空气雾化钻井条件下录井技术探讨.doc

空气、雾化泡沫钻井条件下录井技术探讨方锡贤 （河南石油勘探局地质录井公司 河南南阳 473132 ）摘 要：空气、雾化泡沫钻井给录井带来一定的困难，本文从现场录井需要出发，针对空气、雾化泡沫的钻井条件下的“钻井液”循环及岩屑上返特点，介绍了提出空气、雾化钻井条件下特殊的迟到时间的测定方法，保证在密闭循环条件下能够取到岩屑、气体的特殊岩屑采集、气体提取装置，总结了传统法、钻时法、自然伽玛法、显微成像法等适应岩性呈粉沫状时的岩性识别方法，以及在这种特殊钻井条件下的气测异常识别、油气水层解释方法。文中结合空气钻井的特点，简单叙述了井下燃爆产生的条件并提出相应的监测方法，此外为了安全钻井，文中还提出了H2S、井壁失稳的监测方法。关键词: 空气钻井录井 迟到时间 采集装置 油气水层识别 井下燃爆监测0前言随着科学技术的不断提高,钻井工艺技术水平也有了很大的提高，负压钻井技术中的钻井液也由传统的液相介质（泥浆）发展发展到雾化泡沫、空气，这些介质的“钻井液”不断完善及应用，有利于油气层的保护，实现复杂易漏、低孔低渗、裂缝性、高陡等复杂地层快速钻进，提高了井身质量、钻井时效及勘探开发效益，但由于空气“钻井液”特殊的流变性及管汇循环结构给现场录井等带来挑战，需要寻找新的技术应对这种挑战，本文为此进行简单的探讨，愿对现场录井工作有所裨益。1岩屑录井1.1迟到时间的测量空气、雾化泡沫钻井的岩屑迟到时间主要有理论法与实测法,理论法主要依据均速气流冲击升力与岩屑浮重相平衡的均速直线运动的模型（Stokes公式），见公式（1），所得岩屑运移速度见公式（2）来计算迟到时间。 (1) (2)其中：d岩屑直径m；岩屑密度g/cm3；气体密度g/cm3；g重力加速度ms2； CD形状阻力因子，无量纲；v岩屑匀速直线运动的平衡速度ms。在井场录井中，虽然空气钻井服务公司一般会提供理论法计算的迟到时间，录井方也可通过相关计算曲线查找相关数据获取迟到时间，但由于理论法计算迟到时间较为复杂，因此更多采用的是实测法获取迟到时间。实测法主要是采用记录钻头到井底后开始钻进至岩屑返出时间的方法作为岩屑迟到时间，其主要依据是在液态基质钻井液转换为气态基质钻井液前、气态基质钻井过程中每次接立柱前、起钻前井眼要清扫干净这一基本工作要求，同时也基于在起钻、接单根时井眼中的空气、雾化泡沫压力于很低、密度极低，环空即偶有岩屑，也很快沉降到井底中这一实际。在老君1井空气钻井过程中，采用实测法所得岩屑迟到时间：762-1000m为1.4min；1000-1500m为1.4-1.6min；1500-1800m为1.6-1.7min。与理论计算迟到时间基本一致。1.2岩屑的采集岩屑排砂管出口1号阀门2号阀门 图1 空气、雾化泡沫钻井条件下岩屑取样器示意图由于在空气钻井中,钻头破碎的岩屑和地层气体随循环介质通过排放管线一同被排放到指定区域,在出口之前整个循环通道是封闭的,不能采用像钻井液钻井的方法采集岩屑。而排砂管线的出口空气返速很高，很难在排砂管线出口正常取到砂样，因此岩屑录井的首要问题是解决岩屑的采集问题。解决岩屑的采集可以通过制作专用岩屑取样器（如图1）来解决，正常钻进时打开1号阀门，关闭2号阀门，取样时关闭1号阀门，打开2号阀门，岩屑漏过2号阀门后立即关闭2号阀门，打开1号阀门，准备采集下一包岩屑。应该注意的是为了高压气流携带下的岩屑能够进入取样器，取样器中的岩屑能够迅速排出，取样器与排砂管之间呈45-60为佳。1.3岩屑的描述空气、雾化泡沫中的岩屑呈粉尘状，给岩屑描述带来困难，在实际工作中可以参照PDC钻头录井岩性识别方法进行。主要有以下几种方法：1.3.1传统法“远观颜色，近看岩性”是钻井地质工作者岩屑描述长期工作实践的经验概括和总结，这种描述方法客观、实用，同样适用空气、泡沫钻井条件下的岩屑描述。一般来说，同一地区，不同岩性的岩石有不同的颜色，有的颜色浅，有的颜色深，近看相互混杂，难以区分，远观的结果就不一样，新成份的出现及同类岩屑含量的变化，岩屑的颜色都能反映得出来，因而完全可以从颜色上进行卡层。层位卡准以后，借助放大镜、显微镜进行近看岩性，达到准确进行岩性描述的效果。1.3.2钻时法在放大钻时比例的基础上，采用“大套观察，高中求低，低中求高，幅低看岩屑”方法划分岩性界面。具体上就是：大套观察岩屑，找一典型层作标准层（一般是单种岩屑含量高、厚度较大的层），若该层为泥岩且对应高钻时，那么对应低钻时的就是砂岩（高中求低）；若该层为泥岩且对应低钻时，那么对应高钻时的就是砂岩（低中求高），对于碳酸盐岩地层在认真分析邻井岩性组合、不同岩性地层的可钻性后也一样求取。实际工作中，将钻时与钻压相乘后的值绘制成新的曲线，判断效果更佳。1.3.3自然伽玛法1运用岩屑识别仪对岩屑的自然伽玛进行测量得出每包岩屑自然伽玛值，绘制伽玛曲线，参照邻井自然伽玛与岩性的关系识别岩性，建立剖面。该仪器在Z101井共分析岩屑样品2266个，随钻绘制地层综合剖面图，现场岩性识别仪实测伽玛曲线和电测伽玛曲线吻合性较好，剖面符合率达到88.5%，达到很高的水准。1.3.4显微成像法运用数字实体显微镜分析样品岩屑扩大，然后通过其高分辩数码摄像机成像将照片传输至计算机中，利用色差分析法和计算机处理软件对细岩屑中不同的颜色和成分含量进行归类，通过人机交互进行百分含量变化的统计，依据相邻样品中不同岩性的百分含量变化实现自动识别，判断出岩性。可免除人工评价时的诸多不利因素，使岩屑的评价更具客观性和可比性。2综合录井由于空气、雾化泡沫特殊的循环系统及“钻井液”介质，因此综合录井中只有大钩负荷、扭矩、钻压、大钩高度工程参数能够采集到，其使用方法、设备安装与普通钻井液录井一样。空气、雾化泡沫钻井气测录井对样品分析与液相介质钻井液相同，但由于其钻井速度极快，因此必须采用快速色谱才能满足需要。由于为了保持一定的井内气柱压力,空气钻井、雾化泡沫从空气、雾化泡沫的加压到进入井眼携带岩屑出井眼进入放喷管线是一个密闭的系统， “钻井液”介质与液相介质钻井液不同，因此，必须采用特殊的方法满足气测分析需要。由于地层地下的复杂多变，因此在进行空气、雾化泡沫钻井时仍应安装正常钻井液介质钻井时的综合录井传感器、气体采集装置、管线，以便在转换钻井方式时能够满足取全取准资料需要。2.1空气、雾化泡沫的气体迟到时间由于岩屑的下降作用,因此空气、雾化泡沫中的气体迟到时间与岩屑迟到时间不同。气体的迟到时间基本可以采用注入气体排量与环空体积计算所得,也可以采用转换钻井方式下及起下钻、接立柱（单根）时记录开始注气时间和放喷口开始见到气体（泡沫）时间，用环空容积占井眼容积的比例求得见公式（3），由于空气、雾化泡沫注入速度极快，因此钻柱占用容积可以忽略不计。 (3)式中:t-气体迟到时间 min；T1-出口见到气体时间 min； T0-开始加压注气时间 min；v1-环空容积 m3；V-井眼容积 m3。2.2空气钻井中的气体采集如图2所示，气路管线安装在出砂管的上方，3号阀门为一球型开关,控制进出气。为解决空气中粉尘含量较高，很容易造成管路堵塞并伤害分析仪器的问题，采用由一级除尘器、二级除尘器、干燥器、空气过滤器组成的四级净化装置。其中一级除尘器主要充填介质为饱和盐水；二级除尘器主要充填介质为海绵及海绵状物质；干燥器主要充填介质为硅胶、氯化钙等干燥剂。为了保证净化效果，应依据情况定时更换海绵、饱和盐水、硅胶、氯化钙等净化物质，及时检查保养清理空气过滤器等，防止气路堵塞。二级除尘器一级除尘器干燥器空气过淲器综合仪器房排砂管 图2 空气钻井气测录井气体提取装置示意图3号阀门2.3雾化泡沫钻井中的气体采集如图3所示，在主管线上方开一个口，安装4号阀门，连接一个抽吸泵，用抽吸泵将从井内返出的泡沫泵入泡沫破碎仪中，该泡沫破碎仪的中心是一个可高速旋转中空圆柱体，该圆柱体柱面呈网筛状，顶面连接一个水管线，通过水管线将水不断送入圆柱体内部,经圆柱体高速旋转后水通过圆柱体筛面形成水珠洒向泵入的泡沫，将泡沫破碎释放出地层气与泵入的空气混在一起，由另一根管线送入净化装置(净化装置同空气钻井)脱水、脱尘、干燥装置后进入综合仪分析。4号阀门抽吸泵5号阀门6号阀门7号阀门空气水空气、样品气岩屑1号阀门2号阀门排砂管图3 雾化泡沫钻井条件下气测录井气体提取装置示意图3油气水层的识别3.1异常显示的识别3.1.1岩屑显示空气、雾化泡沫钻井条件下的岩屑识别油气水层与常规介质钻井液钻井基本相同，但由于岩屑细碎，因此传统的滴水法判别水层难以进行，同时由于比表面积大，对于轻质油层，油气容易逸散，导致含油级别降低，但是没有钻井液的对岩屑的水污染，却可以弥补这一不足。解决岩屑细碎的显示、油气水层识别，可以采用定量荧光录井予以解决。3.1.2气测显示空气、雾化泡沫钻井时气柱压力系数明显低于地层压力，导致已钻显示层的烃类物质易渗入气柱中，形成“压差气”，给气测录井判断油气层特别是气层的带来相当的困难。判断已钻地层的“压差气”产生的异常还是正钻地层的真气测异常，较好的方法是采集储集层等量岩屑加入饱和盐水采用VMS-3岩屑全井液全脱仪进行全脱分析，用分析值绘制曲线，即可判断该异常是正钻层的真异常还是由已钻地层“压差气”产生的异常。3.2油气层的识别3.2.1空气钻井油气水层的识别油层由于空气钻井的特殊性,因此不适应油层钻进。如钻遇油层,可以通过岩屑荧光颜色、含油别级、气测录井的全烃曲线形态结合色谱分析数据及定量荧光、地化录井分析数据进行解释评价外，还可以通过排砂管火焰颜色及放喷出的油砂量、原油量进行识别并估算产能高低。气层依据全烃相对幅度及组分等常规方法判断气层外，由于空气钻井中，没有钻井液对地层污染以及液柱压力对地层流体的压制，因此，地层流体特别是气体可以在基本无阻的条件渗入井眼气柱中，气测录井的全烃浓度直接就是返出气体内的天然气浓度，该值乘以空气注入量就是地层产气量，据此也可以判断气层相对产能。水层除传统的方法外，通过观察岩屑可以判断地层产水情况，如岩屑有水渍感，是水层；如岩屑见到自由水滴，则地层出水大于5m3/h。此外，岩屑中见到泥饼，也是钻达水层的重要标志，岩屑量出水量较少时，与岩屑混合只形成泥饼，当出水量较大时，与岩屑混合则形成泥糊。3.2.2雾化泡沫钻井油气层的识别除传统的识别方法外，还可以通过观察排砂管火焰颜色、喷出物颜色以及三相分离器计量数据判断地层流体性质及相对产能。4空气、雾化泡沫钻井条件下的钻井安全监测4.1井下燃爆的预防与监测4.1.1井下燃爆的条件井下燃爆特存在于空气钻井之中，井下燃爆的本质是井下的连续燃烧。空气钻井时，地层产出可燃气体与空气混合达到一定浓度、组分、温度、压力条件并且在井下具备点火条件时就可能会发生燃爆。井下燃爆点火有几种可能：火花点火、热球点火（热源）、热板点火（大面积升温度）、链式反应自燃点火（高温高压效应，类似于柴油机汽缸内压缩点火）。实际钻井中，火花点火只可能出现在很大岩屑高速撞击时，热球点火只可能在钻头牙齿散热不好时，热板点火不太可能，故实际钻井中，火花点火、热球点火、热板点火都很难出现，出现最多的是链式反应的自燃点火。链式反应的自燃，只会出现在井筒内严重泥包，形成泥饼环，在封闭的环空内压力升高、气流速度减慢，有利于发生链式反应，链式反应逐渐升温加速，直至出现燃爆。而且，重烃的成分、湿气成分更容易发生链式反应，干气、甲烷最难发生链式反应，即最难引起井下燃爆。24.2.2井下燃爆的后果井下发生着火之后，在地面的常规观察不到任何有关迹象。只有在钻具被烧熔之后，才会突然发生类似于卡钻的表现，此时钻具已经损坏，事故已经造成了。但是井下会引起气体不同成分含量的变化，因此可以通过监测气体成分来监测井下燃爆的发生。4.3井下燃爆的监测4.3.1燃爆前的监测作好随钻对比分析，及时判断已钻穿及可能要钻穿气层深度、结合邻井情况判断可能产出能力。通过综合录井的气测功能，及时分析准确烃类气体浓度是否达到可能发生燃爆浓度，如果达到燃爆浓度，应按照预案通知相关方，以便采取预防措施。一般情况下返出气体中全烃含量连续超过3%，就有可能发生燃爆。 通过岩屑录井判断井下是否存在泥饼。如果存在泥饼，也应通知相关方。监测非烃气体,及时发现异常。4.3.2燃爆的监测采用可以监测CH4、H2S、O2、CO、CO2浓度以及温度及的多功能监测仪进行监测时，CH4、O2浓度突然由基值或上升值突然下降， CO2浓度、CO浓度、温度由正常值突然上升，即可判断井下发生燃爆。监测到井下发生燃爆，要立即预案向相关方报警，以立即停止向井下注气。当没有采用多功能监测仪时，可以采用综合录井仪录井中的全烃、组分及非烃录井判断井下发生燃爆。当全烃达到燃爆界限后，全烃、CH4及其它组分由基值或者处于上升状态突然下降，热导中的CO2浓度突然由低值突然上升到高值时，即可判断发生燃爆。4.4 H2S的监测空气、雾化泡沫钻井中发生硫化氢气侵将可能带来相当严重的后果，因此有必要强化对硫化氢遥监测工作。除传统的位置安装固定式H2S传感器外，考虑到空气、雾化钻井循环系统是一个密闭的系统，而排砂线出口相对是较低凹的地方，H2S易聚集，因此应在排砂线出口附近安H2S传感器，以便快速发现H2S异常。4.5井壁失稳的监测井壁失稳,导致地层垮塌，严重时可能导致卡钻、或将钻具埋住、井眼报废等事故发生，因此监测井壁失稳，以便相关采取转换钻井方式等措施是现场的一项重要工作。空气、雾化泡沫钻井条件下岩屑基本呈粉沫状，如果