涪陵焦石坝含硫地层泡沫钻井试验.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 1 2 月 第3 6 卷 第 1 2 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c l m o l o g y J ． J P I D e c ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 1 2 涪陵焦石坝含硫地层泡沫钻 井试验 杨海平 中石 化江汉石油工程 公司 钻井一 公司， 湖北潜 江4 3 3 1 2 1 [ 摘要]借鉴钻 井液除硫 方法，首次提 出在含 硫地层使 用 防 硫 泡沫钻 井 的设想。研 究防硫泡 沫配方及 配伍 性，改进防硫泡沫施工工 艺，强化地 面硫化氢的监测和 防硫措施 ，并 制定应 急预 案。在 涪陵焦石坝 成功试 验 3口井，安全钻穿含硫地层 ，地面未检测到硫化氢 ，拓宽 了气体钻井技术的应用领 域。 [ 关键词]涪陵；硫化氢 ；泡沫钻井；气体钻井 [ 中图分类号]T E 2 5 4 [ 文献标志码]A Ut 章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 1 2 0 1 4 3一 O 3 页岩气勘探开发是技术密集型产业，投资大、周期长 ，商业开发必须走低成本战略。美 国页岩气采用 “ 丛 式井 井 工厂”钻井模 式 ，使用气体 钻井 、旋转 导 向钻井等 先进技术 ，钻井速 度得 到极大 提高 ，Wo o d f o r d 页岩气 田垂深 2 5 0 0 m、水平段 1 3 0 0 m左右的页岩气水平井 ，平均钻井周期仅 2 7 d ，为页岩气大规模商 业开发奠定了基础。涪陵焦石坝是 中国第一个页岩气产能建设示 范区，已探明页岩气 田面积 1 6 0 k m z ，地 表为海相嘉陵江组，山高谷深，沟壑纵横，溶洞发育，地表严重缺水 。钻井施工面临地层硬、溶洞多 、大 井眼井段长、含硫浅层裂缝气、生产用水远程供给等不利因素，采用常规钻井方式 ，机械钻速慢，复杂时 间多。目前完井 3 0 余 口，平均钻井周期 8 2 d ，钻井周期长 、费用高，影响了焦石坝页岩气勘探开发步伐 ， 是 目前钻井技术工作急需解决的重点和难点。由于焦石坝二叠系含硫化氢，不能使用常规空气钻井和泡沫 钻井来提速，借鉴含硫地层钻井液的除硫方法，提出了使用防硫泡沫钻井的设想 ，通过试验优选出高效除 硫泡 沫配方 ，现场成功试 验 3口井 ，安 全钻 穿含 硫地 层 ，排砂 管未 检 测 到硫 化氢 ，实 现 了安 全提 速 的 目 的，拓宽了气体钻井技术的应用领域。 1 工程概况 焦石坝地 层从上到下分别 为三叠 系 、二 叠 系、 石炭系 、志留系 ， 目的层 为龙 马溪 组 。以 J Y I HF 井为例，井身结构数据见表 1 ，气体钻井时在长 兴组监测 到硫化氢 ，转 换钻井液钻井 。 2 防硫泡沫钻井液 表 1 J Y1 HF井 身 结构 数 据 2 ． 1 配方优选 原则 含硫地层钻 井 ，钻井液 中应加入一定 量的碱式碳 酸锌 Z n OH Z n C 0 3 作为 除硫 剂 ，钻井 液 p H 值 应不低 于 I I E ，钻井 液液柱压力 应略大于地层压 力 ，防止硫 化氢 以流体 方式进入井 筒 ；对 以钻 屑 、气 液 置 换及气体扩散等方式进入钻井液的少量硫化氢 ，则通过与钻井液所含 的除硫剂起化学反应被清除。借鉴防 硫钻井 液所 优选 的防硫 泡沫液 配方 ，钻井过程 中井筒 内泡 沫所含 的除硫 剂应 能及 时与进 入井筒 的硫化 氢充 分化 学反应 ，确保 排砂管 内硫 化氢质量浓度不 超过 1 0 mg ／ L 。 ’ 2 ． 2除硫剂加量 碱式碳酸锌与硫化氢反应的方程式为 Z n OH 。 Z n C O 3 2 H S -- 2 Z n S C O 十3 H O。 J Y1 HF井二开采用空气钻井 ，空气排量 1 5 0 m3 ／ mi n 。从井深 7 6 1 m开始，排砂管内持续监测到硫化氢 标况 下密度 1 ． 5 1 8 k g ／ m。 质量 浓度 为 2 ． O ～3 ． O m g ／ L ；至井 深 7 7 3 m 时 ，硫化 氢质量 浓度上 升至 5 ． 2 mg ／ L [ 收稿 日期]2 0 1 4 一o 9 一O 1 [ 作者简介]杨海平 1 9 6 7一 ，男 ，1 9 8 9 年西南石油学院毕业 ，高级工程师 ，现主要从事钻井工程技术研究与管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天然气工程 2 0 1 4年 1 2 月 密度 7 9 mg ／ m 3 。计算地层硫化氢产量 7 ． 8 L ／ mi n ，质量流量 1 1 ． 8 5 g ／ rai n 。实际施工过程中，排砂管内硫 化氢质量 浓度不应超 过危险 临界 质量浓度 l O O mg ／ L E ，即地 层硫化氢质 量流量不超过 2 2 ． 7 7 g ／ mi n 。根据硫 化氢的质量浓度，可计算碱式碳酸锌的消耗量 。 2 ． 3防硫泡 沫配方及 配伍性研 究 泡沫钻井因地层出水量、岩性、温度等差异 ，泡沫液需及时维护，保持泡沫液的发泡量和稳定性 ，保 证泡沫 的携带 、防塌等性能 。泡 沫基液配方 水 1 起泡 剂 WD - 1 0 ． 1 稳泡 剂 HWP 1 抑 制剂 C MC 氢氧化 钠 配方 中的百分数为 质量分数 ，下 同 。 将 1 0 0 mL泡沫基液在搅拌器中高速 1 O 0 0 0 r ／ mi n 搅拌 l mi n ，形成的泡沫体积反映了泡沫基液的发泡 能力 ，再从 中析出 5 0 mL液体的时间反映了泡沫的稳定程度 ，试验数据如表 2所示 。发泡能力随 p H值的 增大而增大。p H值相同时，随着除硫剂质量分数 的增加，发泡能力增强。试验说明泡沫基液与除硫剂配 伍性好 。 表 2除硫剂与泡沫配伍试验结果 注 1 表 中百分数均为质量分数。 注 2 ；配方③在 1 5 min后发泡体积为 5 8 0 mL配方⑥在 1 5 mi n后发泡体积为 5 3 0 mL。 3 防硫泡沫施工工艺 3 ． 1 工艺流 程 防硫泡 沫钻 井 施 工工 艺 与 常规 泡 沫 钻 井 的相同。空压机输 出压缩空气 ，经增压机增 压后，与泥浆泵输 出的泡沫液混合 ，通过地 面管汇、立管、水龙带、水龙 头进入钻具水 眼 ，再经 钻 头 进 入 井 眼 环 空 ，返 出 地 面 后 ， 由排砂管进入 污水池 见图 1 。 3 ． 2 泡沫液 配制 及维护 3 1 1 ． 2 mm 井 眼 常规 泡 沫 钻井 ，井 深 不 超过 1 0 0 0 m，出水量不 超过 5 ／ h的情况 下 ， 图 l 防硫泡沫钻井施工工艺流程 水池 空气排量 1 0 0 1 3 0 m 3 ／ mi n ，泡沫注入 量 0 ． 6 ～0 ． 7 m3 ／ mi n 。 配制泡沫液 时 ，除硫剂加量 应根据 设计 泡沫 液注 入排 量来 确定 ，一 般配 制 7 0 m3 。泡 沫 液在 污水 池沉 淀后，回收至循环罐继续使用。根据返 出泡沫的 p H值，补充除硫剂和氢氧化钠 ，并及时进行维护 ，确保 发 泡量和稳定性 。 3 ． 3安全措施 防硫泡沫钻井除执行含硫地层钻井相关技术安全规定 以外 ，还应落实下列措施①设备及安装标准 。 旋转防喷器的橡胶件应是防硫 的，空气钻设备应安装主喷管，天车、转盘、井 口三垂线偏差应不 超过 1 0 mm，排 砂管线应按规 定试压 。②钻具 组合 。钻头 不安 装喷 嘴 ，近钻 头接 2只单流 阀 ，确 保钻 具 内单 流 阀密封可靠 。③硫化氢监测。除按含硫地层钻井配备硫化氢监测仪器和空呼器设施外 ，排砂管出口 5 m范 围内安装不少于 2 个固定式硫化氢监测仪探头，排砂管安装独立的硫化氢监测装置。④地面除硫措施。钻 台、循环罐 、机房、井 口、排砂管出口处应分别布置排风扇 ，及时吹散井 口周围有毒气体。接单根或停钻 整改过程中，应使用主喷管，防止硫化氢在井 口周 围聚集；钻井过程中及时测量泡沫液 p H值，发现 p H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 1 2 期 杨海平 涪陵焦 石坝含硫地层泡沫钻井试验 值下降，应及时补充除硫剂和氢氧化钠，保持泡沫液 p H值不低于 1 1 ，并根据管内硫化氢质量浓度调整气 体泡沫的气液比，硫化氢质量浓度高时应适当提高泡沫注入量；若遇长时间停钻或不能循环 ，需要对井筒 内的硫 化氢 气体进 行有效控制 ，以低注气量往 井筒 内打一 段泡沫基液或 者从井 口吊灌 。 3 ． 4防硫泡沫钻井终止条件 满足下列条件之一 的，转换钻井液钻井 。①地层 出水量大 ，井下安全无法保证 ；②污水池不能容纳 产 出 的地 层 水和返 出的泡沫 ；③ 燃爆监 测 全烃含 量 连续大 于 3 ，或 井 下连 续 发生 2次燃 爆 ；④ 井壁 失 稳 ，阻卡严 重 。 表 3 J Y 9 ． 2 H F 井 p H值监测数据 4 现场试验 4 ． 1 J Y 9 - 2 H F井 防硫 泡沫钻 井 一 开 4 4 4 ． 5 mm 钻 头 ，所 钻 井 段 3 8 ． 2 2 ～ 7 8 2 ． 0 3 m， 所 钻 地 层 为 飞 仙 关 组 、 长 兴 组 、 龙 潭 组 ， 空 气 排 量 1 5 0 m。 ／ mi n ，泡 沫 注 入 量 2 ． 6 m。 ／ mi n ，除 硫 剂 质 量 分 数 1 ． 5 ，泡沫基液 p H 值 1 2 ～1 3 。钻进至井深 6 0 0 m，泡 沫 p H值 由入 口的 1 2 ～1 3下降至 9 ～1 O 见表 3 ，间断 补充氢氧化钠和除硫剂，保持入 口 p H 值不低于 1 2 ，泡 沫钻进中未监测到残余硫化氢，钻进井深 7 8 2 ． 0 3 m中完。 4 ． 2 J Y 8 - 2 H F井防硫 泡沫 钻井 二 开 j 2 『 4 4 4 ． 5 ra m 钻 头 ，所 钻 井 段 2 7 0 ． 6 8 ～ 7 1 2 ． 8 9 m， 所钻 地层为 飞 仙关 组 、长 兴 组 ，空气 排 量 1 5 0 m3 ／ m i n ，泡 沫注 入量 2 ． 6 m3 ／ mi n ，除硫 剂 质 量 分 数 1 ． 5 ，泡 沫 基 液 p H值 1 3 。钻进至井深 6 4 6 m，泡沫 p H值 由入 口的 1 3下降 至 9 ～1 2 见表 4 ，间断补充 氢氧化钠和除硫剂 ，保持人 口 p H值 不低于 1 3 ，泡沫钻进 中排砂管 内未监 测到硫 化氢 。 钻 至井深 7 1 2 ． 8 9 m，转 换钻井液钻 井 。 4 ． 3 J Y 9 - 1 HF井 防硫泡 沫钻 井 一 开 j 2 『4 4 4 ． 5 mm钻 头 ， 所 钻 井 段3 5 5 ． 7 4～ 1 1 5 9 ． 0 0 m，所钻地层为飞仙关组 、长兴组 、龙 潭组、茅 口组 上 部 ，空 气 排 量 1 5 0 ～ 1 8 0 m。 ／ mi n ，泡 沫 注 入 量 2 ． 6 m。 ／ mi n ，除硫剂质量分数 1 ． 5 ，泡沫基液 p H值 1 2 ～ 1 3 。钻 进至 井深 6 0 7 m，泡沫 p H 值 由入 口的 1 2下 降 至 9 ～1 0 见表 5 ，间断补充氢氧化钠和除硫剂 ，保持人 口 监测时间 井深／ m 1 6 3 O 6 0 0 1 7 3 O 6 3 2 1 9 3 0 6 8 5 2 0 4 0 7 1 7 2 1 1 0 7 3 9 2 1 5 0 7 6 8 2 2 4 0 7 9 9 2 3 O O 8 1 2 入 V 1 泡沫 p H 值出 口泡沫 p H值 l 2 9 ～ 1 0 1 2 ～ 1 3 9 ～ 1 O 1 2 8～ 9 1 2 8 ～ 9 1 3 ～ l 2 l 2 9～ 1 0 1 3 1 0～ 1 1 1 2 9 ～ 1 O 表 4 J Y8 - 2 HF井 p H值 监 测 数 据 表 5 J Y9 - 1 HF井 p H 值 监 测 数 据 监测时间 井深／ m 人口泡 沫 p H值出口泡沫 p H 值 21 3 O 6 0 7 2 2 2 5 6 3 5 22 55 6 51 23 3 5 67 5 O 05 6 9 4 0 45 71 9 1 2 O 7 3 5 1 5 0 75 6 p H值不低于 1 2 ，泡沫钻进中未监测到残余硫化氢 ，钻进井深 7 8 2 ． 0 3 m 中完 。 5 结论 1 碱式碳 酸 锌 Z n OH Z n C O 。 与 泡沫基 液 配伍性 好 。 2 防硫泡沫钻井施工工艺与常规泡沫钻井的相 同。除执行含硫地层钻井相关技术安全规 定以外 ， 还 制定 了一 系列 安全措 施 ，强化 了地 面硫 化氢 的监 测 和除硫 措施 。 3 焦石坝 3口井试验获得成功 ，安全钻穿长兴组、龙潭组和茅 口组上部，说明低含硫地层泡沫钻 井 是可 行 的 。 [ 参考文献] [ 1 ]QS H 0 0 1 3 -- 2 0 0 7 ，川东北复杂压力条件下钻井推荐作法 [ s J． [ 2 ]S Y／ T 6 1 3 7 --2 0 0 5 ，含硫化氢的油气生产和天然气处 理装置作业 的推荐作法 [ s ]． [ 编辑] 帅群 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m