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第 4 4卷第 3期 石 油与 天 然 气化 工 CHEMI CAL E NGI NE ERI NG OF OI L & GAS 1 1 3 安 全 与 环 保 处理空气钻井地层出水新技术与试验分析 田家林 付传 红 杨 琳 刘正连。 龙 小康 方 剑 1 . 西 南石油 大学机 电工程 学院 2 . 西南交通大 学机械工程 学院 3 . 中国石油集 团川庆钻探 工程有 限公 司钻 采工程技术研 究院4 . 中国石油 西南油气田公 司 摘 要 针 对泡 沫剂 不 能很好 地 处理 空 气钻 井地层 出水 的 问题 , 提 出 了一 种 处 理地 层 出水 的 固相 携 水剂携 水 新技 术 , 并且 主要 对 固相 携 水技 术 的携 水性 能 、 携 水速 率 、 黏 附性 能 以及 压 力对 吸 水 性 能 的 影响展开了研 究。结合固相携水技术的主要研究内容, 进行 了系统的现场试验测试 。测试结果表明, 与 传统泡沫相 比, 该技术具有携水速度快、 携水量大、 不影响正常钻进、 不憋压等特点。该方法对于降低钻 井成本 , 提 高钻 井速 度 具有 重要 意义 。 同时 , 也 验证 了该技 术 的可靠 性 、 可行性 。 关键词 空 气钻 井 地 层 出水 固相携 水剂 携 水性 能 试 验 分析 中 图分 类号 T E 3 7 文献 标 志码 A DO I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 7 3 4 2 6 . 2 0 1 5 . 0 3 . 0 2 4 A n o v e l t e c hno l o g y a n d e x p e r i m e n t a l a na l y s i s o f f o r ma t i o n wa t e r i n a i r d r i l l i n g Ti a n J i a l i n . . 。Fu Ch u a n h o n g ,Ya n g L i n ,Li u Zh e n g l i a n ,L o n g Xi a o k a n g ,F a n g J i a n 1 . Sc h o o l o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g,S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y,C h e n gd u 6 1 0 5 0 0,C h i n a 2 . S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g,S o u t h we s t Ji a o t o n g Un i v e r s i t y,Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 ,Ch i n a 3 .CCDC Dr i l l i n g Pr o du c t i o n dn gi n e e r i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e,Gu a n g h a n 6 1 8 3 0 0,Ch i n a 4 .Pe t r o Ch i n a S o u t h we s t Oi l g a s f i e l d C o mp a n y,Ch e n g d u 6 1 0 5 0 1,Ch i n a Ab s t r a c t Ai m i ng a t t he p o or wa t e r c a r r y i n g c a p a c i t y of f o a m i n a i r dr i l l i n g,t hi s p a p e r pr op o s e d a no v e l t e c h nol og y ba s e d o n a s ol i d ph as e wa t e r c a r r y i ng a g e nt .St u di e s we r e a l s o c a r r i e d ou t t o a na l y z e t h e c a r r y i n g c a p a c i t y,c a r r y i n g r a t e ,a n d a d h e s i o n p r o p e r t i e s o f t h e s o l i d p h a s e wa t e r c a r r y i n g t e c h n o l o g y a s we l l a s t h e i n f l u e n c e o f t h e p r e s s u r e o n t h e a d s o r p t i o n c a p a b i l i t i e s o f wa t e r .Fu r t h e r mo r e ,f i e l d t e s t wa s c on du c t e d ba s e d o n t he ma i n c on t e n t s of t he s o l i d ph as e wa t e r c a r r y i ng t e c hn ol o gy s t ud i e s . Re s u I t s s h owe d t ha t whe n c ompa r e d wi t h t h e t r a d i t i o na l f o a m ,t hi s t e c hn ol o gy ha s t he c ha r a c t e r i s t i c s o f h i gh wa t e r c a r r yi n g r a t e a n d c a p a c i t y. I t wo ul d n t a f f e c t t he no r m a l dr i l l i n g a nd do e s n ot ho l d p r e s s u r e 。e t c .Th i s t e c h n o l o g y h a s i mp o r t a n t s i g n i f i c a n c e t o r e d u c e t h e d r i l l i n g c o s t a n d i mp r o v e t h e d r i l l i ng s p e e d . At t he s a m e t i m e,i t a l s o ve r i f i e s t he r e l i a bi l i t y a n d f e a s i bi l i t y o f t he t e c hno l o gy . Ke y wo r d sa i r dr i l l i n g, f or m a t i o n wa t e r , s ol i d pha s e wa t e r c a r r y i n g a ge nt , wa t e r c a r r y i ng p e r f or m a nc e,t e s t a na l y s i s 基金项 目 石油天然 气 装备 教 育部 重 点实 验 室 西南 石 油 大 学 项 目“ 基 于 井壁 摩 擦 随机 场 的 油气 井 钻柱 振 动特 性 研 究” O GE 1 0 、 国家 自然科学基金“ 介质黏度对非牛顿流体旋 流分 离流场影 响机理研 究” 5 1 0 7 4 2 0 2 、 四川教育 厅成果 转化重 大培育 项 目“ 压缩天然气站高效运行关键 基础技术研究” 1 2 Z Z O 0 3 。 作 者简介 田家林 1 9 7 9 一 , 男 , 博 士 , 西南 石 油 大学 , 副教 授 , 主要 从事 井 下 工 具 、 钻 头 技术 研 究 。E ma i l t i a n j i a l i n 0 0 1 gmai l .c orn 通讯作者 付传 红 1 9 8 9 年 一 , 男 , 西南石油大学 , 研究生 , 主要从事井下工具、 钻井力学及理论研究。E - ma i l 3 5 8 6 9 1 7 8 7 q q . c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 4 田家林 等 处理空气钻井 地层出水新技术与试验 分析 空气 钻井 是 目前 钻 速 最 快 的 钻井 方 式 , 在 国外 已 得 到 了广泛 的运 用 , 在 国 内 四川 区块 也 得 到 了较 快 的 发展 l 1 ] 。空气 钻井 可 以直 观 、 及 时 、 无 遗 漏 地 发 现 产 层 、 获得高的单井产能 ; 可 以大幅度提高钻井速度 , 缩 短建井周期 , 降低钻井成本 ; 可 以有效控制井漏 、 防止 井斜 、 减少环 境 污染 和克 服泥 页岩 水敏 性坍 塌 等 , 这 些 优 点使 得空 气钻 井应 用前 景广 阔。但 空气 钻井 在使 用 的过程 中也存在一些缺点_ 3 ] , 例如 , 不能很好地应对 井 壁力 学性 失稳 , 极 易 出现井 斜现 象 ; 需要 昂贵 的地 面 设 备 , 特别 是地 层 出水 问题 将严 重 制 约 着 空 气 钻 井 的 使 用 , 在气 体钻 井 的应用 过程 中 , 许 多 井 因地层 出水 而 提前结束气体钻井 , 大大降低了气体钻井 的推广应用 效 果 。 目前 , 大多 采用 泡沫 钻井 液应 对 出水 问题 , 但并 没 有解决 出水 的根本 问题。因为 , 一旦应用泡沫钻井液 后将无法继续应用空气钻井 , 空气钻井效果将大打折 扣 。同时 , 如果 转换 为泡 沫或 常规 钻井 液钻 井 时 , 若 处 理不好 , 可能会导致卡钻 、 井壁垮塌等井下复杂情况 。 针 对 空气钻 井 地层 出水 这 一 难 题 , 国 内外 相 关 专 家 、 学 者进行 了大 量 的研 究 。通 过提 出一 种 新 型 随 钻 监 测 方 法 , 对 地 层 出 水 问 题 进 行 实 时 、 全 面 的 监 测 l_ 1 ; 或采用 雾 化钻 井 、 充 气 钻 井联 合 的方 式 解 决 地 层 出水 的问题 。 ; 或基 于 随钻 测 井 技 术 , 分 析 随 钻 获 取地层参数资料所需工具 的结构及技术特点 , 对地层 出水层位的预测方法进行研究 , 建立气体钻井地层 出 水 的一种新 型计算模型等r 8 ] 。但 以上研究并没有从 根 本上 解决 地层 出水 的这 一 技 术 难题 。 因此 , 提 出 了 一 种处 理 地层 出水 的 固相 携 水 剂 携 水 新 技 术 , 该 技 术 在 四川 某 区块 进 行 了 首 次 应 用 并 且 取 得 了 良好 的效 果 。固相 携水 剂 携 水 新 技 术 主要 是 通 过 添 加 处 理 剂 固相 粉末 的方式 , 在 较 短 的 时 间 内快 速 地 将 地 层 水 携带出来 , 并且携带能力极强 , 可携带 自身重量 1 0倍 以上的地层水 , 而且 具有温度越高 , 地层水 矿化度越 低 , 携水速度越快的特点; 携水剂保水能力强且携水后 不会 因力 的增 加而 失水 ; 与 传统 泡沫 相 比 , 该 携水 剂携 水后松 软 , 不具 黏 结性 , 有利 于钻 井 安全 和提 高机 械钻 速。固相携水剂携水后 , 对其进行集 中收集并进行高 温处理, 将携水剂 中的水分蒸干后对其进行分离 , 分离 后 的携水 剂可 再次 进行 回收利用 。 1 空气 钻井工艺分析 在 利用 空 气钻 井 时 , 当钻到 含水 地层 , 地 层水 会 流 人井眼, 干燥的岩屑就会 吸水, 岩屑很容易黏糊成块并 附着 在井 壁和 钻具 上形 成 泥环 , 从 而造成 钻 具泥 包 、 卡 钻 、 循 环管 路被 堵 塞 以及 井 下 着 火 等 钻 井 事 故 ] 。 若 此 时改 用常 规钻 井液 钻井 , 会 急剧 降低 钻 井效 率 、 机 械 钻 速 , 并 且增 加钻 井成 本 。针 对此 问题 , 目前 常用 的 方法是在空气钻井 的基础上采用泡沫进行钻进 , 使用 泥浆 泵压 入泡 沫基 液 , 在 立 管 处 泵 入 的 基 液 开 始 与 空 气 进 行混 合 , 并 在 钻具 内形 成泡 沫 , 通过 空气 泡 沫 的方 法 来 完成 钻 进口 。但 是 , 当地 层 出水 严 重 , 出水 量 超 过 2 0 m。 / h时, 通过在空气中添加泡沫钻井的方式 已 经不能保证正常的钻进 , 极易发生井下事故 。 2 固相携水剂处理 地层 出水新技术 针对上述空气泡沫钻井所出现的问题 , 提出 了一 种 处 理地 层 出水 的新技 术 , 即 固相携 水剂 携 水技 术 , 并 对 该 技术 进行 了 系统 的介 绍与 分析 。主要对 固相携 水 技 术 的携 水性 能 、 携水 速率 、 黏 附性 能 以及压 力 对 吸水 性 能 的影 响进 行 了研究 。 2 . 1 携 水性 能 针对 携水 性 能 的研 究 , 设 计 了 两组 试 验 。第 一 组 为 准 备一 些蒸 馏 水和 盐 , 按照 不 同的 比例成 分 进行 混 合 , 共 制成 2 种 样 品 , 分别 是 1 k g蒸 馏 水和 在 1 k g蒸 馏 水 中添 加 0 . 0 2 k g盐 , 以及 现 有 的常规 泡 沫 剂 , 然 后 将 2种样品和泡沫剂分别加热到不 同温度 , 即 室温 、 4 0。C、 6 0℃和 9 3℃ , 对 其进 行 携水 倍 数 、 携 水 速 度 的 观察和测量 , 其结果见表 1 。第二组为 在不改变温度 室 温 的 前 提 下 , 分 别 向 1 k g 蒸 馏 水 中 添 加 0 . 0 0 2 k g 、 0 . O 1 k g 、 0 . 0 2 k g 、 0 . 0 4 k g 、 0 . 0 8 k g的盐 , 然后 将制 成 的样 品进 行 携 水 倍 数 的 观察 与试 验 , 结 果 见表 2。 由表 1 、 表 2分析可知 , 不管是蒸 馏水 、 矿化 度还 是泡 沫剂 , 其 携水 倍数 均 随温度 的增加 而增 加 , 携水 速 度却 随着 温度 的增 加 而降 低 , 但 蒸 馏水 、 矿化 度 携水 速 度还 是远 远 大于 泡沫 钻 井 的 携 水 速 度 ; 随 着 矿 化 度 的 增加 , 携水倍数不断降低 , 矿化度为 0的蒸馏水的携水 倍数 最 高 , 达 到 了 2 2 5 。 由此 可 知 , 高 浓 度 的矿 化 度 不 利 于携 带地层 水 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 田家林 等 处理 空气钻井地层 出水新技 术与试验分析 围 内。但 在遇水 地 层 中 , 同时 需 要满 足携 水 性 能 的要 求 , 所 以还 需要 开展 压 力 对 固相 携 水技 术 的 吸水 性 能 研究 , 并进行 如下试 验。首先 , 准备适量 的蒸 馏水和 盐, 按照一定 的比例 配制 5组 试验样 品 见表 4 ; 其 次 , 利用压力测试仪对其进行测试 , 并记录开始保压压 力和保 压 时 间后达 到 的压 力 , 通 过 比较 , 计 算 压 差 ; 最 后 , 数分 钟后 对其 进行 观察 并查 看试 验 结果 , 见 表 4 。 表 4压力对 吸水性 能的影响 Table 4 Eff ec t s o f p r es s u r e on wat er a ds o r pt ion c apa bi l it i es 矿 压差/温 保持时间 现象 1 0 倍数MP a ℃ ra i n ⋯ 由表 4分 析可 知 , 压差 、 温 度 的大小 对 固相携 水技 术 的吸水 性能 具有 重要 的影 响 , 当吸水倍 数 相 同时 , 压 差越 小 , 固相 携 水 剂 无 滤 失 、 滴 水 现 象 的保 持 时 间 越 强 , 即吸水 性 能越 强 。 同时发 现 , 在 相 同压差 、 温 度下 , 当改 变样 品 的 吸 水倍 数 时 , 吸 水 性 能 也 在 发 生 变 化 。 当 压差 为 0 . 7 MP a , 吸水 倍 数 为 2 0时 , 无 论 是 蒸 馏 水 还 是矿 化度 为 2 O 0 0 0 1 0 , 在 室 温 条 件 下 对 其 观 察 8 mi n , 未发现有滤失 、 漏水 、 滴水的现象 ; 当压差为3 . 5 MP a , 吸水倍 数 为 2 0时 , 不 论 是蒸 馏水 还 是 矿 化 度 为 2 0 0 0 0 1 0 一 , 在 温 度 为 9 3 。 C的 条 件 下 对 其 观 察 5 mi n , 均无 滤 失 , 无 漏 水 、 滴 水 现 象 , 但 当超 过 5 mi n 时有稍微的滤失现象 。在其他条件不变 的情况下 , 仅 增 加 蒸馏 水 的吸水 倍 数 , 让其 达 到饱 和状 态 。结 果 发 现 , 当观 察 3 rai n时 就 出 现 了严 重 的 滤失 、 漏水 、 滴 水 现象 , 并 且 1 mi n内滴 水体 积达 到 4 mL 。 3现场试验分 析 为 了验 证在 空气 钻井 中固相 携水 剂携 水性 能 的优 越 性 以及高 效 的井 眼干燥 速度 , 对 其进 行 了现 场试 验 。 2 0 1 3年 开展 了携 水剂 携水 性 能 的首 次 试 验 , 试 验 现 场 如 图 2所示 。1 0 5 1向主供 气 管 线 加 注携 水 剂 , 1 0 5 3 携 水 剂全部 入 井 , 总计 注 入 携 水 剂 0 . 2 t , 携水 剂 未 返 出排砂 管 线前 , 排砂 管 线 内出 口水 流未 出现 断流 现象 。 1 O 5 5携水 剂携 带 地层 水 开 始返 出 , 1 O 5 7携 水 完 毕 。 1 O 5 7至 1 1 2 1 , 排砂 管 线 出 口一 直 返 出干 气 , 未 见 水 雾及 液滴 , l 1 2 2排 砂 管 线 开 始 返 出 地 层 水 , 经 计 算 , 得 到携 水剂 携水 量 约为 2 t 。该 试验 说 明 , 固相 携水 剂 具有 极 强 的携水 性 能 , 并 且携 水 速率 极快 , 仅几 分 钟 就 能将 2 t 水 全部 携完 。 a 携水剂 b 地层 出水情况 图2试验现 场 Fi g ur e 2 T es t s i t e 紧接着又进行了第二次试验 。1 4 4 0携水剂加注 完 毕 , 总计 加 注 携 水 剂 0 . 0 4 5 t , 在 携 水 剂 进 入 井 底 到 携 水剂 全部 返 出排 砂 管 线 时 , 结 果 发 现 立 压 和 注 气 压 力 减小 , 显 示 了携水 剂较 好 的携 水性 能 。 由此 可 见 , 压 差 的大小 对携水 剂 的 吸 水 性 能具 有 重要 的影 响 , 试 验 结 果见 表 5 、 图 4 。 表 5现 场 试 验 数 据 Ta ble 5 Fi eld t es t da t a 携水剂全部 返回 当天 晚上 又进 行 了无液 携 水剂 携水 技术 的第 三 次 试 验 , 该次 试 验 的 目的主要 是加 快井 眼干燥 速度 , 发 现 效 果 十分 明显 。2 3 5 0 , 气 举 作 业 完 成 , 开 始 进 入 井 眼 干燥 阶段 , 然 而直 至次 日 7 3 O点 总计 约 7 . 5 h , 井 筒 仍然 有连 续 液流从 排 砂管 线排 出 。现 场决 定采 用无 液 相携水技术和提高注气量方式来加速井 眼干燥进程 。 7 3 2现场 加入 携水 剂 0 . 0 0 2 t , 同时 提 高 注 气量 。1 h 后 , 排砂 管线 返 出携 水 剂 , 之 后 再 无 液 滴 返 出 , 且 返 出 氮 气干 燥无 雾气 , 录井捞 砂见 携 水剂 成分 。 由此 可见 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷第 3期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L 8 乙GAS 1 1 7 商 试 时 间 时间 图3 现场试验的立压、注气压力随时间的变化情况 F i g u r e 3 C h a n g e o f v e r t i c a l p r e s s u r e a n d g a s in j e c t io n pr es su r e in t he fi el d t es t wi t h t i me 0 . 0 0 2 t 携 水 剂加 速 了井 眼干燥 , 减 少 了柴油 消 耗 和人 工成本 , 增加了经济效益, 降低了钻井成本 。 0 . 1 t 8 1 h 一0 . 7 t h 柴油 1 2人 8 1 h 一8 4人 h 人 工 4 结 论 1 在分析现有空气钻井工艺以及泡沫钻井处理 地层 出水 的基础 上 , 提 出 了一 种 新 的 固相 携 水 剂 处理 地层 出水 的新 技 术 , 解 决 了现 有携水 技 术携 水性 能低 、 携水速率慢 、 黏附性强等问题 。 2 结合现场条件 , 对 固相携水剂携水性能进行 了试验 , 与传统泡沫相 比, 该技术具有 携水速度快 5 s , 携 水剂 迟 到 时 间仅 2 mi n ; 携 水 量 大 1 0倍 , 0 . 2 t 携 水剂 携水 量 达 2 t , 且 携水 举 水 后 井 筒 无 水 雾 、 无 液 滴 时 间长 达 2 4 mi n ; 携水 剂 返 出 排 砂 管 线 前 , 排 砂 口 未 见排 出液断 流 , 不会 造成 井筒 憋压 , 不影 响正 常 钻进 等特点 。 3 如 果 该 技 术 能 够 在 空 气 钻 井 得 到 广 泛 的应 用 , 对于提高钻井速度 、 减少钻井周期 、 延长气体钻井 施工井段 、 提高经济效益、 降低钻井成本等具有重要意义。 参 考 文 献 [ 1 ]刘清友 ,包凯 , 任文希.气体钻井过程中地层出水的微波随钻监测 方法[ J ] .石油天然气学报 ,2 0 1 4 ,3 6 5 9 3 9 6 . 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