地层流体产出、地层压力 、井身结构及场地设备等 问题均可能导致气体钻井井下出现复杂情况，处理 不 当甚至可能导致钻井失败。 2 气体钻井的异常预报与正常钻进有相同的地 方 ，也有区别。在钻井过程中，司钻和相关技术人 员可以通过泵压 、悬重 、扭矩 、转盘转速、气测值 及砂样变化来判断异常 ，发现问题及早采取合理手 段进行处理。 3 目前气体钻井技术在国内外都得到了较多的 应用 ，但气体钻井技术在 国内却难 以称为成熟 ，随 着我们技术的不断提高 ，今后还可以争取在一些低 压 、低渗气田开展全过程气体钻井，包括符合条件 的定向井 、水平井等的气体钻井 ，让气体钻井技术 发挥更大的作用 。 参考文献 [ 1 ]Wi l l i a m C ．L y o n s ．空气与气体钻井手册 第 3 版[ M] ． 杨 虎，译． 北京 石油工业出版社 ，2 0 1 2 ． [ 2 ]游莉 ，方琴．空气钻井技术难点分析及安全技术措施 [ J ] ．江汉石油科技，2 0 0 8 ，1 8 4 2 9 3 4 ． [ 3 ]杨 虎 ，周 强．空气 钻井技术 [ J ] ．新疆石油科技信息 ， 1 9 9 9 ，2 0 1 3 8 4 6 ． [ 4 ]朱江，王萍 ，蔡利山，等．空气钻井技术及其应用[ J ] ． 钻采工艺，2 0 0 7 ， 3 0 2 1 4 5 - 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