国内气体钻井研究新进展.pdf

2 0 钻 采 工 艺 DRI L LI NG ＆ P RODUCT I ON T ECHNOLOGY 2 0 0 9年 3月 Ma r c h 2 0 0 9 国 内气体 钻井研 究新进展 刘 颂 西南石油大学高等职业技术学院 刘颂．国内气体钻井研究新进展． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 2 2 O一 2 2 摘要 气体钻 井能极大提 高机械 钻速 ， 利 于井斜 控制 。综 述 了国 内气体钻 井研 究取得 的最新进展 ， 主要 包 括 以下几个方面 考虑各种 因素 的影响 ， 修 正 了最小注 气量； 加 强 了井壁稳 定性 因素与影响规律 研 究； 各种新技 术 被 用于气体钻 井的录井作业 ， 改善 了录井效果 ； 空气锤 的开发及 应用成为气体钻 井的发展 方向； 钻具 柱 失效原 因 与机理 分析 为防治措施提 供 了理论依据 。此外， 文章还对今后气体钻井的研 究方向进行 了展 望。 关键词 气体钻 井；注气量 ；井壁稳 定；空气锤 ； 钻 具失效 中图分类号 T E 2 4 2 ． 6 文献标识码 A 文童编号 1 0 0 6 7 6 8 X 2 0 0 9 0 20 0 2 0 0 3 气体钻井循环介质包括 空气 、 氮气 、 尾气 、 天然 气以及它们的混合物等。与常规钻井液钻井相 比， 气体钻井具有机械钻速快 、 利于井斜控制 、 防止循环 漏失 、 不伤害地层等特点⋯ 。因此 ， 气体钻井在 石油天然气勘探与开发方面受到广泛重视。 目前 ， 国内在气体钻井研究方面取得 了较大进展 ， 主要表 现在 最小注气量计算进一步优化 、 井壁稳定性因素 与影响规律研究进一步加强 、 各种新技术用 于气体 钻井的录井作业 、 空气锤的开发及应用力度加大、 钻 具 柱 失效原因与机理分析更为明确 。 一 、最优注气 量研 究 气体钻井过程中， 最优注气量关系到井底钻屑 能否及时返出井 口。如果气量不足 ， 井底的岩屑不 能及时返 出井 口， 岩屑在井底逐渐积聚形成阻塞 ， 造 成沉砂卡钻事故。如果气量过大 ， 则造成气体的浪 费 ， 且大气量的空压机 昂贵。此外 ， 气量大 ， 易冲蚀 扩大井眼， 加速钻具 柱 的失效 。因此， 必须 对气体钻井的气体流量进行优化设计 ， 确定最小注 气量 。 目前 ， 国内对最优注气量的研究主要集 中在最 小注气量的计算。国内气体钻井最小注气量的计算 普遍采用两类方法 卜 1 最小动能标准计算法 。将气体和钻屑混合 物看成具有相同密度和流速的均相流 ， 不考虑流体 中各组分间的相互作用。A n g e l l 4 卜E 5 5 模型是利用最 小动能标准计算最优注气量最常用的方法 。该模型 将气体和钻屑看作均相流 ， 岩屑与气体 以相同速度 在环空 中上返 。气体和钻屑混合物具有理想气体特 性 ， 在环空中的流动状态是稳定的 ， 井底流体相的携 带能力与在标准条件下气体速度分量的举升能力相 等 。 2 最小携屑速度计算法。考虑钻屑与气体 间 的相互作用。在静止 的低黏气体 中， 钻屑因重力而 沉降 ， 由于气体阻力不断增加 ， 最终使其沉降速度恒 定 。两种计算方法的差异较小 ， 但最小携屑速度计 算方法 中对 于某些参数 如颗粒的形状 和尺寸 的 粗略估计会影响最终计算结果 。实际气体钻井过程 中， A n g e l 模型计算 的最优 注气量 与实际所需量常 存在较大差异。毕雪亮_ 6 等利用气体状态方程 、 热 力学定律对空气钻井 中的流动参数进行分析 ， 采用 因次分析及散点 回归方法修正了储层流体涌入 的空 气钻井 中最优注气量计算公式以及钻头喷嘴压力计 算公式 。蒋宏伟 等用实际温度代替平均温度 ， 修 正了地层出水条件下的 A n g e l 模型 ， 并得到了最优 注气量和地层 出水量 的关 系。袁兆广 等 引入 薄 翼理论对岩屑进行受力分析 ， 并采用数值模拟软件 分析了井内环空压力分布规律和环空携屑能量分布 规律 ， 确定 了气体钻 大斜 度水平井的最优注气量 。 王存新等 在考虑井筒流体与地层换 热对井筒流 体温度影响的基础上 ， 建立 了最优注气量数学模型 ， 解决了 自然地层温度计算最优注气量偏小 的问题。 收稿 日期 2 0 0 81 1 0 2； 修 回 日期 2 0 0 90 2～1 5 作者简介 刘颂 1 9 8 8一 ， 现为 西南 石油 大学 高等 职业 技术 学院 2 0 0 7级 油 田化 学应 用 专业 学生 。地址 6 3 7 0 0 1 四川南 充 ， 电话 1 3 4 5 8 2 6 6 81 2， E ma i l l s s 1 3 8 s o h u ． C O Il l 第3 2卷第 2期 V0 1 ． 3 2 No ． 2 钻 采 工 艺 D R I I | I |I N G＆P R O D U C T l O N I E C H N O L O G Y 21 二、 井壁稳定性研究 气体钻井时， 常常由于井底压力低于井壁坍塌 压力而造成井壁失稳。地层流体从井壁急剧出流的 压力梯度也常引起井眼拉伸破坏或脱落。此外 ， 气 体循环系统的波动也是井壁失稳的原 因L 8 J 。对 于 水敏性地层的气体钻井 ， 泥页岩在地层出水后迅速 水化 ， 造成井眼坍塌 ， 垮塌物在下部钻具组合上形成 泥包 ， 造成卡钻等事故 。 。 。此外 ， 井壁失稳性 ， 还 常引起邻近地层渗透率 、 孔隙度等岩石物性的改变 ， 导致邻近渗透性地层应力敏感性损害等⋯j 。因此 ， 研究气体钻井过程中的井壁稳定性对于防止地层伤 害和钻井事故具有重要意义。 目前， 对气体钻井井壁稳定性研究主要集中在 影响因素和影响规律方面。张杰 等研究 了泥 页 岩水化对井周岩石力学参数 的影响规律 ， 制定了地 层出水 泥 页岩井 段 井壁 稳定 性 的评 价方 法。李 荣 。 。 等研究了气体钻井条件下泥页岩吸水扩散 系 数 、 吸水膨胀系数和吸水后的力学参数变化 ， 将力学 与化学耦合模型运用 到妮 页岩井壁稳定性 的分析 中。对于水敏性泥页岩地层进行气体钻井时 ， 高速 气流和泥页岩水化易造成井塌 ， 发生脆性破裂 ， 可用 技术套管将破裂带封隔， 保持井壁稳定 。井底压 力低 、 地层流体从井壁急剧出流的压力梯度及钻井 循环系统的波动性等也是影响气体钻井井壁稳定性 的因素 j 。近井壁区域地层孔隙压力亏损对井眼 力学稳定是有利的， 地层流体 中的水与泥页岩相互 作用改变了岩石的力学性能 ， 降低 了泥页岩 的井壁 稳定性 ， 循环系统的波动性过大易使井壁失稳 。 三、 录井作业研 究 气体钻井虽极大提高了机械钻速 ， 但对于地质 录井造成 了严重的 困难l l H ] ①岩屑呈粉末状 ， 循环出口流体处于高压 、 高速状态， 使得岩屑采集和 鉴别困难 ； ②岩屑相互磨蚀严重 ， 不同岩石的颗粒形 状和差异减小或消失 ； ③ 岩屑粒径差异大、 混杂严 重 ， 使得岩屑相对于地层岩性的真实性难于确认 ； ④ 扩散到井筒的油气被气体循环介质稀释 ， 使色谱检 测到的烃组分参数信息被弱化。气体钻井过程中的 录井困难对随后的岩屑地质剖面建立 、 井下资料收 集以及安全生产等都带来了影响。 目前 ， 国内在气体钻井录井方面的研究主要集 中在各种新技术的开发 和综合运用方面， 降低气体 钻井对录井作业的影响。近年来 ， 运用图像录井技 术取得了良好效果。如岩屑图像录井技术运用规范 化的图像采集标准， 能对气体钻井过程 中的肉眼无 法有效识别岩性的粉末状岩屑进行有效采集 ， 及时 准确识别岩性 。数字 图像录井技术也在积极推 广。该技术运用彩色数字图像分析， 将岩屑按粒级 分类、 采集显微数字图像 ， 运用计算机对岩屑图像进 行处理 ， 依据神经网络技术分析岩屑图像 ， 准确识别 岩性 ， 实现岩屑分析、 识别成果的数字图像化。现场 运用结果表明该技术能提高岩性识别符合率 1 0 ％ 以上， 利于识别标志层和卡准层位 引。由于气体钻 井时喷出的气体夹杂着大量 的砂尘 ， 如果直接进入 色谱仪 ， 影响判断。因此 ， 气测录井 的关键是除尘净 化 ， 对气路进行了改进 ， 在出气 口加装了一套气体净 化装置。对于实测迟到时间， 可采用特殊气体作为 指示剂 。华学理_ l 等在对空气钻井影响地质录 井进行分析的基础上 ， 提出了应对措施 尽可能取准 岩屑样品、 利用新技术判断地层岩性 如岩屑 自然 伽马录井技术 和图像识别技术 、 仔细观察实时气 测数据、 为钻井施工提供安全保证。刘涛 等提出 一 系列空气钻井岩屑录井 的新方法 ①岩屑现场快 速识别。根据各种岩性与稀盐酸反应所表现出的不 同特点， 在岩屑上滴加稀盐酸以识别 岩屑的岩性。 同时， 从岩屑颜色和吸水性上分析 ， 进一步加深对岩 屑的岩性认识。②岩屑成分的定量分析。通过碳酸 盐测量仪测定岩屑 的碳酸盐含量 ， 结合酸岩反应残 余物对岩屑进行定量分析以确定岩屑岩性。③含油 性确定。对岩屑进行氯仿浸泡， 在荧光灯下可及时 鉴定岩屑的含油性。 四、 空气锤研 究及应用 空气锤是用于气体钻井的一种工具。空气锤钻 井兼具普通气体钻井和冲击 回转钻井的优点， 转速 低 、 扭矩小、 钻压小， 降低了钻具循环应力和磨损， 机 械钻速一般比牙轮钻头回转钻井高 ， 节约了钻井时 间和成本 ， 钻硬地层时优点突出， 解决了普通气体钻 井中不能在快速钻进时控制井斜 的问题 ， 特别是对 于高陡构造 ， 但存在不易划眼的问题 卜[ 。空气 锤有一定的使用条件 ， 一般适用坚硬的无破碎地层。 在使用空气锤钻井时， 井底应干净无杂物 ， 避免损坏 钻头的保径齿 ， 否则不能有效地降低钻头的摇摆或 振动 ， 起不了防斜作用 。 目前 ， 空气锤方面的研究主要是开发各种空气 锤及其应用技术。K Q C系列空气锤是近年来研发 的一种空气锤 图 1 引。 该空气锤采用无阀式中心排气结构 ， 保证足够 气量直达井底。配气气路简单 ， 减少了气体压力损 2 2 钻 采 工 艺 DRI UL I NG ＆ P R0DUC 丌ON T ECHN0L0GY 2 0 0 9年 3月 Ma r c h 2 o o 9 失 ， 提高了冲击效果 。同时 ， 该空气锤具有承受大耗 气量和耐高温高压的能力 。K Q C系列空气锤先后 在玉门和四川的气体钻井 中应用 ， 机械钻速 比钻井 液钻井高 5倍以上 ， 比牙轮钻头气体钻井高 0 ． 5～ 1 ． 0倍 ， 能有效 降低井斜。大庆古深 2井采用空气 锤进行气体钻井 ， 机械钻速达 l 2 ． 7 m ／ h ， 极大缩短 了钻井周期 。普光 P 2 2井 、 P 4 2井和四川七 里白 1 0 1 井等均采用空气锤钻井技术 ， 极大提高 了 机械钻速 七里北 1 0 1井高达 1 7 m ／ h ， 井斜控制 良 好 ～ E 2 o ] 。 图1 K 0 0 1 8 0 型空气锤的结构示意图 1 后接头 2 逆止阀 3 配气座 4 气缸 5 外套管 6 活塞 7 尾管 8 保持环 9 ‘t-H⋯ J ,, 五、 结论与展望 对于最优注气量计算 ， 主要是考虑各种 因素的 影响， 对 目前常用的 A n g e l 模型进行修正， 提高计算 值的准确性 ； 对于井壁稳定性 ， 主要是研究各种因素 对气体钻井 中井壁稳定性的影 响规律 ， 为 防治对策 提供依据； 对于录井 ， 探讨气体钻井对录井的影响， 发展录井新技术并对 常用录井技术进行综合运用， 改善对岩屑 、 地层解释的准确性 ； 对于空气锤钻井技 术 ， 开发适应各种条件的空气锤 ， 推广其应用 ； 对于 钻具 柱 失效 ， 研究其失效原 因和机理 ， 为防治措 施提供依据。 今后 ， 在气体钻井方面 ， 需进一步加强防止井壁 失稳和钻具 柱 失 效措施研究 ， 结合 现场应用 情 况 ， 进一步修正最优注气量模型 ， 开发适合气体钻井 的录井技术与配套设备 ， 积极推广空气锤钻井技术 ， 为油气 田的快速安全钻井提供保障。 参 考文献 [ 1 ] 舒尚文， 侯树刚， 胡群爱 ， 等． 气体钻井技术提高普光气 田钻井速度研究[ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 0 6 45 ， 1 2 ． [ 2 ] 石建刚， 陈一健， 谢双喜． 气体钻井井眼净化程度判断 方法探讨[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 4 5 7 [ 3 ] 李怀科， 鄢捷年， 李志勇， 等． 空气钻井中气体体积流量 的计算两种不同体积流量准则的比较[ J ] ． 钻井液 与完井液 ， 2 0 0 8 ， 2 5 3 1 3 ． 『 4 ] 袁兆广， 周开吉， 孟英峰， 等． 气体钻大斜度水平井最小 注气量计算方法研究[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 7， 2 7 4 6 5 68． [ 5 ] 蒋宏伟 ， 邢树宾， 王克雄 ， 等． 空气钻井最小注气量和地 层出水量关系研究[ J ] ． 大庆石油地质与开发， 2 0 0 8 ， 2 7 2 1 0 61 0 9 ． [ 6 ] 毕雪亮 ， 陶丽杰， 翟洪军， 等． 空气钻井最小流量计算的 修正模型[ J ] ． 断块油气田， 2 0 0 8 ， 1 5 2 8 68 7 ． [ 7 ] 王存新， 孟英峰， 姜伟， 等． 气体钻井中井眼温度变化及 其对注气量的影响[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 7 ， 2 7 1 0 6 7 6 9． [ 8 ] 陈志学． 气体钻井工艺技术理论及应用研究[ D] ． 西南 石油大学工程硕士学位论文， 2 0 0 6 ． [ 9 ] 张杰， 徐安建 ， 李翠楠， 等． 泥页岩水化对气体钻井井壁 稳定性 影 响 规 律 研 究 [ J ] ． 石 油 钻 采 工 艺 ， 2 0 0 8 ， 3 0 2 4 6 4 9 ． [ 1 0 ]李荣 ， 孟英峰， 汪绪刚． 气体钻井中泥页岩地层遇水时 的井壁稳定性研究[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 1 3 58 ， 1 5． [ 1 1 ]张建国． 气体钻井井壁稳定性问题研究 [ J ] ． 化学工程 与装备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 4 5 1 5 4 [ 1 2 ]项德贵， 孙梦慈， 陈志学． 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