石油工程成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）氣基流體空氣鉆井技術(shù)

1、 中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教 育育 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 氣基流體氣基流體空氣鉆井技術(shù)空氣鉆井技術(shù) 年級(jí)專(zhuān)業(yè)層次： 中原中原 0707 秋石油工程專(zhuān)升本秋石油工程專(zhuān)升本 學(xué)生姓名： xxxxxx 學(xué) 號(hào)： xxxxxxxxxxxx 指導(dǎo)教師： xxxxxxxxxxxx 稱(chēng)： 教授教授 導(dǎo)師單位： 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué) 院院 中國(guó)石油大學(xué)（華東）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院 論文完成時(shí)間：2006 年 6 月 15 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 發(fā)給學(xué)員 1設(shè)計(jì)(論文)題目： 氣基流體氣基流體空氣鉆井技術(shù)空氣鉆井技術(shù) 2學(xué)生完成

2、設(shè)計(jì)(論文)期限：2009 年 6 月 15 日 3設(shè)計(jì)(論文)課題要求： 1）氣基流體空氣鉆井的基本概念和循環(huán)系統(tǒng) 2）空氣鉆井技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3）空氣鉆井的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)例簡(jiǎn)介 4）氣體鉆井技術(shù)的改進(jìn) 4實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、調(diào)研）部分要求內(nèi)容： 無(wú)。 5文獻(xiàn)查閱要求： 1）查閱氣基流體空氣鉆井技術(shù)的相關(guān)資料 2）查閱氣基流體空氣鉆井技術(shù)所需設(shè)備與與相關(guān)技術(shù)的 各種資料 6發(fā)出日期： 2009 年 2 月 19 日 7學(xué)員完成日期：2009 年 6 月 15 日 指導(dǎo)教師簽名： 學(xué) 生 簽 名： 附注： 1、任務(wù)書(shū)應(yīng)附于完成的設(shè)計(jì)（論文）中，并與設(shè)計(jì)（論文）一并提交答 辯委員會(huì)； 2、除任務(wù)書(shū)外

3、，學(xué)生應(yīng)從指導(dǎo)教師處領(lǐng)取整個(gè)設(shè)計(jì)（論文）期間的工作 進(jìn)度日程安排表（包括各階段的工作量及完成日期）； 3、任務(wù)書(shū)須由指導(dǎo)教師填寫(xiě)。 審批意見(jiàn)： 系主任簽名： 年 月 日 摘摘 要要 過(guò)去，對(duì)氣基流體(空氣、霧化液等)作為氣體鉆井循環(huán)流體缺乏深入 的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。為適應(yīng)新的氣基流體鉆井方式及鉆井工藝技 術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)展了氣基流體空氣的應(yīng)用技術(shù)的研究?？諝庾鳛檠h(huán)流體， 它在鉆井過(guò)程中的主要作用是將井下的鉆屑舉升到井口并帶出井眼，如果 空氣量不夠，則難以有效地將井下鉆屑攜帶出來(lái)，這樣鉆屑就會(huì)在井內(nèi)沉 降并在井底聚積造成卡鉆。介紹了氣基流體空氣的攜巖機(jī)理、空氣量的計(jì) 算方法、空氣循環(huán)系統(tǒng)以及

4、氣基流體空氣、霧液在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果、空氣 鉆井國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)及所用的設(shè)備.并闡述了空氣鉆井的一些關(guān)鍵 技術(shù),如鉆具腐蝕問(wèn)題、鉆遇水層問(wèn)題、固井等,最后介紹了空氣鉆井技術(shù) 的改進(jìn)技術(shù)1. 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: 氣體鉆井;氣基流體;空氣鉆井; 攜巖機(jī)理 ;鉆具腐蝕 ;鉆遇水 層 固井 目目 錄錄 前 言. 3 第 1 章 氣基流體空氣鉆井的基本概念和循環(huán)系統(tǒng). 4 1.1 基本概念. 4 1.2 空氣量的大小與井眼凈化的關(guān)系 .4 1.2.1 空氣攜巖機(jī)理. 4 1.2.2 鉆屑形狀與下沉速度的關(guān)系. 5 1.2.3 空氣注入量的確定. 6 1.3 氣基流體(空氣霧液)的循環(huán)系統(tǒng) .8 第 2

5、章 空氣鉆井技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.10 2.1 空氣鉆井在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 .10 2.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于空氣鉆井理論研究與參數(shù)計(jì)算的發(fā)展與現(xiàn)狀 .11 2.3 空氣鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)比較 .12 2.4 空氣鉆井設(shè)備介紹 .13 2.5 氣體鉆井所必需的條件井眼條件. .13 第 3 章空氣鉆井的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)例簡(jiǎn). 16 3.1 空氣鉆井與鉆具腐蝕 .16 3.1.1 腐蝕物質(zhì)與腐蝕形式. 16 3.1.2 防治措施. 17 3.2 空氣鉆井地層出水限定值 .18 3.2.1 地層出水對(duì)空氣鉆井的影. 18 3.2.2 地層出水后空氣鉆井方法. 19 3.3 空氣鉆固井技術(shù)實(shí)例 .22 3.3.1 平落

6、 0065 井空井固井初. 22 3.3.2 主要技術(shù)難點(diǎn). 23 3.3.3 空井固井施工技術(shù). 25 3.3.4 現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù). 26 3.3.5 固井技術(shù)總結(jié). 27 第 4 章 氣體鉆井技術(shù)的改進(jìn).28 4.1 控制氣體體系的壓力 .28 4.2 控制壓力鉆井的目標(biāo) .29 4.2.1 液壓系統(tǒng). 29 4.2.2 氣壓系統(tǒng). 29 4.2.3 氣體流體鉆井誤解. 30 4.2.4 沒(méi)有適當(dāng)控制井眼壓力所造成的問(wèn)題. 30 4.3 井下空氣分流器(dhad) .31 4.4 壓力試驗(yàn)結(jié)果 .32 4.5 建議 .33 結(jié) 論.34 參考文獻(xiàn).35 致 謝.36 前前 言言 氣體鉆井技術(shù)

7、就是以氣體為主要循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井技術(shù),主要有純 氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井和充氣鉆井液鉆井1。氣體鉆井在國(guó)外應(yīng) 用已相當(dāng)廣泛，主要用于加快鉆速，發(fā)現(xiàn)和保護(hù)氣層，在低壓破碎地層用 氣體鉆井可以解決長(zhǎng)段井漏問(wèn)題。氣體鉆井首次使用是在19世紀(jì)中期，美 國(guó)猶他州使用空氣鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆井。此后，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于世界各 地油氣井（包括煤層氣）的鉆探和開(kāi)發(fā)上，特別是在阿巴拉契亞山脈地區(qū) 新墨西哥圣胡安盆地西得克薩斯等油田和鉆井液易漏失的洛基山脈地區(qū)， 空氣鉆井得到廣泛的應(yīng)用2，截至2000年，美國(guó)約30%的鉆井和完井作業(yè)采 用該技術(shù)，最深井5791.2m2。 第第 1 章章 氣基流體空氣鉆井的基本概

8、念和循環(huán)系統(tǒng)氣基流體空氣鉆井的基本概念和循環(huán)系統(tǒng) 1.11.1 基本概念基本概念 氣基流體空氣鉆井是利用大氣中的空氣或霧化空氣流體作為鉆井的循 環(huán)介質(zhì)，通過(guò)特殊的氣體鉆井配套設(shè)備(空壓機(jī)、增壓機(jī)、空氣錘、旋轉(zhuǎn)防 噴器及連接管匯等)將空氣注入井下再攜巖返至地面來(lái)進(jìn)行鉆井的一種工藝 技術(shù)。氣基流體空氣是由空氣、干燥劑、防腐劑以及其它添加劑按一定的 比例混合組成。干空氣和充空氣、空氣泡沫流體鉆井是可使地層壓力小于1.0 的地層實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆進(jìn)的鉆井技術(shù)，是目前使用較多的一種氣體型流體。 1.21.2 空氣量的大小與井眼凈化的關(guān)系空氣量的大小與井眼凈化的關(guān)系 氣基流體空氣鉆井中使用的循環(huán)流體是空氣，它在

9、鉆井過(guò)程中的主要 作用是將井下的鉆屑舉升到井口并帶出井眼。如果空氣量不夠，則難以有 效地將井下鉆屑攜帶出來(lái)，這樣鉆屑就會(huì)在井內(nèi)沉降并在井底聚積造成卡 鉆。因而在空氣鉆井作業(yè)中，空氣注入量(空氣流速)是安全鉆井的關(guān)鍵因 素。 1.2.11.2.1 空氣攜巖機(jī)理空氣攜巖機(jī)理 在空氣鉆井中，循環(huán)的空氣對(duì)鉆屑施加一個(gè)與鉆屑重力方向相反的舉 升力，當(dāng)舉升力大于重力時(shí)，鉆屑就沿井眼向上移動(dòng)，相反鉆屑就會(huì)沉降。 由于鉆屑自身重力不受空氣流的影響，因而空氣使鉆屑向上運(yùn)動(dòng)有一個(gè)臨 界速度，當(dāng)空氣在環(huán)空中的流動(dòng)速度超過(guò)臨界速度時(shí)，鉆屑就向上運(yùn)動(dòng)。 如果鉆屑的自由沉降速度為vt ，空氣沿井眼環(huán)空向上的流速為vf ，

10、那么 鉆屑向上的運(yùn)動(dòng)速度vc 可由下式表示： vc = vf-vt (1-1) 由公式(1-1)可知，鉆屑的自由下沉速度越大，運(yùn)移鉆屑所需的空氣 流速越大。鉆屑的自由下沉速度與鉆屑直徑、密度、形狀和流體密度等因 素有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)， 球形微粒的自由 下沉速度為： （1-2) 在公示（1-2)中：dc為鉆屑直徑，mm；cd為阻力系數(shù)；c為鉆屑密度， gcm3；f為流體密度，gcm3。 1.2.21.2.2 鉆屑形狀與下沉速度的關(guān)系鉆屑形狀與下沉速度的關(guān)系 攜帶巖屑的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，可由鉆屑在流體中的運(yùn)動(dòng)速度確 定。研究發(fā)現(xiàn)，在空氣鉆井中，環(huán)空中的空氣一般為紊流，這時(shí)鉆屑的阻 力系數(shù)與流動(dòng)速度

11、無(wú)關(guān)，為一定值。但阻力系數(shù)受鉆屑形狀的影響，扁平 狀鉆屑的阻力系數(shù)為1.4，角狀及次圓狀鉆屑的阻力系數(shù)為0.8。結(jié)合氣體 狀態(tài)方程，可推導(dǎo)出扁平狀鉆屑的自由下沉速度為： （1-3） 次圓角狀鉆屑的自由下沉速度為： （1-4） 式中：t為井底溫度，k；p為井底壓力，mpa。 鉆屑的自由下沉速度主要由鉆屑直徑、形狀、井底溫度和壓力決定。 但沒(méi)有考慮鉆屑之間或鉆屑與井壁之間的相互作用，而這些作用會(huì)引起鉆 屑下沉速度的降低。從公式(1-3)、公式(1-4)可以看出，鉆屑的自由下沉 速度隨鉆屑直徑的增加而加大，鉆屑尺寸越大，要帶出鉆屑所需的空氣流 速就越大。同時(shí)，攜帶圓球形鉆屑所需空氣量比扁平狀鉆屑所需

12、空氣量大。 1.2.31.2.3 空氣注人量的確定空氣注人量的確定 為了有效攜帶鉆屑，需要預(yù)測(cè)地面空氣注入速度，而其與井眼大小、 井深、機(jī)械鉆速等有關(guān)。國(guó)外研究了多種預(yù)測(cè)方法，其中多數(shù)方法用于現(xiàn) 場(chǎng)時(shí)都遇到一個(gè)共同問(wèn)題，這就是難以提供鉆屑的形狀和尺寸。同時(shí)還需 要知道井眼的幾何形狀，因?yàn)樵诰畯綌U(kuò)大處，環(huán)空空氣流速會(huì)明顯下降， 攜帶鉆屑的效果也會(huì)下降。angel 提出了一種方法，該方法假設(shè)空氣沖擊 每粒鉆屑的動(dòng)能與空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下給予鉆屑的動(dòng)能是相同的。目前該方 法已廣泛成為預(yù)測(cè)空氣注入量的基礎(chǔ)。利用 angel 軟件，以某井為例，計(jì) 算了 311.2mm 井眼與 127mm 鉆桿環(huán)空、井深為

13、500m、機(jī)械鉆速為 8mh、 球形鉆屑直徑為 3mm 時(shí)空氣注入量與注入壓力、巖屑含量和巖屑運(yùn)移速度 的關(guān)系，分別如圖 1-1、圖 1-2 和圖 1-3 所示。 圖1-1 注入壓力與空氣注入量的關(guān)系 圖1-3 巖屑運(yùn)移速度與空氣注入量的關(guān)系 圖1-1表明，隨空氣注入量增加，注入壓力降低，最終趨于一個(gè)比較恒 定的值；圖1-2表明，巖屑含量隨空氣注入量的增加而下降，當(dāng)空氣注入量 達(dá)到一定值后，巖屑含量變化趨勢(shì)減緩；圖1-3表明，空氣注入量增加，巖 屑在環(huán)空的運(yùn)移速度增加，當(dāng)空氣注入量達(dá)到一定值后，運(yùn)移速度呈顯著 上升趨勢(shì)?？諝忏@井時(shí)，對(duì)于 444.5 mm、311.2 mm、215.9 mm不同

14、尺寸的 井眼，一般情況下的注氣量分別為180210、11015o、8o120 m3min。 圖1-2 巖屑含量與空氣注入量的關(guān)系 1.31.3 氣基流體氣基流體( (空氣霧液空氣霧液) )的循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)系統(tǒng) 空氣鉆井的流程大致是：空氣-空壓機(jī)-增壓機(jī)-方鉆桿-鉆具-鉆頭-環(huán) 空-井口-排砂管-排砂池。在空氣鉆井作業(yè)中，需要將壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮空 氣輸送到鉆機(jī)的立管管匯，因此就需要連接較大直徑(76101.6mm)的鋼管 或軟管。這些連接管線(xiàn)的額定壓力值應(yīng)與增壓機(jī)的最大壓力相匹配或更高。 此外，在這些連接管線(xiàn)中應(yīng)安裝相應(yīng)的單流閥、安全閥和球閥，以保護(hù)壓 縮機(jī)和便于泄壓。在氣體輸入的主管線(xiàn)上要連接

15、一根旁通管線(xiàn)(泄壓管線(xiàn))， 方便在接單根或需要時(shí)泄壓。旁通管線(xiàn)可以直接導(dǎo)流到排砂管線(xiàn)。另外在 旁通管線(xiàn)與立管之間也需安裝一條泄壓管線(xiàn)，用以在接單根前放掉立管和 鉆具內(nèi)的壓縮空氣，以便壓縮機(jī)在接單根期間保持運(yùn)轉(zhuǎn)。旁通管線(xiàn)和泄壓 管線(xiàn)的直徑一般為50.8 mm3。 第第 2 章章 空空 氣氣 鉆鉆 井井 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介 2.12.1 空氣鉆井在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀空氣鉆井在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 空氣鉆井是欠平衡鉆井的一個(gè)重要分支，與傳統(tǒng)鉆井液鉆井相比具有 明顯的特征?？諝忏@井是指以空氣作為循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行欠平衡鉆井，它是最 早發(fā)展起來(lái)的一種欠平衡鉆井技術(shù)?？諝忏@井在美國(guó)及加拿大應(yīng)用較為廣 泛。據(jù)文獻(xiàn)記載空氣鉆井首次使

16、用是在十九世紀(jì)中期，有文字記載的是 1953年美國(guó)猶他州使用空氣鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆井。此后，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用 于世界各地油氣井(包括煤層氣)的鉆探和開(kāi)發(fā)上。到70年代末，估計(jì)有10% 的深井鉆井和完井作業(yè)采用了空氣與氣體鉆井技術(shù)。截止到2000年，據(jù)美 國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)30%左右的石油、天然氣鉆井和完井作業(yè)采用了該技術(shù)，最深 井已鉆達(dá)19000英尺，特別是在美國(guó)東部阿巴拉契亞山脈地區(qū)、新墨西哥州 的圣.胡安盆地以及西得克薩斯的某些油田和那些鉆井液易漏失的地區(qū)如洛 基山脈地區(qū)，空氣鉆井得到廣泛的應(yīng)用。美國(guó)能源部要求，到2005年用空 氣或氣體鉆井技術(shù)的油井要達(dá)到30%以上，美國(guó)年鉆井33000口左右，也

17、就 是說(shuō)到2005年將有10000口以上的油井采用空氣或氣體鉆井技術(shù)。近年來(lái)空 氣鉆井在我國(guó)也得到了一定程度的應(yīng)用并取得了良好的效果。例如，玉門(mén) 青西油田的隆9井一開(kāi)后，所鉆遇的地層均為逆掩推覆體地層，由于逆掩推 覆體老地層傾角大，最大達(dá)到70o。裂縫發(fā)育，斜、跳、慢是制約該井機(jī)械 鉆速的主要因素，平均機(jī)械鉆速約為0.58米/小時(shí)左右，機(jī)械鉆速很低。為 了尋求硬地層井段提高機(jī)械鉆速的新方法，降低勘探開(kāi)發(fā)綜合成本，加快 隆9井推覆體井段鉆井速度決定在2970至3300m井段采用空氣(霧化)鉆井枝 術(shù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)取得成功，機(jī)械鉆速達(dá)到3.48-11.6米/小時(shí)左右，為原鉆速的 6-20倍。另外在長(zhǎng)慶油

18、田蘇里格氣田、四川油田的正壩1井、淺二井、長(zhǎng)慶 油田的陜242井、蘇35-18井等等都曾采用過(guò)空氣或氣體鉆井的方式，均取 得了良好的效果。事實(shí)證明采用空氣或氣體鉆井可大幅度地提高機(jī)械鉆速， 保護(hù)產(chǎn)層。同時(shí)在空氣鉆井工具上，我國(guó)也取得了突破性的進(jìn)展。2001年， 我集團(tuán)公司國(guó)際工程公司在伊朗承包了欠平衡鉆井項(xiàng)目，根據(jù)有關(guān)方面所 設(shè)計(jì)的工程施工方案，需要空氣或泡沫作為介質(zhì)驅(qū)動(dòng)螺桿鉆具進(jìn)行鉆井作 業(yè)。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鉆井所和北京石油機(jī)械廠(chǎng)聯(lián)合組成課題組， 承擔(dān)了集團(tuán)公司科技發(fā)展部下達(dá)的“伊朗欠平衡鉆井空氣螺桿鉆具研制” 項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)用空氣及泡沫作為鉆井介質(zhì)的新型螺桿鉆具k7lz244樣機(jī)并

19、形成產(chǎn)品，以解決伊朗欠平衡鉆井項(xiàng)目的急需，并為國(guó)內(nèi)今后的欠平衡鉆 井及空氣鉆井提供一種實(shí)用工具。經(jīng)過(guò)雙方人員的共同努力，樣機(jī)研制獲 得成功，并已在伊朗項(xiàng)目中使用，獲得較滿(mǎn)意的效果。 2.22.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于空氣鉆井理論研究與參數(shù)計(jì)算的發(fā)展與現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外關(guān)于空氣鉆井理論研究與參數(shù)計(jì)算的發(fā)展與現(xiàn)狀 空氣或氣體鉆井的理論研究第一個(gè)具有里程碑式的人物是d.j martin，他于1952年發(fā)表的題為use of air or gas as a circulating fluid in rotarydrillingvolumetric requirements的論文，首次提 出用數(shù)學(xué)的方法來(lái)預(yù)估干空氣鉆井所

20、需的氣量。盡管當(dāng)時(shí)他沒(méi)有考慮環(huán)空 巖屑的影響，但是他啟發(fā)了人們使用數(shù)學(xué)的方法來(lái)解決空氣鉆井的若干問(wèn) 題。1957年，phillips公司的r.r.angel給出了第一個(gè)實(shí)用的計(jì)算公式，在 這個(gè)公式里，angel把所需流量與氣體的密度，井眼的大小、深度，鉆柱的 尺寸以及機(jī)械鉆速關(guān)聯(lián)起來(lái)。該公式的影響極其深遠(yuǎn)，此后所推導(dǎo)的包含 各種考慮因素的公式皆是在該公式基礎(chǔ)上的修正或引用。比如:1980年， ikoko和williams就是把該公式與砂巖、石灰?guī)r和頁(yè)巖的顆粒運(yùn)移速度以及 環(huán)空摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。1984年，w. c. lyons總結(jié)了當(dāng)時(shí)的各項(xiàng)公式，提 出計(jì)算空壓機(jī)和增壓器所需功率的七個(gè)步驟，并

21、與當(dāng)年出版了第一版的 airand gas drilling maunal。90年代早期，欠平衡鉆井成為當(dāng)時(shí)油 氣井鉆井和完井工程的一項(xiàng)重要技術(shù)，同時(shí)空氣與氣體鉆井技術(shù)的潛在經(jīng) 濟(jì)效益和環(huán)保效益受到高度關(guān)注，促使他和同事于2001年再版air and gas drilling maunal 。近兩年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多把注意力放在環(huán)空攜屑 的研究上，例如y. masuda研究了泥漿鉆井中彎曲井段環(huán)空攜屑的規(guī)律并給 出了控制方程; liu huixing等研究了在實(shí)驗(yàn)室條件下環(huán)空攜屑的各種情況 并推導(dǎo)了攜屑數(shù)學(xué)模型，但其結(jié)果只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆檢 驗(yàn)。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鉆井所碩士研究生

22、龐保平的碩士論文空氣 鉆井流體壓力計(jì)算與空氣螺桿馬達(dá)的初步研究，對(duì)空氣鉆井沿程壓力分 布規(guī)律及空氣螺桿馬達(dá)的設(shè)計(jì)也做出了有益的探討。 2.32.3 空氣鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)比較空氣鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)比較 空氣鉆井作為欠平衡鉆井的一種特殊形式，具有自己顯著的特點(diǎn)，應(yīng) 用范圍亦有一定的限制。下面簡(jiǎn)要介紹一下哪些情況較適合空氣鉆井以及 其局限性。 (一) 空氣鉆井尤其適合用于下述情況 1、地層巖石堅(jiān)硬 2、井壁穩(wěn)定性強(qiáng) 3、較少的地層流體侵入 4、具有中低孔隙壓力的地層 5、缺水干旱地區(qū) 6、對(duì)水基或油基鉆井液敏感的地層 (二) 空氣鉆井的局限性 1、對(duì)地層流體的侵入控制力不強(qiáng)。 2、鉆頭的適用范圍窄。由于空氣對(duì)

23、鉆頭的冷卻作用不強(qiáng)，使得耐高溫 性能不強(qiáng)的金剛石類(lèi)鉆頭較少應(yīng)用于空氣鉆井中，因此在空氣鉆井中大多 使用牙輪鉆頭。 3、軟地層不適用于空氣與氣體鉆井。通常情況下軟地層產(chǎn)生的巖屑尺 寸較大，不利于在較大井深情況下氣體攜屑。 4、井底著火。當(dāng)井底烴類(lèi)氣體與空氣混合達(dá)到一定比例后，就有可能 發(fā)生燃燒3。 2.42.4 空氣鉆井設(shè)備介紹空氣鉆井設(shè)備介紹 空氣鉆井中所用設(shè)備和井場(chǎng)布置明顯有別于傳統(tǒng)鉆井方式，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹 一下 主要設(shè)備的功能及其井場(chǎng)布置原則。 (一)、空氣鉆井井場(chǎng)布置圖 圖2-1 空氣鉆井井場(chǎng)布置圖 下面簡(jiǎn)單介紹一下圖2.1各部分設(shè)備的功能: 空壓機(jī):空氣鉆井中最主要的設(shè)備，高壓氣體產(chǎn)生的源

24、泉。 增壓機(jī):提高壓縮空氣的壓力等級(jí)，以補(bǔ)償當(dāng)空氣鉆進(jìn)時(shí)使用小尺寸噴 嘴或井下動(dòng)力鉆具造成的過(guò)大的壓力損耗。 增壓機(jī)控制閥:由于控制增壓機(jī)移出或接入空氣循環(huán)系統(tǒng)。 流管中的安全閥:當(dāng)流管中氣體壓力過(guò)高時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟安全閥釋放過(guò)高 的壓力。 液體注入泵:由于地層大量出水而需將空氣鉆井轉(zhuǎn)為霧化或泡沫鉆井時(shí)， 用來(lái)向空氣中加入水或起泡劑;或向空氣螺桿馬達(dá)注入潤(rùn)滑劑時(shí)使用。 固體注入泵:當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)少量水時(shí)，可向井筒內(nèi)注入干燥劑，有利于氣 體攜屑。 壓力計(jì)、溫度計(jì)、流量計(jì):用來(lái)監(jiān)測(cè)流管中氣體狀態(tài). 泥漿罐:儲(chǔ)備泥漿，用于特殊情況下，由空氣鉆井轉(zhuǎn)為常規(guī)泥漿鉆井時(shí) 使用. 壓力釋放管線(xiàn):用于釋放空氣流動(dòng)系統(tǒng)中

25、過(guò)高的壓力。常用于起下鉆、 接單根或其它需要開(kāi)口操作的場(chǎng)合。 空氣吸濕器:干空氣鉆井時(shí)要求空氣進(jìn)入井筒前除去水分。當(dāng)空氣較濕 潤(rùn)時(shí)，經(jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮后，空氣中可能有水分析出，因此使用空氣吸濕器 除去水分。 排出管線(xiàn):從環(huán)空中出來(lái)的氣固混合物通過(guò)排出管線(xiàn)排離鉆臺(tái)，其內(nèi)截 面一般應(yīng)為井口環(huán)空截面的1.1倍。 排出管線(xiàn)的控制閥:用于控制井口回壓，也可用于配合試井測(cè)試. 巖屑捕獲器:用于獲得井口處的巖屑樣本。 氣體探測(cè)器:用于檢測(cè)烴類(lèi)氣體，便于鉆工采取安全措施。 減塵器:用于向排管內(nèi)的氣固混合物噴水，減少粉塵污染。 燃燒池:用于沉降巖屑和燃燒井底產(chǎn)生的烴類(lèi)氣體。 引火器:將從排管中帶出來(lái)的井底產(chǎn)生的烴類(lèi)

26、混合氣體點(diǎn)燃，保證安全 鉆進(jìn)。 (二 )、井口設(shè)備 圖 2-2 井口設(shè)備布置圖 旋轉(zhuǎn)頭:它分為旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)兩部分。旋轉(zhuǎn)部分可以和鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。 非旋轉(zhuǎn)部分和同密封裝置配合，使從環(huán)空中出來(lái)的含巖屑的氣流流向排出 管線(xiàn)，保證鉆井平臺(tái)和人員的安全。 防噴器組合：空氣鉆井中主要使用兩種防噴器。一種為環(huán)形防噴器(或 旋轉(zhuǎn)防噴器)，它靠液動(dòng)作用使膠芯擠向井口中心，直到抱緊鉆具或全封閉 井口，從而實(shí)現(xiàn)其封井的目的。另一種為閘板防噴器，要求半封、全封齊 全4。 2.52.5 氣體鉆井所必需的條件井眼條件氣體鉆井所必需的條件井眼條件 氣體鉆井所必需的條件包括以下幾方面： 能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不同情況時(shí)井下流動(dòng)條件下

27、的氣體鉆井模型，即 能夠預(yù)測(cè)各種井深下的井徑擴(kuò)大、氣體侵入、液體侵入、氣體從鉆柱內(nèi)分 流至環(huán)空； 便于調(diào)節(jié)空氣流量、鉆柱幾何尺寸、井眼幾何尺寸； 井下空氣分流器能夠在最合適的井深將一定量的氣體分流至環(huán)空， 能夠更有效地利用分流氣體的能量。 通常情況下，采用合適的模型和井眼幾何尺寸能夠獲得令人滿(mǎn)意的經(jīng) 濟(jì)效益。不過(guò)在大多數(shù)情況下，有必要在底部鉆具組合之上分流一部分氣 體。能夠利用通常不再受摩擦影響的能量是有益的，在地面和井下都能發(fā) 現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。 第第 3 章章 空氣鉆井的一些關(guān)鍵技術(shù)空氣鉆井的一些關(guān)鍵技術(shù) 3.13.1 空氣鉆井與鉆具腐蝕空氣鉆井與鉆具腐蝕 3.1.13.1.1 腐蝕物質(zhì)與腐蝕形式

28、腐蝕物質(zhì)與腐蝕形式 1）. 腐蝕物質(zhì) 空氣鉆井腐蝕鉆具的主要介質(zhì)是空壓機(jī)注入的空氣，其次是地層鹽水 和硫化氫。 在注入的空氣中含有21的氧氣和不到1的二氧化碳。氧氣在水中溶 解度約10mgl，二氧化碳在空氣中含量雖小，但它在水中形成碳酸，不但 自身腐蝕鉆具，而且在酸性狀態(tài)下，加劇氧化和電化學(xué)腐蝕。雖然井史中 介紹，地層可能含有硫化氫，但空氣鉆井時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到硫化氫氣體，所以 它的腐蝕并不嚴(yán)重。 空氣鉆井過(guò)程中，真正腐蝕鉆具的物質(zhì)是地層水，地層水的ph值小于 7，造成酸性腐蝕；地層水為氧和二氧化碳的腐蝕提供了條件，干燥的氧氣 和二氧化碳是不腐蝕金屬的，只有在潮濕的環(huán)境下，腐蝕才會(huì)發(fā)生。地層 水不僅

29、提供了潮濕環(huán)境，而且含有電解質(zhì)，具有導(dǎo)電性，更有甚者，它還 顯酸性，加劇腐蝕，是氧和二氧化碳腐蝕的土壤和溫床。 2）. 腐蝕物質(zhì) 氧、二氧化碳和鹽水腐蝕鉆具的主要形式是坑點(diǎn)腐蝕和失重腐蝕，這 種腐蝕易引起鉆具疲勞、穿孔、斷裂，導(dǎo)致鉆具壽命縮短和井下嚴(yán)重事故 發(fā)生。 3）. 腐蝕機(jī)理 氧氣的腐蝕 2fe+1.5o2+h2o2feo(oh)fe2o3+h2o 二氧化碳腐蝕 fe+co2+h2o=feco3+h2 硫化氫腐蝕 xfe+yh2s=(fe)xsy+yh2 酸性鹽水腐蝕 fe+2h+=fe+h2 流速：環(huán)空流速越快、沖蝕與腐蝕越嚴(yán)重。 3.1.23.1.2 防治措施防治措施 空氣鉆井離不開(kāi)

30、空氣，要清除空氣中的氧氣也是不可能的。由于空氣 鉆井的氣柱壓力很低，不讓地層流體進(jìn)入井眼也是不可能的。必須根據(jù)井 下情況采取合理措施，揚(yáng)長(zhǎng)避短。既要發(fā)揮空氣鉆井的優(yōu)勢(shì)，提高機(jī)械鉆 速，縮短鉆井周期，又要盡可能地減輕腐蝕，保護(hù)鉆具，延長(zhǎng)使用壽命， 提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，空氣鉆井時(shí)，應(yīng)采取以下工藝措施。 1）. 干地層使用純空氣鉆井 由腐蝕機(jī)理可知：空氣(氧氣和二氧化碳)對(duì)鉆具產(chǎn)生腐蝕，必須有水 存在。在干燥環(huán)境下，空氣不腐蝕鉆具，所以，當(dāng)?shù)貙硬怀鏊畷r(shí)，可以進(jìn) 行干空氣鉆井。 2）低壓水層使用干泡沫鉆井 當(dāng)?shù)貙映鏊?，氧和二氧化碳?duì)鉆具的腐蝕作用開(kāi)始發(fā)生。而且，由 于地層出水，必須增加3040空氣排

31、量進(jìn)行霧化鉆井。因氣柱壓力增 高，氧在水中的溶解度增大，氧對(duì)鉆具的腐蝕加劇。在這種情況下，必須 采用干泡沫鉆井。即通過(guò)泵入7.537.9lmin的加有緩蝕劑的高ph、高發(fā) 泡劑濃度的發(fā)泡液，保護(hù)鉆具，捕集水流，將鉆屑和水流帶至地面。 3）. 在高壓水層使用泡沫鉆井 當(dāng)?shù)貙映鏊枯^大，含鹽量較高時(shí)，干泡沫鉆井無(wú)法作業(yè)，必須采用 泡沫鉆井。這樣既可降低空氣排量和環(huán)空返速，減少鉆具沖蝕，又可用泡 沫將空氣包裹起來(lái)，減少空氣與鉆具接觸的機(jī)會(huì)。同時(shí)，通過(guò)高ph值和緩 蝕劑的協(xié)同作用，減輕鉆具腐蝕。 3.23.2 空氣鉆井地層出水限定值空氣鉆井地層出水限定值 采用空氣鉆井時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到地層出水的情況，大多

32、認(rèn)為在出水量達(dá) 到5m3h就應(yīng)該轉(zhuǎn)化成霧化鉆井或其它方式鉆井，更有甚者認(rèn)為出水量大 于2m3h時(shí)就應(yīng)該轉(zhuǎn)化5。事實(shí)上不同的地層巖石特性不同，對(duì)于地層出 水的限制也應(yīng)該不同，所以應(yīng)根據(jù)裸眼井段的地層巖性、井壁穩(wěn)定性、裸 眼井段是否有漏失層等條件而定。 空氣鉆井中遇到地層出水時(shí)就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井或泡沫鉆井，國(guó)外推 薦在地層出水大于2m3h時(shí)就要轉(zhuǎn)化，國(guó)內(nèi)采用空氣鉆井時(shí)通常的做法是 地層出水大于5m3h，轉(zhuǎn)化為霧化鉆井，現(xiàn)場(chǎng)施工措施中有時(shí)還要求更嚴(yán)， 當(dāng)?shù)貙映鏊笥?m3h就要求轉(zhuǎn)化為其它的鉆井方式。這一規(guī)定沒(méi)有考慮 地層巖性和物性，對(duì)某些地層來(lái)說(shuō)這一要求過(guò)嚴(yán)，因而在一定程度上會(huì)影 響到空氣鉆井的應(yīng)

33、用范圍，本文就對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。 3.2.13.2.1 地層出水對(duì)空氣鉆井的影響地層出水對(duì)空氣鉆井的影響 (1)引起卡鉆。地層出水引起巖屑吸水，巖屑就會(huì)水化膨脹，當(dāng)?shù)貙映鏊?較多時(shí)，巖屑容易粘糊成團(tuán)，在井眼的周?chē)纬赡喹h(huán)，從而引起卡鉆。 (2)井下著火。井下著火是空氣鉆井的一大缺點(diǎn)?？諝忏@井作業(yè)時(shí)，若有 地層水進(jìn)入井眼，使鉆屑變濕形成泥環(huán)，井內(nèi)流動(dòng)受阻，井下壓力迅速上 升，泥環(huán)以下的氣體溫度升高，這時(shí)，即使天然氣等烴類(lèi)物質(zhì)進(jìn)入井眼的 流速很低，也可能會(huì)迅速形成可燃的混合物。一旦混合物達(dá)到燃燒范圍， 混合氣體壓縮本身就可能會(huì)引起燃燒。另外，鉆柱與井壁的摩擦、鉆頭在 鉆硬地層時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花也會(huì)把井

34、下 昆合氣體點(diǎn)燃。 (3)空氣量增加，作業(yè)費(fèi)用增加。空氣鉆井時(shí)，當(dāng)?shù)貙映鏊?，不但要?巖屑帶出井眼，同時(shí)還要把地層水帶出井眼。在相同條件下，地層出水與 地層不出水相比，就需要更多的空氣量5。 3.2.23.2.2 地層出水后空氣鉆井方法地層出水后空氣鉆井方法 1）.裸眼井段無(wú)漏失層 此種情況較簡(jiǎn)單，只需要考慮地層的巖性、井壁穩(wěn)定性。為了了解不同巖 石吸水膨脹性能，對(duì)四川角611b井從蓬萊組大三，麻18井云巖做了室 內(nèi)吸水膨脹實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是按照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參考文 獻(xiàn)進(jìn)行的6。頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)是讓頁(yè)巖巖屑直接與水接觸，測(cè)定巖屑在不同 時(shí)間的線(xiàn)膨脹百分?jǐn)?shù)。頁(yè)巖吸水膨脹百分?jǐn)?shù)的測(cè)定是在

35、限制條件下，只允 許巖屑在一個(gè)方向膨脹。不同頁(yè)巖的膨脹性強(qiáng)弱，用相同條件下測(cè)定的2h 和16h的線(xiàn)膨脹百分?jǐn)?shù)來(lái)進(jìn)行比較，表1選取具有代表性的幾種巖樣的吸水 膨脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這里只對(duì)易水化膨脹的巖石做了吸水膨脹實(shí)驗(yàn)。從表1數(shù)據(jù) 看出，不同地層有不同的吸水膨脹特性，差異還較大。2h的吸水特性與16h 的吸水特性相差不大。同時(shí)也可看出不同巖性的吸水膨脹有較大的差別。 從前面地層出水對(duì)空氣鉆井三個(gè)方面的影響中可以看出，除需要額外增加 空氣量之外，其余兩個(gè)因素都與地層巖屑吸水后膨脹有關(guān)，因此對(duì)于有些 地層，如吸水性小的碳酸鹽巖地層，鉆屑本身基本上不具有吸水膨脹的特 性，或者吸水膨脹很小，而且?guī)r屑吸水后本身

36、不會(huì)粘結(jié)成團(tuán)，那么此時(shí)的 空氣鉆井中就不會(huì)發(fā)生由于地層出水使鉆屑粘結(jié)成團(tuán)而引起的卡鉆事故， 也不易引起井下著火，即是說(shuō)此時(shí)的空氣鉆井是安全的 。 表3-1 巖石吸水膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果 注：表中h原表示原始巖屑高度，h2表示2h后測(cè)得高度，h16表示16h后 測(cè)得高度。 當(dāng)然這種情況下的空氣鉆井，在地層穩(wěn)定、巖性吸水膨脹能力弱，空 氣量足夠，即空氣量能及時(shí)將地層水帶出到地面，且地面對(duì)地層出水有足 夠處理能力的條件下，完全可進(jìn)行空氣鉆井。如大天9井嘉陵江地層空氣鉆 井中，初步測(cè)量在地層出水量達(dá)到30m3h，空氣鉆井仍能正常鉆進(jìn)。 地層出水量非常大，注入的空氣量不足以將地層水完全帶到地面，此 時(shí)就需要轉(zhuǎn)化

37、成充氣或常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)，以使液柱壓力平衡水層壓力，盡 量少讓地層水出來(lái)或者不讓地層水出來(lái)。當(dāng)?shù)貙佑兴a(chǎn)出時(shí)，地層巖性主 要是砂泥巖或頁(yè)巖，而這些巖屑吸水后會(huì)粘結(jié)成團(tuán)，在井眼里可能會(huì)形成 濾餅環(huán)，從而引起卡鉆事故，這樣的地層就不適宜進(jìn)行空氣鉆井。事實(shí)上， 在這種情況下，地層的準(zhǔn)確出水量是難以測(cè)量的。一方面，地層水要被鉆 屑吸收一部分，所吸收水量與鉆時(shí)有關(guān)，當(dāng)鉆速快時(shí)，鉆出的巖屑多，被 鉆屑吸收得就多。另一方面，在地層水被攜帶出井眼的過(guò)程中，也會(huì)被井 壁吸收一部分，如果吸收地層水的井段越長(zhǎng)，吸收地層水就越多。因此， 遇到這種情況，就要十分慎重，并不一定就非要地層出水量達(dá)到3m3h或 者5m3h才轉(zhuǎn)

38、化成其它的鉆井方式。如果發(fā)現(xiàn)上提鉆具重量增加或發(fā)現(xiàn)井 下不正常就應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)化，以免造成不必要的事故。 2）.裸眼井段有漏失層 當(dāng)裸眼井段有漏失層時(shí)，除考慮鉆屑吸水膨脹特性、井壁的穩(wěn)定性外， 還要考慮漏層位置、漏失壓力等因素。空氣鉆井作為治理復(fù)雜井漏的有效 措施之一，但當(dāng)?shù)貙映鏊螅貏e是當(dāng)裸眼井段既有水層又有漏層時(shí)的處 理與單一漏層或單一水層或地層不出水相比，有很大的不同。 （1）. 上部裸眼井段只有漏失層 上部裸眼井段有單一的漏失層，且上部裸眼段無(wú)水層，正鉆進(jìn)地層出 水，如果鉆屑不易吸水膨脹且上部地層吸水后穩(wěn)定，在空氣鉆井中只需氣 固兩相流動(dòng)時(shí)在漏失層處形成的壓力小于漏失壓力即可正常鉆進(jìn)。如果

39、 氣一固兩相流動(dòng)時(shí)在漏失層處形成的壓力大于漏失壓力，且鉆屑容易進(jìn)入 漏失層，也仍然可以正常鉆進(jìn)；如果巖屑進(jìn)不漏失層，那么就需要進(jìn)行堵 漏等作業(yè)后才能繼續(xù)鉆進(jìn)。如果上部地層吸水后變得不穩(wěn)定，采取相應(yīng)的 堵漏措施時(shí)，就應(yīng)轉(zhuǎn)化成泡沫或常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)。 （2）. 正鉆進(jìn)段有漏失層 對(duì)于漏失層、水層共層的惡性漏失井段，一般情況漏失壓力等水層壓 力，這種情況理論上講只要循環(huán)流體在井底產(chǎn)生的有效靜液柱壓力小于漏 失層壓力即可鉆過(guò)漏層。但這個(gè)壓力(密度)窗口太小很難控制，而且這種 地層水的絕對(duì)壓力都很低。因此在空氣鉆進(jìn)中，地層水一般將進(jìn)入井筒。 如果鉆屑能全部進(jìn)入漏失層，那么可正常鉆進(jìn)，否則可采取增大空氣注入

40、 量、適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度或采取相應(yīng)的堵漏等措施后，達(dá)到正常鉆進(jìn)的目的。 （3）. 上部地層是出水層，正鉆進(jìn)地層是漏失層 若在漏層上部井段有水層。若水層壓力小于漏失層壓力，水層可能先 漏失。如長(zhǎng)慶油田隴東慶陽(yáng)一馬嶺一帶的洛河水層，但通常情況若漏層為 一常規(guī)堵漏方法都無(wú)法堵漏的地層，那么水層壓力比漏層壓力大。在這種 情況下是否可采用空氣鉆井鉆過(guò)漏層，主要取決于漏失壓力的大小和上部 地層的出水量。如果地層出水量大，增加空氣排量后而能將地層水和鉆屑 帶入漏失層，此時(shí)不管地層出水量是 多大都還可以進(jìn)行空氣鉆井，否則就不行。無(wú)論是漏層與水層同層， 還是漏層與水層不同層，采用空氣鉆過(guò)漏層中遇地層出水，只要井壁

41、穩(wěn)定， 巖屑吸水膨脹小，有足夠的空氣量，就仍可采用空氣鉆井，否則就應(yīng)該轉(zhuǎn) 化成其它方式的鉆井。 因此采用空氣鉆井時(shí)，在地層出水后，應(yīng)該根據(jù)所鉆地層巖石特性和 井眼具體情況確定是否仍采用空氣鉆井，離開(kāi)這些具體條件只考慮地層出 水量的大小這一因素是不全面的。 3.33.3 空氣鉆固井技術(shù)實(shí)例空氣鉆固井技術(shù)實(shí)例 3.3.13.3.1 平落平落 0060065 5 井空井固井初探井空井固井初探 平落0065井是平落壩低壓易漏地質(zhì)構(gòu)造上的一口排水井。設(shè)計(jì) 311.2mm井眼采用空氣鉆井技術(shù)鉆至井深1650m下入244.5mm技術(shù)套管。為了 解決空氣鉆井達(dá)到設(shè)計(jì)井深后，替入水基鉆井液再下套管、注水泥固井面

42、 臨井壁水化失穩(wěn)和井漏等問(wèn)題，第一次實(shí)施了空氣正注水鉆井液固井作業(yè)。 分析了空氣固井的7項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)?？諝馔ň捎昧四M鉆具配合劃眼、加大 排氣量清掃技術(shù)，下套管采用了加長(zhǎng)鋁質(zhì)引鞋配合平穩(wěn)控制下放速度技術(shù)， 注水泥采用內(nèi)插管配合施工參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。介紹了現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中井 眼準(zhǔn)備及管柱下入、注水泥等工序，值得借鑒和推廣。施工順利，固井質(zhì) 量合格，創(chuàng)造了該地區(qū)244.5 mm套管空井固井最深紀(jì)錄，豐富了空氣鉆井 技術(shù)。 近年來(lái)，四川盆地應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)在提高鉆井速度、防漏堵漏、發(fā) 現(xiàn)和保護(hù)油氣層等方面取得了明顯效果9。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，空氣鉆井完 成鉆井目的后，為了進(jìn)行表層套管或技術(shù)套管固井，需要再

43、替入水基鉆井 液。這就和水基鉆井液完成鉆井目的一樣，面臨井壁水化失穩(wěn)和井漏兩大 技術(shù)難題10。因處理井壁失穩(wěn)和井漏等井下復(fù)雜情況要花費(fèi)大量時(shí)間和鉆 井材料，無(wú)法獲得氣體鉆井既得經(jīng)濟(jì)效益。因此，空氣鉆井完成后，在不 替人任何液體鉆井液的情況下，如果能直接進(jìn)行表層套管或技術(shù)套管固井 即空井固井，就可以減少替人鉆井液、避免處理井下復(fù)雜等中間環(huán)節(jié)，從 而減少鉆井液處理劑，縮短鉆井周期，降低鉆井綜合成本。平落0065井 空井固井就是在這個(gè)目的的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的川渝地區(qū)第一口空井固井嘗試7。 3.3.23.3.2 主要技術(shù)難點(diǎn)主要技術(shù)難點(diǎn) 平落壩構(gòu)造中上部地層具有低壓易漏、油氣顯示弱、地層相對(duì)穩(wěn)定等 特點(diǎn)，比

44、較適宜采用氣體鉆井2。為加快鉆井進(jìn)度，從根本上規(guī)避工程復(fù) 雜情況。平落0065井在空氣鉆成井眼后，不再替人鉆井液，而是直接進(jìn) 行下套管和注水泥固井施工作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)研究表明，空井固井與常規(guī)固井作 業(yè)相比，主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)： (1)井眼穩(wěn)定與巖屑清除比較困難。采用空氣作為循環(huán)工作流體鉆成的 井眼，井壁干燥，孔隙、裂縫基本保持原始狀態(tài)，但各個(gè)地層地質(zhì)構(gòu)造應(yīng) 力不盡相同。因而，在沒(méi)有液柱壓力的情況下，坍塌壓力很容易使井眼掉 塊、坍塌進(jìn)而失穩(wěn)。如果依靠空氣徹底清除鉆屑和掉塊，現(xiàn)場(chǎng)施工比較困 難，特別是體積較大的掉塊。 (2)固井過(guò)程中極易井漏。一方面是由于水泥填充原始孔隙、裂縫，需 要一定量水泥漿，屬

45、滲漏；另一方面是由于地層本身承壓能力不高，注入 水泥漿時(shí)，液柱壓力一般遠(yuǎn)大于地層漏失壓力，造成地層漏失，損失水泥 漿，屬壓漏。 (3)水泥漿非連續(xù)流動(dòng)造成施工參數(shù)難以控制。在水泥漿重力、地層與 水泥漿液柱壓差的作用下，水泥漿注入空井過(guò)程中無(wú)法形成連續(xù)流動(dòng)，注 水泥施工壓力、排量設(shè)計(jì)困難，施工參數(shù)也不可能準(zhǔn)確反映井下實(shí)際情況。 (4)水泥漿較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)井底高能沖擊損壞固井工具及固井附件，還可能 引起環(huán)空堵塞。水泥漿從1000m以上的井口自由下落，沿程對(duì)固井工具及套 管附件沖擊力很大，施工時(shí)間較長(zhǎng)，容易造成固井工具及套管附件損壞及 失效；另外，水泥漿的沖擊和不可避免的失水會(huì)使干燥的井壁失穩(wěn)掉塊， 水

46、泥漿具有較強(qiáng)的攜帶能力又容易造成井壁掉塊及原井眼的鉆屑聚集，增 加了環(huán)空堵塞的機(jī)率。 (5)常規(guī)雙膠塞固井時(shí)，套管內(nèi)容積較大，水泥漿配漿量精確設(shè)計(jì)。施 工過(guò)程中，井下出現(xiàn)水泥漿漏失時(shí)，掌握和控制水泥漿返高困難。 (6)要求水泥漿性能良好。水泥漿不僅需要具有高早強(qiáng)、低失水、零析 水、微膨脹、低滲透、沉降穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且需要在干燥環(huán)空中長(zhǎng)時(shí) 間流動(dòng)時(shí)，保持良好的流變性。 (7)井下不確定因素多，潛在風(fēng)險(xiǎn)大?？站⑻嫔婕肮ぷ鳝h(huán)節(jié)多、工作 量大，而且各環(huán)節(jié)存在大量的潛在因素，稍有不慎，很可能引起其它風(fēng)險(xiǎn) 因素，因此施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。針對(duì)以上難點(diǎn)，平落0065井在空井固 井時(shí)運(yùn)用了較為全面的空井固

47、井施工技術(shù)，為順利完成該井固井做了充分 準(zhǔn)備。 3.3.33.3.3 空井固井施工技術(shù)空井固井施工技術(shù) 1）通井技術(shù) 下套管前，第1次采用通井的鉆具結(jié)構(gòu)為311.2鉆頭+630730雙母接頭 +228.6mm常閉止回閥+228.6mm減震器+228.6mm鉆鋌1根+ 298穩(wěn)定器+228.6 mm鉆鋌2根+731630接頭+203.2mm鉆鋌1柱+631410接頭+177.8mm鉆鋌 +411410短節(jié)+411411雙公+178mm隨鉆震擊器+177.8mm鉆鋌3根+127mm鉆 桿；第2次通井在第2根228.6mm鉆鋌之上再加入1只295穩(wěn)定器。這種鉆具結(jié) 構(gòu)和鉆井時(shí)使用的鉆具結(jié)構(gòu)一樣，稱(chēng)為

48、模擬鉆具結(jié)構(gòu)?？站ň畷r(shí)，首先 要防止始終處于拉伸狀態(tài)下的鉆具事故；二是合適的通井穩(wěn)定器大小及安 放位置，是通井及套管柱順利下入的關(guān)鍵。通井時(shí)，遇阻卡井段必須堅(jiān)持 劃眼和短程起下鉆，不能強(qiáng)拉硬放；通井至井底加大氣量循環(huán)，確保井眼 清潔。 2）下套管技術(shù) 確保空井下套管順利應(yīng)從設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)工藝兩方面人手。設(shè)計(jì)引導(dǎo)性好 的加長(zhǎng)鋁質(zhì)引鞋，減小下入阻力。設(shè)計(jì)合適數(shù)量的剛性扶正器，增強(qiáng)套管 柱過(guò)臺(tái)階能力并提高其居中度。注水泥漿結(jié)束后，底部套管承受較大的外 擠力，若水泥漿能返至地面，外擠力將更大，回壓凡爾所受的上頂力也很 大，套管可能會(huì)被擠扁，浮箍工作的可靠性也難以保證。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng) 充分考慮套管、套管附

49、件的機(jī)械性能，并進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算與校核；現(xiàn) 場(chǎng)施工時(shí)，套管進(jìn)人裸眼井段后嚴(yán)格控制下放速度并操作平穩(wěn)，防止套管 碰撞井壁引起井壁掉塊，給下步施工增加困難。 3）注水泥技術(shù) 常規(guī)注水泥技術(shù)一般采用在注水泥替人前置液，而空井固井在注水泥 施工過(guò)程中不宜采用前置液，這主要是由于水泥漿重力造成的。若施工前 期注入低于水泥漿密度的前置液，隨后注人的水泥漿以自由落體的速度墜 人前置液 造成混漿，影響水泥漿性能而且降低水泥漿的膠結(jié)強(qiáng)度。內(nèi)插管 注水泥工藝目前看來(lái)比較適合空井注水泥。單位長(zhǎng)度的外徑127mm插入管柱 內(nèi)容積與外徑339.7mm、244.5mm套管柱內(nèi)容積比，分別為l：8、1：4左右。 充填滿(mǎn)內(nèi)

50、管柱的注入量遠(yuǎn)小于非插入式固井，套管柱外環(huán)空更易充填水泥 漿。固井附件也可迅速淹沒(méi)在水泥漿中，減小了空井水泥漿對(duì)附件的沖擊 破壞；與此同時(shí)，注入的水泥漿基本上直接向環(huán)空流動(dòng)，便于施工參數(shù)動(dòng) 態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理井下復(fù)雜情況6 3.3.43.3.4 現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù) 1）井眼準(zhǔn)備與管柱下入 平落0065井311.2mm井眼采用空氣鉆井技術(shù)鉆至井1650m，按照設(shè)計(jì) 要求加人298、295扶正器，空井通井2次，確保井眼通暢、清潔后，下入套 管到指定位置。人井管串結(jié)構(gòu)為：引鞋0.60m+套管鞋 0.27m+244.5p11010.03mm套管2根19.62 m+浮箍 0.30m+24

51、4.5p11010.03mm套管3根29.13m+浮箍 0.3om+0244.5p11010.03mm套管1根9.93m+插管座 0.25m+244.5p11010.03mm套管162根1579.71m+雙公短節(jié)0.25m+懸掛器 0.59m+聯(lián)入8.48m。為防止大排量氣體對(duì)人井固井附件的損害，未進(jìn)行空氣 循環(huán)吹掃，直接下入127光鉆桿加內(nèi)插管管柱注水泥。 2）注水泥 固井準(zhǔn)備結(jié)束后，清水沖洗內(nèi)插管，試壓25.0mpa穩(wěn)定，然后排出地面 管線(xiàn)清水。注水泥領(lǐng)漿10m3,密度1.74gcm3。注夾江g級(jí)高抗水泥漿 68.0m3，密度1.88gcm3。水泥漿返出地面后，停止配注水泥漿。替配漿 水1

52、5m3，環(huán)空出口返出約15m3。替漿結(jié)束檢查無(wú)回流，拔出插入管，起鉆 完，候凝。施工過(guò)程中對(duì)流量變化和壓力變化進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)表明， 水泥漿在充滿(mǎn)上套管鞋以上管柱前和替配漿水時(shí)，流量和壓力變化劇烈， 再次印證了空井固井的難點(diǎn)；水泥漿開(kāi)始進(jìn)入環(huán)空 流量和壓力整體變化不大，也即形成了“u”形液柱7。 3.3.53.3.5 固井技術(shù)總結(jié)固井技術(shù)總結(jié) (1)平落0065井是川渝地區(qū)套管下深最深的第一口44.5mm技術(shù)套管空 井固井作業(yè)，不但實(shí)現(xiàn)了低壓易漏地層一次性正注水泥漿全封固，而且固 井質(zhì)量合格。該井順利施工為今后空井固井作業(yè)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。 (2)空井固井能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)空水泥漿的全充填，解決

53、了空氣鉆井后注入常 規(guī)鉆井液后再固井帶來(lái)的井壁穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，是氣體鉆井技術(shù)的補(bǔ) 充和延伸。對(duì)于提高固井質(zhì)量，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，加快勘探 速度和推動(dòng)鉆井技術(shù)進(jìn)步，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 (3)空井固井在平0065井的應(yīng)用成功，填補(bǔ)了空氣鉆井技術(shù)領(lǐng)域的一 項(xiàng)空白，但是，它僅僅是空井固井技術(shù)的一次有益嘗試，應(yīng)用和推廣該技 術(shù)，需要在固井工藝、施工參數(shù)設(shè)計(jì)、防止管鞋替空等方面，做進(jìn)一步研 究和試驗(yàn)。 第第 4 4 章章 氣體鉆井技術(shù)的改進(jìn)氣體鉆井技術(shù)的改進(jìn) 這種可以提高鉆井性能的新技術(shù)已在理論上和實(shí)踐中得到證實(shí)。該技術(shù) 取得的進(jìn)步在于應(yīng)用一種能夠精確論證井底壓力、流量

54、、動(dòng)能的模型，因 此，可以迅速估算不同鉆柱、不同井眼幾何尺寸以及氣體流量。該模型論 證了在鉆頭之上將一部分氣體分流轉(zhuǎn)入井眼的作用。這種新的工具井 下空氣分流器安裝在鉆柱上，可以根據(jù)模型的模擬， 精確分流最適宜的氣 體流量。應(yīng)用這種新技術(shù)控制鉆頭處的井底壓力的結(jié)果是，通常由于摩擦 而損失的能量可以轉(zhuǎn)化為有利因素，可以降低地面壓縮氣體的費(fèi)用、減少 井眼沖蝕、提高機(jī)械鉆速、延長(zhǎng)鉆頭壽命、提高鉆達(dá)總井深的成功率，而 不會(huì)轉(zhuǎn)化為不可壓縮流體。壓力波動(dòng)效應(yīng)(文丘里效應(yīng))一般用于在地面從 井口脫氣，在井底也可以產(chǎn)生壓力波動(dòng)效應(yīng)以降低井底環(huán)空壓力。采用這 種方式降低井底壓力后， 可用較少的空氣和較低的摩擦提高

55、氣體流量。該 技術(shù)已成功地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)不同條件的井眼，提高了機(jī)械鉆速，增強(qiáng)了井眼 穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了鉆頭壽命，降低了總成本8。 4.14.1 控制氣體體系的壓力控制氣體體系的壓力 用氣體流體和鉆井液體系凈化井眼所需的最小能量相同，已確定其值 為144 jm3動(dòng)能。在井徑規(guī)則的井眼中無(wú)論使用何種介質(zhì)，這一點(diǎn)一般在 鉆鋌環(huán)空的頂部。不過(guò)，為達(dá)此目的在底部鉆具組合內(nèi)外所消耗的能量會(huì) 浪費(fèi)，并有可能不利于井眼穩(wěn)定。 主要由流體密度產(chǎn)生的液壓能 主要由流體流量產(chǎn)生的氣壓能 用液壓系統(tǒng)鉆井時(shí)，很難消除這一浪費(fèi)。不過(guò)在氣體鉆井中，可以在 某一關(guān)鍵點(diǎn)將氣體分流，這就實(shí)際上提高了體系的總體效率。 這是一種控制井眼中鉆

56、桿和環(huán)空壓力的合適方法。 圖4-1 使用鉆柱的常規(guī)井眼 4.24.2 控制壓力鉆井的目標(biāo)控制壓力鉆井的目標(biāo) 4.2.14.2.1 液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng) 保持環(huán)空井底壓力與地層壓力相同； 防止地層流體進(jìn)人井眼。 4.2.24.2.2 氣壓系統(tǒng)氣壓系統(tǒng) 在系統(tǒng)中給定的氣體流量下盡可能降低環(huán)空井底壓力； 在確保凈化井眼和驅(qū)動(dòng)井下裝置的前提下盡可能降低地面水功率。 與鉆井液相比，用氣體鉆井時(shí)實(shí)際上在很多方面更有利于正確使用控制壓 力鉆井技術(shù)，因?yàn)榭蓧嚎s流體的壓力和流量的能量幾乎可以100 作用于井 底。適當(dāng)應(yīng)用這些技術(shù)可以降低系統(tǒng)中的摩擦壓耗，減少對(duì)地面輸人能量 的需求，更有利于提高能量在井底的效率9。

57、4.2.34.2.3 氣體流體鉆井氣體流體鉆井 誤解誤解 誤解一：氣體流量較大時(shí)可以提高井底流量。 (實(shí)際) 降低井下流量； 可能會(huì)降低井眼凈化能力。 誤解二：鉆頭處的氣體流量較大可以提高機(jī)械鉆速。 (實(shí)際) 多余的氣體所增加的效益可能多于抵消所增加的環(huán)空回壓。 誤解三：發(fā)生沉砂問(wèn)題是因?yàn)榄h(huán)空底部的氣體循環(huán)不充分。 (實(shí)際) 大多是由于底部鉆具組合周?chē)^(guò)多的氣體循環(huán)所造成的井眼 沖蝕。 4.2.44.2.4 沒(méi)有適當(dāng)控制井眼壓力所造成的問(wèn)題沒(méi)有適當(dāng)控制井眼壓力所造成的問(wèn)題 (1)沉砂和坍塌 (2)改用鉆井液 (3)黏附鉆桿 (4)側(cè)鉆 (5)鉆頭過(guò)早報(bào)廢 (6)使用昂貴的鑲齒鉆頭(費(fèi)用增加一倍

58、，鉆速降低一半) (7)沖擊鉆具磨損 費(fèi)用分析顯示，在一段井眼使用氣體流體鉆井時(shí)，提高機(jī)械鉆速所取得 的效益可能高于配漿、穩(wěn)定井壁、用鉆井液鉆該井段所需費(fèi)用。適當(dāng)?shù)墓?程氣體流體分布以及合適的井眼和鉆柱結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生以下效益： 減少鉆井所需地面設(shè)備和燃料(尤其是大井眼)； 減少摩擦造成的井下能量損耗； 降低環(huán)空井底壓力，以減少鉆屑?jí)撼肿饔茫?增加通過(guò)沖擊鉆具的壓降，提高機(jī)械鉆速； 減少鉆頭沖蝕，延長(zhǎng)鉆頭壽命； 減少井眼沖蝕，降低鉆井液和水泥漿的總費(fèi)用； 改善井眼凈化，提高井底鉆時(shí)和機(jī)械鉆速； 可以在更深、更惡劣的條件下使用沖擊鉆具和平底鉆頭，例如在 松軟的角礫巖地層以及地層水侵入量高達(dá)1695m3

59、h的條件下； 降低鉆頭費(fèi)用(減少所用鉆頭數(shù)量，使用便宜的鉆頭)。 采用合適的工程鉆柱和井眼設(shè)計(jì)可以獲得上述某些效益，不過(guò)，如果 必須租用額外的設(shè)備或必須下入較大的套管，所消耗的費(fèi)用可能會(huì)超出所 獲得的效益。在鉆頭之上的某一點(diǎn)將部分氣體分流至井眼環(huán)空，這是以最 低的費(fèi)用獲得上述大多數(shù)效益的唯一方法。在許多情況下，到達(dá)鉆頭的氣 體流量過(guò)多可能會(huì)不利于井眼穩(wěn)定，產(chǎn)生以下不利影響： 環(huán)空井底壓力較高； 增加對(duì)松軟巖層的沖蝕； 增加鉆頭的磨損； 降低沖擊鉆具性能。 只要有足夠的氣體到達(dá)鉆頭，以最優(yōu)化性能驅(qū)動(dòng)沖擊裝置，同時(shí)保持 必要的能量以?xún)艋撞裤@具組合周?chē)沫h(huán)空，其他多余的空氣均無(wú)益處， 而且實(shí)際上會(huì)

60、減少氣體流體的可用能量。在沖擊鉆具中，使用節(jié)流器使一 部分空氣繞過(guò)沖擊鉆具的活塞部分會(huì)降低沖擊鉆具的性能，不利于利用氣 體系統(tǒng)的能量。 4.34.3 井下空氣分流器井下空氣分流器(dhad)(dhad) 井下空氣分流器11是一根鉆桿或鉆鋌短節(jié)(見(jiàn)圖4.2)，一般在鉆柱上配 有兩個(gè)噴嘴閥，以便將部分鉆柱內(nèi)的氣體分流至鉆鋌之上的環(huán)空。為簡(jiǎn)便 期間，本文中的空氣指所有氣體流體，如天然氣、脫氧空氣、壓縮空氣。 這取決于應(yīng)用情況，可能有一個(gè)或多個(gè)這種短節(jié)連接在底部鉆具組合或鉆 桿上。從短節(jié)處將部分空氣進(jìn)行分流而非強(qiáng)制注入鉆鋌、鉆頭、返人鉆鋌 環(huán)空，就可以在用空氣作為清除鉆屑的主要介質(zhì)時(shí)提高流動(dòng)效率。從空