气基流体空气钻井技术毕业论文.doc

毕业设计 论文 题 目 气基流体气基流体空气钻井技术空气钻井技术 摘摘 要要 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 关键词关键词 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 目目 录录 前 言 3 第 1 章 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统 4 1 1 基本概念 4 1 2 空气量的大小与井眼净化的关系 4 1 2 1 空气携岩机理 4 1 2 2 钻屑形状与下沉速度的关系 5 1 2 3 空气注入量的确定 6 1 3 气基流体 空气 雾液 的循环系统 8 第 2 章 空气钻井技术的国内外研究现状 10 2 1 空气钻井在国内外应用现状 10 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 11 2 3 空气钻井的优缺点比较 12 2 4 空气钻井设备介绍 13 2 5 气体钻井所必需的条件井眼条件 13 第 3 章空气钻井的关键技术与实例简 16 3 1 空气钻井与钻具腐蚀 16 3 1 1 腐蚀物质与腐蚀形式 16 3 1 2 防治措施 17 3 2 空气钻井地层出水限定值 18 3 2 1 地层出水对空气钻井的影 18 3 2 2 地层出水后空气钻井方法 19 3 3 空气钻固井技术实例 22 3 3 1 平落 006 5 井空井固井初 22 3 3 2 主要技术难点 23 3 3 3 空井固井施工技术 25 3 3 4 现场施工技术 26 3 3 5 固井技术总结 27 第 4 章 气体钻井技术的改进 28 4 1 控制气体体系的压力 28 4 2 控制压力钻井的目标 29 4 2 1 液压系统 29 4 2 2 气压系统 29 4 2 3 气体流体钻井 误解 30 4 2 4 没有适当控制井眼压力所造成的问题 30 4 3 井下空气分流器 DHAD 31 4 4 压力试验结果 32 4 5 建议 33 结 论 34 参考文献 35 致 谢 36 前前 言言 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 2m 2 第第 1 章章 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统气基流体空气钻井的基本概念和循环系统 1 11 1 基本概念基本概念 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 21 2 空气量的大小与井眼净化的关系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 11 2 1 空气携岩机理空气携岩机理 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Vt 空气沿井眼环空向上的流速为Vf 那么 钻屑向上的运动速度Vc 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 在公示 1 2 中 dc为钻屑直径 mm Cd为阻力系数 c为钻屑密度 g cm3 f为流体密度 g cm3 1 2 21 2 2 钻屑形状与下沉速度的关系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 31 2 3 空气注人量的确定空气注人量的确定 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 8m h 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 1 注入压力与空气注入量的关系 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180 210 110 15O 8O 120 m3 min 图1 2 岩屑含量与空气注入量的关系 1 31 3 气基流体气基流体 空气 雾液空气 雾液 的循环系统的循环系统 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 76 101 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 mm 3 第第 2 章章 空空 气气 钻钻 井井 简简 介介 2 12 1 空气钻井在国内外应用现状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70o 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 获得较满意的效果 2 22 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 RotaryDrilling Volumetric 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 HuiXing等研究了在实验室条件下环空携屑的各种情况 并推导了携屑数学模型 但其结果只停留在实验室阶段 未经现场实钻检 验 中国石油勘探开发研究院钻井所硕士研究生庞保平的硕士论文 空气 钻井流体压力计算与空气螺杆马达的初步研究 对空气钻井沿程压力分 布规律及空气螺杆马达的设计也做出了有益的探讨 2 32 3 空气钻井的优缺点比较空气钻井的优缺点比较 空气钻井作为欠平衡钻井的一种特殊形式 具有自己显著的特点 应 用范围亦有一定的限制 下面简要介绍一下哪些情况较适合空气钻井以及 其局限性 一 空气钻井尤其适合用于下述情况 1 地层岩石坚硬 2 井壁稳定性强 3 较少的地层流体侵入 4 具有中低孔隙压力的地层 5 缺水干旱地区 6 对水基或油基钻井液敏感的地层 二 空气钻井的局限性 1 对地层流体的侵入控制力不强 2 钻头的适用范围窄 由于空气对钻头的冷却作用不强 使得耐高温 性能不强的金刚石类钻头较少应用于空气钻井中 因此在空气钻井中大多 使用牙轮钻头 3 软地层不适用于空气与气体钻井 通常情况下软地层产生的岩屑尺 寸较大 不利于在较大井深情况下气体携屑 4 井底着火 当井底烃类气体与空气混合达到一定比例后 就有可能 发生燃烧 3 2 42 4 空气钻井设备介绍空气钻井设备介绍 空气钻井中所用设备和井场布置明显有别于传统钻井方式 现简要介绍 一下 主要设备的功能及其井场布置原则 一 空气钻井井场布置图 图2 1 空气钻井井场布置图 下面简单介绍一下图2 1各部分设备的功能 空压机 空气钻井中最主要的设备 高压气体产生的源泉 增压机 提高压缩空气的压力等级 以补偿当空气钻进时使用小尺寸喷 嘴或井下动力钻具造成的过大的压力损耗 增压机控制阀 由于控制增压机移出或接入空气循环系统 流管中的安全阀 当流管中气体压力过高时 通过开启安全阀释放过高 的压力 液体注入泵 由于地层大量出水而需将空气钻井转为雾化或泡沫钻井时 用来向空气中加入水或起泡剂 或向空气螺杆马达注入润滑剂时使用 固体注入泵 当地层出现少量水时 可向井筒内注入干燥剂 有利于气 体携屑 压力计 温度计 流量计 用来监测流管中气体状态 泥浆罐 储备泥浆 用于特殊情况下 由空气钻井转为常规泥浆钻井时 使用 压力释放管线 用于释放空气流动系统中过高的压力 常用于起下钻 接单根或其它需要开口操作的场合 空气吸湿器 干空气钻井时要求空气进入井筒前除去水分 当空气较湿 润时 经过空压机压缩后 空气中可能有水分析出 因此使用空气吸湿器 除去水分 排出管线 从环空中出来的气固混合物通过排出管线排离钻台 其内截 面一般应为井口环空截面的1 1倍 排出管线的控制阀 用于控制井口回压 也可用于配合试井测试 岩屑捕获器 用于获得井口处的岩屑样本 气体探测器 用于检测烃类气体 便于钻工采取安全措施 减尘器 用于向排管内的气固混合物喷水 减少粉尘污染 燃烧池 用于沉降岩屑和燃烧井底产生的烃类气体 引火器 将从排管中带出来的井底产生的烃类混合气体点燃 保证安全 钻进 二 井口设备 图 2 2 井口设备布置图 旋转头 它分为旋转与非旋转两部分 旋转部分可以和钻柱一起旋转 非旋转部分和同密封装置配合 使从环空中出来的含岩屑的气流流向排出 管线 保证钻井平台和人员的安全 防喷器组合 空气钻井中主要使用两种防喷器 一种为环形防喷器 或 旋转防喷器 它靠液动作用使胶芯挤向井口中心 直到抱紧钻具或全封闭 井口 从而实现其封井的目的 另一种为闸板防喷器 要求半封 全封齐 全 4 2 52 5 气体钻井所必需的条件井眼条件气体钻井所必需的条件井眼条件 气体钻井所必需的条件包括以下几方面 能够准确预测现场不同情况时井下流动条件下的气体钻井模型 即 能够预测各种井深下的井径扩大 气体侵入 液体侵入 气体从钻柱内分 流至环空 便于调节空气流量 钻柱几何尺寸 井眼几何尺寸 井下空气分流器能够在最合适的井深将一定量的气体分流至环空 能够更有效地利用分流气体的能量 通常情况下 采用合适的模型和井眼几何尺寸能够获得令人满意的经 济效益 不过在大多数情况下 有必要在底部钻具组合之上分流一部分气 体 能够利用通常不再受摩擦影响的能量是有益的 在地面和井下都能发 现其优势 第第 3 章章 空气钻井的一些关键技术空气钻井的一些关键技术 3 13 1 空气钻井与钻具腐蚀空气钻井与钻具腐蚀 3 1 13 1 1 腐蚀物质与腐蚀形式腐蚀物质与腐蚀形式 1 腐蚀物质 空气钻井腐蚀钻具的主要介质是空压机注入的空气 其次是地层盐水 和硫化氢 在注入的空气中含有21 的氧气和不到1 的二氧化碳 氧气在水中溶 解度约10mg L 二氧化碳在空气中含量虽小 但它在水中形成碳酸 不但 自身腐蚀钻具 而且在酸性状态下 加剧氧化和电化学腐蚀 虽然井史中 介绍 地层可能含有硫化氢 但空气钻井时没有检测到硫化氢气体 所以 它的腐蚀并不严重 空气钻井过程中 真正腐蚀钻具的物质是地层水 地层水的pH值小于 7 造成酸性腐蚀 地层水为氧和二氧化碳的腐蚀提供了条件 干燥的氧气 和二氧化碳是不腐蚀金属的 只有在潮湿的环境下 腐蚀才会发生 地层 水不仅提供了潮湿环境 而且含有电解质 具有导电性 更有甚者 它还 显酸性 加剧腐蚀 是氧和二氧化碳腐蚀的土壤和温床 2 腐蚀物质 氧 二氧化碳和盐水腐蚀钻具的主要形式是坑点腐蚀和失重腐蚀 这 种腐蚀易引起钻具疲劳 穿孔 断裂 导致钻具寿命缩短和井下严重事故 发生 3 腐蚀机理 氧气的腐蚀 2Fe 1 5O2 H2O 2FeO OH Fe2O3 H2O 二氧化碳腐蚀 Fe CO2 H2O FeCO3 H2 硫化氢腐蚀 xFe yH2S Fe xSy yH2 酸性盐水腐蚀 Fe 2H Fe H2 流速 环空流速越快 冲蚀与腐蚀越严重 3 1 23 1 2 防治措施防治措施 空气钻井离不开空气 要清除空气中的氧气也是不可能的 由于空气 钻井的气柱压力很低 不让地层流体进入井眼也是不可能的 必须根据井 下情况采取合理措施 扬长避短 既要发挥空气钻井的优势 提高机械钻 速 缩短钻井周期 又要尽可能地减轻腐蚀 保护钻具 延长使用寿命 提高经济效益 因此 空气钻井时 应采取以下工艺措施 1 干地层使用纯空气钻井 由腐蚀机理可知 空气 氧气和二氧化碳 对钻具产生腐蚀 必须有水 存在 在干燥环境下 空气不腐蚀钻具 所以 当地层不出水时 可以进 行干空气钻井 2 低压水层使用干泡沫钻井 当地层出水后 氧和二氧化碳对钻具的腐蚀作用开始发生 而且 由 于地层出水 必须增加30 40 空气排量进行雾化钻井 因气柱压力增 高 氧在水中的溶解度增大 氧对钻具的腐蚀加剧 在这种情况下 必须 采用干泡沫钻井 即通过泵入7 5 37 9L min的加有缓蚀剂的高pH 高发 泡剂浓度的发泡液 保护钻具 捕集水流 将钻屑和水流带至地面 3 在高压水层使用泡沫钻井 当地层出水量较大 含盐量较高时 干泡沫钻井无法作业 必须采用 泡沫钻井 这样既可降低空气排量和环空返速 减少钻具冲蚀 又可用泡 沫将空气包裹起来 减少空气与钻具接触的机会 同时 通过高pH值和缓 蚀剂的协同作用 减轻钻具腐蚀 3 23 2 空气钻井地层出水限定值空气钻井地层出水限定值 采用空气钻井时 经常会遇到地层出水的情况 大多认为在出水量达 到5m3 h就应该转化成雾化钻井或其它方式钻井 更有甚者认为出水量大 于2m3 h时就应该转化 5 事实上不同的地层岩石特性不同 对于地层出 水的限制也应该不同 所以应根据裸眼井段的地层岩性 井壁稳定性 裸 眼井段是否有漏失层等条件而定 空气钻井中遇到地层出水时就要转化为雾化钻井或泡沫钻井 国外推 荐在地层出水大于2m3 h时就要转化 国内采用空气钻井时通常的做法是 地层出水大于5m3 h 转化为雾化钻井 现场施工措施中有时还要求更严 当地层出水大于3m3 h就要求转化为其它的钻井方式 这一规定没有考虑 地层岩性和物性 对某些地层来说这一要求过严 因而在一定程度上会影 响到空气钻井的应用范围 本文就对这一问题进行探讨 3 2 13 2 1 地层出水对空气钻井的影响地层出水对空气钻井的影响 1 引起卡钻 地层出水引起岩屑吸水 岩屑就会水化膨胀 当地层出水 较多时 岩屑容易粘糊成团 在井眼的周围形成泥环 从而引起卡钻 2 井下着火 井下着火是空气钻井的一大缺点 空气钻井作业时 若有 地层水进入井眼 使钻屑变湿形成泥环 井内流动受阻 井下压力迅速上 升 泥环以下的气体温度升高 这时 即使天然气等烃类物质进入井眼的 流速很低 也可能会迅速形成可燃的混合物 一旦混合物达到燃烧范围 混合气体压缩本身就可能会引起燃烧 另外 钻柱与井壁的摩擦 钻头在 钻硬地层时会产生火花也会把井下 昆合气体点燃 3 空气量增加 作业费用增加 空气钻井时 当地层出水后 不但要把 岩屑带出井眼 同时还要把地层水带出井眼 在相同条件下 地层出水与 地层不出水相比 就需要更多的空气量 5 3 2 23 2 2 地层出水后空气钻井方法地层出水后空气钻井方法 1 裸眼井段无漏失层 此种情况较简单 只需要考虑地层的岩性 井壁稳定性 为了了解不同岩 石吸水膨胀性能 对四川角61 1B井从蓬莱组 大三 麻18井云岩做了室 内吸水膨胀实验 实验是按照中华人民共和国石油天然气行业标准参考文 献进行的 6 页岩膨胀实验是让页岩岩屑直接与水接触 测定岩屑在不同 时间的线膨胀百分数 页岩吸水膨胀百分数的测定是在限制条件下 只允 许岩屑在一个方向膨胀 不同页岩的膨胀性强弱 用相同条件下测定的2h 和16h的线膨胀百分数来进行比较 表1选取具有代表性的几种岩样的吸水 膨胀试验数据 这里只对易水化膨胀的岩石做了吸水膨胀实验 从表1数据 看出 不同地层有不同的吸水膨胀特性 差异还较大 2h的吸水特性与16h 的吸水特性相差不大 同时也可看出不同岩性的吸水膨胀有较大的差别 从前面地层出水对空气钻井三个方面的影响中可以看出 除需要额外增加 空气量之外 其余两个因素都与地层岩屑吸水后膨胀有关 因此对于有些 地层 如吸水性小的碳酸盐岩地层 钻屑本身基本上不具有吸水膨胀的特 性 或者吸水膨胀很小 而且岩屑吸水后本身不会粘结成团 那么此时的 空气钻井中就不会发生由于地层出水使钻屑粘结成团而引起的卡钻事故 也不易引起井下着火 即是说此时的空气钻井是安全的 表3 1 岩石吸水膨胀实验结果 注 表中H原表示原始岩屑高度 H2表示2h后测得高度 H16表示16h后 测得高度 当然这种情况下的空气钻井 在地层稳定 岩性吸水膨胀能力弱 空 气量足够 即空气量能及时将地层水带出到地面 且地面对地层出水有足 够处理能力的条件下 完全可进行空气钻井 如大天9井嘉陵江地层空气钻 井中 初步测量在地层出水量达到30m3 h 空气钻井仍能正常钻进 地层出水量非常大 注入的空气量不足以将地层水完全带到地面 此 时就需要转化成充气或常规钻井液钻进 以使液柱压力平衡水层压力 尽 量少让地层水出来或者不让地层水出来 当地层有水产出时 地层岩性主 要是砂泥岩或页岩 而这些岩屑吸水后会粘结成团 在井眼里可能会形成 滤饼环 从而引起卡钻事故 这样的地层就不适宜进行空气钻井 事实上 在这种情况下 地层的准确出水量是难以测量的 一方面 地层水要被钻 屑吸收一部分 所吸收水量与钻时有关 当钻速快时 钻出的岩屑多 被 钻屑吸收得就多 另一方面 在地层水被携带出井眼的过程中 也会被井 壁吸收一部分 如果吸收地层水的井段越长 吸收地层水就越多 因此 遇到这种情况 就要十分慎重 并不一定就非要地层出水量达到3m3 h或 者5m3 h才转化成其它的钻井方式 如果发现上提钻具重量增加或发现井 下不正常就应及时转化 以免造成不必要的事故 2 裸眼井段有漏失层 当裸眼井段有漏失层时 除考虑钻屑吸水膨胀特性 井壁的稳定性外 还要考虑漏层位置 漏失压力等因素 空气钻井作为治理复杂井漏的有效 措施之一 但当地层出水后 特别是当裸眼井段既有水层又有漏层时的处 理与单一漏层或单一水层或地层不出水相比 有很大的不同 1 上部裸眼井段只有漏失层 上部裸眼井段有单一的漏失层 且上部裸眼段无水层 正钻进地层出 水 如果钻屑不易吸水膨胀且上部地层吸水后稳定 在空气钻井中只需气 固两相流动时在漏失层处形成的压力小于漏失压力即可正常钻进 如果 气一固两相流动时在漏失层处形成的压力大于漏失压力 且钻屑容易进入 漏失层 也仍然可以正常钻进 如果岩屑进不漏失层 那么就需要进行堵 漏等作业后才能继续钻进 如果上部地层吸水后变得不稳定 采取相应的 堵漏措施时 就应转化成泡沫或常规钻井液钻进 2 正钻进段有漏失层 对于漏失层 水层共层的恶性漏失井段 一般情况漏失压力等水层压 力 这种情况理论上讲只要循环流体在井底产生的有效静液柱压力小于漏 失层压力即可钻过漏层 但这个压力 密度 窗口太小很难控制 而且这种 地层水的绝对压力都很低 因此在空气钻进中 地层水一般将进入井筒 如果钻屑能全部进入漏失层 那么可正常钻进 否则可采取增大空气注入 量 适当控制钻进速度或采取相应的堵漏等措施后 达到正常钻进的目的 3 上部地层是出水层 正钻进地层是漏失层 若在漏层上部井段有水层 若水层压力小于漏失层压力 水层可能先 漏失 如长庆油田陇东庆阳一马岭一带的洛河水层 但通常情况若漏层为 一常规堵漏方法都无法堵漏的地层 那么水层压力比漏层压力大 在这种 情况下是否可采用空气钻井钻过漏层 主要取决于漏失压力的大小和上部 地层的出水量 如果地层出水量大 增加空气排量后而能将地层水和钻屑 带入漏失层 此时不管地层出水量是 多大都还可以进行空气钻井 否则就不行 无论是漏层与水层同层 还是漏层与水层不同层 采用空气钻过漏层中遇地层出水 只要井壁稳定 岩屑吸水膨胀小 有足够的空气量 就仍可采用空气钻井 否则就应该转 化成其它方式的钻井 因此采用空气钻井时 在地层出水后 应该根据所钻地层岩石特性和 井眼具体情况确定是否仍采用空气钻井 离开这些具体条件只考虑地层出 水量的大小这一因素是不全面的 3 33 3 空气钻固井技术实例空气钻固井技术实例 3 3 13 3 1 平落平落 006006 5 5 井空井固井初探井空井固井初探 平落006 5井是平落坝低压易漏地质构造上的一口排水井 设计 311 2mm井眼采用空气钻井技术钻至井深1650m下入244 5mm技术套管 为了 解决空气钻井达到设计井深后 替入水基钻井液再下套管 注水泥固井面 临井壁水化失稳和井漏等问题 第一次实施了空气正注水钻井液固井作业 分析了空气固井的7项技术难点 空气通井采用了模拟钻具配合划眼 加大 排气量清扫技术 下套管采用了加长铝质引鞋配合平稳控制下放速度技术 注水泥采用内插管配合施工参数动态监测技术 介绍了现场施工过程中井 眼准备及管柱下入 注水泥等工序 值得借鉴和推广 施工顺利 固井质 量合格 创造了该地区244 5 mm套管空井固井最深纪录 丰富了空气钻井 技术 近年来 四川盆地应用气体钻井技术在提高钻井速度 防漏堵漏 发 现和保护油气层等方面取得了明显效果 9 但现场实践表明 空气钻井完 成钻井目的后 为了进行表层套管或技术套管固井 需要再替入水基钻井 液 这就和水基钻井液完成钻井目的一样 面临井壁水化失稳和井漏两大 技术难题 10 因处理井壁失稳和井漏等井下复杂情况要花费大量时间和钻 井材料 无法获得气体钻井既得经济效益 因此 空气钻井完成后 在不 替人任何液体钻井液的情况下 如果能直接进行表层套管或技术套管固井 即空井固井 就可以减少替人钻井液 避免处理井下复杂等中间环节 从 而减少钻井液处理剂 缩短钻井周期 降低钻井综合成本 平落006 5井 空井固井就是在这个目的的驱动下进行的川渝地区第一口空井固井尝试 7 3 3 23 3 2 主要技术难点主要技术难点 平落坝构造中上部地层具有低压易漏 油气显示弱 地层相对稳定等 特点 比较适宜采用气体钻井 2 为加快钻井进度 从根本上规避工程复 杂情况 平落006 5井在空气钻成井眼后 不再替人钻井液 而是直接进 行下套管和注水泥固井施工作业 现场研究表明 空井固井与常规固井作 业相比 主要存在以下技术难点 1 井眼稳定与岩屑清除比较困难 采用空气作为循环工作流体钻成的 井眼 井壁干燥 孔隙 裂缝基本保持原始状态 但各个地层地质构造应 力不尽相同 因而 在没有液柱压力的情况下 坍塌压力很容易使井眼掉 块 坍塌进而失稳 如果依靠空气彻底清除钻屑和掉块 现场施工比较困 难 特别是体积较大的掉块 2 固井过程中极易井漏 一方面是由于水泥填充原始孔隙 裂缝 需 要一定量水泥浆 属渗漏 另一方面是由于地层本身承压能力不高 注入 水泥浆时 液柱压力一般远大于地层漏失压力 造成地层漏失 损失水泥 浆 属压漏 3 水泥浆非连续流动造成施工参数难以控制 在水泥浆重力 地层与 水泥浆液柱压差的作用下 水泥浆注入空井过程中无法形成连续流动 注 水泥施工压力 排量设计困难 施工参数也不可能准确反映井下实际情况 4 水泥浆较长时间对井底高能冲击损坏固井工具及固井附件 还可能 引起环空堵塞 水泥浆从1000m以上的井口自由下落 沿程对固井工具及套 管附件冲击力很大 施工时间较长 容易造成固井工具及套管附件损坏及 失效 另外 水泥浆的冲击和不可避免的失水会使干燥的井壁失稳掉块 水泥浆具有较强的携带能力又容易造成井壁掉块及原井眼的钻屑聚集 增 加了环空堵塞的机率 5 常规双胶塞固井时 套管内容积较大 水泥浆配浆量精确设计 施 工过程中 井下出现水泥浆漏失时 掌握和控制水泥浆返高困难 6 要求水泥浆性能良好 水泥浆不仅需要具有高早强 低失水 零析 水 微膨胀 低渗透 沉降稳定性好等特点 而且需要在干燥环空中长时 间流动时 保持良好的流变性 7 井下不确定因素多 潜在风险大 空井注替涉及工作环节多 工作 量大 而且各环节存在大量的潜在因素 稍有不慎 很可能引起其它风险 因素 因此施工难度大 风险高 针对以上难点 平落006 5井在空井固 井时运用了较为全面的空井固井施工技术 为顺利完成该井固井做了充分 准备 3 3 33 3 3 空井固井施工技术空井固井施工技术 1 通井技术 下套管前 第1次采用通井的钻具结构为311 2钻头 630 730双母接头 228 6mm常闭止回阀 228 6mm减震器 228 6mm钻铤1根 298稳定器 228 6 mm钻铤2根 731 630接头 203 2mm钻铤1柱 631 410接头 177 8mm钻铤 411 410短节 411 411双公 178mm随钻震击器 177 8mm钻铤3根 127mm钻 杆 第2次通井在第2根228 6mm钻铤之上再加入1只295稳定器 这种钻具结 构和钻井时使用的钻具结构一样 称为模拟钻具结构 空井通井时 首先 要防止始终处于拉伸状态下的钻具事故 二是合适的通井稳定器大小及安 放位置 是通井及套管柱顺利下入的关键 通井时 遇阻卡井段必须坚持 划眼和短程起下钻 不能强拉硬放 通井至井底加大气量循环 确保井眼 清洁 2 下套管技术 确保空井下套管顺利应从设计和现场工艺两方面人手 设计引导性好 的加长铝质引鞋 减小下入阻力 设计合适数量的刚性扶正器 增强套管 柱过台阶能力并提高其居中度 注水泥浆结束后 底部套管承受较大的外 挤力 若水泥浆能返至地面 外挤力将更大 回压凡尔所受的上顶力也很 大 套管可能会被挤扁 浮箍工作的可靠性也难以保证 因此 设计时应 充分考虑套管 套管附件的机械性能 并进行相应的模拟计算与校核 现 场施工时 套管进人裸眼井段后严格控制下放速度并操作平稳 防止套管 碰撞井壁引起井壁掉块 给下步施工增加困难 3 注水泥技术 常规注水泥技术一般采用在注水泥替人前置液 而空井固井在注水泥 施工过程中不宜采用前置液 这主要是由于水泥浆重力造成的 若施工前 期注入低于水泥浆密度的前置液 随后注人的水泥浆以自由落体的速度坠 人前置液 造成混浆 影响水泥浆性能而且降低水泥浆的胶结强度 内插管 注水泥工艺目前看来比较适合空井注水泥 单位长度的外径127mm插入管柱 内容积与外径339 7mm 244 5mm套管柱内容积比 分别为l 8 1 4左右 充填满内管柱的注入量远小于非插入式固井 套管柱外环空更易充填水泥 浆 固井附件也可迅速淹没在水泥浆中 减小了空井水泥浆对附件的冲击 破坏 与此同时 注入的水泥浆基本上直接向环空流动 便于施工参数动 态监测 有利于及时发现和处理井下复杂情况 6 3 3 43 3 4 现场施工技术现场施工技术 1 井眼准备与管柱下入 平落006 5井311 2mm井眼采用空气钻井技术钻至井1650m 按照设计 要求加人298 295扶正器 空井通井2次 确保井眼通畅 清洁后 下入套 管到指定位置 人井管串结构为 引鞋0 60m 套管鞋 0 27m 244 5 P110 10 03mm套管2根19 62 m 浮箍 0 30m 244 5 P110 10 03mm套管3根29 13m 浮箍 0 3Om 0244 5 P110 10 03mm套管1根9 93m 插管座 0 25m 244 5 P110 10 03mm套管162根1579 71m 双公短节0 25m 悬挂器 0 59m 联入8 48m 为防止大排量气体对人井固井附件的损害 未进行空气 循环吹扫 直接下入127光钻杆加内插管管柱注水泥 2 注水泥 固井准备结束后 清水冲洗内插管 试压25 0MPa稳定 然后排出地面 管线清水 注水泥领浆10m3 密度1 74g cm3 注夹江G级高抗水泥浆 68 0m3 密度1 88g cm3 水泥浆返出地面后 停止配注水泥浆 替配浆 水15m3 环空出口返出约15m3 替浆结束检查无回流 拔出插入管 起钻 完 候凝 施工过程中对流量变化和压力变化进行了现场监测 监测表明 水泥浆在充满上套管鞋以上管柱前和替配浆水时 流量和压力变化剧烈 再次印证了空井固井的难点 水泥浆开始进入环空 流量和压力整体变化不大 也即形成了 U 形液柱 7 3 3 53 3 5 固井技术总结固井技术总结 1 平落006 5井是川渝地区套管下深最深的第一口44 5mm技术套管空 井固井作业 不但实现了低压易漏地层一次性正注水泥浆全封固 而且固 井质量合格 该井顺利施工为今后空井固井作业提供了可借鉴的经验 2 空井固井能够实现环空水泥浆的全充填 解决了空气钻井后注入常 规钻井液后再固井带来的井壁稳定 经济效益问题 是气体钻井技术的补 充和延伸 对于提高固井质量 缩短钻井周期 降低钻井成本 加快勘探 速度和推动钻井技术进步 具有重要的现实意义和良好的社会经济效益 3 空井固井在平006 5井的应用成功 填补了空气钻井技术领域的一 项空白 但是 它仅仅是空井固井技术的一次有益尝试 应用和推广该技 术 需要在固井工艺 施工参数设计 防止管鞋替空等方面 做进一步研 究和试验 第第 4 4 章章 气体钻井技术的改进气体钻井技术的改进 这种可以提高钻井性能的新技术已在理论上和实践中得到证实 该技术 取得的进步在于应用一种能够精确论证井底压力 流量 动能的模型 因 此 可以迅速估算不同钻柱 不同井眼几何尺寸以及气体流量 该模型论 证了在钻头之上将一部分气体分流转入井眼的作用 这种新的工具 井 下空气分流器安装在钻柱上 可以根据模型的模拟 精确分流最适宜的气 体流量 应用这种新技术控制钻头处的井底压力的结果是 通常由于摩擦 而损失的能量可以转化为有利因素 可以降低地面压缩气体的费用 减少 井眼冲蚀 提高机械钻速 延长钻头寿命 提高钻达总井深的成功率 而 不会转化为不可压缩流体 压力波动效应 文丘里效应 一般用于在地面从 井口脱气 在井底也可以产生压力波动效应以降低井底环空压力 采用这 种方式降低井底压力后 可用较少的空气和较低的摩擦提高气体流量 该 技术已成功地应用于现场不同条件的井眼 提高了机械钻速 增强了井眼 稳定性 延长了钻头寿命 降低了总成本 8 4 14 1 控制气体体系的压力控制气体体系的压力 用气体流体和钻井液体系净化井眼所需的最小能量相同 已确定其值 为144 J m3动能 在井径规则的井眼中无论使用何种介质 这一点一般在 钻铤环空的顶部 不过 为达此目的在底部钻具组合内外所消耗的能量会 浪费 并有可能不利于井眼稳定 主要由流体密度产生的液压能 主要由流体流量产生的气压能 用液压系统钻井时 很难消除这一浪费 不过在气体钻井中 可以在 某一关键点将气体分流 这就实际上提高了体系的总体效率 这是一种控制井眼中钻杆和环空压力的合适方法 图4 1 使用钻柱的常规井眼 4 24 2 控制压力钻井的目标控制压力钻井的目标 4 2 14 2 1 液压系统液压系统 保持环空井底压力与地层压力相同 防止地层流体进人井眼 4 2 24 2 2 气压系统气压系统 在系统中给定的气体流量下尽可能降低环空井底压力 在确保净化井眼和驱动井下装置的前提下尽可能降低地面水功率 与钻井液相比 用气体钻井时实际上在很多方面更有利于正确使用控制压 力钻井技术 因为可压缩流体的压力和流量的能量几乎可以100 作用于井 底 适当应用这些技术可以降低系统中的摩擦压耗 减少对地面输人能量 的需求 更有利于提高能量在井底的效率 9 4 2 34 2 3 气体流体钻井气体流体钻井 误解误解 误解一 气体流量较大时可以提高井底流量 实际 降低井下流量 可能会降低井眼净化能力 误解二 钻头处的气体流量较大可以提高机械钻速 实际 多余的气体所增加的效益可能多于抵消所增加的环空回压 误解三 发生沉砂问题是因为环空底部的气体循环不充分 实际 大多是由于底部钻具组合周围过多的气体循环所造成的井眼 冲蚀 4 2 44 2 4 没有适当控制井眼压力所造成的问题没有适当控制井眼压力所造成的问题 1 沉砂和坍塌 2 改用钻井液 3 黏附钻杆 4 侧钻 5 钻头过早报废 6 使用昂贵的镶齿钻头 费用增加一倍 钻速降低一半 7 冲击钻具磨损 费用分析显示 在一段井眼使用气体流体钻井时 提高机械钻速所取得 的效益可能高于配浆 稳定井壁 用钻井液钻该井段所需费用 适当的工 程气体流体分布以及合适的井眼和钻柱结构可产生以下效益 减少钻井所需地面设备和燃料 尤其是大井眼 减少摩擦造成的井下能量损耗 降低环空井底压力 以减少钻屑压持作用 增加通过冲击钻具的压降 提高机械钻速 减少钻头冲蚀 延长钻头寿命 减少井眼冲蚀 降低钻井液和水泥浆的总费用 改善井眼净化 提高井底钻时和机械钻速 可以在更深 更恶劣的条件下使用冲击钻具和平底钻头 例如在 松软的角砾岩地层以及地层水侵入量高达16 95m3 h的条件下 降低钻头费用 减少所用钻头数量 使用便宜的钻头 采用合适的工程钻柱和井眼设计可以获得上述某些效益 不过 如果 必须租用额外的设备或必须下入较大的套管 所消耗的费用可能会超出所 获得的效益 在钻头之上的某一点将部分气体分流至井眼环空 这是以最 低的费用获得上述大多数效益的唯一方法 在许多情况下 到达钻头的气 体流量过多可能会不利于井眼稳定 产生以下不利影响 环空井底压力较高 增加对松软岩层的冲蚀 增加钻头的磨损 降低冲击钻具性能 只要有足够的气体到达钻头 以最优化性能驱动冲击装置 同时保持 必要的能量以净化底部钻具组合周围的环空 其他多余的空气均无益处 而且实际上会减少气体流体的可用能量 在冲击钻具中 使用节流器使一 部分空气绕过冲击钻具的活塞部分会降低冲击钻具的性能 不利于利用气 体系统的能量 4 34 3 井下空气分流器井下空气分流器 DHAD DHAD 井下空气分流器 11 是一根钻杆或钻铤短节 见图4 2 一般在钻柱上配 有两个喷嘴阀 以便将部分钻柱内的气体分流至钻铤之上的环空 为简便 期间 本文中的空气指所有气体流体 如天然气 脱氧空气 压缩空气 这取决于应用情况 可能有一个或多个这种短节连接在底部钻具组合或钻 杆上 从短节处将部分空气进行分流而非强制注入钻铤 钻头 返人钻铤 环空 就可以在用空气作为清除钻屑的主要介质时提高流动效率 从空气 分流中所获得的有利因素能够提高钻井性能 减少井眼冲蚀 这取决于应 用情况 这种工具可以降低摩擦压力 利用这种能量提高升举能力 降低 环空摩擦压力可以提高通过冲击钻具的压降 从而提高其使用效率 图4 2 分流器短节示意图 DHAD不仅可以分流气体 实际上还可以在其所处的环空内产生文丘里 效应 4 44 4 压力试验结果压力试验结果 在DHAD以下环空中所产生的井下压力波动是 柏努利效应 造成的 在实际钻井作业中下人了井底压力纪录仪 于2004年3月在阿肯色州 Franklin县的1口1524m的井上 用三牙轮镶齿钻头钻进时完成了压力试验 用冲击钻具和平底钻头钻进时井底压力装置所承受的条件非常恶劣 波 动压力也与钻头类型无关 仅受喷嘴末端内所分流的空气压力和喷嘴末端 出口处的环空压力 的影响 钻进期间地层出水量约为8m3 h时 井底压力低于0kPa 表压 可根据受下钻时压力波动影响的井口压力来验证测得压力 应用气体流体 钻井模型绘制出的压力曲线可以精确预测带DHAD和不带DHAD时的现场地面 压力和井下压力 由此绘制出流速曲线和动能曲线 1 钻进1372m时的压力从未超过0 14MPa的施对压力 不带DHAD时该井 深处压力为1 21 MPa 开始钻进前先循环气体时DHAD之下3m处的环空压力 为0 09MPa 低于大气压力 2 钻进时井底压力出现峰值是由于地层中的液相侵入DHAD与钻头之间 的井眼所造成的 如果DHAD之上的地层中含有液相 这种情况就会消失 3 从最小钻杆压力开始下人DHAD阀 以防止阀门振动造成的沉砂 4 54 5 建议建议 1 在冲击锤上使用封闭式节流器 带封闭式节流器的冲击锤能够以最 高效率运行 2 循环通过活塞区的气体流量不超过冲击钻具的额定最大流量 过多 的气体通过冲击锤会缩短其使用寿命 有可能造成钻头 带接头 3 环空回压会降低冲击钻具的性能 这一回压可能是由地层水侵的静水压 或过多气体循环通过钻头所产生的压力所造成的 由于所有钻井作业中只有10 的井应用气体钻井 因