普光氣田氣體鉆井集成配套技術新進展

摘 要

摘要：氣體鉆井在鉆井提速、防漏治漏、發(fā)現(xiàn)和保護油氣層方面優(yōu)勢明顯，已成為國內(nèi)勘探開發(fā)的一項實用性先進技術。為此，介紹了氣體鉆井集成配套技術，包括空氣錘及配套鉆頭研制、霧
摘要：氣體鉆井在鉆井提速、防漏治漏、發(fā)現(xiàn)和保護油氣層方面優(yōu)勢明顯，已成為國內(nèi)勘探開發(fā)的一項實用性先進技術。為此，介紹了氣體鉆井集成配套技術，包括空氣錘及配套鉆頭研制、霧化鉆井(霧化基液的基礎配方：霧化劑為0.1%～0.3%、抑制劑為0.3%～0.7%、氣霧穩(wěn)定劑為0.05%～0.15%、增黏劑為0～0.15%、固結(jié)劑為0～1.5%)、泡沫鉆井、空氣鉆井燃爆監(jiān)測預警、空氣鉆井取心以及氣體鉆井鉆具失效預防技術現(xiàn)狀及取得的進展。電磁波隨鉆測量技術、延長氣體鉆井使用井段技術和用氣體鉆井發(fā)現(xiàn)和提高油氣井產(chǎn)量技術是氣體鉆井今后發(fā)展應用的重點和方向。
關鍵詞：氣體鉆井；空氣錘；霧化；泡沫；空氣鉆取心
    以川東北普光氣田為代表的南方海相酸性氣田的大規(guī)模的勘探開發(fā)為氣體鉆井技術的試驗、應用、推廣以及集成配套提供了廣闊的平臺?？傮w來看，氣體鉆井技術在試驗應用中不斷完善，實施推廣應用效果顯著，鉆井平均機械鉆速較之常規(guī)鉆井液鉆進提高3～8倍，單井鉆井周期縮短60d以上，嚴重漏失、井斜等復雜問題得到較好控制，及時發(fā)現(xiàn)了具有開發(fā)價值的工業(yè)油氣流構(gòu)造。
1 氣體鉆井集成配套技術進展
   2006年以來，氣體鉆井技術在普光氣田及川東北工區(qū)試驗、推廣應用取得成功，成為加快川東北及普光氣田勘探開發(fā)的核心鉆井技術。圍繞氣體鉆井現(xiàn)場實施，在純空氣鉆井成功應用的基礎上開展了空氣錘及配套鉆頭研制、霧化鉆井、泡沫鉆井、空氣鉆井燃爆監(jiān)測預警、空氣鉆井取心以及氣體鉆井鉆具失效預防技術等科研攻關，取得了明顯進展，初步形成了氣體鉆井集成配套技術。
1.1 空氣錘鉆井技術
   鑒于空氣錘獨特的技術優(yōu)勢[1～2]，中原油田鉆井工程技術研究院開展了CND型空氣錘的研制，具有結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、可靠性高、技術支持及時等特點，主要技術性能指標處于國內(nèi)領先水平。已完成285A、285B、275A、275B、Φ180mm3種型號5種規(guī)格空氣錘設計、研制。配套加工Φ444.5mm、Φ406.4mm、Φ320mm、Φ314.3mm、Φ311.1mm、Φ241.3mm、Φ215.9mm7種規(guī)格空氣錘鉆頭。開發(fā)研制了多種形式鉆頭防掉落安全機構(gòu)，有效防止鉆頭斷裂入井。獨創(chuàng)設計了兩種鉆頭保徑齒結(jié)構(gòu)形式，有效降低了鉆頭徑向磨損，提高鉆頭壽命。自主設計了空氣錘配套工具：高壓定量注油機和液壓鏈鉗[3]。
    針對Φ444.5mm井眼大排量霧化空氣鉆井施工需要，研制了氣舉旁通閥和氣液分離器。氣舉旁通閥安裝于距井底200～300m位置，可以降低循環(huán)壓力，避免環(huán)空堵塞。氣液分離器安裝于空氣錘上方或集成于空氣錘上接頭，可使霧化液和空氣分離，滿足大尺寸井眼鉆進需要[4～5]。
CND空氣錘及配套鉆頭在普光、大灣區(qū)塊試驗應用10多井次，平均機械鉆速是空氣牙輪鉆頭2倍以上，使用中安全可靠，各項性能指標達到國內(nèi)領先水平(表1)。
 
1.2 霧化鉆井技術
    空氣鉆井鉆遇地層水時出現(xiàn)粉塵粘附在鉆具上，易堵塞環(huán)空通道或造成井眼縮徑、井壁坍塌掉塊等復雜。霧化技術的出現(xiàn)解決了空氣鉆井鉆遇地層水時的井壁坍塌和泥包問題，其技術關鍵是霧化基液的防塌和防泥包性能。井壁穩(wěn)定是實施霧化鉆井的前提，霧化鉆井沒有支撐井壁的能力，只能通過強化化學防塌技術達到穩(wěn)定井壁的目的。研制了具有強化學抑制作用的低分子量陽離子聚合物和具有吸附成膜作用的大分子聚合物，利用具有不同防塌機理的防塌劑之間的協(xié)同作用，通過配伍性研究，確定了霧化基液的基礎配方：霧化劑為0.1%～0.3%、抑制劑為0.3%～0.7%、氣霧穩(wěn)定劑為0.05%～0.15%、增黏劑為0～0.15%、固結(jié)劑為0～1.5%。開展了霧化工藝技術研究，其基液配方、基液排量和氣體排量根據(jù)井徑、井深、鉆遇地層巖性、出水量、鉆時情況進行調(diào)整，基液排量一般控制在35～80L/min，第1次開鉆Φ444.5mm井眼氣體排量控制在140～175m3/min，第2次開鉆Φ320mm井眼氣體排量控制在120～200m3/min。
    針對川東北地層特點研究的霧化基液具有較強的防塌和防泥包性能，可滿足川東北上部地層空氣鉆井鉆遇水層時實施霧化鉆井的需要。根據(jù)鉆遇地層巖性、出水量、鉆時情況，研究形成了霧化鉆井技術及相關技術措施，在川東北地區(qū)現(xiàn)場應用取得良好的效果。應用霧化鉆井期間全井鉆井參數(shù)正常，立管壓力、扭矩穩(wěn)定，使用牙輪和空氣錘鉆進順利；攜砂、帶水效果良好。在普光、大灣等區(qū)塊14口井上應用，鉆井速度提高了5～6倍，地層出水量最大達到40m3/h時仍可安全施工，形成一套完善的氣體鉆井霧化工藝技術和技術規(guī)程。
1.3 泡沫鉆井技術
    當?shù)貙映鏊看蟮届F化攜水能力不能滿足要求時，則需要轉(zhuǎn)為泡沫鉆井。泡沫鉆井施工要求是：①具有良好的發(fā)泡能力；②較強的泡沫穩(wěn)定性；③抗溫、抗污染能力強；④較高的攜帶巖屑、攜水能力；⑤抑制性強，保持井壁穩(wěn)定。
    設計了泡沫鉆井流體性能評價模擬實驗裝置，建立了泡沫流體實驗室，可模擬現(xiàn)場進行泡沫流體攜帶巖屑、攜水、循環(huán)利用等方面的評價試驗。經(jīng)反復試驗和不斷優(yōu)化，開發(fā)出具有良好的抗溫、抗污染能力的強抑制性空氣泡沫流體配方：0.3%～0.7%TP-1+0.1%0.15%HXC+0.01%～0.03%YIM+0.3%～0.5%GXG+0.2%～0.6%AP-1+0.2%～0.4%FWJ。
    空氣泡沫流體不能在井壁形成濾餅從而在水敏性泥頁巖地層鉆進時極易造成井壁失穩(wěn)。在形成泡沫流體體系的基礎上，開展了空氣泡沫流體井壁穩(wěn)定性研究，旨在延長空氣泡沫鉆井的使用周期。研發(fā)了空氣泡沫鉆井抑制劑GXG和井壁穩(wěn)定劑FWJ，形成了具有良好抑制性和井壁穩(wěn)定性的空氣泡沫鉆井流體，可在井壁形成一層穩(wěn)定的保護膜，阻止或減少自由水向地層的滲透，有效抑制泥頁巖水化膨脹，增強泥頁巖強度，利于井壁穩(wěn)定。根據(jù)泡沫鉆井現(xiàn)場施工流體產(chǎn)生量大、不易及時消泡、不利于環(huán)境保護等突出問題，開展機械消泡裝置的研制。自主研發(fā)了環(huán)隙式機械消泡器并申請國家專利，室內(nèi)試驗消泡效率達到80%以上，該裝置的研發(fā)成功，對泡沫鉆井現(xiàn)場推廣應用及消泡技術的發(fā)展提供了強有力的技術支撐。泡沫鉆井技術在大灣405-2井、普陸1井、元壩10井現(xiàn)場進行了試驗應用，試驗過程中空氣泡沫流體均勻、致密，泡沫質(zhì)量及攜水攜砂效果好，井壁穩(wěn)定，消泡器現(xiàn)場消泡效果顯著，確保了現(xiàn)場安全順利施工。
1.4 空氣燃爆監(jiān)測預警技術
    空氣鉆井燃爆監(jiān)測預警系統(tǒng)工作原理是實時在線監(jiān)測井口返出氣體，通過檢測C02、CO、O2、H2S、CH4等氣體體積分數(shù)的變化來判斷是否有地層氣體進入井眼和是否發(fā)生井下燃爆[3]。該系統(tǒng)主要由氣樣采集及凈化裝置、氣體監(jiān)測儀、壓力傳感器、圖像監(jiān)測儀、無線傳輸模塊、監(jiān)測平臺(監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲)等組成。需要采集的數(shù)據(jù)包括：①井深；②二氧化碳含量；③一氧化碳含量；④氧氣含量；⑤甲烷等可燃氣體含量；⑥硫化氫含量；⑦溫度；⑧濕度。同時還裝備有攝像頭監(jiān)視泄流管口的流體形態(tài)，并在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上同步顯示其視頻。作為一部可利于司鉆臺上的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，具備良好的人機交互界面，可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像的遠傳(無線)，隨鉆監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時顯示、存儲與回放。該系統(tǒng)具有超限報警功能，其閾值可以進行合理設定：O2體積分數(shù)測量范圍為0～25%；CO體積分數(shù)測量范圍為0～500×10-6；CO2體積分數(shù)測量范圍為0～5%；H2S體積分數(shù)測量范圍為0～100L/mg；高CH4體積分數(shù)測量范圍為4%～100%；低CH4體積分數(shù)測量范圍為0～4%；排砂管線取樣口壓力測量范圍為0～400kPa。通過檢測CO2、CO、O2、H2S、CH4等氣體體積分數(shù)的變化來早期預警判斷是否可能發(fā)生井下燃爆。當發(fā)生井下燃爆時，返出氣體中的CO2、CO氣體體積分數(shù)會顯著升高，而O2氣體體積分數(shù)會明顯降低。
1.5 空氣鉆井取心技術
    空氣鉆井取心與常規(guī)鉆井液鉆井取心不同，它是直接用大氣中的空氣作為循環(huán)介質(zhì)來冷卻鉆頭和攜帶巖屑，滿足鉆井取心需要的一種特殊取心方法。相比較常規(guī)取心，在取心配套工具、取心鉆井參數(shù)存在諸多難題：①取心工具因為沒有鉆井液的潤滑，導致懸掛軸承易失效，工具易磨損；②巖心爪長期與巖心摩擦形成高溫，不利于降溫，提前造成巖心爪損壞，割心難以保證成功；③空氣取心具有空氣鉆井的優(yōu)點，鉆時很快，但對割心位置的巖性難以判斷。在普光氣田進行了兩口井的空氣鉆井取心試驗，使用川7-5取心工具，機械鉆速為3.24m/h，而常規(guī)鉆井液取心機械鉆速只有0.5m/h。鉆具組合為Φ241.3mm(或Φ215.9mm)PDC+川7-5取心工具+Φ158mmDCX 3根+Φ127mmHWDP×15根+Φ127mmDP?？諝忏@取心技術參數(shù)：鉆壓為20～30kN；轉(zhuǎn)速為35r/min；排氣量為120～130m3/min；立管壓力為2.2～2.4MPa(表2)。
 
1.6 鉆具失效預防技術
   氣體鉆井施工中鉆具斷裂頻率遠高于鉆井液鉆井。鉆具斷裂不僅部分抵消了氣體鉆井技術的提速效果，而且給井下安全帶來隱患。預防和減少鉆具斷裂，對于提高井下安全以及推廣應用氣體鉆井技術具有重要意義。對多只斷裂鉆具進行理化性能檢驗、金相分析、掃描電鏡和能譜分析、腐蝕產(chǎn)物XRD分析發(fā)現(xiàn)：失效鉆具的化學成分、金相組織等均符合相關標準；僅個別鉆桿的屈服強度和縱向沖擊功不符合API Spec 5D標準；鉆桿為疲勞或腐蝕疲勞斷裂；鉆鋌為典型的疲勞斷裂；鉆具腐蝕類型為氧腐蝕。氣體鉆井鉆具失效的主要原因是[4]：①氧腐蝕和沖蝕。氣體鉆井中，注入氣體中含有約20%的氧氣，若鉆進井段地層出水或進行霧化、泡沫鉆井時，則極易發(fā)生氧腐蝕。②鉆柱反轉(zhuǎn)。鉆具質(zhì)量不平衡、鉆柱轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力以及鉆柱與井壁間的摩擦力是引起鉆柱反轉(zhuǎn)的三要素。反轉(zhuǎn)使鉆具承受高頻高幅交變彎曲應力。當鉆柱沿井壁作純滾動時，反轉(zhuǎn)速度最高。反轉(zhuǎn)運動對鉆具失效有嚴重影響。氣體鉆井中，鉆柱與井壁間幾乎為干摩擦，因而更容易產(chǎn)生反轉(zhuǎn)運動，這是氣體鉆井比鉆井液鉆井鉆具失效頻率高的原因之一。牙輪鉆頭鉆井所用轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速(一般為50～80r/min)比空氣錘鉆井所用轉(zhuǎn)速(一般為15～30r/min)高。因此，牙輪鉆頭鉆井中鉆柱反轉(zhuǎn)運動更劇烈，這是牙輪鉆頭鉆井遠比空氣錘鉆井鉆具失效頻率高的原因之一。③鉆柱縱向振動。鉆柱振動是導致鉆柱疲勞破壞的主要因素，主要包括橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動和縱向振動，在直井中以縱向振動為主。牙輪鉆頭鉆硬地層時會引起兩種頻率的縱向振動：因鉆頭輪齒滾動而產(chǎn)生的高頻小位移縱振和因波狀井底引起的低頻大位移縱振。前者對碎巖有利，而后者對鉆具壽命影響很大。造成牙輪鉆井鉆具失效頻率高。④井眼彎曲。當井斜較大，存在嚴重狗腿，鉆桿在彎斜井段旋轉(zhuǎn)時，承受交變彎曲應力，且狗腿以上井段鉆具斷裂次數(shù)少，狗腿以下井段鉆具斷裂次數(shù)明顯增多。⑤鉆鋌螺紋連接彎曲強度比不足。按照API標準，Φ203.2mm、Φ228.6mm鉆鋌應分別采用NC56、NC61螺紋，但普光氣田所用的同規(guī)格鉆鋌分別使用Φ168.3mm REG、Φ193.7mm REG螺紋，其BSR遠低于NC56、NC61螺紋?，F(xiàn)場所用鉆鋌螺紋連接彎曲強度比低和牙根應力集中程度高，是鉆鋌多在母扣根部而非公扣處斷裂的主要原因。⑥缺乏探傷和精細管理，鉆具的使用時間可能超過了疲勞壽命。提出了氣體鉆井預防鉆具失效措施，主要包括空氣錘沖旋鉆井技術、優(yōu)化參數(shù)鉆柱防共振技術、加強鉆鋌螺紋探傷及選用高質(zhì)量鉆具等。這些技術的應用取得了明顯的效果。鉆具失效頻率逐年降低(表3)。
 

2 氣體鉆井重點攻關方向
2.1 電磁波隨鉆測量技術
    電磁波隨鉆傳輸方式因不受鉆井液性質(zhì)影響的優(yōu)勢而得以快速發(fā)展，但目前國內(nèi)還沒有自主研發(fā)的電磁波隨鉆傳輸成熟產(chǎn)品和技術，相關研究院所正在進行科研攻關。2005年中國地質(zhì)大學從俄羅斯引進了ZTS-172M電磁波隨鉆測量系統(tǒng)并在勝利油田進行了現(xiàn)場試驗。該系統(tǒng)成功地接收到試驗1井地下1200m、試驗2井地下1600m深處發(fā)射的電磁波信號。2008年，中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司在廣安002-H8井目的層水平井段應用電磁波隨鉆測量儀實現(xiàn)了氣體鉆井條件下井眼軌跡的隨鉆監(jiān)測，首次在國內(nèi)實現(xiàn)氣體介質(zhì)地質(zhì)導向鉆井。
2.2 延長氣體鉆井使用井段技術
    氣體鉆井在鉆井提速、防漏治漏、發(fā)現(xiàn)和保護油氣層方面優(yōu)勢明顯[5]，但氣體鉆井技術也有它的局限性。井壁穩(wěn)定性就是其中最為突出的問題之一。在常規(guī)鉆井液鉆井過程中，井筒與地層孔隙壓力之間存在正壓差對井壁起到支撐作用，在一定程度上抑制了井壁坍塌，有利于井壁穩(wěn)定。而在氣體鉆井中這種支撐作用并不存在。在霧化、泡沫鉆井施工中，由于地層出水也會導致井壁失穩(wěn)。因此，在氣體鉆井施工過程中由于井壁失穩(wěn)而造成井下復雜將嚴重影響氣體鉆井的應用井段。
2.3 用氣體鉆井發(fā)現(xiàn)和提高油氣井產(chǎn)量技術
    川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術研究院在國內(nèi)率先開展了氣體欠平衡鉆完井新技術，實現(xiàn)了從鉆井到完井全過程儲層無外來流體的傷害，將儲層傷害減小到最低程度。廣安002-H8井在水平井段(Φ152.4mm井眼)采用氮氣欠平衡鉆井，獲測試天然氣產(chǎn)量26.9×104m3/a(油壓為9.5MPa)，是鄰近直井儲層改造前產(chǎn)量的10～20倍，儲層改造后產(chǎn)量的3～6倍。白淺111H井是我國第1口用天然氣鉆井技術鉆成的水平井，測試日產(chǎn)量為同井場采用常規(guī)鉆井技術鉆成的3口井平均日產(chǎn)量的13倍。包淺201井采用氮氣鉆井，首次在荷包場構(gòu)造發(fā)現(xiàn)工業(yè)性油氣流。廣安4井、廣安9井利用氮氣鉆井快速穿越須家河組設計目的層位，創(chuàng)造該區(qū)塊鉆井速度新紀錄。
3 結(jié)論與認識
    1) 氣體鉆井在鉆井提速、防漏治漏、發(fā)現(xiàn)和保護油氣層方面優(yōu)勢明顯，成為一項實用性先進技術。
    2) 在純空氣鉆井成功應用的基礎上開展了空氣錘及配套鉆頭研制、霧化鉆井、泡沫鉆井、空氣鉆井燃爆監(jiān)測預警、空氣鉆進取心以及氣體鉆井鉆具失效預防技術等科研攻關，取得明顯進展，初步形成了氣體鉆井集成配套技術。
    3) 電磁波隨鉆測量技術、延長了氣體鉆井使用井段技術和用氣體鉆井發(fā)現(xiàn)和提高油氣井產(chǎn)量技術，是氣體鉆井今后發(fā)展應用的重點領域和方向。
參考文獻
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(本文作者：張克勤 侯樹剛 中國石化集團公司中原石油勘探局鉆井工程技術研究院)