（石油与天然气工程专业论文）气体钻井在大邑1井中的研究与应用.pdf

中文摘要 论文题目：气体钻井在大邑1 井中的研究与应用 专业： 硕士生： 批导老师： 要 川西地区特别是探井，由于地层复杂，钻井机械钻速极低，不仅钻井周期长而且极 易发生断钻具等井下复杂事故，另外常规泥浆过平衡完井技术对探井的油气发现也非常 不利，严重制约了川西地区的天然气勘探进程，如何提高钻井速度、发现油气层、保护 油气层直是川西地区钻井工作的一个难题，在大邑1 井的钻井过程中，选择适当的井 段进行气体钻井技术试验研究，发现气体钻井技术提高钻井速度效果非常明显，钻井机 械钻速提高了2 l o 倍，不仅可以保证井身质量，同时还可以减少井漏、卡钻和断钻具 等井下复杂，大大缩短了建井周期，节约了钻井成本。通过川西地区大邑l 井的气体欠 平衡完井实践，发现气体欠平衡完井能最大限度的保护油气层。 本文根据川西地区大邑区块工程地质特征，论证了大邑地区白垩系夹关组以下适合 气体钻井，对气体钻井及完井工艺技术进行了研究，在大邑1 井进行了实践，并对气体 钻井工程进行了技术经济评价。 关键词：气体钻井装备配套钻井速度大邑1 井欠平衡完井经济评价 论文类型：应用研究 n 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a s t u d ya n da p l yo i ld a y i 一1w e l la b o u tg a sd r i l l i n g t 氏 f o rc o m p l e xg e o l o g i cc o n d i t i o ni nt h ed e e pe x p l o r a t i o nw e l li nw e s ts i c h u a na r e a , a v e r a g ep e n e t r a t i o nr a t ew a sv e r yl o w , d r i l l i n gc y c l ew a sl o n g , d o w n h o l ed r i l l i n gt o o lf a i l u r e s e a s i l yo c 圮u l , a n dt r a d i t i o n a lm u do v e r b a l a n c ec o m p l e t i o nt e c h n o l o g yg i v ed i s a d v a n t a g e st oo i l a n dg a sd i s c o v e r yo fe x p l o r a t i o nw e l l ，s ot h ee x p l o r a t o r yd e v e l o p m e n to fg a sw a ss e r i o u s l y r e s t r i c t e d h o wt oi m p r o v ed r i l l i n gs p e e d , d i s c o v e r ya n d p t o t e c tr e s e r v o i ri sa l w a y sa d i f f i c u l t p r o b l e mw i t hd r i l l i n go p e r a t i o ni nt h i sa r e a b ym e a n so ft h et e s tr e s e a r c ho ng a sd r i n i n g t e c h n i q u e si nw e l ld a y i - 1 ，i tw a sf o u n do u tt h a tt h ep e n e t r a t i o nr a t em i g h tb eg r e a t l yr a i s e db y a p p l y i n gt h eg a sd r i l l i n gt e c h n i q u e s ，t h ed r i l l i n gr a t ei n c r e a s i n gb y2 1 0t h n e s t h e a p p l i c a t i o ne f f e c t so fg a sd r i l l i n gt e c h n o l o g yw e r eo b v i o u s ，n o to n l yt h ew e l lb o r eq u a l i t y b e i n ge n s u r e da n dt h ec o m p l i c a t r dd o w n h o l ea c c i d e n t s , a sm u dl o s s ，d r i u m gp i p es t i c k i n ga n d b r e a k i n g , e l c ，b e i n gr e d u c e d , b u ta l s ot h ew e l lc o n s t r u e t i o np e r i o db e i n gg r e a t l ys h o r t e n e da n d t h ed r i l l i n gc o s tb e i n ge c o n o m i z e do n i nw e s ts i c h u a na r e a , t h eu n d c r b a l a n c e dc o m p l e t i o n p r a c t i c eo fd a y i 1w e l ls h o w e dt h i sk i n do ft e c h n o l o g yc a nf a r t h e s tp r o t e c to i la n dg a s r e s e l v o i r i na c c o r d a n c ew i t hg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fb l o c kd a y ii nw e s ts i c h u a na r e a , t h i sp a p e r d e m o n s t r a t e sg a sd r i l l i n gt e c h n o l o g ys u i t e st ot h ef o r m a t i o nu n d e rt h ej i a g u a nf o r m a t i o no f c r e t a c e o u si nd a y ia r e a ，i n v e s t i g a t e st h eg a sd r i l l i n ga n dc o m p l e t i o nt e c h n i q u e ，m a k e sa n e c o n o m i ca n dt e c h n o l o g i c a la s s e s s m e n to nt h eg a sd r i l l i n ge n g i n e e r i n gb yu s eo f w e l ld a y i 1 a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：g a sd r i l l i n g , c o r o l l a r ye q u i p m e n t s ，d r i l l i n gr a t e ，w e l ld a y i - 1 ，u n d e r b a l a n c e d c o m p l e t i o n ，e c o n o m i ce v a l u a t i o n t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名 珀葡嗲 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名 珀荪博 日期：2 q q z 生! q 旦3 q 旦 日期：坠幽山) 2p 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章前言 第一章前言 1 1目的意义 由于川西地区大邑构造工程地质特征具有的特殊性，采用常规钻井技术机械钻速低， 发现油气层的命中率低，保护储层的效果不够理想，由此严重影响了中石化西南分公司 油气勘探开发的进程和钻井工程作业队伍的经济效益。这就要求钻井工程作业队伍利用 一切先进的钻井技术手段，提高钻井效率和油气勘探开发的成功率。为此，需要引进先 进的钻井工艺技术来提高钻井机械钻速，及时发现和保护油气层，气体钻井就是近年来 快速发展起来的一种新型钻井工艺技术。 气体钻井相对于常规钻井，其优势主要表现在提高机械钻速、减少或避免井下复杂 事故的发生、延长钻头寿命、保护和发现储层等方面。本课题根据川西地区大邑构造致 密砂岩勘探开发需要，选择适合气体钻井的储层及井段，进行气体钻井作业，以便在储 层保护、油气发现及提高钻井效率等方面取得新的突破，提高川西地区大邑构造致密砂 岩储层的综合勘探开发效益，并形成一套适合川西地区大邑构造的气体钻井完井工艺技 术。 1 2 主要研究内容与技术路线 1 2 1 主要研究内容 本课题围绕项目研究攻关目的，进行了以下研究： ( 1 ) 适合气体钻井技术的储层井位筛选 由于气体钻井的适用范围具有局限性，比如要求所钻井并壁稳定和地层不出水或少 量出水等限制条件，因此应进行选井评层，以获得技术、安全和经济三方面的平衡。 ( 2 ) 气体钻井工艺技术研究 包括内容有：气体种类选择、注入参数优化设计、钻井设备优选、气体钻井地面流 程配套及安全应急体系研究、不压井带压起下井内管串工艺技术研究。 ( 3 ) 气体钻井配套完井技术研究 采用气体欠平衡钻井能对储层起到保护的作用，但完井若不采用欠平衡方式，则欠 平衡钻井对储层的保护就前功尽弃，因此欠平衡完井是保持全过程欠平衡及保护储层的 一个重要环节。研究的重点是完井管柱结构及完井工艺方式的合理确定，形成与气体欠 平衡钻井配套的完井技术。 广泛调研国内外欠平衡完井方式，通过各种欠平衡完井方式优缺点及其适用性条 件分析，基于井壁稳定性分析，考虑产层物性特征，裸眼井段长度及钻井过程中的油气 显示等因素，进行完井方式优选论证。 基于已确定的欠平衡完井方式，确定合理的井口装置及完井管柱，并形成配套的 西安石油大学硕士学位论文 完井工艺技术。 ( 4 ) 气体钻井完并现场试验及经济可行性评价 针对气体钻井具有高风险和高技术含量的特性，应对气体钻井的技术和经济可行性 进行评价： 对气体钻井进行风险评估，并制定相应的风险预防措施； 对应用气体钻井和常规技术钻井的各项经济指标进行对比，论证在川西地区大邑 构造实行气体钻井的经济可行性。 1 2 2 技术路线 川西大邑构造低压气藏天然气欠平衡钻井完井技术应用研究的技术路线如图1 1 。 工程地质特征研究l i 上 上 气体钻井工艺技术 l。欠平衡完井工艺技术l l 1 i 一上i一 】1一l j i 一 注天地 不 7 c 理入 然 面压 井井 欠 参 气 流 井方管 压数钻程 起 式 柱 值设井及下 选设 确计装安钻择计 定备全工 选体艺 择系技 术 - - - - _。_ _ - - _ 广 1 _ - - _ _ _ - 一 t - 一 j 上 案，并用于大邑l 井做现场试验l l 针对现场试验资料，对设计修改完善i 上 形过程欠平衡钻井完井应用技术 i 图1 - 1 技术路线图 1 3 取得的主要成果 通过对气体钻井工艺技术的特点及适用条件的研究，拟出了一套川西地区大邑构 第一章前言 造气体钻井地层筛选原则。参考该原则，对大邑构造地层特征进行研究。得出了可在大 邑构造夹关组以下自流井组以上地层适合运用空气钻井，须家河组地层适合用氮气钻井 的结论。 在对气体钻井设备配套技术研究的基础上，形成了气体钻井设备配套技术。 通过对气体钻井工艺技术，包括气体介质优选、注入参数优化设计、设备配套， 施工工艺、安全应急体系、配套完井工艺技术的研究，形成了一套气体钻井完井配套工 艺技术。 以储层井壁稳定性判断为基础，考虑产量影响因素，优选出适合川西大邑构造须 家河二段的欠平衡完井方式；初步形成了适应欠平衡完井方式的井口装置和完井管柱， 为大邑l 井合理完井提供了技术保障。 建立了一套气体钻井工程技术经济评价体系，依照该体系，对已施工的气体钻井 井大邑l 井进行了经济评价，认为在川西地区大邑构造实施气体钻井工艺上可行，并可 获得良好的社会和经济效益。 在中石化系统内圆满完成目前国内最深，地层压力最高的大邑l 井氮气钻井作 业，并在大邑构造须家河组地层首次获得超过1 2 1 0 4 m 3 的天然气产能；大邑l 井巾 3 1 1 2 m m 井眼空气钻井单只钻头进尺1 0 8 1 0 9 m ，创川西地区当时最高记录。 西安石油大学硕士学位论文 第二章川西地区大邑构造适合气体钻井的地层筛选 2 。l 气体钻井地层选择原则 从国内外应用情况来看，气体钻井技术在及时发现油气层，提高采收率、解决工程 难题和提高勘探开发综合效益等方面具有诸多优势，但是也并非所有的地层都适合使用 气体钻井技术，只有在适合气体钻井作业的地层中使用该技术，其综合优势才能得以充 分发挥。 2 1 1 适合气体钻井的地层 1 ) 具有潜在的井漏或钻井液侵害的油气藏 包括晶间渗透率大于lx1 0 3 i t m 2 的地层，具有大的宏观开放型裂缝的地层( 开度大 于l o o p m ) ，具有大量连通孔洞的非均质碳酸盐地层，可以导致过平衡压力大于6 9 m p a 的压力枯竭地层和裂缝型渗透通道的产层。 2 ) 具有岩石一流体敏感性的地层 相当部分的地层损害是由于不相溶水基滤液与地层粘土或其他活性材料的化学反应 引起的。许多地层含有水活性粘土，如蒙脱石或混层活性粘土，这些粘土与非抑制性水 基钻井液接触会发生膨胀，并严重影响采收率，而且在某种情况下，会影响近井眼区域 固结。有些地层可能还含有悬浮粘土和细颗粒或可运移材料，如高蛉石粘土、碎岩屑、 焦沥青和无水石膏。 3 ) 具有液一液敏感性地层 气体钻井可以防止不相容的钻井液滤液侵入地层，从而消除侵入滤液与地层盐水或 原油发生有害反应，其中的一种有害反应是高粘水包油乳化剂钻井液被圈闭在近井眼区 域。另外的有害反应包括：由于油基钻井液侵入油气藏原油引起脱沥，从而导致渗透率 的降低；由于不相容的水基钻井液滤液和地层盐水混合而导致地层胶合和固相沉淀。 4 ) 具有潜在自吸能力的地层 由于有害的相对渗透率效应，近井眼区域的水或烃形成永久性圈闭，从而导致地层 产量的降低。利用气体作为欠平衡钻井循环介质，以维持欠平衡状态，就可以防止自吸 和降低相圈闭的可能性，从而防止钻井液基液进入地层而直接产生驱替和圈闭。 5 ) 油藏性质高度易变的地层 在油气藏渗透率、孔隙度和孔喉尺寸的分布上呈现出很大差别的高度层状地层，大 量砂岩或碳酸盐地层设计过平衡钻井难度较大，而应用气体欠平衡钻井可实现均匀的开 采。 6 ) 对水锥进敏感的地层 在这样的地层如果采用过平衡钻井，那么钻井液会侵入地层，引起水锥进效应，导 4 第二章川西地区大邑构造适合气体钻井的地层筛选 致后期开采困难。而运用气体钻井，由于井底压力低于地层孔隙压力并且不需要试油作 业，就可以避免以上问题的发生。 7 ) 复杂地层 对于某些硬地层、高陡构造及推覆体地层、易漏地层来说，利用气体钻井在较低钻 压可大幅度提高机械钻速，减少井下复杂事故发生机率，从而缩短钻井时间节约成本。 2 1 2 不适合气体钻井的地层 1 ) 高压和高渗透率相结合的地层，运用气体钻井在地面可能出现井控及安全问题。 2 ) 常规地层。对于常规地层，如渗透率低于o 5 x1 0 弓“m 2 的均匀晶间地层以及具 有较低的岩石一流体和流体一流体敏感性的地层，设计合理的过平衡作业与风险较大的 气体钻井相比，效果可能更好。 3 ) 地层孔隙压力不清楚或井壁稳定性差、需要足够钻井液密度才能抑制井塌的地层。 4 ) 含大量h 2 s 或c 0 2 气体的产层。 2 1 3 气体钻井地层筛选参考原则 根据气体钻井技术的特点及适用地层条件，同时结合国内外运用气体钻井的经验总 结及川西地区大邑构造致密气藏的工程地质特征，初步拟出一套川西地区大邑构造气体 钻井技术的地层筛选参考原则( 表2 1 ) ： 表2 - 1 气体钻井地层筛选参考原则 项目参考原则备注 气藏产量 4 0 x1 0 4 m s d 考虑因素：1 冲蚀；2 井控要求。 首先考虑产量，对于低产气藏，可以适 地层压力地压系数 1 7 当放宽压力系数界限。 地层产水量 1 2 0 m 5 | a 据威德福公司资料 井壁稳定性好 水敏性 强 h 2 s 1 5 m g m a 地层产量不超过4 0 1 0 4 m 3 d 结合气体钻井工艺特点及考虑井控安全等因素，在选择地层时，一般要求地层产量 不能太高，防止由于产量过高导致的管线内流速过快，造成的管线快速磨损、刺漏。目 前川西地区在产层实施气体钻井时一般来是在7 ”技术套管里使用31 2 ”钻杆进行作 业，注气量接近1 0 x1 0 4 m 3 d ( 按6 0 m 3 m i n 计算) ，当地层产量为4 0 1 0 a m 3 d ，在井口 不控压的情况下，则环空过流面的气体流速将接近音速，高速含砂气流对套管冲蚀严重。 同时，如果产量更高，则井口将形成一自然节流，并且在排砂管线的流速也超过管线的 最高允许过流速度，导致管线磨损、刺漏加快，增加气体钻井的辅助时间。川局在川西 西安石油大学硕士学位论文 地区大邑构造同类气藏应用气体钻井技术多年，具有丰富的经验。在平落坝潜伏构造上 平落1 9 井须二地层3 6 9 6 3 7 6 0 7 1 米井段进行纯天然气钻井和欠平衡完井作业，完井测 试日产天然气4 7 2 7 1 万立方米天，计算无阻流量6 0 0 4 2 万立方米天，生产结束后发现 管线冲刷损坏非常严重。据此，认为气藏产量小于4 0 x1 0 4 m 3 d 的地层是适合实施气体 钻井作业的。 b 地层压力系数一般不超过1 7 同样基于目前气体钻井井控技术设备及川局近年来在实践过程中总结的经验，选择 地层时要求其压力系数一般不超过1 7 。随着技术和设备的进步，气体钻井将来也有可能 用于地压系数超过1 7 的地层。在实际气体钻井过程中，对于地层压力系数达到1 7 以上 的地层，如果钻遇较高出气量( 以接近4 0 1 0 4 m 3 d 为参考) ，应立即停止继续钻进作业， 启动高压高产气藏气体钻井应急措施。 c 不含大量地层水的地层，地层水产量不能超过1 2 0 m 3 d 因地层中粘土矿物遇水膨胀，易粘附在钻杆外表面，造成粘附卡钻；另一个原因是 由于地层出水后，水与易膨胀的井壁岩石发生反应，引起井壁垮塌等复杂事故。目前， 我国具备了实旌空气、天然气和氮气钻井的能力，据国外威德福气体钻井公司多年来的 试验，适合纯气体钻井的地层的产水量极限为1 2 0 m 3 d ，在地层岩性为不与水发生反应 的地层( 如碳酸盐岩地层) ，其产水量标准可适当放大。 d 井壁稳定性好的地层 气体钻井中，循环流体为气体，井底为欠压状态，欠压值一般较大，不能平衡地层 压力；气体悬浮岩屑的能力很差，井壁轻微垮塌就可能引起卡钻等井下复杂事故，因此， 气体钻井只能在井壁稳定性好的地层实施。 e 敏感性较强的地层，尤其是水敏性强的地层 气体钻井运用于地层水敏性强的地层，其使用效果越明显。 f 微含h 2 s 在含剧毒的h 2 s 气井实施气体钻井时，地层流体会产出到地面，目前井队普遍采用 开式循环系统，实施气体钻井风险太大，据石油行业标准s y 5 0 8 7 ，当h 2 s 含量超过 1 5 m g m 3 ，就必须终止气体钻井，目前在勘探南方分公司探区要求气体钻井过程中一旦 发现的h 2 s 气体，应立即停止气体钻井，用泥浆压井。 除了上述几方面外，在调研中，我们还注意到对于储层实施气体钻井，要获得较高 的产能，必须裂缝较发育或有一定的渗透性能，因此，裂缝的发育程度也是要考虑的一 个重要因素。 2 2 适合气体钻井的地层工程地质特征 在对川西地区大邑构造的地层特性、地层压力、油气水分布、流体性质及储层特征、 产能的研究和认识的基础上，根据气体钻井技术的适用条件及地层筛选原则，对地层、 6 第二章川西地区大邑构造适合气体钻井的地层筛选 储层是否适合气体钻井进行评价。 2 2 1 构造特征 据地震资料解释成果：大邑构造为北东展布，向北东倾伏，西南仰起，构造轴向为 北东向，长轴在1 l 1 6 4 k m 之间；短轴在2 1 2 7 k i n 之间，两翼不对称，倾角7 0 1 2 0 。 由深至浅从雷口坡项( t 6 ) 到白田坝底( t 4 ) 构造形态变化不大，总体上都是两翼均被 断层切割遮挡的背斜。 2 2 2 地层特征 大邑构造目前勘探程度较低，地层发育情况只能借助邻近地区井的资料。据西南油 气田分公司川邑1 3 0 井和灌口构造资料，大邑构造地层自上而下为第四系、白垩系、侏 罗系、三叠系地层，下面分别对其特征进行描述： ( 1 ) 第四系地层 厚度5 m 左右，上部为表层土，下部为细粗砂层夹砾石层，与下伏灌口组呈角度 不整合接触。 ( 2 ) 白垩系灌口组 预测厚度为2 5 5 m 左右，岩性为棕红色含粉砂质泥岩、浅褐色细粒岩屑砂岩、棕红 色含粉砂质泥岩、浅棕褐色泥岩呈不等厚互层。局部夹薄层杂色砾岩，偶夹白色石膏薄 层。 ( 3 ) 白垩系夹关组 厚3 5 0 m ，岩性为棕红色含钙泥岩与紫红色细粒岩屑呈不等厚互层。底部为杂色砾岩。 与下伏天马山组呈假整合接触。 ( 4 ) 白垩系天马山组 厚4 0 0 m ，上部为棕红色泥岩与同色粗粉砂岩互层，局部夹砾岩。下部杂色砾岩与浅 紫红色细粒岩屑砂岩、含钙泥岩呈不等厚互层。与下伏侏罗系上统蓬莱镇组呈假整合接 触。 ( 5 ) 侏罗系蓬莱镇组 厚8 0 0 m ，岩性上部为大套紫红色泥岩、砂质泥岩夹灰绿色细砂岩、粉砂岩，中下部 为紫红色、灰绿色泥岩与灰绿色细砂岩，粉砂岩不等厚互层，底部以绿灰色细砂岩。与 下伏遂宁组呈整合接触。 ( 6 ) 侏罗系遂宁组 厚2 3 0 m ，上部为灰绿色泥岩与灰绿色、绿灰色细砂岩、粉砂岩不等厚互层，中部为 灰绿色、绿灰色细砂岩、粉砂岩与灰绿色、紫红色泥岩不等厚互层，下部为大套紫红色 泥岩夹绿灰色细砂岩，底为绿灰色细砂岩。与下伏沙溪庙组呈整合接触。 ( 7 ) 侏罗系沙溪庙组 西安石油大学硕士学位论文 厚5 5 5 m ，上部为紫红色泥岩、砂质泥岩夹灰绿色、绿灰色细砂岩及灰绿色粉砂岩， 中下部为紫红色、绿灰色泥岩与绿灰色、灰绿色细砂岩不等厚互层夹灰绿色粉砂岩，底 为灰绿色砾状细砂岩。与下伏自流井组呈假整合接触。 ( 8 ) 侏罗系自流井组 厚5 0 9 m ，紫红色泥岩与灰绿色细砂岩略等厚互层间夹灰绿色粉砂岩，近底部见一套 灰白色细粒石英砂岩，底部为紫红色泥岩。与下伏须五段呈假整合接触。 ( 9 ) 三叠系须家河组第五段 厚5 8 5 m 岩性为上部为黑色、灰黑色页岩与深灰色、灰色岩屑砂岩略等厚互层，夹 黑色碳质页岩和煤层，下部砂岩层增多，厚度大，底部为黑色页岩。与下伏须四段呈整 合接触。 ( 1 0 ) 三叠系须家河组第四段 厚6 0 0 m ，上部为黑色页岩与深灰色岩屑砂岩不等厚互层夹黑色碳质页岩和煤层；中 部为灰色岩屑砂岩与黑色页岩互层；下部以黑色页岩为主。与下伏须三段整合接触。 ( 1 1 ) 三叠系须家河组第三段 厚4 8 0 m ，岩性以泥页岩为主，夹煤层，和菱铁矿薄层。 ( 1 2 ) 三叠系须家河组第二段 黑色页岩与浅灰色细、中及粗砾长石石英砂岩、灰白色砾状砂岩互层。 2 2 3 油、气、水分布及其性质 据邻区实钻与区域水文资料，大邑构造第四系地层与白垩系灌1 3 组地层为区域水层， 夹关组以下自流井组以上地层含气性差，邻井邛西4 井在蓬莱镇组、遂宁组和沙溪庙组 仅钻遇9 层气测异常层，川邑1 3 0 井对沙溪庙组测试该段为干层，不产流体须家河组 地层是该区主要目的层，邻区邛西构造多口井钻获高产工业气流，产量在几万方到四十 多方方之间，灌口3 井在须家河二段，测试产量有1 1 0 4 m 3 d 左右，预测本区须家河组 也极可能获较高工业气流。 据邛西2 、雾l 井分析资料，须家河二段天然气中以甲烷为主，含量在9 1 9 9 9 7 1 9 , 4 之间，其次是乙烷，含量在1 9 6 5 9 3 之间，相对密度为o 5 7 0 。本区天然气含二氧化 碳，含量从微到0 5 7 ，不含硫化氢。 灌口2 井须家河二段完井测试产地层水5 4 m 3 d ，出水位置在4 8 6 0 m 以下( 海拔 4 1 5 0 m ) ；灌口3 井在4 6 4 5 4 7 9 0 完井测试不产地层水( 海拔- 4 1 5 1 m ) ，邛西l 井须五 须二水样分析表明该区水型为n a h c 0 3 ，总矿化度为o 5 6 8 0 6 3 7 9 l 。 2 2 4 地层压力 据川邑1 3 0 井实钻资料，第四系地层至侏罗系自流井组地层压力属常压系统，地层 压力系数为1 0 2 1 1 3 。据平落坝、邛西构造资料，须家河组五三段地压系数为1 1 4 第二章川西地区大邑构造适合气体钻井的地层筛选 1 3 2m p a m ，须家河组二段地压系数为1 1 7 1 3 4 m p a m 。 综上所述，大邑构造夹关组以下自流井组以上地层岩性主要是砂、泥岩，岩性致密， 常压地层，地压系数在1 0 2 1 1 3 之间，无水层和工业气层，气体不含h 2 s ，适合运用 空气欠平衡钻井以提高钻井速度。须家河组地层也以砂、泥岩为主，地层压力系数为 1 1 7 1 3 4 ，远小于地压系数1 7 的原则，同时所产物主要为天然气，少量地层水，能满 足气体钻井的要求，同时邻区邛西构造已成功实施多口井的气体钻井作业，也获得较好 的油气成果。另外须家河组地层常规钻井速度低，考虑周围无天然气生产，因此，须家 河组适合应用氮气钻井，这不仅可以起到保护储层的作用，还可以加快钻井速度，提高 效益。 9 西安石油大学硕士学位论文 第三章气体欠平衡钻井工艺技术研究 3 1 气体介质优选 气体钻井的循环介质有空气、天然气、氮气、柴油机尾气，其工艺特点具有较大的 差异。在选定的井和层位，应综合考虑技术、安全、经济条件，选择合适的气体循环介 质种类。 3 1 1 气体钻并分类 气体钻井按介质分类可以分为空气钻井和惰性气体钻井两大类。 l 空气钻井 空气是最早应用的气体，在2 0 世纪5 0 年代就用于非储层的钻进，目的是提高钻速、 降低成本、克服井漏。 广义的空气钻井包括：纯空气钻井、雾化钻井、充气钻井、泡沫钻井，如图2 - 1 所 示。依次岩屑的携带能力逐步增强，对环空返速的要求依次降低。 图3 - 1 空气钻井几种方式 i 纯空气( 粉尘) 钻井 纯空气钻井是指用空气压缩机向井内注入干燥空气，依靠环空气体的冲量，把钻屑 从井底返出至地面的一种钻井方式，主要用于提高非储层段的机械钻速和对付非储层段 井漏，适用于不出水或出水量较小、不出油气或油气产量较小( 钻遇油气层易发生井下 i o 第三章气体欠平衡钻井工艺技术研究 燃爆) 且井壁稳定性较好的地层 主要优点： 提高机械钻速比常规钻井高2 5 倍； 增加单只钻头进尺，减少钻头消耗： 减少起下钻次数，提高钻井时效； 可及时评价所钻地层； 减少产层伤害： 减小或消除低压漏失带循环损失。 i i 雾化钻井 在空气中加入一定体积包含有水和化学抑制剂的液体，使其以非连续液滴形式存在 于连续气相之中。这种低液相体积分数的钻井流体通常称为“雾”，以这种流体为循环介 质的钻井就称为“雾化钻井”。由于液相以非连续液滴存在，对循环气体的流变性没有直 接的影响。雾化钻井与纯空气钻井大致相同，但其能在一定程度上克服地层出水。 空气钻井时，地层有流体侵入，且流体侵入量大于5 m ，空气钻井就应该转化为 雾化钻井。 优点： 比常规泥浆体系更高的机械钻速； 当地层产出非烃质流体时能继续钻进； 降低甚至避免井下着火或者爆炸的危险。 i i i 充气钻井 充气钻井是液相中充入气相( 氮气、天然气、空气) ，以两相流体作为循环介质以获 得欠压差的欠平衡钻井方式。充气钻井液的密度可以控制在o 4 5 1 0 0 g c m 3 ，它不但能 大大降低井内静液柱的压力而且具有良好的携岩性能。常规的充气方式包括地面、寄生 管柱和同心管柱充气方式，如图3 2 、3 3 所示。 优点： 可以通过改变注入气液比来改变井底压力； 能在多种钻井液体系中使用； 由于井底压力降低，能大幅度提高机械钻速。 沁稳定泡沫钻井 泡沫是一种比较复杂的非牛顿流体，稳定泡沫具有很好的携屑能力。在石油工业中 就是在空气( 氮气、天然气) 中以一定比例加入表面活性剂和水，维持泡沫质量指数在 5 5 9 9 5 ，形成稳定泡沫，并将其作为循环介质用于钻井作业。泡沫钻井是所有空 气钻井中，在能满足井眼净化良好条件下，对环空返速要求最低的空气钻井方式。 西安石油大学硕士学位论文 优点： 相对纯气体钻井和雾化钻井，泡沫钻井具有卓越的岩屑携带能力； 相对纯空气或雾化钻井气体注入量减少，相应的压缩机数量减少。 在短的循环中断时间，岩屑仍能悬浮在环空中。 驻a 圈3 - 2 寄生管柱充气 v 空气钻井适用条件 圈3 - 3 同心管柱充气 空气一般含氮7 8 、氧2 1 。标态下密度1 2 k g m 3 。空气钻井一般用于非储层钻井， 避免应用于钻开油气层。当不得己应用于油气层时，必须配用防回火短节，一旦井下发 生爆炸，则切断供气，保证井下安全。 空气钻井的另一问题是腐蚀。干空气不会造成明显腐蚀，但当井下有盐水产出时， 盐水与富氧联合作用则对钻具产生严重腐蚀。 1 1 惰性气体钻井 空气中含有氧气，当空气钻井钻遇产层时，烃类和氧气混和可能引起井下燃爆等井 下复杂。为了避免井下燃爆并得到空气钻井的效果，惰性气体钻井便应运而生。惰性气 体钻井包括有氮气钻井、天然气钻井、柴油机尾气钻井等，主要运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。 i 氮气钻井 氮气钻井的工艺流程与空气钻井基本一致，其与空气钻井不同之处在于将氮气从空 第三章气体欠平衡钻井工艺技术研究 气中机械分离，并把分离出来的氮气增压后注入立管，用作钻井循环介质，从井底携带 岩屑并返回地面。 优点： 达到空气钻井提高机械钻速目的 最大限度的保护和发现油气层 钻遇油气层段时，能避免并下燃爆等井下复杂。 从纯技术的角度考虑，氮气是最佳的选择。惰性的氮气，不但可以阻燃，同时可以 防止腐蚀。 i i 天然气钻井 氮气钻井虽然解决了空气钻井过程中井下易发生燃爆事故的问题，但由于需要专门 的氮气分离设备，因此在施工作业中受到设备的限制，有时氮气分离设备不能满足气体 钻井需要的注气量。人们考虑在井场附近有天然气气源的井运用天然气作为循环介质， 以实现气体钻井。 在有天然气可用的地区，用天然气为循环介质的气体钻井打开油气层，是一种方便、 经济的方法。 如果有管输天然气，则管输气稳定的压力，脱硫和除水的处理，完全可以满足钻 井要求。在供气管道上加装流量计，以便指导现场施工和天然气的消耗计量。 如果是邻井天然气，则要注意气的质量、含水、含油、含h 2 s 及c 0 2 等。另外 还要注意气源井的供气能力，供气管线的优化设计，以保证施工正常。 气源( 井及供气管线) 与施工井的距离、地形( 如沟壑，河流、山地等) 也是决定 是否可行的因素。 优点： 达到气体钻井提高机械钻速的目的； 满足气体注入量的范围扩大； 由于邻井或集输管网的天然气具有一定的压力，减小了对增压机的依赖程度； 能避免钻遇油气层段发生井下燃爆的危险。 i i i 柴油机尾气钻井 柴油机尾气钻井是利用了空气在燃烧过程中消耗氧的原理，使柴油机尾气中的含氧 量降低到安全限以下，从而防止井下防燃爆。 柴油机尾气钻井需要进行井下燃爆规律研究，找出不同条件( 温度、压力、点火方 式) 下的最低含氧量，通过合理调配柴油机工作参数，使其产生符合要求的含氧限度， 并对燃烧尾气进行降温、降水、除尘等处理，进入压缩机增压后进行钻井作业。国内在 四川有过柴油机尾气的运用，在使用过程中发现以下问题： 增压机组要求进口的温度最高为3 2 c ，但经处理的柴油机尾气温度仍然高于4 0 西安石油大学硕士学位论文 ，需要开发足以降低尾气温度的降温设备或专用于柴油机尾气的压缩机组； 柴油机尾气供气量较小，不能满足大尺寸井眼对气体需求量大的要求； 柴油机尾气采集装置相对成本较高。 一 因此，目前国内对柴油机尾气钻井的应用还处于探索阶段，但可以肯定柴油机尾气 可以用于气体钻井。 3 1 2 气体钻井循环介质的选择原则 选择哪种气体作为气体钻井的循环介质，应综合考虑安全和经济效益两方面。 裹3 - 1 气体钻井循环介质对比 项目 空气天然气 氮气 安全与天然气混合易燃爆易燃易爆气体无燃爆危险 需要动用空压机，费用 经济成本天然气费用1y r 2 力-成本为1 6 元方 较低廉0 5 元，方 环保不产生污染，环保不产生污染，环保不产生污染，环保 适用井段 非储层段储层段 储层段 在非油气层段地层气体钻井时，从成本上考虑尽量选用空气钻井； 大邑l 井6 0 0 米2 7 0 0 米井段属于非产层段，开展气体钻井的目的主要是提高机械 钻速，因此选用空气作为循环介质； 邻井( 同场井) 具有天然气源的开发( 评价) 井目的层段气体钻井，应优先考虑 成本较为低廉、与天然气混合不会发生燃爆的天然气为循环介质； 不具备天然气源且在储层段的气体钻井则应运用氮气钻井。 3 2 注入参数优化设计 气体钻井( 气体、氮气和天然气等) 中，井筒环空流动为气固两相流。当地层出水， 井筒环空为气液固三相流。气固两相流和气液固三相流的流动计算十分复杂，目前 比较有代表性的是最小动能法、最小速度法、考虑单个粒子运移的关键点方法，但各种 计算方法都不尽人意。a n g e l 是最早研究气体钻井气体流动力学的学者，在8 0 年代以前 气体钻井流体力学参数设计均采用a n g e l 最小动能模型计算，但其计算出的最小注气体 积流量比油田实际需要值低2 5 。为了寻求气体钻井更准确的计算方法，g u o ，b m i s k a 等建立了最小携岩速度等模型，但与油田实钻数据比较表明其计算结果比油田实际注气 量更低。而且这些模型中，只有a n g e l 模型计算结果与油田实际注气量更接近。g u o 等 研究分析发现a n g e l 最小动能模型计算结果比油田实际需值低的原因在于将w e y m o u t h 光滑管流动摩阻系数用于a n g e l 模型中粗糙裸眼段中。因此g u o 等将n i k u r a d s e 粗糙裸 眼段流体流动摩阻系数计算引入a n g e l 最小动能模型，这个重要的改进使a n g e l 最小动 能模型与油田实用最小注气量十分吻合。因此，本课题以修正的a n g e l 最小动能模型为 1 4 第三章气体欠平衡钻井工艺技术研究 注入参数设计模型。 3 2 1 最小注气量q p 计算方法 最小动能法 a n g e l 在不考虑钻屑和流体问的相互作用( 能量，质量、动量交换) 及气固两相间 无滑脱的条件下，将气相和固相( 钻屑) 混合物的密度和速度视为在环空中的定常均匀 单相流动，由气体动力学理论导出有效将固相岩屑从井底携带到地面所需最小环空速度 v g ，在标准状态( 2 0 。c ，o i m p a ) 为1 5 2 4 m s ，即单位气体动能e 。为： 2 孝詈曙 ( 3 1 ) k 标准状态下气体的重度，n m 3 ； 标准状态下所需最小气体速度，m s ； r 重力加速度，9 8 1 m s 2 。 井筒内计算点深处与标准状态具有同等携屑能力的动能必须满足以下关系： 三2 2 9 曙= 1 2 垒g 曙 ( 3 2 ) g。p 。 或嘭= 孚曙 由气体状态方程，任意计算井深处气体重度r g 为： sp r x2 五葛(3-3) s g - 一注入气体的比重； p _ 计算井深处的压力，m p a ： 卜计算井深处的绝对温度，o r 。 井内计算井深处的气体体积流量q 。由状态方程： q 。：3 3 4 8 xi o - 4 t q 2 ( 3 - 4 ) 绞= 一 q 广计算井深处注入气体体积流量，m 3 m i n ； q 广标准状态下注入气体体积流量，m 3 m i n ； 卜计算并深处绝对温度，o r ； p _ 计算井深处压力，m p a 。 计算井深处的气体流速由( 3 - 4 ) 式求得： 以：5 5 8 x l 。o 。q g o t ( 3 - 5 ) 6 p a a 计算井深处流道横截面积，m 2 。 代( 3 3 ) 式、( 3 5 ) 式进方程( 3 2 ) 式整理得： 西安石油大学硕士学位论文 ：竺：!：塑堡(3-6p- 6 )= = 卫) 4 求得计算井深处的压力p ，温度t 。过流面积a ，即可确定按最小动能准则设计井 深，井筒流道条件下注入气体体积流量q 驴。 最小携屑速度法 i k o k u 等人根据质点在阻尼介质中的自由下落问题研究了气体钻井中，携带钻屑的 最小速度计算模型，该方法确定最小注入气体体积流量q ，时需要计算钻屑在气体中的 终了沉降速度v s l 和输送速度v 仃。 终了沉降速度v s l 钻屑终了沉降速度是其几何尺寸、形状、密度与气体密度、粘度及流动形态的函数， 下式即为钻屑是球状的终了沉降速度方程： = ! ( 3 7 ) l + d l | d h v s 广终了沉降速度，m s ； d s - 一钻屑的当量直径，m ： d 旷一流道的水力直径，m ； p g 气体密度，k g ，m 3 ； p 。钻屑密度，蜉m 3 ； 、i r 球形度： c d - 姑屑滑脱系数( 页岩，石灰岩c d = i 4 0 ，砂岩c d = o 8 5 ) ； g 一重力加速度，m s 2 。 输送速度v t r 钻屑输送速度u 取决于气体钻井中的机械钻速v 。和环空允许( 安全) 输送的钻屑 量。 钻屑量与机械钻速v 。和钻头尺寸d b 有关，即： 绯= 矧熹) s ， q 厂一钻头破碎岩屑的体积，m 3 s ； d b 钻头尺寸，m ； v ，n _ 一机械钻速，m h 。 环空过流断面上输送钻屑的体积流： 1 6 第三章气体欠平衡钻井工艺技术研究 绋= c p a ( 3 9 ) c 厂日不空钻屑的体积浓度，c p = 0 0 4 。 由固体颗粒的物质平衡方程： q ，= q o 即= 岳( 去 当量机械钻速v m e 。 对雾化钻井，气体钻井中地层水q f 进入井筒时，最小注气量准则应考虑以下两个问 题： 钻屑吸水膨胀，c p 应按岩水吸水膨胀后的体积计算，且c ：o 0 4 ； 雾化水q 。，地层水q f 折算成当量机械钻速v m e 。 邯q x + sf q f l = b i nb 2 s y 匹 = 掣 协 v 。r 一对应q x 、q f 折算( 当量) 机械钻速，m h ： q ，【- 雾化水体积流量，m 3 s ； q 广地层水体积流量，m 3 s , s i - 一雾化水比重，无因次； s 广地层水比重，无因次； d b 钻头尺寸，m ； 口、常数，取决于方程中采用的计算单位。 有效机械钻速、k 为： = + ( 3 - 1 2 ) 由以上分析输送钻屑和雾化、地层水时的最小注气速度为： = 吃+ 3 2 2 最小气体注气量q p 计算方程 关键点 气体是可压缩流体，在井筒内流动受状态函数的控制。井筒环空流道中，钻铤和钻 杆连接界面的井眼环空面积突然扩大，且此处也是全并简环空面积最大、温度、压力最 高的部位。即最大环空过流面积条件下( 受压力控制) 上升速最小的点。因此所设计的 注气流速只要满足该处的最小携屑速度，则可满足全井简的携屑能力要求，我们这一井 深部位称为关键点。 西安石油大学硕士学位论文 图3 - - 4 量小注气量确定的关键点 井筒环空压力计算 从方程( 3 6 ) 知只要知道关键点a 处的压力p ，即可求得注入气体的体积流量q 。 根据一维定常流体力学理论，可建立井筒环空内任意计算井深处的压力计算微分方程： d p = r ( 1 4 - 等卜 式中：d 广压力增量，m p a ； 计算井深处混相物的重度，k g m 3 ； f 一摩阻系数，无因次； v - 计算井深流体速度，m s ； d h 井深增量，m 。 混合流体重度r m ： ：竺竺坠( 3 - 1 4 ) ，= 一 ， j “ q i + q l + q 。 w