天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术VIP

天然气技术 摘要天然气要溶于油基钻井液，其溶解度大小受多种因素影响。在超过临界压力和临界温度的井眼内， 天然气有可能在油基钻井液中完全溶解凝析甚至发生超临界现象。所以，天然气侵入油基钻井液后的运移膨胀规 律有别于水基钻井液的运移膨胀规律；在向上部井段运移过程中，溶解气存在反凝析挥发现象和气体因压力降低 而发生的等温膨胀现象，这都将引起井筒气液体积比急速升高。若不对侵入油基钻井液的天然气进行井口控制， 将可能引发灾难性事故。为了控制天然气侵入油基钻井液的风险，角51-1FM井在目的气层钻进时使用了旋转防 喷器与液气分离器，对侵入油基钻井液的天然气进行井口脱气分离，取得了预期效果。 关键词天然气气侵油基钻井液溶解脱气 天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 刘俊 1 谭山川 2 方敏 2 张洪 2 罗永中 3 丁振龙 2 （1. 重庆市燃气集团公司，重庆 400020；2.中国石油川庆钻探工程公司，四川成都610051； 3. 百勤石油技术有限公司，广东深圳518054） 收稿日期：2010-02-25修订日期：2010-04-28 作者简介：刘俊 （1972） ，女，高级工程师，从事天然气机械设备及技术管理工作。E-mail：ztshy518 中图分类号：TE254.4文献标识码：A 0引 言 在国际钻井服务市场上，大多数油公司在钻探 探井、超深井、三维定向井、水平井及大位移井时 是乐意选择油基钻井液体系的，以支撑旋转导向和 随钻测井等最领先技术来勘探开发油气田 1。油基 钻井液的组分通常是以柴油或无毒矿物油作连续 相；水作分散相，水含量为10 %40 %不等；主辅 乳化剂作油水乳化稳定剂，以有机酸和有机酰胺等 为主乳化剂，可生物降解的烷基苯磺酸钠等为辅乳 化剂；有机土为分散胶体；氧化钛铁矿或重晶石等 作加重剂；无机盐调节水相活度，一般乳化水即为 20 %的氯化钙盐水。笔者就天然气侵入油基钻井液 后的运移膨胀进行探讨，并提供一种可供现场应用 的天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术。 1油基钻井液井口脱气分离的必要性 天然气与柴油或无毒矿物油极性相似，具有互 溶性。如甲烷，在标准状况下其在石油中的溶解系 数为0.3，在水中的溶解系数为0.033 2。然而，侵入 油基钻井液的天然气溶解度大小则受多种因素影 响。可以定性地认为：油基钻井液的介电常数，特 别是乳化剂的介电常数是主要的内在影响因素；在 地层条件下，天然气的溶解度还随压力的增加而增 加，随温度的上升而减小，且压力的影响远大于温 度的影响。天然气在油基钻井液中的溶解将稀释水 分散相，改变钻井液体系的油水比。 有人对富含地层水的凝析油气样品进行了地下 环境的模拟测试，发现了超临界现象，当压力降低 至某点压力后，又出现了液气两相状态 3。气侵油 基钻井液类似这种情况。因为存在超临界现象，处 于临界压力和临界温度以上的流体对有机物的溶解 是非常强的，所以在高温、高压井中，天然气在油 基钻井液中有可能完全溶解凝析。在向井口运移过 程中又逐渐出现反凝析现象，引起井筒气液体积比 急速升高，同时又存在因压力降低引起的等温膨 胀，等组分体积随井内压力的变化关系相当复杂， 值得进一步进行理论推导和模拟实验。总体来说， 在从井底侵入后的很长井段，气侵油基钻井液的等 组分相对体积变化极小，即体积并不随压力发生明 显变化。只有在接近井口的几十米或几百米时，才 符合单相气体定律，即气体体积与压力呈近似反比 例的关系。综上所述，油基钻井液气侵即使很严 重，其最初造成的井底压力降也是很小的。指望通 Vol.4，No.3 Jun.2010 文章编号： 1673-9035 （2010） 03-0027-02 天 然 气 技 术 Natural Gas Technology 2010年 第4卷 第3期 27 /Natural Gas Technology 过水基钻井液气侵经验，即通过钻井参数如泵压、 钻时等的变化来判断油基钻井液的气侵几乎是不可 能的。由于天然气的溶解性与可压缩性，当其接近 地面时才开始极大地膨胀，之前的录井气测也监测 不到，但其随后的影响可能是灾难性的。在接近井 口几百米甚至几十米时，天然气突然喷出，可能引 起爆炸与火灾（特别是在高温干燥季节） 。同时，天 然气喷出也引起井内压力剧降，类似气举诱喷，地 层天然气再次侵入井筒。即使关井，也有较高的 立管、套压力，可能憋漏易碎裸眼地层或表层套管 鞋，天然气甚至窜到地面，造成井喷失控。所以， 侵入油基钻井液中的天然气必须有控制地进行分离 和燃烧清除，特别是含有H2S的天然气必须进行燃烧 清除。 2油基钻井液井口脱气分离装置设计 鉴于油基钻井液气侵的风险，在钻井设计中应 增加在目的气层钻进时使用旋转防喷器与液气分离 器，用于天然气的井口控制与分离，如图1所示。 旋转防喷器安装在环形防喷器上端，旋转防喷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(?)? ? ? ? ? 1 500 mm （ 书书书 ?50 mm） （ 书书书 ?254 mm） （ 书书书 ?305 mm） 书书书 ?203 mm 书书书 ?203 mm 书书书 ?203 mm （ 书书书 ?100 mm） 6 000 mm 液气分离器 6 450 mm 1 500 mm 图1油基钻井液井口脱气分离装置示意图 器的排浆口接1个 书书书 ?254 mm的气动 （液动） 力阀，该 气动 （液动） 力阀又与钻井液出口流量计相连，共同 组成钻井液返出管。整个钻井液返出管全部硬连接 到尖斗罐上的钻井液分配槽，即振动筛前安装气测 录井探头的钻井液监测槽。钻井液分配槽有1条固井 排污管线连接到污水池。旋转防喷器的灌浆孔接1个 书书书 ?50 mm的低扭矩阀与自动灌浆泵连接。液气分离 器设计有2个入口，1个与节流管汇连接，用于关井 脱气；1个与钻井液返出管的三通连接，用于钻进时 脱气。液气分离器的出液口也连接到振动筛前的钻 井液分配槽。从出液口到钻井液分配槽之间设计外 置U型管，以自动调节液气分离器内的液面高度， 防止气体从出液口返出及液体从排气管溢出 4。在U 型管底部安装1个 书书书 ?100 mm的排污阀门，以防管线 淤堵。液气分离器的排气管线上也安装1套气体取样 器，用于气测录井。 钻井液返出管外径为 书书书 ?305 mm，液气分离器的 进出口管线外径均为 书书书 ?203 mm。在气层钻进时，气 侵油基钻井液由旋转防喷器经气动 （液动） 力阀和钻 井液出口流量计流向液气分离器，脱气后再流回到 振动筛，整个管路能承压1.0 MPa。液气分离器的工 作压力为0.8 MPa，由排气管上的泄压阀调节。 3现场应用 角51-1FM井是四川八角场构造上的1口地层压 裂监测井，其为定向井，按5段式剖面进行设计，水 平位移的设计是按第5段即直井段距离邻井水平段约 100150 m来考虑的。其主要钻井目的是：下检波 器到该井的XX4D地层，收集邻井水平井相同层位压 裂时的地震资料。在完成相关地质资 （下转第46页） 第4卷第3期刘俊，等：天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 28 /Natural Gas Technology 口坡组的可能气层后，对上部的高压气层和易垮塌 层进行了封隔，为下部安全钻井和提高钻速提供了 保障； 下部海相地层为同一常压压力体系，可采 取措施获得较高的机械钻速； 预留了一层套管层 次，给井身结构留有余地； 此套井身结构套管的 设计尺寸仍是目前在用的尺寸，其生产组织和钻井 工作较成体系； 第三次开钻可用 书书书 ?127mm钻具， 解决了目前元坝区块部分井钻具负荷不够和马力消 耗大的问题 1。 3.2套管尺寸优化 第一次开钻以上结构完全采用上述井身结构方 案，第二次开钻用 书书书 ?311.2 mm钻头钻进，钻至雷三 段完钻，下入 书书书 ?244.5 mm套管，封隔陆相高压层和 复杂层，为第三次开钻用低密度钻井液钻海相地层 提供保障；第三次开钻用 书书书 ?215.9 mm钻头钻至设计 井深完钻，下 书书书 ?177.8 mm套管完井，若第三次开钻 嘉陵江组钻遇高压气层或复杂情况，可下入 书书书 ?193.7 mm无接箍套管将复杂层位封隔；第四次开钻用 书书书 ? 165.1 mm钻头钻至设计井深，下入 书书书 ?146.1 mm尾管 完井 （表3） 。 这种井身结构设计除了具有第一套井身结构优 化方案的优点外， 书书书 ?244.5 mm套管不仅具有更高的 强度，而且质量问题明显减少，提高了第二次开钻 套管下入的安全性2。 3.3非常规井身结构优化 具体方案为： 书书书 ?508 mm导管下深为200 m，建 表2套管下深优化设计表 开钻次数 导管 第一次开钻 第二次开钻 第三次开钻 井眼直 径mm 660.4 444.5 311.2 241.3 套管外 径mm 508.0 339.7 273.1 177.8 下深 m 200 3 200 5 200 7 000 下深原则 封隔疏松表层，建立 井口 封隔上沙溪庙组低承 压层 封隔陆相高压层和复 杂层 （上接第28页） 资料的收集后，或射 书书书 ?244.5 mm套管 测试上部地层，或以XX4D为目的层侧钻打成另一口 水平井，或作为干井直接弃井。 在可能的浅层油气层钻进前，钻井承包商按作 业者要求安装了油基钻井液井口脱气分离装置，并 进行了整体试压。自 书书书 ?311 mm井段开始使用油基钻 井液，在旋转导向钻进时还进行了自然伽马和电阻 率的随钻测井。钻至DA ANZHAI地层，钻井液密度 为1.50 gcm3，有气测显示，最大全烃值为53 %。 采用该装置分离井口气，未进行加重处理，也未停 钻。依测井资料分析，气测显示地层为低渗透率地 层。在 书书书 ?216 mm井段钻进时，油基钻井液密度为 1.681.80 gcm3，未有任何气显示。 4结论与建议 1）天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 虽然在设备安装与费用控制方面有待改进，但其依 然是油基钻井液钻高产气井，特别是钻含硫高产气 井最安全的井控方案之一。 2）在使用油基完井液对气井或使用水基完井液 对高含凝析油气井进行测试时，地面流程设计也应 充分考虑天然气在完井液中的溶解及运移膨胀特 点，采取多级降压、远程开关、多路放空以及多套 流程共用与备用等测试措施。 3）对于陆地深井电动钻机，建议借鉴海洋钻井 经验，逐步对钻井喇叭口与钻井液返出管进行标准 化设计。钻井喇叭口长度可调节，其上可密封连接 转盘底座，其下可连接环形防喷器，除去调整占位 短节后可连接旋转防喷器；钻井液返出管与钻井喇 叭口硬连接，在钻台以下部分用支架固定，延伸至 钻井液罐振动筛部分是拆卸安装部分。 参考文献 1李家龙，张坤，吴仕荣，等. 超低密度硬胶极压型油包 水乳化钻井液在广安002-H9井的应用 J . 天然气工业， 2008，28 （1） ：88-90. 2郭昭学. 天然气在油基钻井液中的溶解特性 D . 四川新 都：西南石油大学，2008. 3李建伟，赵习森，周小平，等. 雅克拉 大涝坝凝析气 田的相态特征 J . 天然气工业，2008，28 （8） ：84-85. 4 孙振纯，王守谦 ，徐明辉. 井控技术井控设备 M . 北 京：石油工业出版社，1997：106-107. （编辑：卢栎羽） 第4卷第3期陈明，等：川东北元坝区块井身结构优化设计 46 天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 作者：刘俊， 谭山川， 方敏， 张洪， 罗永中， 丁振龙， LIU Jun， TAN Shan-chuan， FANG Min， ZHANG Hong ， LUO Yong-zhong， DING Zhen-long 作者单位：刘俊,LIU Jun(重庆市燃气集团公司,重庆,400020)， 谭山川,方敏,张洪,丁振龙,TAN Shan-chuan,FANG Min,ZHANG Hong,DING Zhen-long(中国石油川庆钻探工程公司,四川,成都,610051)， 罗永中,LUO Yong- zhong(百勤石油技术有限公司,广东,深圳,518054) 刊名： 天然气技术 英文刊名：NATURAL GAS TECHNOLOGY 年，卷(期)：2010,04(3) 参考文献(4条)参考文献(4条) 1.孙振纯;王守谦;徐明辉 井控技术井控设备 1997 2.李建伟;赵习森;周小平 雅克拉-大涝坝凝析气田的相态特征 2008(08) 3.郭昭学 天然气在油基钻井液中的溶解特性 2008 4.李家龙;张坤;吴仕荣 超低密度硬胶极压型油包水乳化钻井液在广安002-H9井的应用期刊论文-天然气工业 2008(01) 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条) 1. 刘双全.汪雄雄.樊莲莲.韩东.LIU Shuang-quan.WANG Xiong-xiong.FAN Lian-lian.HAN Dong 喷射引流技术在排除井筒积液中的应用期 刊论文-天然气技术2010,04(3) 2. 杨建坤.YANG Jian-kun 降低井下大修作业成本的对策以中国石油西南油气田公司为例期刊论文-天然气技术2010,04(4) 3. 何青琴.杨永全.何世明.刘永存.米庆.钟雨师.郭宏 低渗透油气田重复压裂诱导应力场模拟研究期刊论文-天然气技术2010,04(1) 4. 许云春.魏建军.陈东升.吴云利.XU Yunc