天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术-.pdf

2 01 0正 第4 卷 第3 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s T e c h n o l o g y V0l _ 4．N o． 3 J u n ．2 0 1 0 文章编号 1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 0 3 0 0 2 7 0 2 天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 刘俊 谭山川 方敏 张洪 罗永中 丁振龙 1 ． 重庆市燃气集团公 司，重庆 4 0 0 0 2 0 ；2 冲 国石油川庆钻探工程公司，四川 成都6 1 0 0 5 1 ； 3 ． 百勤石油技术有限公司，广东深圳5 1 8 0 5 4 摘要 天然气要溶于油基钻井液，其溶解度大小受多种因素影响。在超过临界压力和临界温度的井眼内， 天然气有可能在油基钻井液中完全溶解凝析甚至发生超临界现象。所以，天然气侵入油基钻井液后的运移膨胀规 律有别于水基钻井液的运移膨胀规律；在向上部井段运移过程中，溶解气存在反凝析挥发现 象和气体因压力降低 而发生的等温膨胀现象，这都将引起井筒气液体积比急速升高。若不对侵入油基钻井液的天然气进行井口控制， 将可能引发灾难性事故。为了控制天然气侵入油基钻井液的风险，角5 1 ～1 F M 井在 目的气层钻进时使用了旋转防 喷器与液气分 离器 ，对侵入油基钻 井液的天 然气进行 井 口脱 气分 离，取 得 了预期 效果 关键词 天然气气侵油基钻井液溶解脱气 中图分类号 T E 2 5 4 ．4 文献标识码A O引 言 在 国际钻井服务市场上 ，大多数油公 司在钻探 探井 、超深井 、三维定 向井 、水平井及大位 移井 时 是乐意选择油基钻井液体系的，以支撑旋转导向和 随钻测井等最领先技术来勘探 开发 油气 田 。油基 钻井液 的组 分通 常是 以柴 油或无 毒 矿物 油作 连续 相 ；水作分散相 ，水含量为 l 0％～4 0％ 不等 ；主辅 乳化剂作油水乳化稳定剂，以有机酸和有机酰胺等 为主乳化剂 ，可生物降解的烷基苯磺酸钠等为辅乳 化剂 ；有机土为分散胶体 ；氧化钛铁矿或重 晶石等 作加 重剂 ；无机盐调节水相活度 ，一般乳化水 即为 2 0％的氯化钙盐 水。笔者就 天然气侵入油基钻井液 后 的运移膨胀进行探讨 ，并提供一种可供现场应用 的天然气侵入油基钻井液的井 口脱气分离技术。 1 油基钻井液井口脱气分离的必要性 天然气与柴油或无毒矿物油极性相似 ，具有互 溶性。如甲烷，在标准状况下其在石油中的溶解系 数为0 _3 ，在水中的溶解系数为0 ．0 3 3 。然而，侵入 油 基钻 井液 的天然 气溶 解度 大小 则受 多种 因素 影 响。可 以定性地认 为 油基钻井液 的介 电常数 ，特 别是乳化剂的介 电常数是 主要 的内在影 响因素 ；在 地层条件下 ，天然气 的溶解度还 随压力 的增加而增 加 ，随温度的上升而减小 ，且压力 的影响远大于温 度 的影响 。天然气在油基 钻井液 中的溶解将稀释水 分散相，改变钻井液体系的油水比。 有人对富含地层水的凝析油气样品进行 了地下 环境的模拟测试 ，发现 了超 临界现象 ，当压力降低 至某点压力后 ，又出现 了液气两相状态 [3 1 。气侵油 基钻井液类 似这种情况 。因为存在超临界现象 ，处 于临界压力 和临界温度 以上 的流体对有机物的溶解 是非常强 的 ，所 以在高温 、高压井 中，天然气在油 基钻井液中有可能完全溶解凝析 。在 向井 口运移过 程 中又逐渐 出现反凝析现象 ，引起井筒气液体积 比 急速 升高 ，同时又存 在 因压 力降低 引起 的等 温膨 胀 ，等组分体积随井内压力的变化关系相当复杂 ， 值得进一 步进 行理论 推导和模拟 实验 。总体来说 ， 在从井底侵入后 的很长井段 ，气侵油基钻井液 的等 组分相对体积变化极小，即体积并不随压力发生明 显变化 。只有在接近井 口的几十米 或几百米时 ，才 符合单相气体定律 ，即气体体积与压力呈近似反比 例 的关 系 。综上 所述 ，油基钻 井液 气侵 即使很 严 重 ，其最初造成的井底压力降也是很小的。指望通 收稿 日期 l _ 0 2 ．． 2 5 修订 曰期 2 0 1 0 - 4 2 8 作者简介 1 9 7 2 一 ． ．； I n J ．从。 _l ； 人然 { I』 I_ 波 心技 术竹川 l ． m l i I I l I 、 5 1 8 天然气技术 ／ 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 刘俊 ，等天然气侵入油基钻井液的井 口脱气分离技术 第 3 期 过水基钻井液气侵经验，即通过钻井参数如泵压、 钻时等的变化来判断油基钻井液的气侵几乎是不可 能的。由于天然气的溶解性与可压缩性 ，当其接近 地面时才开始极大地膨胀 ，之前 的录井气测也监测 不到 ，但其 随后的影 响可能是灾难性 的。在接近井 口几百米甚 至几十米 时 ，天然气突然喷出 ，可能引 起爆炸与火灾 特别是在高温干燥季节 。同时 ，天 然气喷出也引起井内压力剧降，类似气举诱喷，地 层 天然气再 次侵人 井筒 。 即使关 井 ，也 有较 高的 立管 、套压力 ，可能憋漏易碎裸 眼地层或表层套管 鞋 ，天然气甚至窜到地面，造成井喷失控。所以， 侵入油基钻井液 中的天然气必须有控制地进行分离 和燃烧清除 ，特别是含有 H S 的天然气必须进行燃烧 清除。 2 油基钻井液井口脱气分离装置设计 鉴于油基钻井液气侵的风险 ，在钻井设计 中应 增加在目的气层钻进时使用旋转防喷器与液气分离 器 ，用于天然气 的井 口控制与分离 ，如图 l 所示。 旋转防喷器安装在环形 防喷器上端 ，旋转 防喷 图1 油基钻井液井口脱气分离装置示意图 器的排浆 口接 1 个 2 5 4 m m的气动 液动 力 阀，该 气动 液动 力 阀又与钻井液出 口流量计相连 ，共同 组成钻井液返出管 。整个钻井液返 出管全部硬连接 到尖斗罐上的钻井液分配槽 ，即振动筛前安装气测 录井探头的钻井液监测槽 。钻井液分配槽有 1 条 固井 排污管线连接到污水池 。旋转防喷器的灌浆孔接 1 个 5 0 i n m的低扭矩阀与 自动灌浆泵连接 。液气分离 器设计有 2 个入 口，1 个与节流管汇连接 ，用于关井 脱气；1 个与钻井液返出管的三通连接，用于钻进时 脱气 。液气分离器 的出液 口也连接到振动筛前的钻 井液分配槽 。从 出液 口到钻井液分配槽之间设计外 置u型管，以自动调节液气分离器内的液面高度 ， 防止气体从出液 口返出及液体从排气管溢 出 ] 。在 u 型管底部安装 1 个 1 0 0 m m的排污 阀门 ，以防管线 淤堵。液气分离器的排气管线上也安装 1 套气体取样 2 8 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 器 ，用于气测录井。 钻井液返 出管外径为 3 0 5 mm，液气分离器的 进出 口管线外径均为 2 0 3 m m。在气层钻进时 ，气 侵油基钻井液由旋转防喷器经气动 液动 力阀和钻 井液出 口流量计流 向液气分离器 ，脱气后再流 回到 振动筛，整个管路能承压 1 ．0 M P a 。液气分离器的工 作压力为 0 ． 8 MP a ，由排气管上的泄压阀调节。 3 现场应用 角5 1 1 F M井是四川八角场构造上 的 1 口地层压 裂监测井 ，其为定向井 ，按 5 段式剖面进行设计 ，水 平位移的设计是按第5 段即直井段距离邻井水平段约 1 0 0～1 5 0 m来考虑 的。其主要钻井 目的是 下检波 器到该井的X X 4 D地层 ，收集邻井水平井相同层位压 裂时的地震资料。在完成相关地质资 下转第4 6 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 陈明，等J I W, 北元坝区块井身结构优化设计 第3 期 表 2 套 管下深优化设计表 开钻次数 套管 ／m 外 m 下 ／ 下深原则 口坡组的可能气层后 ，对上部 的高压气层和易垮塌 层进行 了封隔 ，为下部安全钻井和提高钻速提供 了 保障 ；③ 下部海相地层为 同一常压压力体系 ，可采 取措施获得较高的机械钻速 ；④ 预留了一层套管层 次 ，给井身结构留有余地 ；⑤ 此套井身结构套管的 设计尺寸仍是 目 前在用的尺寸，其生产组织和钻井 工作较成体系；⑥ 第三次开钻可用2 j 1 2 7 ra m钻具 ， 解决 了目前元坝区块部分井钻具负荷不够和马力消 耗大的问题 ” 。 3 ． 2 套管尺寸优化 第一次开钻 以上结构完全采用上述井身结构方 案 ，第二次开钻用 3 1 1 ． 2 m m钻头钻进 ，钻至雷三 段完钻 ，下入 2 4 4 ． 5 m m套管 ，封隔陆相 高压层和 复杂层 ，为第三次开钻用低密度钻井液钻海相地层 提供保障 ；第三次开钻用 2 1 5 ． 9 mm钻头钻至设计 井深完钻，下 1 7 7 ． 8 iY lm套管完井 ，若第三次开钻 嘉 陵江组钻遇高压气层或复杂情况 ，可下入 2 j 1 9 3 ． 7 R i m无接箍套管将复杂层位封隔；第四次开钻用 1 6 5 ． 1 m m钻头钻至设计井深 ，下人 1 4 6 ． 1 mm尾管 完井 表 3 。 这种井身结构设计除了具有第一套井身结构优 化方案的优点外 ， 2 4 4 ． 5 m m套管不仅具有更高的 强度 ，而且质量问题明显减少 ，提高 了第二次开钻 套管下人的安全性 1 。 3 ． 3 非常规井身结构优化 具体方案为 5 0 8 m m导管下深为 2 0 0 1 T I ，建 上接第 2 8页 资料的收集后 ，或射 2 4 4 ． 5 mlT l 套管 测试上部地层 ，或以X X 4 D为 目的层侧钻打成另一 口 水平井 ，或作为干井直接弃井。 在可能的浅层油气层钻进前 ，钻井承包商按作 业者要求安装 了油基钻井液井 口脱气分离装置 ，并 进行了整体试压。 自 2 j 3 1 1 mm井段开始使用油基钻 井液 ，在旋转导向钻进时还进行 了 自然伽马和 电阻 率的随钻测井 。钻至 D A’ AN Z HA I 地层 ，钻井液密度 为 1 ．5 0 g ／ c m ，有气测显示 ，最大全烃值为5 3 ％。 采用该装置分离井 口气 ，未进行加重处理 ，也未停 钻 。依测井资料分析 ，气测显示地层为低渗透率地 层 。在 2 1 6 mi l l 井段 钻进时 ，油基 钻井液密度 为 1 ． 6 8 ～1 ． 8 0 g ／c m。 ，未有任何气显示。 4 结论与建议 1 天然气侵入油基钻井液的井 口脱气分离技术 虽然在设 备安装与费用控制方 面有待改进 ，但其依 然是油基钻井液钻高产气井 ，特别是钻含硫高产气 井最安全的井控方案之一 。 2 在使用油基完井液对气井或使用水基完井液 对高含凝析油气井进行测试时 ，地面流程设计也应 46 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 充分考 虑天然 气在完 井液 中的溶解 及运移膨 胀特 点 ，采取多级降压 、远程开关 、多路放空以及多套 流程共用与备用等测试措施。 3 对于陆地深井电动钻机 ，建议借鉴海洋钻井 经验 ，逐步对钻井喇叭 口与钻井液返出管进行标准 化设计 。钻井喇叭口长度可调节 ，其上可密封连接 转盘底座 ，其下可连接环形 防喷器 ，除去调整 占位 短节后可连接旋转 防喷器 ；钻井液返出管与钻井喇 叭 口硬连接 ，在钻 台以下部分用支架固定 ，延伸至 钻井液罐振动筛部分是拆卸安装部分。 参 考文献 [ 1 ]李家龙 ，张坤，吴仕荣，等． 超低密度硬胶极压型油包 水乳化钻井液在广安0 0 2 一 H 9 井的应用[ J ] ． 天然气lT业， 2 0 0 8 ，2 8 1 8 8 9 0 ． [ 2 ]郭昭学． 天然气在油基钻井液中的溶解特性[ D] ． 四川新 都西南石油大学 ，2 0 0 8 ． [ 3 ]李建伟，赵习森，周小平 ，等． 雅克拉 一 大涝坝凝析气 田的相态 特征 [ J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 8 ，2 8 8 8 4 8 5 ． [ 4 ]孙振纯，王守谦 ，徐明辉． 井控技术井控设备 [ M] ． 北 京 石油工业 版社 ，1 9 9 7 1 0 6 1 0 7 ． 编辑 卢栎羽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m