气基流体空气钻井技术毕业设计

辽河石油职业技术学院 气基流体空气钻井技术2013 级钻井技术专业毕业设计（论文）题目： 气基流体空气钻井技术 学 号： 130100016 姓 名： 于清波 专 业： 钻井技术 班 级： 钻井一班 指导教师： 完成时间： 2015 年 月 日I摘 要过去，对气基流体(空气、雾化液等)作为气体钻井循环流体缺乏深入的理论研究和现场应用经验。为适应新的气基流体钻井方式及钻井工艺技术的进步，开展了气基流体空气的应用技术的研究。空气作为循环流体，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼，如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。介绍了气基流体空气的携岩机理、空气量的计算方法、空气循环系统以及气基流体空气、雾液在现场的应用效果、空气钻井国内外应用现状、优缺点及所用的设备.并阐述了空气钻井的一些关键技术,如钻具腐蚀问题、钻遇水层问题、固井等,最后介绍了空气钻井技术的改进技术 1.气体钻井技术就是以气体为主要循环介质的欠平衡钻井技术,主要有纯气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井液钻井 1。气体钻井在国外应用已相当广泛，主要用于加快钻速，发现和保护气层，在低压破碎地层用气体钻井可以解决长段井漏问题。气体钻井首次使用是在 19 世纪中期，美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井（包括煤层气）的钻探和开发上，特别是在阿巴拉契亚山脉地区新墨西哥圣胡安盆地西得克萨斯等油田和钻井液易漏失的洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用 2，截至 2000 年，美国约 30%的钻井和完井作业采用该技术，最深井 5791.2m2。关键词： 气体钻井;气基流体;空气钻井; 携岩机理 ;钻具腐蚀 ;钻遇水层 ;固井II目 录摘 要 .I目 录 .II1 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统 .11.1 基本概念 .11.2 空气量的大小与井眼净化的关系 .11.2.1 空气携岩机理 .11.2.2 钻屑形状与下沉速度的关系 .21.2.3 空气注人量的确定 .31.3 气基流体(空气雾液)的循环系统 .42 空气钻井简介 .52.1 空气钻井在国内外应用现状 .52.2 国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状 .62.3 空气钻井的优缺点比较 .72.4 空气钻井设备介绍 .72.5 气体钻井所必需的条件井眼条件 .93 空气钻井的一些关键技术 .113.1 空气钻井与钻具腐蚀 .113.1.1 腐蚀物质与腐蚀形式 .113.1.2 防治措施 .123.2 空气钻井地层出水限定值 .123.2.1 地层出水对空气钻井的影响 .133.2.2 地层出水后空气钻井方法 .133.3 空气钻固井技术实例 .163.3.1 平落 0065 井空井固井初探 .163.3.2 主要技术难点 .173.3.3 空井固井施工技术 .173.3.4 现场施工技术 .183.3.5 固井技术总结 .194 气体钻井技术的改进 .214.1 控制气体体系的压力 .214.2 控制压力钻井的目标 .22III4.2.1 液压系统 .224.2.2 气压系统 .224.2.3 气体流体钻井 误解 .234.2.4 没有适当控制井眼压力所造成的问题 .234.3 井下空气分流器(DHAD) .244.4 压力试验结果 .244.5 建议 .255 结 论 .26致 谢 .27参考文献 .28辽河石油职业技术学院 气基流体空气钻井技术11 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统1.1 基本概念气基流体空气钻井是利用大气中的空气或雾化空气流体作为钻井的循环介质，通过特殊的气体钻井配套设备(空压机、增压机、空气锤、旋转防喷器及连接管汇等)将空气注入井下再携岩返至地面来进行钻井的一种工艺技术。气基流体空气是由空气、干燥剂、防腐剂以及其它添加剂按一定的比例混合组成。干空气和充空气、空气泡沫流体钻井是可使地层压力小于 1.0 的地层实现欠平衡钻进的钻井技术，是目前使用较多的一种气体型流体。1.2 空气量的大小与井眼净化的关系气基流体空气钻井中使用的循环流体是空气，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼。如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。因而在空气钻井作业中，空气注入量(空气流速)是安全钻井的关键因素。1.2.1 空气携岩机理在空气钻井中，循环的空气对钻屑施加一个与钻屑重力方向相反的举升力，当举升力大于重力时，钻屑就沿井眼向上移动，相反钻屑就会沉降。由于钻屑自身重力不受空气流的影响，因而空气使钻屑向上运动有一个临界速度，当空气在环空中的流动速度超过临界速度时，钻屑就向上运动。如果钻屑的自由沉降速度为V t ，空气沿井眼环空向上的流速为V f ，那么钻屑向上的运动速度V c 可由下式表示：Vc = Vf-Vt (1-1)由公式(1-1)可知，钻屑的自由下沉速度越大，运移钻屑所需的空气流速越大。钻屑的自由下沉速度与钻屑直径、密度、形状和流体密度等因素有关。研究发现，球形微粒的自由下沉速度为：（1-2)2在公示（1-2)中：dc为钻屑直径，mm；C d为阻力系数； c为钻屑密度，gcm 3； f为流体密度，gcm 3。1.2.2 钻屑形状与下沉速度的关系携带岩屑的阻力系数与雷诺数有关，可由钻屑在流体中的运动速度确定。研究发现，在空气钻井中，环空中的空气一般为紊流，这时钻屑的阻力系数与流动速度无关，为一定值。但阻力系数受钻屑形状的影响，扁平状钻屑的阻力系数为1.4，角状及次圆状钻屑的阻力系数为0.8。结合气体状态方程，可推导出扁平状钻屑的自由下沉速度为：（1-3）次圆角状钻屑的自由下沉速度为：（1-4）式中：T为井底温度，K；P为井底压力，MPa。钻屑的自由下沉速度主要由钻屑直径、形状、井底温度和压力决定。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。从公式(1-3)、公式(1-4)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。1.2.3 空气注人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3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 311.2mm 井眼与 127mm 钻杆环空、井深为 500m、机械钻速为8mh、球形钻屑直径为 3mm 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 1-1、图 1-2 和图 1-3 所示。图1-3 岩屑运移速度与空气注入量的关系图1-2 岩屑含量与空气注入量的关系图1-1 注入压力与空气注入量的关系4图1-3 岩屑运移速度与空气注入量的关系图 1-1 表明，随空气注入量增加，注入压力降低，最终趋于一个比较恒定的值；图 1-2 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 1-3 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、11015O、8O120 m 3min。1.3 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(76101.6mm)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 mm3。52 空气钻井简介2.1 空气钻井在国内外应用现状空气钻井是欠平衡钻井的一个重要分支，与传统钻井液钻井相比具有明显的特征。空气钻井是指以空气作为循环介质进行欠平衡钻井，它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。空气钻井在美国及加拿大应用较为广泛。据文献记载空气钻井首次使用是在十九世纪中期，有文字记载的是1953年美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井(包括煤层气)的钻探和开发上。到70年代末，估计有10%的深井钻井和完井作业采用了空气与气体钻井技术。截止到2000年，据美国能源部统计30%左右的石油、天然气钻井和完井作业采用了该技术，最深井已钻达19000英尺，特别是在美国东部阿巴拉契亚山脉地区、新墨西哥州的圣.胡安盆地以及西得克萨斯的某些油田和那些钻井液易漏失的地区如洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用。美国能源部要求，到2005年用空气或气体钻井技术的油井要达到30%以上，美国年钻井33000口左右，也就是说到2005年将有10000口以上的油井采用空气或气体钻井技术。近年来空气钻井在我国也得到了一定程度的应用并取得了良好的效果。例如，玉门青西油田的隆9井一开后，所钻遇的地层均为逆掩推覆体地层，由于逆掩推覆体老地层倾角大，最大达到70 o。裂缝发育，斜、跳、慢是制约该井机械钻速的主要因素，平均机械钻速约为0.58米/小时左右，机械钻速很低。为了寻求硬地层井段提高机械钻速的新方法，降低勘探开发综合成本，加快隆9井推覆体井段钻井速度决定在2970至3300m井段采用空气(雾化)钻井枝术结果实验取得成功，机械钻速达到3.48-11.6米/小时左右，为原钻速的6-20倍。另外在长庆油田苏里格气田、四川油田的正坝1井、浅二井、长庆油田的陕242井、苏35-18井等等都曾采用过空气或气体钻井的方式，均取得了良好的效果。事实证明采用空气或气体钻井可大幅度地提高机械钻速，保护产层。同时在空气钻井工具上，我国也取得了突破性的进展。2001年，我集团公司国际工程公司在伊朗承包了欠平衡钻井项目，根据有关方面所设计的工程施工方案，需要空气或泡沫作为介质驱动螺杆钻具进行钻井作业。中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂联合组成课题组，承担了集团公司科技发展部下达的“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”项目，旨在开发用空气及泡沫作为钻井介质的新型螺杆钻具K7LZ244样机并形成产品，以解决伊朗欠平衡钻井项目的急需，并为国内今后的欠平衡钻井及空气钻井提供一种实用工具。经过双方人员的共同努力，样机研制获得成功，并已在伊朗项目中使用，获得较满6意的效果。2.2 国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状空气或气体钻井的理论研究第一个具有里程碑式的人物是D.J Martin，他于1952年发表的题为Use of Air or Gas as a Circulating Fluid in RotaryDrillingVolumetric Requirements的论文，首次提出用数学的方法来预估干空气钻井所需的气量。尽管当时他没有考虑环空岩屑的影响，但是他启发了人们使用数学的方法来解决空气钻井的若干问题。1957年，PHILLIPS公司的R.R.Angel给出了第一个实用的计算公式，在这个公式里，Angel把所需流量与气体的密度，井眼的大小、深度，钻柱的尺寸以及机械钻速关联起来。该公式的影响极其深远，此后所推导的包含各种考虑因素的公式皆是在该公式基础上的修正或引用。比如:1980年，Ikoko和Williams就是把该公式与砂岩、石灰岩和页岩的颗粒运移速度以及环空摩擦系数关联起来。1984年，W. C. Lyons总结了当时的各项公式，提出计算空压机和增压器所需功率的七个步骤，并与当年出版了第一版的Airand Gas Drilling Maunal。90年代早期，欠平衡钻井成为当时油气井钻井和完井工程的一项重要技术，同时空气与气体钻井技术的潜在经济效益和环保效益受到高度关注，促使他和同事于2001年再版Air and Gas Drilling Maunal 。近两年来国内外学者多把注意力放在环空携屑的研究上，例如Y. Masuda研究了泥浆钻井中弯曲井段环空携屑的规律并给出了控制方程; Liu Hu