氣體鉆井技術及現(xiàn)場應用呂金鋼 張克明 李建忠 秦? 靜吐哈鉆采工藝研究院? 838202摘要? 氣體鉆井技術由于其多方面的優(yōu)勢，在國際石油鉆井市場上發(fā)展迅速，最近幾年，全球范圍內(nèi)得到廣泛應用。2003年以來，吐哈石油勘探開發(fā)指揮部承擔了多項中國石油天然氣集團公司氣體鉆井方面的研究和現(xiàn)場試驗項目，進行了大量氣體鉆井技術的室內(nèi)研究，并進行了玉門青西地區(qū)窿14井空氣／霧化／泡沫鉆井、吐哈紅臺地區(qū)紅臺2-15井純氮氣全過程欠平衡鉆井、吐哈三塘湖地區(qū)馬14井充空氣鉆井等多口井的現(xiàn)場應用，取得了良好的應用效果，體現(xiàn)了該技術良好的應用前景，促進了該技術的進一步推廣應用。關鍵詞：氣體鉆井 欠平衡鉆井 鉆井方式 全過程 儲層傷害 油氣采收率 單井產(chǎn)量 空氣錘 空氣螺桿 霧化泵 現(xiàn)場試驗一、氣體鉆井技術簡介氣體鉆井技術就是采用以氣體為主要循環(huán)流體的欠平衡鉆井技術，相對于常規(guī)鉆井，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在保護和發(fā)現(xiàn)儲層、提高油氣產(chǎn)量和采收率、提高鉆井速度、減少或避免井漏等方面的優(yōu)勢。（一）氣體鉆井方式1、純氣體鉆井目前普遍應用的有2中，一是純空氣鉆井，二是純惰性氣體鉆井。純氣體鉆井井底壓力當量密度可降低到0-0.05g/cm3；環(huán)空返速要求最低為15m/s。（1）純空氣鉆井。主要應用在提高非儲層段的機械鉆速和對付非儲層段井漏上，鉆遇油氣層時井下著火和爆炸的可能性極大；要求鉆進的井段沒有水層或地層出水較??；工藝相對較為簡單。（2）純惰性氣體鉆井。包括氮氣鉆井、天然氣鉆井、柴油機尾氣鉆井等，應用在油氣層段的鉆進，目的是為了避免儲層傷害，可及時、無遺漏的發(fā)現(xiàn)和評價油氣層，提高單井油氣產(chǎn)量和采收率。2、霧化鉆井可進行空氣／霧化鉆井（存在井下爆炸的危險，在非油氣層段應用）和惰性氣體／霧化鉆井。同時通過注入管線向井內(nèi)注入氣體和發(fā)泡膠液，利用高速氣流將注入的液體霧化，目的是在地層出水較小時提高流體的攜巖能力，滿足井底攜砂要求，其注入的氣量和壓力都比純氣體鉆井要大。3、泡沫鉆井有穩(wěn)定泡沫和硬膠泡沫兩種，泡沫鉆井一般都采用空氣作為氣基。同時通過注入管線向井內(nèi)注入較小排量的空氣和較大排量的發(fā)泡膠液，形成細小穩(wěn)定的泡沫，氣液比一般在1000-200：1之間，連續(xù)相為液相。其優(yōu)點是需要氣體排量小（只需純氣體鉆井一半左右）、密度低、濾失量小、可防止井下爆炸、對油氣層傷害小、提高機械鉆速、攜巖能力強（為常規(guī)鉆井液的10倍）；缺點是泡沫回收難度大、回收率低、發(fā)泡材料昂貴，成本較高。4、充氣鉆井液鉆井將空氣或惰性氣體注入和鉆井液同時注入井內(nèi)來降低流體液柱壓力，以鉆井液為連續(xù)相的鉆井循環(huán)流體。密度可根據(jù)充氣量來調(diào)節(jié)，其液柱井底壓力當量密度為0.70-0.80g/cm3左右較為合適；環(huán)空速度須達到0.8-8.0m/s；地面正常工作壓力為3.5-8.0Mpa；在鉆進過程要注意氣液的分離和鉆具防腐等問題。 5、氣體鉆井方式之間的轉(zhuǎn)換對氣體鉆井危害最大的就是鉆遇井下高含水地層，當井下出水時，會出現(xiàn)鉆頭破碎的巖屑中的泥巖水化后抱團，粘附在井壁和鉆具上，形成泥餅環(huán)，堵塞環(huán)空通道；環(huán)空中的循環(huán)氣體需要將地層出水霧化并帶出地面而做功，導致注入壓力升高，流量不變的情況下，壓力升高則流速減慢，不利于攜巖等不利于氣體鉆井問題。但是，如果井下沒有出水，鉆具和井壁之間的摩擦阻力將會隨著鉆井井段的增長、井斜的增大而增大，因此需要根據(jù)井下的情況而轉(zhuǎn)換成更有利于安全鉆井的氣體鉆井方式。通過現(xiàn)場試驗，總結了幾條氣體鉆井方式的轉(zhuǎn)換原則：（1）如果地層出水小于1.0m3/h，扭矩小于20000Nm，增大氣體排量能滿足攜巖要求時，采用純氣體鉆井；如果增大氣體排量不能滿足攜巖要求時，轉(zhuǎn)為霧化鉆井；（2）如果地層出水大于1.0m3/h而小于5.0m3/h，則轉(zhuǎn)為霧化鉆井；（3）如果采用霧化鉆井，扭矩仍然大于20000Nm，則轉(zhuǎn)為泡沫鉆井；（4）如果地層出水大于5.0m3/h，則轉(zhuǎn)為泡沫鉆井。（5）如果采用泡沫鉆井，扭矩仍然大于20000Nm，則轉(zhuǎn)為常規(guī)鉆井。 （二）氣體鉆井設備1、氣體注入設備氣體注入設備主要有空壓機、增壓機、制氮車、液氮泵車、鄰井天然氣、柴油機尾氣發(fā)生裝置等。2、液體注入設備目前，注入液體的設備一般采用霧化泵、水泥車和鉆井泵。霧化泵、水泥車用于注入小排量的液體，如果氣體鉆井過程中攜帶困難，轉(zhuǎn)盤扭矩增大，需要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井或泡沫鉆井時使用；鉆井泵用于充氣鉆井時向井內(nèi)注入鉆井液。3、壓力控制系統(tǒng)由井口裝置、節(jié)流管匯、放噴管線、排砂管線、巖屑取樣器、點火裝置、防回火裝置等設備組成。井口裝置要求在標準井口的基礎上，加安裝旋轉(zhuǎn)控制頭或旋轉(zhuǎn)防噴器，主要起三方面的作用，一是井眼環(huán)空與鉆臺之間的封隔；二是提供安全有效的壓力控制；三將井眼返出流體導離井口。目前國內(nèi)外已生產(chǎn)出系列動密封壓力級別從3.5MPa到21MPa、靜密封壓力從5 MPa到35MPa的旋轉(zhuǎn)控制頭，基本能滿足各種情況下的氣體鉆井。氣體鉆井過程中井口始終敞開或控制的井口回壓一般小于2MPa，旋轉(zhuǎn)控制頭需要承受的壓力很小，所以對其選型沒有特殊要求。4、井下工具為了安全鉆井，氣體鉆井需要在鉆具上安裝浮閥等特殊工具。（1）浮閥，安裝在鉆頭或井下動力鉆具之上，一般安裝2個，防止空氣、鉆屑倒流和鉆頭堵水眼。（2）單流閥，配合旋塞閥使用，安裝在鉆桿頂部，主要是為了縮短接單根時的放氣時間和注氣時間，防止鉆頭埋砂等復雜的發(fā)生。（3）蝶閥，功能與單流閥相同，其特點是可通過測井儀器，鉆進過程中需要測井時不須起鉆將其取出。（4）斜坡鉆桿，全過程欠平衡鉆井時需全井段使用，防止鉆桿接箍過旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯時將其損壞。（5）六方方鉆桿和六方方補芯，減小方鉆桿對旋轉(zhuǎn)控制頭內(nèi)膠芯的磨損。5、帶壓操作設備為了滿足全過程氣體欠平衡鉆井，需要在起下鉆、下套管、下油管、測井等施工過程中進行不壓井作業(yè)，主要是使用特殊的設備來滿足帶壓操作的安全。（1）帶壓起下井內(nèi)管串裝置，在井眼環(huán)空有較小的壓力時，利用井口裝置密封鉆具，強行起下井內(nèi)管串。其優(yōu)點是起下鉆時臨時安裝在鉆臺上，當起出或下入的鉆具懸重大于因地層壓力造成的上頂力后便可不使用，操作簡單，可重復使用。缺點，無法下入長而復雜的鉆井、完井管串，如篩管等，只適用于裸眼完井。（2）井下套管閥，也稱為井下封井器，安裝在氣體鉆井井段的上一層套管中，在下入技術套管的同時下入一根控制開關寄生管，開和關由地面控制系統(tǒng)控制。安
