气体钻井技术及现场应用(共16页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第五届全国钻井院所长会议论文气体钻井技术及现场应用吐哈钻采工艺研究院2005年8月26日专心-专注-专业气体钻井技术及现场应用吕金钢 张克明 李建忠 秦 静吐哈钻采工艺研究院 新疆鄯善火车站 摘要 气体钻井技术由于其多方面的优势，在国际石油钻井市场上发展迅速，最近几年，全球范围内得到广泛应用。2003年以来，吐哈石油勘探开发指挥部承担了多项中国石油天然气集团公司气体钻井方面的研究和现场试验项目，进行了大量气体钻井技术的室内研究，并进行了玉门青西地区窿14井空气雾化泡沫钻井、吐哈红台地区红台2-15井纯氮气全过程欠平衡钻井、吐哈三塘湖地区马14井充空气钻井等多口井的现场

2、应用，取得了良好的应用效果，体现了该技术良好的应用前景，促进了该技术的进一步推广应用。关键词：气体钻井 欠平衡钻井 钻井方式 全过程 储层伤害 油气采收率 单井产量 空气锤 空气螺杆 雾化泵 现场试验一、气体钻井技术简介气体钻井技术就是采用以气体为主要循环流体的欠平衡钻井技术，相对于常规钻井，其优势主要表现在保护和发现储层、提高油气产量和采收率、提高钻井速度、减少或避免井漏等方面的优势。（一）气体钻井方式1、纯气体钻井目前普遍应用的有2中，一是纯空气钻井，二是纯惰性气体钻井。纯气体钻井井底压力当量密度可降低到0-0.05g/cm3；环空返速要求最低为15m/s。（1）纯空气钻井。主要应用在提高

3、非储层段的机械钻速和对付非储层段井漏上，钻遇油气层时井下着火和爆炸的可能性极大；要求钻进的井段没有水层或地层出水较小；工艺相对较为简单。（2）纯惰性气体钻井。包括氮气钻井、天然气钻井、柴油机尾气钻井等，应用在油气层段的钻进，目的是为了避免储层伤害，可及时、无遗漏的发现和评价油气层，提高单井油气产量和采收率。2、雾化钻井可进行空气雾化钻井（存在井下爆炸的危险，在非油气层段应用）和惰性气体雾化钻井。同时通过注入管线向井内注入气体和发泡胶液，利用高速气流将注入的液体雾化，目的是在地层出水较小时提高流体的携岩能力，满足井底携砂要求，其注入的气量和压力都比纯气体钻井要大。3、泡沫钻井有稳定泡沫和硬胶泡沫

4、两种，泡沫钻井一般都采用空气作为气基。同时通过注入管线向井内注入较小排量的空气和较大排量的发泡胶液，形成细小稳定的泡沫，气液比一般在1000-200：1之间，连续相为液相。其优点是需要气体排量小（只需纯气体钻井一半左右）、密度低、滤失量小、可防止井下爆炸、对油气层伤害小、提高机械钻速、携岩能力强（为常规钻井液的10倍）；缺点是泡沫回收难度大、回收率低、发泡材料昂贵，成本较高。4、充气钻井液钻井将空气或惰性气体注入和钻井液同时注入井内来降低流体液柱压力，以钻井液为连续相的钻井循环流体。密度可根据充气量来调节，其液柱井底压力当量密度为0.70-0.80g/cm3左右较为合适；环空速度须达到0.8-

5、8.0m/s；地面正常工作压力为3.5-8.0Mpa；在钻进过程要注意气液的分离和钻具防腐等问题。 5、气体钻井方式之间的转换对气体钻井危害最大的就是钻遇井下高含水地层，当井下出水时，会出现钻头破碎的岩屑中的泥岩水化后抱团，粘附在井壁和钻具上，形成泥饼环，堵塞环空通道；环空中的循环气体需要将地层出水雾化并带出地面而做功，导致注入压力升高，流量不变的情况下，压力升高则流速减慢，不利于携岩等不利于气体钻井问题。但是，如果井下没有出水，钻具和井壁之间的摩擦阻力将会随着钻井井段的增长、井斜的增大而增大，因此需要根据井下的情况而转换成更有利于安全钻井的气体钻井方式。通过现场试验，总结了几条气体钻井方式的

6、转换原则：（1）如果地层出水小于1.0m3/h，扭矩小于20000Nm，增大气体排量能满足携岩要求时，采用纯气体钻井；如果增大气体排量不能满足携岩要求时，转为雾化钻井；（2）如果地层出水大于1.0m3/h而小于5.0m3/h，则转为雾化钻井；（3）如果采用雾化钻井，扭矩仍然大于20000Nm，则转为泡沫钻井；（4）如果地层出水大于5.0m3/h，则转为泡沫钻井。（5）如果采用泡沫钻井，扭矩仍然大于20000Nm，则转为常规钻井。 （二）气体钻井设备1、气体注入设备气体注入设备主要有空压机、增压机、制氮车、液氮泵车、邻井天然气、柴油机尾气发生装置等。2、液体注入设备目前，注入液体的设备一般采用雾

7、化泵、水泥车和钻井泵。雾化泵、水泥车用于注入小排量的液体，如果气体钻井过程中携带困难，转盘扭矩增大，需要转化为雾化钻井或泡沫钻井时使用；钻井泵用于充气钻井时向井内注入钻井液。3、压力控制系统由井口装置、节流管汇、放喷管线、排砂管线、岩屑取样器、点火装置、防回火装置等设备组成。井口装置要求在标准井口的基础上，加安装旋转控制头或旋转防喷器，主要起三方面的作用，一是井眼环空与钻台之间的封隔；二是提供安全有效的压力控制；三将井眼返出流体导离井口。目前国内外已生产出系列动密封压力级别从3.5MPa到21MPa、静密封压力从5 MPa到35MPa的旋转控制头，基本能满足各种情况下的气体钻井。气体钻井过程中

8、井口始终敞开或控制的井口回压一般小于2MPa，旋转控制头需要承受的压力很小，所以对其选型没有特殊要求。4、井下工具为了安全钻井，气体钻井需要在钻具上安装浮阀等特殊工具。（1）浮阀，安装在钻头或井下动力钻具之上，一般安装2个，防止空气、钻屑倒流和钻头堵水眼。（2）单流阀，配合旋塞阀使用，安装在钻杆顶部，主要是为了缩短接单根时的放气时间和注气时间，防止钻头埋砂等复杂的发生。（3）蝶阀，功能与单流阀相同，其特点是可通过测井仪器，钻进过程中需要测井时不须起钻将其取出。（4）斜坡钻杆，全过程欠平衡钻井时需全井段使用，防止钻杆接箍过旋转控制头胶芯时将其损坏。（5）六方方钻杆和六方方补芯，减小方钻杆对旋转控

9、制头内胶芯的磨损。5、带压操作设备为了满足全过程气体欠平衡钻井，需要在起下钻、下套管、下油管、测井等施工过程中进行不压井作业，主要是使用特殊的设备来满足带压操作的安全。（1）带压起下井内管串装置，在井眼环空有较小的压力时，利用井口装置密封钻具，强行起下井内管串。其优点是起下钻时临时安装在钻台上，当起出或下入的钻具悬重大于因地层压力造成的上顶力后便可不使用，操作简单，可重复使用。缺点，无法下入长而复杂的钻井、完井管串，如筛管等，只适用于裸眼完井。（2）井下套管阀，也称为井下封井器，安装在气体钻井井段的上一层套管中，在下入技术套管的同时下入一根控制开关寄生管，开和关由地面控制系统控制。安装位置可通

10、过下入的复杂管串的长度、重量、地层压力等因素进行调节。其优点是安装简便，操作简单，起下钻作业时间基本不增加；允许下入长而复杂的钻、完井管串。缺点是不可重复使用，成本高。（3）带压测井装置，安装在旋转控制头之上，通过密封测井电缆来实现带压状态下测井仪器的安全起下。（三）气体钻井工艺流程1、纯气体钻井图1 纯气体钻井工艺流程示意图2、雾化钻井图2 雾化钻井工艺流程示意图3、充气钻井图3 充气钻井液钻井工艺流程示意图二、气体钻井技术现场应用情况（一）玉门青西地区窿14井空气钻井现场试验窿14井位于玉门青西地区窟窿山构造，属山前构造带，倾角大（37-75），倾向变化小，自然造斜力强。岩石硬度大、研磨性

11、强，对钻头牙齿和稳定器磨损严重。地层含砾、破碎，蹩跳严重，钻具极易损环。可钻性差，室内实测牙轮钻头为7.3级，PDC钻头大于10级。近年，进行了井身结构优化、钻头选型、复合钻井、高陡地区井身质量控制等多方面的技术研究和应用，在一定程度上提高了钻井速度，但钻井速慢、钻井周期长等问题仍然很突出，2000年平均井深4599m，平均周期204天，2001年平均井深4641m，平均周期199天，2003年完钻的窿9井，完钻井深4500m，钻井周期长达708.35天。该井进行气体钻井技术试验的主要目的是探索一条提高该地区钻井速度的新途径，提高油气勘探开发综合效益。1、基本情况表2 窿14井气体钻井本情况数

12、据表序 号项 目数 据1二开气体钻井开钻日期2004年11月2日23:302试验完成日期2004年12月17日20:003钻井试验周期（天）45.54空气雾化泡沫完钻井深（m）2670.025钻井井段长（m）空气钻井98.63雾化钻井973.56泡沫钻井239.83合计1312.026平均机械钻速（m/h）4.167最大井斜（）10.32、主要设备表3 窿14井气体钻井现场使用主要设备序号设备名称数量规格型号使用情况1顶驱1台DQ60P 损坏16次，损失196h2空压机2台LMF-70/150DS高低压一体机 1台正常，1台气举后损坏，不能使用3空压机4台英格索兰1070型低压空压机 1台不能

13、使用4空压机1台Cooper40X-80高低压分体机 低压部分使用15天后损坏、现场无法修复5制氮车1台NIPU-900正常6井口控制系统1套williams7100ep排砂管线23次刺穿7空气锤1支197mm工作寿命9h8空气螺杆1支180mm工作寿命11h9空气震击器1支177.8mm震击后现场不能复位10雾化泵1台排量18-360Lmin，压力20MPa正常3、施工简况表层中完后在二开的241.3mm井眼进行空气钻井试验，历经45.5天钻至井深2670.02m，气体钻井井段为13582670.02m，段长1312.02m，其中1358-1456.63m井段进行了空气钻井技术试验，1456

14、.63-2430.19m井段进行了雾化钻井技术试验，2430.19-2670.02m井段进行了泡沫钻井技术试验，并在1392.4-1456.63m井段试验了空气锤，2255.862335.8m井段试验了空气螺杆，全井段试验了空气减震器、雾化泵等国产的设备和工具。4、应用效果跟邻井相比窿14井气体钻井井段最高机械钻速达到97m/h较高，平均为4.16m/h（如图4和表4所示），是邻井相同井段的2倍以上，但并没有取得预期的效果，主要原因有三个：一是为探索提高机械钻速的途径，逐一试验了多项技术和多种国产工具；二是在进行空气锤钻井时井斜已增大到3，致使全井段空气钻井过程中以控制井斜为主，被迫轻压吊打，

15、钻压基本控制在20-30KN；三是地层软硬互层多，在夹层中钻进时，机械钻速非常慢，最慢时只有0.10.4m/h。但重要的是，该井试验了多种气体钻井技术和国产化工具及设备，为以后的气体钻井积累了丰富的经验和教训，推动了吐哈油田气体钻井技术的发展。图4 窿14井气体钻井实时录井机械钻速变化图表4 窿14井气体钻井钻头指标数据序号钻头型号钻进方式钻进井段（m）进尺（m）钻压（t）纯钻时间（h）机械钻速（m/h）0HJ517G转盘1358.001392.4034.40125.056.811空气锤空气锤1392.401456.6364.23127.638.422HJ537G转盘1456.631642.0

16、0185.372326.836.913HJ537G转盘1642.001977.13335.134671.924.662HJ537G转盘1977.132160.00182.872334.575.294HJ517G转盘2160.002255.8695.861235.952.675GP536D复合2255.862335.8479.981211.137.19续表45GP536D转盘2335.842430.1994.351232.232.936HJ517G转盘2430.192570.42140.231356.022.507HJ517G转盘2570.422670.0299.602434.432.89合计平

17、均1358.002670.021312.02202.23315.76/50.514.16（二）吐哈地区红台2-15井氮气钻井吐哈红台地区已钻井30多口，由于地质条件复杂，地层压力低，储层以泥质胶结为主，水敏性强，孔隙间连通性差，尽管钻井过程中油气显示非常活跃，经大型压裂后，获工业气流的只有4口井，而工业油流则为0。为了确切了解该地区J2s储层产能情况，决定试验全过程欠平衡钻井、完井工艺技术。1、基本情况表5 红台2-15井氮气钻井基本数据表序 号项 目数 据1三开气体钻井开钻日期2005年6月17日2三开气体钻井完钻井深2420m3三开气体钻井完钻日期2005年6月20日4试验完成日期2005

18、年6月22日5气体钻井井段2294-2420m（段长126m）6气体钻井纯钻时间9.83h7气体钻井平均机械钻速12.83m/h2、主要设备表6 红台215井氮气钻井现场使用只要设备序号设备名称数量型号规格使用情况1旋转防喷器1套MSPDRILEX动密封压力17.5MPa，静密封压力35MPa使用过程中液控系统漏油2不压井起下钻装置1套S-15举升重量70吨，下压重量70吨液缸行程3.5m正常3制氮拖车4台NPIU900额定排量15m3/min额定压力35 MPa正常4液氮泵车2台NBXVT180额定排量15-180m3min，额定压力105MPa正常5液氮罐车3台20m3/台正常3、施工简况

19、采用152.4mmHJ517三牙轮钻头，自2294m三开开始氮气钻进（钻压40KN，转速65rpm，注气排量50m3/min左右，立压4MPa）钻至井深2320m排砂口返出天然气，自动点火成功，火焰呈蓝色、橘红色，火焰高达3.5m；钻至井深2375m火焰顶部出现浓烈的黑烟，注入压力升高到5-6MPa，判断为地层出油；为有效携岩，将排量增加至70-80m3/min,随着井深增加火焰不断增高，最高可达2530m；井深2420m氮气钻井完钻后，进行第二次环空中途测试。不压井下入73mm油管至井深2288m，安装采油树完井。4、应用效果该井在钻井完井过程中进行了两次环空中途计量测试，完井后又进行了一次

20、完井计量测试。第一次环空中途测试，关井40min后压力升至4MPa，10mm油嘴求产，测算日产天然气5.8万方，无阻流量8万方/天；第二次环空中途测试，关井90min后压力升至4MPa，10mm油嘴求产，测算日产天然气6-8万方，日产油50-80m3左右；完井测试，6mm油嘴求产，套压14MPa，油压12MPa，日产天然气4-5万方，日产油50-80m3 邻井红台204井、红台2-13井、红台2-10井相距均500m左右，日产油均不足5m3。（三）三塘湖地区马14井充空气钻井液钻井1、基本情况表7 马14井充空气钻井钻井液欠平衡钻井基本数据序 号项 目数 据1三开充气钻井开钻日期2005年7月

21、20日2三开充气钻井完钻井深2150m3三开充气钻井完钻日期2005年7月22日4气钻井井段1883-2150m（段长267m）5充气钻井纯钻时间35.3h6充气钻井平均机械钻速7.56m/h2、主要设备表8 马14井现场使用的主要设备序号设备名称数量型号规格使用情况1旋转控制头1套Model7100EP动密封压力17.5Mpa，静密封压力35MPa正常2空压机2WC10/350额定排量10m3/min，额定压力35MPa正常续表83空压机1WC10/250额定排量10m3/min，额定压力25MPa正常4随钻环空压力监测仪PWD1套额定工作温度150，额定工作压力100MPa；正常5气液分离

22、器1台NQF8/07额定工作压力0.7MPa、最大泥浆处理量120m3/h,最大气体处理量1350m3/h正常3、施工简况技术套管下至井深1883m，采用216mm钻头自三开开始充气钻进,钻压80KN，转盘转速75rpm，钻井液排量8L/S，泵压4Mpa左右。注气排量25m3/min左右，注入压力3MPa左右。钻井液密度为1.05g/cm3，粘度44s,API失水4.8mL。4、应用效果井底环空压力实测结果（如表8所示）显示，在井深2080m储层段后环空当量密度基本为0.7g/cm3左右，而该井的储层孔隙压力当量密度为0.8g/cm3左右，说明已经达到欠平衡钻井的效果，真实地评价了地层。表9

23、马14井欠平衡钻井实测环空压力井深(m)20802090210021102120213021402150环空压力(MPa)14.2214.2614.2814.3014.6814.9015.0016.16井底压力当量密度（g/cm3）0.6970.6960.6940.6920.7070.7140.7150.767（四）吐哈地区红台2-17井和红台7井氮气钻井为了气体钻井技术的进一步成熟和完善，吐哈油田将于2005年9月在红台地区进行红台2-17井和红台7井两口井的纯氮气全过程欠平衡钻井应用。其中红台2-17井为大斜度定向井，氮气钻井井段采用152.4mm钻头以63的井斜角钻穿三间房组2200-2

24、350m井段的6个气层，最后不压井下入割缝管和油管完井。该井拟采用4台900型制氮车、2台液氮泵车和100m3液氮组成供气系统；采用MSPDRILEX17/35旋转防喷器和177.8mm套管阀为井口压力控制。红台7井氮气钻井将在139.7mm套管内从井深2900m开窗侧钻进行氮气钻井，采用118mm钻头钻穿2934-2985m井段的2个气层，求产后下入油管，裸眼完井。该井供气系统拟全部采用液氮及液氮泵车来完成。三、技术要点1、地层出水处理气体钻井时地层出水会导致裸眼的泥页岩水化膨胀，造成井眼缩径或高速气流冲刷井壁，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。地层出水目前尚无有效的对

25、策，主要采取以下方法来对付： （1）增大注气量，将地层水雾化后带出地面； （2）增大注气量的同时，向井内注入发泡胶液，转换成雾化钻井； （3）降低注气排量，增大发泡胶液注入量，转换成泡沫钻井； （4）测准出水地层，打水泥塞堵水。窿14井从井深1358m空气钻井开始就发现地层出水，随着井深的增加，出水量逐渐增大，每次下钻到底均要进行长时间的举水作业。岩屑粘附在钻具、井壁和套管壁上，形成厚实的泥饼环，起钻时在套管内大段遇阻；裸眼段泥页岩水化膨胀井眼缩径，井壁坍塌掉块等。该井地层出水采取的主要对策有：及时在注入的空气过程中注入泡沫胶液，转换成雾化钻井提高携带能力，雾化钻井不能满足携岩时增大泡沫胶液的

26、注入量和适当的减小空气排量，转化为泡沫钻井。优化泡沫胶液配方，提高泡沫质量，并在其中加入粘土抑制剂，抑制地层中的泥页岩水化膨胀，防止井眼缩径和井壁坍塌。及时进行短拉，破坏已形成的泥饼环和缩径井眼。2、井斜控制 气体钻井井斜控制难度非常大，井斜控制技术在国外尚未有较深入的研究，我国在气体钻井控制井斜方法上，主要是采用轻压吊打等牺牲机械钻速的方法。我们分析，造成井斜的原因主要有：气体钻井工具造斜规律不清楚，空气锤、空气螺杆等工具的造斜规律尚未有较系统的研究。在井斜存在的情况下，钻具靠在下井壁上，造成下井壁的空气流动速度减慢，下井壁的钻屑无法及时被带走，将钻头“垫”向上井壁，造成井斜越来越大。高流速

27、气体冲刷井壁，井径扩大严重，稳定器不起作用。窿14井二开空气雾化钻井井斜控制难度非常大。钻井过程中使用203mm、图5 窿14井气体钻井井段井斜变化趋势图177.8mm钻铤、“21”、“单2”和“单3”等8种钻具组合、轻钻压、高转速钻进，但井斜仍增加较快，空气雾化钻井井段最大井斜10.3，对应井深2308m。控制井斜的对策主要采用了两种:发生严重井斜后，采用203mm钻铤、“单3”钟摆强稳斜钻具组合，配合轻压吊打，井斜增加的趋势明显下降。在使用强稳斜钻具组合井斜仍然有增加的情况下，采用203mm钻铤、“21”结构双稳定器降斜钻具组合，配合轻压吊打，起到了较好的稳斜效果。3、保证气量（1）气体钻

28、井过程中应该使用专用的气体发生装置，保证设备的正常运行。 （2）气体发生装置应考虑功率损失，如海拔、低气温和高气温的影响，没有备用设备，坚持不开钻。 （3）根据供气量和携岩的情况，灵活掌握钻井方式的转换。窿14井使用的空压机组共8台套，额定总排量为245m3/min，由于海拔高（2911.47m），再加上钻井过程中部分空压机多次损坏和出现故障，空压机组实际排量只有120m3/min左右与设计排量140m3/min相比供气量严重不足，地层出水后，不能满足岩屑携带要求，严重时井口无岩屑返出。在无法现场维修损坏设备和补充新设备的情况下，采取的主要对策是根据井下情况及时在空气中注入发泡胶液，提高循环流

29、体携岩能力。4、井口校正 井口偏斜可能造成旋转控制头内胶芯造成偏磨，严重时可能密封失效，气体窜上钻台，导致钻井失败；不压井起下钻装置校正困难，上下卡瓦难以卡紧等不利用气体钻井的因素。 窿14井井口、转盘、大钩偏离12cm，造成了更换旋转控制头胶芯频繁，共使用胶芯8只；红台2-15井偏离8cm，导致不压井起下钻装置使用非常困难。5、气体钻井后续工艺技术 气体钻井完钻后，后续工艺显得尤为重要，直接影响下部井段的安全钻井，最简单也是最有效的方法是下入套管封隔。如需要在同一裸眼段进行气体钻井和常规钻井时，必须应严格控制钻井液滤失量和防塌护壁能力。转换成常规钻井后必须坚持划眼和通井，直至井眼畅通无阻才能

30、恢复钻进。五、结论和认识1、气体钻井对出水地层适应性差，应结合井身结构、地层优选等手段尽量避开水层。2、气体钻井技术应用前的论证和区域、井位的选择、储层特征分析、设备配套等至关重要，直接影响到气体钻井施工的成败及其优势的发挥。3、气体钻井在小钻压下能有效地提高机械钻速，为难钻地层提高钻井速度提供了一条有效的新途径。4、使用空气锤、空气螺杆等气体钻井工具充分体现了其提高机械钻速方面的优势，使用寿命问题有待于进一步研究和现场试验。5、在没有新的井身质量控制方法之前，高陡构造气体钻井控制井斜与提高钻速矛盾突出，目前只能采取轻压吊打等牺牲机械钻速的方法来解决。6、气体钻井技术对储层伤害小，非常有利于提

31、高低压、低渗储层的油气层发现和成倍的增加单井产量。红台2-15井氮气钻井的成功应用，使该地区储层产能情况有了新的认识，打破了红台油气田开发无工业油流的沉闷局面。7、窿14井气体钻井多项技术和多种工具的成功试验，揭开了气体钻井在吐哈油田勘探开发的新局面，在疙瘩台地区、哈密地区、三塘湖地区等储层物性极差的地区也将开展气体钻井进行勘探开发。8、气体钻井技术可进一步与水平井、大斜度井、套管开窗侧钻井等技术结合，在裂缝性储层、稠油油藏、浅层气、煤层气及老井等的勘探开发中推广应用。9、气体钻井成本较高，主要表现在进口的气体发生设备和井口压力控制等气体钻井专用设备上，应进一步将其国产化、产业化，以利于气体钻井的进一步推广应用。