气基流体空气钻井的应用技术.docx
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1、第 24 卷 增刊何纶等 :气基流体空气钻井的应用技术15底温度和压力决定 。但没有考虑钻屑之间或钻屑与井壁之间的相互作用 ,而这些作用会引起钻屑下沉速 度的降低 。从式 (3) 、式 (4) 可以看出 ,钻屑的自由下沉速度随钻屑直径的增加而加大 ,钻屑尺寸越大 ,要 带出钻屑所需的空气流速就越大 。同时 ,携带圆球形钻屑所需空气量比扁平状钻屑所需空气量大 。1. 3空气注入量的确定为了有效携带钻屑 ,需要预测地面空气注入速 度 ,而其与井眼大小 、井深 、机械钻速等有关 。国外研 究了多种预测方法 ,其中多数方法用于现场时都遇到 一个共同问题 ,这就是难以提供钻屑的形状和尺寸 。 同时还需要
2、知道井眼的几何形状 ,因为在井径扩大 处 ,环空空气流速会明显下降 ,携带钻屑的效果也会 下降 。Angel 提出了一种方法 ,该方法假设空气冲击 每粒钻屑的动能与空气在标准状态下给予钻屑的动 能是相同的 。目前该方法已广泛成为预测空气注入 量的基础 。利用 Angel 软件 ,以某井为例 ,计算了 311. 2 mm 井眼与 127 mm 钻杆环空 、井深为 500 m 、 机械钻速为 8 m/ h 、球形钻屑直径为 3 mm 时空气注入量与注入压力 、岩屑含量和岩屑运移速度的关系 ,分别如图 1 、图 2 和图 3 所示 。图 1 表明 ,随空气注入量增加 ,注入压力降低 ,最终趋于一个比
3、较恒定的值 ;图 2 表明 ,岩屑含量随空 气注入量的增加而下降 ,当空气注入量达到一定值后 ,岩屑含量变化趋势减缓 ;图 3 表明 ,空气注入量增 加 ,岩屑在环空的运移速度增加 ,当空气注入量达到 一定值后 ,运移速度呈显著上升趋势 。空气钻井时 , 对于 444. 5 mm 、 311. 2 mm 、 215. 9 mm 不同尺寸 的井眼 ,一般情况下的注气量分别为 180210 、1103150 、80120 m / min 。2气基流体( 空气 /雾液) 的循环系统空气钻井的流程大致是 :空气 空压机 增压机方钻杆 钻具 钻头 环空 井口 排砂管 排砂池 。在空气钻井作业中 ,需要将
4、压缩机系统的压缩 空气输送到钻机的立管管汇 ,因此就需要连接较大直径 (76101. 6 mm) 的钢管或软管 。这些连接管线的额定压力值应与增压机的最大压力相匹配或更高 。 此外 ,在这些连接管线中应安装相应的单流阀 、安全 阀和球阀 ,以保护压缩机和便于泄压 。在气体输入的 主管线上要连接一根旁通管线 (泄压管线) ,方便在接单根或需要时泄压 。旁通管线可以直接导流到排砂 管线 。另外在旁通管线与立管之间也需安装一条泄 压管线 ,用以在接单根前放掉立管和钻具内的压缩空气 ,以便压缩机在接单根期间保持运转 。旁通管线和泄压管线的直径一般为 50. 8 mm 。3空气钻井的应用效果在 20 世
5、纪 60 年代中后期 ,四川石油管理局在川图 1 注入压力与空气注入量的关系中 、川西南地区初次组织了空气钻井的试验研究和现场实践 ,取得了提高机械钻速和及时发现油气层的效 果 。但这一时期 ,由于存在大量技术问题 ,配套装备 和安全措施不健全 ,没有达到应有的效果 ,因而没有 形成一套完善的工艺技术 ,无法进一步开展试验工作 。20 世纪 90 年代后 ,四川 、新疆 、胜利 、长庆 、辽河 、 吐哈等油田陆续开设了气体钻井技术的科技攻关项目 ,开始加快发展应用气体钻井技术 ,以解决常规钻 井无法解决的钻井技术难题 ,同时气基流体空气钻井技术也随之蓬勃发展起来 。3. 1东升 1 井 针对井
6、眼尺寸大 、裸眼段长 、可钻性差 、易发生断钻具等事故的特点和难点 ,以及为解决钻速低的难题 ,东升 1 井采用了空气钻井技术 。该井在 311. 2 mm 井眼 (7003276 m 井段) 使用干空气钻进 (该井图 2 岩屑含量与空气注入量的关系图 3 岩屑运移速度与空气注入量的关系钻井液与完井液2007 年 9 月16空气钻井至井深 3276 m ,由于裸眼段长 ,同时由于地层原因 ,钻具扭矩较大 ,造成钻具上提负荷较大 ,为防 止钻具事故的发生结束空气钻井) ,钻井进尺为 2576m ,占设计井深的 42 % ,钻进层位为沙溪庙地层 ,平均 机械钻速为 12. 3 m/ h ,是邻井七
7、里北 1 井 (用常规水 基钻井液钻井的机械钻速为 1. 2 m/ h) 的 10. 3 倍 。 东升 1 井钻速快且井径规则 ,平均井径扩大率为 6 % , 未发生井漏等复杂情况 。3. 2 正坝 1 井正坝 1 井二开时用无固相钻井液钻进 ,钻进过程 中连续多次发生井漏 ,漏速一般为 18. 551. 6 m3 / h 。 钻至井深 88. 92 m 漏速增大到有进无出 ,下钻到底未 探得液面 ,致使该井无法维持正常钻进 。后采用桥浆 、 水泥堵漏技术施工 7 次 ,均无效果 ,共消耗桥浆 140 m3 、水泥 75 t ,损失钻井时间 13 d , 随后改为空气钻井 。 从井深 150
8、m 开始出现水层 ,出水量为 10 m3 / h ,空气 钻井至井深 518 m ,顺利下入套管 ,空气钻井总进尺为379. 54 m ,空气纯钻井时间为 23. 92 h ,平均机械钻速为15. 9 m/ h 。而水基钻井液的机械钻速为 5 m/ h 。3. 3 龙 17 井针对 龙 门山 构造 龙 17 井井 眼尺 寸 大 ( 311. 2 mm) 、井下复杂的特点和难点 ,选择了在没有天然气的 井段 (16912111 m 井段 ,沙溪庙地层) 进行空气钻井 试验 ,试验井段平均机械钻速为 36. 6 m/ h ,与采用常规 钻井液相比 ,机械钻速提高了约 15 倍 ,未发生井漏等 复杂
9、情况 。其中 16911763 m 井段采用牙轮钻头钻 进 ,进尺 72 m ,机械钻速为 31. 8 m/ h , 17632111 m 井 段采用空气锤钻进 ,机械钻速为 37. 6 m/ h ,体现出了使 用空气锤进行气体钻井的优势 。3. 4 黄金 1 井黄金 1 井是为探索高陡构造空气钻井技术而进行 的一口气基流体空气钻井的试验井 。该井地层倾角达64,在 311. 2 mm 井眼用干空气钻至井深 2518. 18 m , 进尺为 1544. 18 m ,平均机械钻速为 7. 85 m/ h ,是相邻 构造类似井坡西 1 井的 4. 3 倍 。黄金 1 井最大井斜为14. 5,坡西
10、1 井最大井斜为 18. 9。通过该井的试验 ,在高陡构造上采用空气钻井见到了很好的提速 、防斜 效果 ,与邻井同井段比较 ,节约钻井周期 43 d ,为今后 高陡构造防斜打快降低钻井成本提供了很好的经验 。3 . 5 塔里木地区罗西 1 井罗西 1 井是塔里木盆地中央隆起塔东低凸起罗 西坡折带的一口预探井 。从邻井资料看 ,该地区中上奥陶系却尔却克组在用水基钻井液钻井时机械钻速极低 ,邻井米南 1 井和英东 2 井该段机械钻速分 别为 0 . 59 m/ h 和 0 . 55 m/ h 。为了提高该井段的机 械钻速 ,在该井应用了空气钻井技术 。该井空气钻进井段为 3555 . 7 3653
11、 m , 平均机械钻速为 9 . 85 m/ h ,与邻井米南 1 井相比 ,在相同层位 、岩性 、井眼 尺寸情况下机械钻速提高了 16 . 7 倍 。其中 35563606 m 井段钻压平均 10 t ,平均机械钻速为 14 . 78 m/ h 。使用牙轮钻头进行空气钻进时 , 钻速对钻压 十分敏感 ,当其它条件不变 , 钻压由平均为 10 t 降为平均为 8 t 时 ,机械钻速由 14 . 78 m/ h 降至 7 . 48 m/ h 。该井配套使用了空气锤 ,相对于牙轮钻头 ,在 提高钻速方面更具优势 。3 . 6 普光 D21 井普光 D21 评价井设计井深为 5506 m ,气基流体
12、 空气钻井井段为 564 3002 m ,进尺为 2438 m ,平 均钻速为 7 . 23 m/ h ,单只钻头平均进尺为 488 m , 与常规钻井 相比 钻井 周 期 缩 短 80 d , 节 约 钻 头 10 只 ,平均钻速提高了 45 倍 。此外 ,该井空气钻井 配套了空气锤 ,取得了防斜打直 、提高机械钻速的明 显效果 。普光 B22 井地层倾角大 , 属于斜地 层 , 在6003200 m 井段使用空气锤钻进 ,井斜控制在 2 以内 ,在实际应用中证明了气体钻井的防斜技术在 该井的实际应用中取得了成功 。3. 7 核桃 1 井核桃 1 井位于川西中新代凹陷低陡构造区三和 场构造群
13、 ,表层为蓬莱镇组 ,在 12. 5018. 25 m 井段 发生失返性井漏 ,累计漏失钻井液 245. 6 m3 ,用水泥 、 桥堵等常规堵漏方法共堵漏 3 次 ,均无效果 。该井配 套使用空气钻井专用设备 ,满足了 444. 5 mm 井眼 的空气钻井要求 ,出口管线采用 2 条 159 mm 管线 , 井口使用 2 MPa 旋转防喷器 ,空气钻井井段为 18. 2576. 80 m ,地层为蓬莱组 ,岩性为砂岩 、泥岩 、粉砂 岩 。钻井参数 :钻压为 1030 kN ;转速为 60 r/ min ;立压为 0. 81. 5 MPa ;空气排量为 8085 m3 / min ;钻至井深
14、30 m 井下出水 ,出水量为 10 m3 / h ,继续钻 至井深 76. 8 m ,由于井下形成泥饼环 ,起下钻阻卡严 重 ,转为空气泡沫钻井 ,钻至固井井深 300 m ,顺利下 入套管 。空气钻井平均机械钻速为 12. 4 m/ h ; 邻近 构造无 444. 5 mm 井眼 ,而 311. 2 mm 井眼的机械 钻速为 45 m/ h 。空气泡沫返至污水池 ,控制泡沫 的半衰期在 30 min 以内 ,再用电潜泵把破泡后的泡第 24 卷 增刊何纶等 :气基流体空气钻井的应用技术17沫基液回收到循环上水池 ,进行再利用 ,降低泡沫钻井费用 。在钻井过程中未出现地层漏失的情况 ,达到 了
15、利用气体钻井技术避免井漏的目的 。3. 8伊朗项目 伊朗项目空气钻井是中国首次在国外钻井市场实施空气钻井作业 。作业区块为伊朗南部位于 TAB2NA K 山脉的 TABNA K 气田 ,所钻地层多以碳酸岩 为主 。由于造山运动等多种因素使得该区块地层裂 缝 、孔隙极为发育 ,一般从井深 40 m 左右开始不断出 现井漏 ,大部分井段钻井液漏失极为严重 ,常规钻井液难以维持正常钻进 。但采用气基流体空气钻井有 效地避免了漏失现象的发生 ,钻井作业非常成功 。该 地区一般在三开 444. 5 mm 井眼采用空气钻井 ,所 钻地层从 IL AM 到 SA RVA K ,以页岩 、黏土质灰岩为 主 ,
16、该井段遇水极易垮塌 。四开 311. 2 mm 井眼采用空气 钻 井 , 所 钻 地 层 从 SA RVA K 到 N E YRIZ 地 层 ,以 石 灰 石 、白 云 岩 为 主 , 钻 至 FA HL I YAN 和 H I T H 地层井深 1200 m 左右开始有大段无水石膏和 盐水层出现 ,SU RM EH 地层有多个盐水层 ,该井段岩 石孔隙极为发育 。过去的钻井实践证明 ,在该地区普遍存在潜在性漏失层 。伊朗项目空气钻井设备概况 : 444. 5 mm 井眼 通常需要气量约为 180 m3 / min , 311. 2 mm 井眼需 要空气量约为 120 m3 / min ,空气
17、实际需要量与井深 和机械钻速有关 ,机械钻速越高 ,空气需求量也相应增大 ,因此空气设备在应用中可以做适当调整 。该项 目配套设备具有 300 m3 / min 的供气能力 ,11 台空压 机 (每台供气量为 27 m3 / min) ,5 台增压机 (每台供气 量为 60 m3 / min) ,满足了 444. 5 mm 井眼空气钻井 的需要 。伊朗项 目第 1 口 空气 钻 井施 工概 况 : 444 . 5 mm 井 眼 用 气 基 流 体 空 气 钻 井 的 井 段 为 25 . 00 956 . 00 m ,其钻井参数 :钻压为 50100 kN ;转速为70 r/ mi n ;泵压
18、为 2 . 353 . 15 M Pa ;空气排量为 240 m3 / mi n ,该井段空气钻井平均机械钻速为 10 m/ h 。 311. 2 mm 井眼空气钻进井段为 956. 001824 m , 钻井参数 :钻压为 70100 kN ;转速为 6070 r/ min ; 泵压为 1. 353. 15 MPa ; 空气排量为 140 m3 / min 。 安全快速钻至井深 1824 m ,由于地层出水严重 ,结束 空气钻井 ,改为气体型流体空气泡沫钻井 。气基流体空气钻井总进尺为 868 m ,平均机械钻速 13. 7 m/ h ,空气泡沫钻井进尺 639 m ,平均机械钻速 6. 6
19、6 m/ h 。4结论与认识11 气基流体空气钻井主要适用于钻井壁稳定 、坚硬的地层 、水敏性低压地层或易漏失的地层 ,但在油气层使用容易引起井下着火与爆炸 ,造成井下钻具 损坏 ,同时容易受到地层出水 、井壁不稳 、平衡地层压力困难以及需要专用钻井设备等因素的限制 。所以 干空气钻井不宜用在含有大量液体的井段 、高压油气层及含 H2 S 的地层 。采用干空气钻井必须在符合一 定地质 、工程 、设备等条件的情况下进行 ,同时必须按照设计和 HSE 要求进行钻井作业 。21 从试验与应用的情况来看 ,采用空气钻井 ,井 底为负压状态 ,使井底岩石三相应力状态发生了变 化 ,减小了压持效应 ,也利
20、于已破碎岩石离开井底 ,从 而大幅度提高机械钻速 。此外气基流体空气钻井形 成的负压差越大 ,机械钻速的提高率也就越多 ,通常干空气钻井的机械钻速是常规钻井的 36 倍以上 , 充空气和空气泡沫钻井的机械钻速是常规钻井的 2 倍以上 。同时 ,空气钻井避免了钻头岩石的重复切 削 ,可以减少对钻头的磨损 ,延长钻头寿命 ,从而减少 了钻头消耗 ,使得起下钻次数更少 ,缩短钻井周期 ,降低钻井综合成本 。31 空气钻井循环体系的当量压力梯度为 0. 0010. 90 g/ cm3 ,密度窗口范围很大 ,易于在各种地层 段实现欠平衡工况 。因此 ,空气钻井能在低压漏失带 减小或消除循环损失 ,从而减
21、少或避免井漏的发生 。41 一般来讲 ,采用空气钻井工艺技术钻井的井 眼尺寸越大 ,空气需求量也就越大 。目前实施的空 气钻井工艺流程可以满足漏失井的正常钻井工艺技 术要求 ,能够进行正常的岩屑地质录井 ,能克服常规 钻井井漏时不能 进行 岩 屑录 井的 缺 陷 。对 于大 井眼 ,若空气设备不足 ,可以采用空气泡沫或充空气钻 井工艺技术 。在井眼尺寸相同条件下 ,空气泡沫钻 井的空气需求量是干空气钻井所需空气量的三分之 一左右 ,这样可以减少设备的投入 ,且其机械钻速与 空气雾化钻井相差不是太大 ,同样有利于提高钻井机械钻速 。51 对于长井段可钻性差的坚硬地层 ,井壁相对 较稳定又无天然气
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- 关 键 词:
- 基流 空气 钻井 应用技术
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