川东地区气体钻井的应用-.pdf

201 2焦 第6 卷 第 5 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 ． 6． N O ． 5 0c t ． 2 01 2 d o i 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 2 0 9 51 1 3 2 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 1 4 川 东 地 区 气 体 钻 井 的 应 用 李新年 马卫国 陈耀齐 1 ． 长江大学机械工程学院，湖北荆州4 3 4 0 2 3 ； 2 ． 中国石化西南石油局钻井工程研究院，四川 I 德阳6 1 8 0 0 0 摘要 川东地区砂、泥岩互层频繁，地层致密，可钻性差，气层繁密，常规钻井效率低 ，采用气体钻井可 以显著提高钻井效率，但还存在井壁失稳、地层出水和出气、断钻具等问题。通过分析川东地 区空气钻井的各种 复杂情况，研究应对措施 ，提 出了采用充气泡沫、氮气钻井及换钻井液技术解决地层出水、出气等复杂问题，同 时配置空气锤 、减震器工具以提高川东地区空气钻井的质量和安全性。 关键词 气体钻井 空气锤 钻井效率 中图分类号T E 2 4 2 文献标识码B 文章编号2 0 9 5 1 1 3 2 2 0 1 2 0 5 0 0 5 2 0 4 0 引言 川东地区发育高能礁滩相带 ，具有 与元坝气 田 类似的成藏特征，其层位在4 0 0 0 ～ 6 0 0 0 m之间。根 据 已钻井和周边地 区井的情 况来看 ，地层砂 、泥岩 互层频繁 ，地层致密 ，可钻性差 ，地层压力高 ，气 层繁密，深井钻井效率普遍偏低。川东南地区钻井 所遇地层中须家河组、嘉陵江组、飞仙关组等层组 均为含气层 ；梁 山组 、须家河组有煤层 ，易垮 塌 、易漏 ；雷 口坡组 下部 、嘉 陵江组 含有岩 膏岩 层 ，易 垮塌 、溶蚀后 造成 井径 扩大 。这些 区块特 性 导致 钻井周 期较 长 、地 层垮 塌 、卡钻严 重 、机 械钻速低等问题。为此 ，近年来四川油气 田的石 油 公 司在川 东南地 区应用 了多 种提 高钻井 速度 的 新技术 ，主要包括气体钻井 、高压喷射钻井 、螺 杆 P D C复合钻 、垂直导向钻进、高压喷射钻进 等 ，并配套试验了各种新工具，其中空气钻井取得 了显著的成果。 1 空气钻井的优势 气体钻井是指用空气、氮气以及气液} 昆 合的泡 沫作 为钻井循环流体的欠平衡钻井技术。空气钻井 与常规钻井相 比，一方面降低了对钻屑的压持作 用 ；另一方面 ，在空气钻井方式下井底岩石受挤压 而凸起 和 出现 拉应力 区 ，有利 于钻 头和岩 石 的接 触 ，并利于钻头的牙齿吃人地层 和破岩 ，大大提高 钻 速 。此 外 空气 钻 井技 术 几 乎对 油 藏没 有 污染 ， 有利 于 油气 层 的 开发 。气 体 钻 井 与 泥 浆 钻 井 相 比，可 大 幅度提 高钻井 速度 、缩短 钻井 周期 、延 长钻头使用寿命 、降低由于施工周期长与技术套 管严重磨 损带 来 的潜在危 害 ，有效 防止井 漏 和减 少地层伤害 ，还能有效解决上部 地层 的严重井漏 问 题 ；同时采用气体钻井还可 以节约钻井液 的使用和 维护费用 。 气体钻井技术 已在 四川油气 田广泛应用 。普光 地区1 0 5 2 井采用了气体钻井 ，单井最高总进尺为 3 2 6 8 ． 2 9 m；川东北地 区 H F 2 0 3 井最高平均机械钻速 达 1 O ． 3 5 m／h 。通过表 1 和表 2 对 比，四川地区气体 钻井平均机械钻速为常规泥浆钻进的3～8 倍 。 2 气体钻井的设备及流程 川 东地 区钻 遇地层 下部 为海 相 地层 ，地 层较 硬 ，不适合空气钻井 ；上部 陆相地层 的底界深度一 般为2 6 0 0 3 0 0 0 m，适宜气体钻井。气体钻井流量 通过钻速 、井眼大小和钻柱的尺寸来确定 ，且必须 有充足的压缩空气进行循环，将岩屑从井底携带到 收稿 E t 期 2 0 1 2 0 3 0 5 修订 日期 2 0 1 2 0 90 4 作者简介李新年 1 9 7 4一 ，T程师，从事石油工程技术和石油装备研究l I 作。E - ma i l 1 3 6 2 8 6 0 3 0 3 0 1 3 9 Ⅲ 52 ／ 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3 5 期 天然气技术与经济 钻井工程 表 1 已钻井常规泥浆钻井使用情况简表 地 面 。川 东地 区一般 井 身结构 的表 层井 眼尺 寸 为 4 4 4 ． 5 mm以上 ，空气 最大 注入 量 为 1 8 0～2 1 0 1T I ／ m i n 。国内单台空气压缩机的输 出气量一般为 2 5 ． 5～ 4 2 ． 5 m ／mi n ，压力 为 1 ． 7 5～2 ． 4 5 MP a ，空气钻井 时 应 配备 多台空气压缩机 ，以机组形式并联使用提供 压缩空气 ，满 足空气钻井需要 的空气量 。钻井较 深 或井 内有 出水 时 ，所需 的输送压力会超过空气压缩 机额定的压力值，需使用增压机。 川东南空气钻井的设备流程如图 1 所示 。在停钻 或接单根时 ，开 阀门 1 进行管线泄压 ；进行深井钻 进、地层出水及需较高气压时，关闭阀门1 4 ，开启 阀门 3 、4 、1 1 和 1 3 ，利用增压机进行 加压 ；在有地 层出气或钻遇气层时 ，关闭阀门 8 ，开启 阀门6 、7 、 9 和 1 2 ，利用制氮机进行氮气钻井。 3 气体钻井在川东地区的应用情况 3 ． 1 兴隆 1 井空气钻井情况 图1 空气钻井设备简图 兴隆 1 井全井使用空气钻 、雾化钻 、泡沫钻 ，总 进尺为 2 7 5 5 ． 5 7 m，纯钻时间为 4 0 9 ． 5 8 h ，平均机械 钻 速 为 6 ． 7 3 1T I ／h 。 其 中空 气 钻 总进 尺 为 2 1 1 6 ． 9 0 r n ，雾化钻施工进尺为 1 1 2 ． 6 7 m，泡沫钻施工进尺为 5 2 6 ． 0 0 m；第 二 次 开 钻 至 2 3 2 8 ． 7 0 m，由于 井底 出 油 ，无法正常进行空气钻进 ，被迫转换成钻井液施 工 ，钻至井深 2 6 9 0 m，钻进施工为2 3 ． 6 5 d ，大大超 出空气钻施工周期；第三次开钻运用空气钻技术钻至 井深 3 1 5 1 ． 8 7 m，成功穿越须家河组 ，进入海相地层 表 3 。 3 ． 2 空气钻井有利于提高钻井速度和钻头使用寿命 兴隆 1 0 1 井先后采用充气泡沫钻井、空气钻井、 空气锤钻井等多项新技术，取得了良好效果。运用气 体钻井方式在沙溪庙组平均机械钻速为 l 4 - 3 1 r n ／ h ， 凉高山组为9 ． 9 5 m／h ，须家河组为 5 ． 4 5 m／h 。兴隆 1 0 1 井 与邻井 同层位消耗 的钻头数对 比见表 4 。从表 4 可知 ，空气锤钻井取得 的提速效果最为显著 ，而且 提高了钻头使用寿命 ，减少了钻头消耗。在层位相 同、进尺基本相 同的情况下 ，兴隆 1 0 1 井空气锤纯钻 时间是相邻井兴隆 1 井 、福石 1 井的0 ．3 8 倍和 0 ． 3 1 倍，消耗钻头数是它们的 1 ／ 2 。 3 ． 3 气体钻井存在的问题 气体钻井已在川东地区广泛采用 ，并取得了很 好的效益，但也存在不足。从表5 可看出气体钻井在 天然气技术与经济 ／ 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 卷 李新年，等川东地区气体钻井的应用 第5 期 表3 兴隆1 井气体钻井使用情况统计表 钻序 钻头尺寸 ／m m 钻井方式 施工井段 ／m 进尺 ／m 纯钻 ／h机械钻速 ／m h 一 表5 川东地区部分已钻井气体钻井事故与复杂情况一览表 川东地 区存在 的问题较为复杂 ，主要包括 ① 井壁 失稳。这是川东南地区气体钻井的一个普遍问题 ， 井壁不稳容易造成接单根或停止注气修理设备 时大 量掉块埋住钻具 ，发生卡钻 n 。② 地层出水。地层 出水会导致裸眼的泥 、页岩水 化膨胀而造成井眼缩 径，或由于高速气流冲刷井壁造成井壁坍塌，岩屑 水化后很容易形成泥饼环 ，堵塞环空通道 口 。这种 情况是发生卡钻和井下爆炸等事故的重要原因。③ 地层出气。环空气流上返速度快， 可达到2 0 ～ 3 0 m／ s ， 因此一旦地层流体侵入井眼 ，将会在非常短 的时间 内到达井 口，气体钻井的井控风险非常大。④ 断钻 54 ／ 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 具 。气体钻井发生钻具断裂的事故 比较多 ，造成的 原因有夹着岩屑的气体对钻柱的冲刷 ；钻进时扭 矩波动大 ，常常蹩停转盘 ，顶驱稍不注意钻具就有 可能发生胀扣；钻柱旋转与井壁的碰撞比较大；钻 具振动比常规钻井严重。⑤ 气体钻井完转化泥浆时 井漏和井壁垮塌b 。经调研，所有采用气体钻的井在 转化泥浆时都发生过井漏和井壁垮塌的情况。 4 应对措施 4 ． 1 充气泡沫钻井 充气泡沫钻井对气量要求较少 ，一般为 4 5～8 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第3 5 期 天然气技术与经济 钻井工程 m ／m i n ，可用于气体钻井 中地层出水 的处理。毛坝 8 、隆盛 1 井在出水后采用 了泡沫钻井 ，很好地解决 了气体钻地层出水带来的一系列复杂问题。隆盛 1 井 空气钻进至 5 2 ． 3 5 m地层 出水 ，转换为充气泡沫钻 ， 顺利完成第一次开钻钻进。 4 ． 2 氮气钻 川东地 区在钻遇含气层或深地层时 ，应使用氮 气钻 。兴 隆 1 井在第三次开钻井段为 2 6 9 0 ． 0 0～ 3 1 5 1 ．8 7 m处 ，使用氮气钻井 ，排量为 1 4 0 m ／ ra i n ， 平均机械钻速为 5 ． 7 7 m／h ；普光 1 0 52 井空气钻进 至井深 3 3 8 0 ． 7 4 m的千佛崖组 ，地层出气 ，转换 为氮 气钻进 。 4 ． 3 空气锤 空气锤兼容 了空气钻井和冲击 回转钻井的优 势 ，空气锤带动钻头冲击破碎岩石 ，空气流量和压 力直接影响钻井效率，而钻压、转速对其影响较小 。 川东地区主要是天然水平井 ，在水平钻井中因转速和 钻压较低而减少了钻杆的扭矩和摩擦阻力，提高了 钻井速度和钻头使用寿命 ，同时对于严重倾斜的地 层，能大大降低钻压以控制井斜。普光2 0 3 1 井使 用 A t l a s C o p C o 公 司生产 的 Q L一1 2 0 空气锤 ，平均机 械钻速高达 1 8 ． 8 m／ h ；普光 1 0 5 2 井使用美国录码 生产 的 P 1 2 5 空 气锤 ，单只进尺 为 5 1 2 ． 1 l m，机械钻 速为 8 ． 7 3 m／h ；兴 隆 l 井沙溪庙组从 1 ． 8 2 。 增 至 4 。 ， 钻压从 2 2 0 k N降至4 0 k N，机械钻速从 1 2 m／ h 大幅 下降至3 m i n ／ h 5 m i n ／ m a 1 5 ～ 2 0 m i n ／m ，改用 C Q C 2 7 5 A空气锤施工后 ，钻压为 2 0 4 0 k N，转速为 3 0 r p m，注气 排量为 1 0 5 m’ ／mi n ，机械钻速 为 8 ． 9 9 m ／h。 4 ． 4 减震器 兴 隆 1 0 1 井 在空气钻井 过程 中发生 了断钻 具事 故 ，主要原 因是没有携带减震器 。在川东地 区空气 钻施工 中，配上减震 器 ，可减小钻具所受到 的冲击 力和气体钻井断钻具事故 。 4 ． 5 置换钻井液技术 川 东地 区压力 窗 口窄 ，钻井液转换过程 中要重 视井控安全 和转化完成后钻井液与井壁接触造成 的 泥页岩水化膨胀 和井壁坍塌问题 ，以确保转化过程 和转化后 的井 眼稳定 。转换时应根据 临井 和本井 的 地处压力选择密度尽量低一点的钻井液 ，待钻井液 循 环 在井 壁上形 成泥 饼后 ，再 适 当提高 钻井液 密 度；同时选用高膨润土含量的钻井液 ，使钻井液进 入井筒后 能迅速形成坚韧致密的泥饼 ；钻井液应有 强封堵 能力 ，并且需要骨架有效架桥 ，使之能尽快 封堵漏失层 。 5结论 针对川东地区空气钻井 的复杂情况 ，应采取 以 下措施提高钻井质量和安全性 ① 地层出水可采用 充气泡沫钻井；② 地层出气可采用氮气钻井或转换 钻井液钻井。含气层多时，要对地层气体进行严格 的监 测 ，钻遇含气层可用氮气钻井 防止井 下燃爆 ； ③ 空气 钻井 时需配减震 器避 免空气 钻井断钻 具 的 事故 ；④ 在地层造斜大井段和可钻性较差的地层 可采 用空 气锤来 提 高空气 钻井 速度 ，通 过低钻 压 有效地 控制 井斜 ；⑤ 空气 钻后转 换钻 井液 时 ，要 严格控制钻井液密度和性能 ，同时控制钻井液替人 时的排量 。 参考文献 [ 1 ]王凤屏 ，伊明，李升斌． 空气钻井技术在滴北 1 井石炭系 地层的应用[ J ] ． 新疆石油科技 ，2 0 0 8 ，1 8 3 ． [ 2 ]许期聪 ，刘奇林 ，侯伟 ，等． 四川油气 田气体钻井技术 [ J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 7 ，2 7 3 ． [ 3 ]孙长健，张仁德 ，漆林 ，等． 气体钻井转换钻井液保持井 壁稳定技术[ J ] ． 钻采工艺 ，2 0 1 0 ，3 3 2 ． [ 4 ]刘权萍，孟英峰 ，梁红 ，等． 空气锤在石油钻井中的应用 前景[ J ] ． 天然气工业，2 0 0 6 ， 2 6 4 ． [ 5 ]侯树刚，刘新义 ，杨玉坤． 气体钻井技术在川东北地区的 应用[ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 8 ，3 6 3 ． [ 6 ]臧艳彬，王瑞和，张锐． 川东北地区钻井漏失及堵漏措施 现状分析[ J ] _ 石油钻探技术，2 0 1 1 ，3 9 2 ． 编辑李臻 天然气技术与经济 ／ 55 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m