气基流体钻井工艺技术研究.doc

概述伊朗是世界第五大产油大国，是OPEC组织的主要成员国之一，到2001年石油探明可采石油储量为186.8亿吨，剩余可采储量138亿吨，仅次于沙特、俄罗斯、美国和伊拉克。伊朗还是一个产气大国，已探明天然气可采储量为42万亿立方米，仅次于俄罗斯和美国，位居世界第三。探明天然气可采剩余储量为28.82万亿立方米，仅次于俄罗斯位居世界第二。 目前伊朗有生产井1272口，平均单井日产油量430吨左右。但仍达不到OPEC的配额产量。伊朗探明天然气储量占世界的16.2%，但产量只占2.8%。目前天然气的产量尚不能满足国内日益增长的消费需要，近年来，每年还需要从境外进口32多亿立方米的天然气。 2000年中石油（CNPC）长城钻井公司（GWDC）中标了伊朗西南部Varavi、Shanul和Gaden等三个气田的19口钻井和2口修井的作业项目，简称为192项目。该项目是一个交钥匙工程，基本工作量为19 口钻井和2 口修井，总进尺68400 米。后来由于伊朗国家石油部紧急计划的需要，该项目作业区域更改为Tanbak气田和Shanul气田。伊朗192钻井项目是CNPC 在伊朗中标的第一个钻井项目，也是伊朗伊斯兰革命后世界进入伊朗的第一个钻井项目。2001年12月26日开始进行第一口井TBK-2井的钻井作业，到2004年12月先后完成了Tabnak气田16口井的钻井，2口井的修井和Shanul气田3口井的钻井任务，在每口井的大约2600 米以上（Shanul气田3000米以上）的36、26、17-1/2、12-1/4大井眼井段全部采用空气和空气泡沫钻井技术，不仅克服了一系列的钻井技术难题，而且大大提高了钻井速度，取得了空气和泡沫钻井的实践经验。采用的固井技术有效的保证了严重漏失地层的全封固难题。先进的完井工艺和技术，使完井和修井作业更加简单和安全。目 录第1章 气基流体钻井工艺技术研究. .21.1构造特征和地质岩性. .21.2 技术难点.41.3空气/泡沫钻井工艺技术.51.4 空气/泡沫钻井地面设备及井下工具.131.5 空气/泡沫钻井技术措施 .261.6空气钻井设备安装规程.301.7主要设备操作规程.311.8 现场应用.371.9 完成井技术数据.381.10 结论 .39附录：实例 40第2章 天然气、空气、雾化和空气/泡沫钻井安全及环境保护操作规程.80第3章 空气钻井经济性研究.853.1 钻井合同概况853.2 中方执行钻井合同预算853.3 合同执行情况853.4 经济分析913.5 评价101第4章 空气钻井手册编制.102第1章 气基流体钻井工艺技术研究1.1构造特征和地质岩性Tabnak气田（见图1-1）位于伊朗Fars省南部的波斯湾北岸山顶上，北纬2703038030，东经520540。平均海拔高度为1200米，距波斯湾20公里，距最近省城Shiraz市500公里。Tanbak气田是一个海相沉积的开放性背斜，构造地表面积为长80公里、宽15公里。气藏埋深为32003500m。从山体表面到目的层，主要以灰岩和白云岩为主，页岩次之，石膏夹层较多，上部地层夹有燧石和黄铁矿。Laffan 和Kazhidumi 地层以泥页岩为主；Gadvan 以下地层的石灰岩和白云岩中夹有黑灰色、灰绿色和紫红色页岩，部分灰岩含泥质重。表1-1为T 构造地层和岩性。该构造由于受非洲大陆板块运移的挤压，裂缝和溶洞发育，裂缝间的连通性好，地层压力系数极低，有时甚至空气和泡沫都会出现完全漏失现象。根据我们的实钻情况统计，从井深560米至2500米共有4个水层，分别是淡水和盐水。随着地层的加深其盐水的含盐量从海水逐渐至非饱和盐水，盐水层最低地层压力系数为0.85，从2600m 左右到井底是产气层，压力系数0.75-0.91MPa/100m。当钻井液和地层孔隙之间存在正压差时，就完全漏失，或者先漏后喷（产层）并导致卡钻，风险较大。图1-1 TABNAK气田地表位置该气田于1998年9月29日由NIDC开始进行第一口井TBK-1井的钻井。使用泡沫泥浆和水基泥浆在钻进Laffan和 Kazhidumi地层时，曾先后2次发生严重卡钻事故，经过两次侧钻，最后用油基泥浆完成这两个层段的钻井。该井于1999年11月7日完井，历时405天。完井井深3345m。完井层位Nar。主要产层是Kangan和Dalan地层的上部。表1-1 TANBAK气田地质分层和岩性描述层位井深（m）海拔（m）厚度（m）岩性描述Gachsaran0+1128185浅灰、灰白色灰岩；上部白色硬石膏及灰白色云岩，底部为燧石结核灰岩，燧石含量35%。Asmari/Jah rum185+943530上部灰色、黄灰色灰岩夹浅灰色云岩（溶孔发育）及泥灰岩；下部为灰绿色泥质灰岩。Pabdeh715+41364灰绿色泥灰岩及泥质灰岩，泥质灰岩含泥质重，以绿泥石化为其特征。Gurpi779+34943橄榄灰色泥灰岩及灰绿色、黑灰色泥质灰岩。Ilam822+30669浅灰色灰岩。Lafan891+23724橄榄绿色泥岩。Sarvak915+21362黄灰色灰岩。Kazhdumi977+15152橄榄灰色、绿灰色页岩夹薄层泥灰岩Dariyan1029+99117黄灰色、灰白色灰岩，局部微含泥质，下部白垩化。Gadvan1146-1895上部是兰灰色泥灰岩，中部是灰白色、浅黄褐色灰岩，下部是深绿灰色泥质灰岩夹灰岩。Fahliyan1241-113163浅灰色、褐灰色灰岩，下部为浅灰色云岩夹燧石。Hith1404-27680灰岩层间夹硬石膏。Surmeh1484-356622灰色、浅灰色云岩夹灰褐色灰岩，下部夹薄层软石膏及黑灰色页岩。Neyriz2106-97848灰岩、白云岩、白云石质灰岩夹层。Dashtak2154-1026544浅黄褐色云岩，局部含泥质，白色软石膏夹灰绿色泥岩及浅灰色云岩，底部为紫红色页岩。Kangan2698-1570174灰色、浅灰色灰岩，鲕粒灰岩及云岩，溶孔发育，下部为深灰色泥质灰岩，为主要储层。U.Dalan2872-1744298白色灰岩，鲕粒云岩及鲕粒灰岩夹薄层页岩及石膏，溶孔发育，为主要储层。Nar3345-221710含灰岩和白云岩的硬石膏层Total Depth3345-2217-1.2 技术难点这一地区的钻井难度在世界上是有名的，漏、喷、塌、缩径、卡等难题贯穿于钻井作业的全过程。其主要难点表现在以下几个方面。由于裂缝和溶洞发育，全井从地表至目的层中的任何一点都有可能发生漏失，而每一次发生的漏失几乎都是完全漏失，无规律可寻；Laffan 和Kazhidumi两个泥页岩地层遇水膨胀、水化坍塌和缩径情况严重，恶性卡钻事故频繁；Gadvan以下的灰岩和硬脆性页岩互层，漏失和垮踏现象同时存在；高矿化度的地层水和石膏极易污染和破坏泡沫钻井液；井身结构复杂，井眼尺寸大，最大井眼直径为914.4mm，井眼清洁困难，常规的钻井设备很难满足井眼清洁要求。井身结构见表4-2。表1-2 TABNAK气田井身结构（TBK-2井）开钻顺序钻 头套 管尺寸(mm)井深(m)尺寸(mm)井 段(m)套 管 鞋 层 位1919.4187 7620184Base of Gachsaran Fm2660.48935080890Top of Laffan Mem3444.51040339.701035Top of Dariyan Fm4311.22455244.502450Dashtak Fm.Above Blue Zone5215.92705177.823302700Top of Kangan6152.4318512725803185Nar Mrm(Total Depth)伊朗192项目是CNPC在海外独立签订的第一个钻井工程总承包项目，为了保证项目顺利完成，长城钻井公司在集团公司科技局的指导下先后5次邀请包括工程院院士在内的全国知名钻井专家、教授就施工中可能出现的技术难题进行了反复论证，在综合评价多种钻井方案的基础上，最终优选出欠平衡钻井技术中的空气泡沫钻井技术解决施工中存在的主要技术难题。CNPC的领导非常重视伊朗192项目，曾多次听取伊朗项目的工作汇报，并作了重要批示，并将该项目的技术攻关立为CNPC的“十五”攻关项目。1.3空气/泡沫钻井工艺技术 1.3.1空气泡沫钻井技术概述空气/泡沫钻井技术是国外在五十年代初期针对坚硬地层和严重漏失地层而发展起来的钻井技术，它在保护油气层的钻进中得到了充分应用。空气钻井技术已被世界公认为是缩短钻井时间、降低钻井成本、解放油气层的一种实用技术。它包括空气（天然气）钻井和雾化钻井（钻井液密度0.02）、泡沫钻井（稳定泡沫钻井、硬胶泡沫钻井：钻井液密度0.78）和充气泥浆钻井（钻井液密度0.99）技术。空气钻井，最早于五十年代初出现在美国的犹它州。利用干空气高速循环代替了常规的钻井液循环，首先在数百米的浅井上应用成功。空气钻井技术一出现，就以它的高钻速和低成本吸引了石油钻井界，五十年代至六十年代在北美形成了发展高潮，具备了应用规模。专用的大功率空压机、雾化泵、井下空气锤、空气钻井专用钻头、井口旋转头等主要设备和工具都在这段时间得到发展和完善。在八十年代之前，空气钻井的主要目的是提高经济效益和克服某些钻井中的特殊困难，主要用于非储层井段。由于使用空气钻开油气层时存在井下燃爆的危险，因此当时不主张用空气钻井去钻储集层；一般钻至储层顶部时就转换为常规泥浆钻井。到了九十年代初，国际上应用空气钻井的目的开始发生转变：人们不只是单纯为了经济效益和克服某些钻井困难而采用空气钻井，而是更多地利用空气钻井的优点，将其与水平井技术相结合，为勘探、开发服务。其应用范围也得到了更大的拓展。1993年美国能源部统计报告指出：1992年美国空气钻井进尺数占当年钻井总进尺的16.7，有些区域空气钻井进尺比例超过了90。所谓泡沫钻井，其基本原理是在配置好的泡沫基液中（不同的地层将选择不同的泡沫基液配方）使用专用设备在地面经过机械方式强制发泡，使其在进入井眼环空前形成均匀、致密、粘度高、流动性和稳定性较好的泡沫流体。其质量系数Qm和体积系数Qv都可以根据实际需要经过人为的方式在地面进行调整，使其达到最佳工作状态和最好经济效益。泡沫钻井时不允许有游离的气体存在于井筒中，所以在进行泡沫钻井时气、液比的匹配就显得非常重要。当泡沫质量系数大于0.95时，泡沫将转换成雾化。其流态将会由层流转换成紊流。当泡沫转换成雾化后，其动切力和悬浮能力会直线降低，表现在泡沫的携岩能力明显下降。也就是说，当泡沫转换成雾化后，其携岩能力还不如相同气量的干空气钻井。所以在进行泡沫钻井时，一定要保持其合适的气液比，保证泡沫在井筒中处于相对稳定的层流状，也就是说保证液态能有效地对气态进行包被，尽量避免井筒中出现游离气体。所以泡沫钻井时，空气的过量增加对泡沫本身的携岩能力会起到反作用。泡沫的稳定性在很大程度上取决于正确选择表面活性剂的浓度和稳定剂的结构。1.3.2 空气泡沫钻井的优点和缺点空气/泡沫钻井的优点是非常明显的，而且其缺点也是不可克服的。其优点主要表现在以下几个方面：1） 大幅度提高机械钻速图11为L.W.库珀等人用印第安纳石灰岩试验的压差对钻速的影响曲线，从图中可以看出压差对钻速的影响极大。由于空气/泡沫的密度低，井内液柱压力达到最低值，使井底形成一个很大的负压，钻头在负压下旋转导致岩石爆裂、破碎，从而最大限度地提高了地层的可钻性。空气/泡沫钻井的机械钻速是常规钻井液的510倍。图12 压差对钻速的影响2)降低井漏的风险在压力低的地层，使用空气/泡沫作为钻井液介质由于其当量密度很低，它可以有效地解决地层漏失问题，免除堵漏和损失昂贵的钻井液和时间的花费。3)减少油层损害使用空气/空气泡沫钻井可以对油气层直接的连续测试，获取油气层的原始产能数据；它可以防止由于泥浆的侵入而造成的油气层的污染。4)保持井眼清洁由于泡沫具有高粘度、高切力和较高的返速，其携岩能力可达一般钻井液的10倍，它可以有效地清除井底的岩屑，避免岩屑重复切削，在大井眼使用更具优越性。5)钻头寿命长空气钻井要求环空返速必须达到15m/s（3000ft/min）以上，使钻屑完全快速地脱离钻头的切削部件，保证了井筒的快速清扫；另外，压缩空气在钻头环空迅速膨胀吸热，可有效冷却钻头，延长钻头寿命。6)有利于防斜打快由于井底岩石在负压情况下被“推”向井内，因此岩石 “破碎” 所需的钻压较小，一般为常规钻井的1/3即可。此钻压既满足了空气钻井的快速钻井的需要又满足了常规钻井的“轻压吊打”纠斜的要求，容易钻成垂直井眼。7)成本低由于空气（天然气）来源充足，且机械钻速高，大大缩短了钻井时间，已被世界公认为是一种降低钻井成本的好方法。空气/泡沫钻井的缺点也是非常明显的，其缺点主要表现在以下几个方面： 由于“液柱”压力较低，对地层压力的控制能力降低，支撑井壁防止其坍塌的能力差。因此空气/泡沫钻井作业一般只限于那些储层孔隙压力较低且井眼较稳定的地区； 空气钻井受空气供应限制，对付地层水侵入的能力有限；由于空气的润滑性能差，钻头直径磨损明显加剧。由于环空中含砂气流的高速冲蚀作用，钻杆的磨损会加剧，钻具的寿命会缩短。 空气/泡沫钻井不能用于高压油、气、水层地区。 由于泡沫钻井的特殊性，它所动用的设备和人力较常规钻井多。 1.3.3 空气钻井方式1)空气粉尘钻井空气粉尘钻井应用于坚硬的干燥地层，即地层中无水或碳氢化合物等流体流出的地层；也适用于无水的干燥的地热气流产层。空气粉尘钻井成功的关键在于要有足够大的空气排量，要保证携屑、清扫井筒的目的。五十年代R.R.Angel 编制了有名的Angel（安吉尔）曲线和空气排量表，即“空气和天然气钻井所需的气体体积表”，用下列公式根据井径、井深、钻具尺寸和机械钻速计算出所需的空气量。其公式为： Q 式中 ：a=，b= Dh=井径,ft Dp=钻杆外径,fte=2.71828,自然对数 G=环空温度梯度,F/fth=井深,ft K=钻速ft./hPs=地面读出的环空压力,psi Ts=出口温度, F Q=需要的循环排量,标准ft3 /min(60,14.7psi)S=天然气对空气的比重,无量纲 Vs=空气在标准密度下的速度,ft./minTav=井内环空平均温度, F 计算出的空气排量Q必须保证环空返速达到3000ft/min（15m/s）以上。公式考虑了钻屑对井下压力及流速的影响，公式中使用了Weymouth垂直流因子进行修正。在实际空气钻井作业中，空气钻井设备的实际工作排量还要根据当地海拔、空气温度和空气湿度予以修正。其修正公式为：压力调整系数A（大气压力0.1）14.7psia温度调整系数B（460o+60o）(460o+大气温度oF)湿度调整系数C（大气压力大气湿度0.5068）大气压力压缩机最大输出排量额定排量ABC经修正后的空气排量才是在当地空气钻井的实际排量。海拔越高，实际排量与理论排量相差越大，即实际排量越小。表1-3：海拔高度与气压表表1-3：海拔高度与气压表海拔高度 ft大气压力 psi海拔高度 ft大气压力 psi海拔高度 ft大气压力 psi海拔高度 ft大气压力 psi0 14.96 3,000 13.16 5,500 11.99 8,500 10.70 500 14.42 3,500 12.92 6,000 11.77 9,000 10.50 1,000 14.16 4,000 12.68 6,500 11.55 9,500 10.30 1,500 13.91 4,000 12.68 7,000 11.33 10,000 10.10 2,000 13.66 4,500 12.45 7,500 11.12 10,500 9.90 2,500 13.41 5,000 12.22 8,000 10.91 2)雾化钻井空气钻井的最大敌人是高含水层。当地层出水时，必须将地层水全部雾化才能携带到地面，才能确保安全钻进。雾化钻井一般需要增加3040的空气量，但由此也增加了相应空气钻井设备、燃油和人员的费用。由于井下压力的增加，满足携屑能力的实际空气排量也要增加。表44是标准空气流量在压力作用下的实际流量。表14：压力对空气流量的影响标准空气流量SCFM压力 psi实际空气流量 ACFM1500100188.301500200100.50150030068.65150040052.10150050041.951500100021.30由于压缩效应对空气体积的影响，为了保证携带岩屑的需要 Joe W. Rorig将“Angel”公式进行了修正，计算出所需空气量如表15，他是以50ft/h的机械钻速为前提条件计算出的所需标准空气流量。表15：不同井径和井深所需空气排量井径in.钻杆尺寸in.井深(ft)及需要的空气量（ 标准立方英尺/分SCFM）1000200040006000800010000120004-3/42-7/8430500650790930107012006-1/42-7/879085097011501420170018003-1/271079093010301280142016506-3/43-1/28501000120014201650185021007-7/84-1/211001200150018002100235026508-3/44-1/21450165018502140240026002850513501500170020002200240027009-7/8519002000230026003000330036005-1/2170019502150240026002850310012-1/44-1/231003350370042004500490054005-1/230003100335039004300470050006-5/8260028003000340037004150450017-1/24-1/266006850755081008700925098005-1/264506700740080008550910096506-5/86150660071507700840089509500从表15可以看出，井径越大所需的空气量越大，钻具的直径越小，所需的空气量越大，井越深所需的空气量越大。3)泡沫钻井当空气和雾化钻井因经济、机械或其它原因而不理想时，可转为稳定泡沫或硬胶泡沫钻井。稳定泡沫和硬胶泡沫不仅可以大大减少空气量，还因其携屑能力是一般钻井液的10倍而更具优越性。稳定泡沫的密度可在0.56.0ppg(0.06-0.72g/cm3)范围内调节。硬胶泡沫是以足够数量的空气注入少量的般土泥浆（1025GPM）而保证出口附近的环空返速达到0.51.0m/s，空气和泥浆体积的比例范围为100：1300：1。 GPM: 加仑/分空气泡沫在下述情况下是最好的循环介质： 钻直径很大的井眼需要的空气量极大，使纯空气钻井很不经济，如在26的井眼，硬胶泡沫则只需400600SCFM的空气量。 硬胶泡沫能有效地防止水敏性地层和胶结差的地层坍塌。调整泡沫剂和聚合物的比例可以将硬胶泡沫的失水降到很低甚至可以为零，因此，对胶结差的地层和水敏性地层，如风化砂岩、水敏性泥页岩、砾石或砾岩，硬胶泡沫有极强的稳定能力。 可防止空气钻井因钻遇油层而引发的火灾。 钻低压或胶结疏松的产层。硬胶泡沫密度只有26PCF（0.0320.096 g/cm3）,即使在井内被压缩状态下，其静液柱压力也极低而且滤失量可以为零，所以可避免漏失和对产层的损害。4)充气钻井即在常规的钻井液中注入空气，形成一种泥浆和空气的混合物，其密度可根据井深和注入的空气量进行调整，一般充气泥浆的密度控制在48ppg（0.480.96g/cm3）。其注入空气的方法有侧管法、喷射接头法和立管注入法三种。1.4空气/泡沫钻井地面设备及井下工具为了实施伊朗192项目，长城钻井公司专门从加拿大新近购买两套空气钻井设备，它是目前世界上单套提供气量最大、压力级别最高的空气泡沫钻井成套设备。以下是我们在伊朗192项目实施过程中所采用的标准的空气钻井设备的平面布置图。从图中我们可以看出在空气钻井过程时，所需要的主要设备种类、基本配置以及各个部分的排列。整个地面设备主要由空压机、增压机、雾化泵、罐、高低压管线、排砂管、远程气体管汇控制系统、空气参数记录仪等组成。现讲将以上各个部分的基本特点分述如下：图1-3 整个地面设备图14图1-4 空气钻井设备平面布置图1) 空气供应部分：在空气泡沫钻井中，空压机和增压机是提供所需气体的最基本地面设备。在空气泡沫钻井时，空压机以一定的流量直接从环境大气中吸入空气，将空气进行压缩，并使其达到一定的压力值，然后将其注入地面低压管汇。增压机其实也是一种空气压缩机，它就是对来自于空压机的气体进行进一步的压缩，使空气压力达到更高的级别，以满足空气及泡沫钻井时，井眼尺寸的变化、井深不断增加、井下出水等状况下的正常钻进。在空气泡沫钻井时，根据实钻情况，如果一台空压机不能提供钻井所需求的空气流量，则可以采用两台甚至多台空压机并联进行工作。当然，随着空压机数量的增加，也必须相应地增加增压机的数量。所需空压机的数量取决于所钻的地层和井眼特性，以及进行作业位置的海拔高度。伊朗192项目所在的TABNAK地区，我们所钻的井的海拔一般在1000米以上，因此，在气量供应方面，至少要考虑10的损失。 空压机空压机在其所处的环境压力和温度条件下，以额定的吸入空气流量将气体压缩到一定的压力和温度，这就会在空压机的出口端导致输出流量的降低。空压机一般都会受到出口压力的限制，并且其功率也是一定的。在考量空压机时，除了空气的吸入流量外，还应该注意空压机的最大输出压力和有效功率。我们在伊朗192项目中所使用的是Ingersoll-Rand公司生产的空气压缩机。型号是：XHP900WCAT；工作压力为：350Psi；标准排气量为：900scfm；发动机型号为：Caterpillar 3406DITA；最高工作环境温度为摄氏600C；工作电压为：24V；外形尺寸为：L5639mm/W2261mm/H2490mm；重量为：5955Kg。每套空气钻井设备中共配备11台空压机。图1-5 空压机 增压机增压机实际上就是一种容积式压缩机。增压机的功能就是将来自于空压机的、具有一定压力和流量的空气进行进一步压缩。一般说来，现场增压机的出口压力和温度也是有限的。它取决于该增压机所需处理空气的输入压力和流量大小。当增压机的输出压力一定时，增加输入增压机的气体流量会受到其功率容量的限制。同样地，在流量不变的情况下，提高增压机的输出压力同样也会受到增压机功率的制约。我们在伊朗192项目中所使用的是Hurricane公司生产的增压机，它可以将空气压缩机提供的压缩空气增压至高压。型号是：8T-903-82B/2200；工作方式为：活塞式两级增压；工作压力为：2200Psi；标准排气量为：2140scfm；发动机型号为：Caterpillar 3408DITA；最高工作环境温度为摄氏600C；工作电压为：24V；外形尺寸为：L5240mm/W2260mm/H2560mm；重量为：5275Kg。每套空气钻井设备中共配备5台增压机。我们所使用的增压机是具有两级冷却装置的，可以将增压机吸入的空气以及排出的气体都冷却到预定的温度。来自于空压机的气体是在进入增压机的第一级压缩之前，在增压机的冷却器中进行冷却的，这样就不致于使增压机的一级增压因过热而损坏。相应地，从增压机排出的空气在进入立管之前也必须进行冷却，不然的话，水龙带以及顶驱的密封系统会受到高温气流的损害。图1-6 增压机2) 雾化泵雾化泵是将水、化学防腐剂的及液体发泡剂等注入空气供应管汇之内。即使是在用干空气进行钻进时，也有可能需要注入一定量的水和化学缓蚀剂。在雾化钻井中，就必须将防腐蚀与水同时注入。在一般的非稳定泡沫钻井中，注入的发泡剂中通常均含有一定量的防腐剂。我们在伊朗192项目中所使用的是National Oil-well公司生产的雾化泵。型号是165T-5M，工作方式：三缸单作用。工作压力3000Psi，排量300l/min，发动机型号为：Caterpillar 3416DITA；最高工作环境温度为摄氏600C。工作电压：24V；外形尺寸：L5820mm/W2230mm/H1850mm；重量：3236Kg，工作效率90%。每套空气钻井设备中共配备2台雾化泵。图1-7雾化泵。3) 高低压管汇整套空气钻井设备系统中有各种尺寸的高低压管汇，用于空压机及增压机与立管之间的连接、空气钻井设备内部压力的释放、安全泄压部分、钻具内流体的释放、环空内流体的排放等。高低压管汇尺寸的确定，应该根据整个空气钻井设备系统的最大供气量和提供的最大压力来选择，同时应该遵循API标准。我们在伊朗192项目中所使用的高低压管汇均为高压容器，且管汇的数量多，结构复杂，所以管汇的安全性，可操作性就显得特别重要，为了保证管汇安全可靠，所有管汇都采用刚性连接并用安全缆固定。中压管汇工作压力600Psi，通径152.4mm，连接方式法兰。入井高压管汇工作压力3500Psi，通径101.6mm，连接方式游壬。排空管汇工作压力1000Psi，通径101.6mm，连接方式游壬。旁通管汇工作压力1000Psi，通径101.6mm，连接方式游壬。所有控制部分均采用远程气动控制方式。4) 排砂管排砂管是用来将环空中的流体和岩屑排放到废液池内。排砂管的内横截面积应该比井口环空的横截面积大10%左右。横截面积的增加有助于补偿当携带岩屑的气流从井内返出，流动状态改变时所引起的流动能量损失。排砂管应该有足够的长度，以避免排放的气体、液体和岩屑影响井场的其他作业。排出管汇通径为250mm，长度一般为30到100米。这里特别应该高度重视的是：排砂管从与旋转头的连接处开始到出口末端应该保持成一条直线，并且牢固地固定在地面支撑座上。排砂管上配有自动点火系统、自动除尘喷水系统和地质采样系统。图1-8 排砂管下图就是弯曲的排砂管在空气泡沫钻井过程中，被高速流体及岩屑冲蚀后的情况。图1-9 排砂管冲蚀后的情况5) 旋转头 旋转头是将环空返出的气流与钻台之间分隔开来，并将上返出的流体和岩屑引向排砂管。为满足各种不同尺寸的钻头，现场配有40、30、 20等三种旋转头。旋转头由四川石油管理局生产，工作压力：5Mpa，冷却方式：循环水冷却。图1-10 旋转头6) 泄压管线泄压管线时用来释放立管、方钻杆和钻杆与钻柱单流阀之间的压力。它可以将存在于钻柱内的压力直接排放到泄压管线中。在接单根、立柱或者起下钻作业时，必须迅速释放掉存在于相应管线中的压力。泄压管线必须进行牢固的连接，而且必须使用安全缆将其串在一起。泄压管线的出口端必须进行可靠固定，必须采用重物压置。7) 远程气体管汇控制系统远程气体管汇控制就是集中控制空气钻井时需要经常开启和关闭的控制阀。空气泡沫钻井时，大量的气体和液体控制阀分布在井场近100米的范围之内，而这些控制阀又将根据不同的钻井要求，需要进行经常的、及时的开启和关闭，人工操作显然不能满足作业要求。为此，我们专门设计了一套远程气体管汇控制系统。远程气体管汇控制系统由多个三位四通阀组成，采用气动控制。每一个三位四通阀控制一个闸阀，闸阀和三位四通阀之间由两根软管连接，在远程控制台上，一名操作人员就可以轻易、及时地开启和关闭所有闸阀。图1-11 远程控制8) 化学注射泵 化学注射泵由International oil-well 公司生产，型号是P-10。排量010l/min。工作压力3000Psi。驱动方式：空气。9) 空气参数记录仪空气参数记录仪可以24小时连续、准确、及时地记录所注入井内空气的流量和压力。它由流量和压力测量两部分组成。流量计则是通过一个标准的孔板流量计来测量注入气体的体积流量的。压力记录仪也是孔板流量计的一部分，在孔板流量计处可测得压力的绝对值和压差值。根据这些压力测量数据，就可很容易地计算出输出的空气流量大小，这是空气泡沫钻井的一个重要的依据。通过它，我们可以准确、及时地判断井下所出现的复杂情况。在不同的情况下，必须及时更换不同尺寸的孔板。我们在伊朗192项目中所使用的气体流量计是巴顿气体流量计，流量计的工作压力为3000Psi，测量范围015000标准立方英尺，测量精度96；液体流量计是International Run-400，流量计的工作压力5000Psi，测量范围01818l/min，测量精度99。10) 自动加油系统在所有空气钻井设备同时工作时，由于数量多，整个系统的总功率将达到9780马力，每天原料油的消耗量达到28m3。由于高架油罐离空气钻井设备的距离超过100m，不管是人工加油还是压差加油都不可能满足设备的工作要求，因此我们设计了一套自动加油系统。自动加油系统由油泵、计量仪表，压力控制阀，电磁阀和管汇组成。每台设备的油箱上都装有高低位电磁限位阀，当油位达到高位时，电磁阀自动关闭，停止供油；当油位达到低位时电磁阀自动开启，进行加油。当所有油箱都关闭时，供油泵在压力控制阀的控制下，自动停止工作。11) 除尘器除尘器是用水泵的将水直接输送到排砂管内部，并喷洒在环空返出的空气流体上，这样即可减小排放管的粉尘量。空气钻井时，必须使用除尘器，这样可以避免粉尘对空气钻井设备的影响，以及对环境的污染。不然的话，空压机会因此吸入含有大量粉尘的空气，从而影响空压机零配件的消耗，甚至时空压机的寿命。12) 钻杆单流阀钻杆单流阀是实施空气泡沫钻井的一个重要的井下工具。空气钻井时用于清洁井眼的流体为可压缩流体，在接单根和进行其它作业需要卸开方钻杆时，如果没有钻杆单流阀，钻具内的压缩气体就会从钻杆内喷出；同时过长的气体泄压时间也耽误了钻井作业，这是空气泡沫钻井所不允许的。钻杆单流阀的作用就是在方钻杆被卸开时用于阻止钻具内的压缩流体释放。钻杆单流阀的安放位置随着井深的不同而不同，其基本安放原则是：空气钻井开钻前将钻具下放至井底后安放第一只钻杆单流阀，随后随着钻井井深的增加而增加，一般是：在干地层钻进时每钻进150250米加装钻杆单流阀一只；如果地层出油、气、水或循环压力过高时每钻进100150米加装钻杆单流阀一只。目前常用的钻杆单流阀为箭型单流阀，它工作和自由状态时处于开启，当有一定的回压（0.2Mpa左右）时则自行关闭。钻杆单流阀的安放位置和工作原理见下图。当换钻头或进行其它井下作业需要进行起下钻时，钻杆单流阀将会和钻具一起被起至钻台面。正常情况下随着起钻前的准备和起钻的进行，作用于钻杆单流阀上高压气体会自行经气体排出管线释放，不会影响到起钻作业的正常进行。但如果空气钻井时循环压力过高，当提钻至钻杆单流阀时应检查钻杆单流阀是否处于开启状态，如果钻杆单流阀处于关闭状态，说明井下钻具中还有压缩流体，这时不应强行卸下钻杆单流阀；特别是当钻头水眼被堵塞时，钻具中将密闭有大量的高压气体，这时应使用专用钻杆单流阀泄压工具来释放钻具中的高压气体，等钻具中的高压气体完全释放完后才可卸下钻杆单流阀，如果强行卸下钻杆单流阀将是非常危险的。图1-12 钻杆单流阀安装位置及工作原理13) 井底浮阀井底浮阀和钻杆单流阀都具有使流体单向流动的功能，在空气钻井中它们的用途都是阻止空气倒流。在进行空气钻井时，钻具内的压力将大于环空压力，当接单根或进行其它作业需要卸开方钻杆时，首先要释放钻具最上部钻杆单流阀以上的压缩气体，在这段时间内，由于环空和钻具内的压力差，将会使环空中的气流向钻具内倒流。如果不及阻止这一现象发生，环空中的岩屑将会和倒流的气流一起流入钻具内部，造成岩屑沉积于钻具内而堵塞钻头水眼。浮阀的作用就是在钻具内压力需要释放时，短时间内快速隔离钻具和环空，阻止环空中的气流和岩屑倒流至钻具内部而造成钻井事故。14) 钻具组合空气泡沫钻井为弹性流体钻井，除了常规泥浆钻井所需配备的井下工具外，还应在钻具的适当位置安装浮阀和单流阀，以确保接单根和起下钻时的快速和安全。钻头应选用保径好的小齿钻头。另外空气钻井会使减震器、随钻震击器等井下工具寿命大幅度降低，因此应选用适合空气钻井的减震器和随钻震击器，这已由北京石油机械厂研制和生产。当进行空气钻进时，除常规的泥浆钻井井下工具外，还应配备一些特殊的进行工具以满足空气钻井的需要。一般来说，用于空气钻井的钻具组合与常规泥浆钻井中使用的钻具组合没有太大的差别，但也不完全等同于泥浆钻井的钻具组合，空气钻井的钻具组合在泥浆钻井的钻具组合上还需要增加一些浮阀、旁通阀、钻杆单流阀、振击器、减震器及一些具有特殊功能的钻井工具，所以，在空气钻井中仍推荐使用满眼或者刚性钻具组合。典型的空气钻井井底钻具组合见下图。空气钻井钻具组合的功能除应具有常规泥浆钻井钻具组合的功能外，还应具有稳斜、减振的功能。图 1-13 典型的井底钻具组合钻头由于空气钻井失去了泥浆对钻头的润滑作用，所以空气钻井时应选用那些具有较好保径作用的钻头。推荐使用具有硬质合金钻头或短齿金属密封轴承钻头。当使用气体进行钻进时，所有的钻头外径都会发生磨损而变小。具有保径作用的钻头有助于减少钻进中钻头外径的磨损，但是空气钻井中钻头外径磨损量应该控制在一定的范围之内。在一个新的区域进行空气钻井前，要对所钻地层的岩石硬度有一个比较详细的了解，根据岩石的硬度选择合适的钻头，一般所选用的钻头要比泥浆钻井时所选用的钻头高一个档次。例如：在某地层进行空气钻井，如果该地层泥浆钻井所选用的钻头型号为XHP527，则空气钻井所选用的钻头型号应为XHP537。在坚硬地层进行空气钻井时，当一个已钻进了相当进尺的钻头起出后，首先要测量其外径，确定是否可以下入相同尺寸的新钻头，如果不经检验而下入相同尺寸的新钻头是很危险的，很可能新的钻头下不到井底，而必须对井眼进行划眼和扩眼。因此在进行空气钻井时应将钻头的外径磨损控制在每钻进350米进尺，钻头的磨损小于1/8。另外，如果井眼尺寸允许的话，在第一个钻头入井时应考虑所用钻头外径比设计要求的井径大一个数量级。钻头外径的磨损主要取决于所用的钻头是否采用了保径措施以及地层的软硬程度。在空气钻井中，为了减少岩屑的重复破碎，尽快将岩屑带离钻头，这样就势必要提高空气的喷射速度。为了提高空气的喷射速度，通常要封堵钻头上的一个喷嘴。在封堵喷嘴时，被封堵的喷嘴应该位于两个具有最好保径作用的牙轮之间。因为所封堵的喷嘴相邻的牙轮之间将是绝大多数岩屑上返的通道，所以这二个牙轮往上的钻头本体所承受的岩屑冲击也最厉害。另外需要提出的是，在空气钻井中，当压缩空气通过钻头喷嘴时，由于空气的膨胀，会产生很高的速度（超音速流动且温度很低）。空气发生膨胀的原因是因为其井底的压力很低。当空气通过钻头时，其温度急剧下降。通过喷嘴的气流具有很高的动能，这种动能耗散在形成井底涡流的过程中。当气流速度减缓，并沿环空上升时，喷射动能又被转化为气体的内能。此时空气流的温度大致恢复到正常的流动温度（近似等于井底温度）。在伊朗192项目实施的过程中，我们也在不断的摸索钻头选择的原则、钻头使用的具体规程。镶齿、有保径齿、抗冲击、轴承寿命长的XHP537和XHP437已经成了空气泡沫钻井的首选钻头。通过192项目空气泡沫钻井的实践，每口井的钻头用量从刚开始的20只进口钻头，减少到了后来的每口井只用10只国产钻头，节约了大量的成本。1.5 空气/泡沫钻井技术措施 根据TABNAK气田的实际井身结构和地质情况，经过分析和计算,我们对空气、泡沫钻井的作业参数和技术措施进行了优化设计，并制定了一套适合该气田空气泡沫钻井的作业程序。1.5.1作业前1） 认真阅读甲方提供的地质和工程设计，详细了解不同井段的地质分层和岩性特征。2） 根据不同的井深、井径、地层产水状况和地层岩性，确定使用空气钻井还是泡沫钻井，并根据井深、井径、地层水特征和地层岩性特征计算出合理的空气注入量和相应的泡沫配方。3） 安装好全套防喷器、旋转防喷器及管汇，按规定试压合格。4） 安装好排屑管线（不能拐弯），长度不得低于50m，并用绷绳固定；直径合适；出口在下风方向；排屑管上安装好降尘和取样装置。5） 配备合理的钻具组合：包括浮阀、单流阀的位置，钻具外径。6） 选择与地层相匹配的钻头。7） 充分和甲方监督沟通，让甲方明白为什么要这样干，这样干的优点是什么？在不违反安全的情况下，充分尊重甲方监督的意见。8） 安装好空气钻井设备，对高、中压管线、管汇都要严格固定，每根高压、中压和排空管线都要栓保险链。9） 查所有发动机防火罩和照明灯防爆装置及防爆电路，确保完好。10） 检查灭火装置数量及完好状态，按规定配备齐全。11） 在井场200m外设立警示牌，说明此处在进行空气和天然气钻井；井场严禁烟火12） 贮备足够数量的相应密度的压井泥浆，并将泥浆泵与立管连接，随时可用。13） 如可能存在天然气溢出的情况，应使用防爆工具和绳索，钻具接头和方补心应涂防爆材料。14） 调整好设备，防止产生火花。15） 制定安全操作规定和岗位分工及职责。16） 制定应急预案。17） 措施和施工方案交底，让参与施工的井队和空气作业队的每一员工都明白和熟悉每一道工序的目的、意义、方法、步骤、职责和安全操作注意事项以及应急预案的处理。1.5.2 作业过程中1） 根据不同的地层特性选择合理的钻井参数，充分发挥空气泡沫钻井钻速快的特点，在安全的条件下，尽可能快地提高机械钻速。2） 在循环的情况下，钻具在井内的静止时间不得超过10分钟，钻具活动范围视井下情况而定。特殊情况下（如需静止时间较长）应将钻具提至安全井段，防止井下事故发生；3） 在停止循环的条件下，钻具不得在井内静止。如遇复杂情况应立即将钻具提至套管内进行处理；4） 每只单流阀、浮阀在下井前应仔细检查和保养，其性能必须安全可靠。5） 每只单流阀和浮阀都要根据当地的使用情况，确定更换周期，到时必须更换。6） 钻井时，工艺人员要随时注意立管压力和扭矩的变化情况，如果压力变化波动不正常或扭矩不正常时，要及时采取措施，防止井下复杂情况的发生。7） 要经常观察排出口岩屑返出情况。如果返出不正常，应对井下情况进行准确分析和判断，及时采取相应的措施进行处理。8） 钻进过程中严格执行“两洗一划”制度，即钻完单根后要洗井划眼510min，接单根后要洗井35分钟。9） 钻井作业期间，人员不得在空气钻井高、低压管线、管汇处逗留。1.5.3 起下钻注意事项1） 提钻前，充分洗井，至少循环一周，保证井眼清洁。2） 提钻速度要均匀，当钻头提至井口时，应注意提钻速度，防止钻头损坏旋转头。3） 提钻到每一个浮阀处，都要用专用卸压工具接头卸压，确定两浮阀间无压力后方可继续提钻。4） 将钻具下入旋转头内后，应锁紧旋转头固定装置。5） 下钻要分段循环，将地层水分段替出；下钻到底循环正常后，方可钻进。6） 如用泡沫钻井，要在出口