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某油井空气钻井技术（学术论文）摘要：随着空气钻井技术的发展和设备的完善，我国陆相油气田特种钻探技术兴起了又一轮的空气钻井热。利用空气钻井技术的来达到提高钻速、降低综合开发成本的目的，一直是长庆油田开发苏里格气田的主导思想。本文就空气钻井技术作一简要介绍。并结合苏6-11-8井空气钻井的现场施工情况及出现的问题作一分析和总结。关键词：空气钻井 苏里格气田 地层出水 携岩 压力 分析一、前言空气钻井技术是以纯空气作为钻井循环介质，经过空气钻井地面设备的压缩和增压后，进入井内，依靠高速气体的动能建立循环，携带岩屑、冷却钻头。由于空气钻井的诸多优点和具备解决工程上特殊钻井问题的能力，近些年来，全国各大油田普遍关注和重视该项技术的研究和现场应用。我院先后购置两套（共计175m3/min）空气钻井设备，并率先在80年代初进行该项技术的理论研究和现场试验，在国内的空气钻井领域具有一定的领先优势。二、空气钻井工艺技术简述1、空气钻井的优、缺点空气钻井所使用的循环介质是空气。空气的主要成分是氮气（78%）和氧气（21%），其相对平均分子量钻井工程上通常取29,其平均密度为0.0012g/cm3.空气钻井的优点：空气自身密度低，能有效解决井漏，适用于低压、衰竭油气层的钻井；对储层的伤害小，有利于发现和保护油气层，增加油气产量；对非储层段地层能最大限度地提高机械钻速和单只钻头进尺，从而降低钻机作业时间，降低开发成本；在缺水、钻井液费用昂贵的情况下，可以减少钻井液和水的费用；与天然气、氮气、雾化和泡沫钻井技术相比，费用较低。空气钻井的缺点：钻含水地层会发生钻屑润湿、泥包，形成泥饼环，切断环空气流，导致卡钻。不适用含硫化氢、二氧化碳等酸性气体的地层，会发生氢脆现象而腐蚀钻具；空气作为循环流体对井壁的支撑能力是最低的， 对于以地应力为主要因素导致井壁不稳定的地层和含高压流体地层不能采用空气钻井。2、空气钻井工艺技术要点2.1空气钻井的携岩机理在空气钻井技术中，由于气体本身无悬浮能力，携岩完全是靠上升气流的动能。因此，气体的上返速度就决定了其携岩能力。通常情况下要求气流的上返速度达到15m/s以上，只要满足气量要求和各钻井参数的要求就可顺利施工。但如出现地层出水，在空气雾化钻井实践中，井眼环空携岩流动是一种较为复杂的气、液、固多相流动，其携岩机理和流动规律就变得较为复杂。在这种情况下，经常出现因地层出水而导致无法顺利钻进的情况，主要表现为携岩不好、钻井效率低、环空形成泥饼环、段塞，井壁跨塌、卡钻事故。所以，井眼环空的携岩是空气/雾化钻井工艺技术顺利实施的必要条件。2.2空气钻井的破岩机理空气钻井与常规钻井相比，机械钻速可大幅度提高。空气钻井中，地层孔隙压力在较大负压差的条件下，产生向井内的“内挤推力”，该力有促使井底岩石破碎的趋势，使得地下岩石的岩体特性表现出低强度、低硬度、低研磨性和高脆的性质，从而使得岩石更容易破碎。克服了泥浆钻井中钻井液对井底岩石的压实效应。另外在空气钻井条件下，空气钻井以高速气流冲击、旋转剪切的方式破碎岩石，使钻屑快速离开井底，减少了重复研磨，更有利于提高硬地层的钻速。一般情况下，钻头的使用寿命可延长1/31/2。2.3地层出水因素的影响空气钻井是一种适合在“干燥”地层或流入的地层水足以被空气吸收和携带的地层中应用的优化钻井介质。当钻遇水层，粉尘有可能结团形成段塞。自由水在井筒内上升的该过程中，会导致水敏性泥页岩的润湿、水化，进而在钻具外壁和环空关键点处形成泥饼环，严重时造成卡钻事故的发生。同时当地层出水后，水雾将消耗气流的内能，降低环空气流的上返速度，因此要增加气量，转换雾化状态（即气体达到含水饱和态，使水呈微小水滴状，像固体颗粒一样被携带出来）钻进。空气钻井解决地层出水，要根据设备能力和地层岩性等因素综合确定。在空气钻井中，钻具变径处或套管鞋处的环空面积突然增大，环空流速会突然降低，是岩屑上升过程中可能产生滑落的“关键点”，岩屑颗粒在这些关键点处的举升力是整个环空最低的，特别容易导致岩屑的加速沉降，气量达不到足够的上返速度就会在此位置出现岩屑粘附堆积并逐渐形成泥饼环，发生卡钻事故。所以，空气钻井的钻具组合设计应考虑井身结构尽量简单，避免钻具尺寸的突然变化，尤其要注意这些关键点的气流上升速度。2.4空气钻井施工要点空气钻井工艺包括准备工作、气举、钻进等。施工作业前要根据井眼尺寸、井身结构、钻具组合、携岩、处理复杂情况、作业地区海拔、温度、湿度等因素设计确定最大注入气量和注入压力，从而确定空压机和增压器的数量，以及相关管汇和仪器等。安装完毕后，应进行严格的试压、试运转。气举过程中，根据实际情况可采用一级替浆和多级替浆的办法，要注意压力变化。钻进过程中，密切注意各钻井参数和岩屑返出情况的变化，以及钻具旋转和上提下放阻力的变化，如出现异常应及时停止钻进，充分洗井观察，及时调整注入气量和钻井参数确保井眼的通畅，接单根等辅助作业要提前做好衔接准备，尽量快速（5分钟以内）完成，减小无循环状态下钻具在井下的静止时间。另外，空气钻井要根据地质和实钻具体情况控制机械钻速，合理的钻压、钻速可较好地解决井斜和携岩，减少井下复杂事故的发生。三、苏里格气田苏6-11-8井现场试验：苏里格气田构造位于内蒙古自治区东南鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造上。地质储层属低压、低渗、易漏地层。自98年苏6井获得高产工业气流后，便开始大规模的工作开采。但如何提高该气田二开非储层段的钻井速度、降低开发成本，一直是长庆油田的难题。长庆油田苏里格气体钻井试验于2000年开始已经开展了5年，前后试验了8井次，研究单位和参与人员花了大量的心血，但令人振奋的突破不明显。 苏6-11-8井的突破之一是在于：非储层井段能够顺利地钻至储层顶部，井斜控制良好，钻速提速明显，钻头使用合理。（全井空气钻井井段只使用了一只钻头）1、苏6-11-8井空气钻井概况：1.1地理及环境资料1.1.1井口坐标：纵(X)：5067890.41m；横(Y)：15373284.58m；1.1.2地面海拔：1333 m1.1.3构造位置：鄂尔多斯盆地伊陕斜坡；1.1.4地理位置：内蒙古自治区乌审旗桃利镇桃尔庙村。1.2地层压力预测层 位预计气层位置(m)厚度(m)气层压力MPa压力系数盒8上330133021.028.430.40.860.92盒8下330633148.028.430.80.860.931.3井身结构该井设计延长组以上地层用泥浆钻井，下7套管封住延长组水层；纸坊组储层顶界（石千峰组底界）采用空气钻井，储层段（石千峰组、石盒子组）采用天然气钻井，如下图。第四系103水泥封固段2700m，井口反挤大于500m导管井眼：F343mm60m导管尺寸：F273mm60m一开井眼：F241.3mm2200m表层套管：F177.8mm2200m二开井眼：F155.6mm3390m生产套管：F101.6mm3385m白垩系洛河组653侏罗系安定组700直罗组975延安组1295三叠系延长组2146纸坊组2354和尚沟组2467刘家沟组2768二叠系石千峰组3056石盒子组3340山西组3390 2、苏6-11-8井空气钻井技术措施2.1钻具组合：155.6mmXL-40A牙轮钻头0.19m+3303100.56m转换接头+121mm箭形回压阀0.5m+121mm钻铤9.2m+(测斜挡板)+121mm钻铤218.38m +88.9mm钻杆1794.39m+旋塞20.35m+浮阀10.26m+88.9mm钻杆+3113100.3m+旋塞10.35m+六方方钻杆2.2空气钻井注气参数根据井眼尺寸、井身结构和钻具组合尺寸利用摩尔软件理论计算最小注气量为65m3/min。为了保证钻井的顺利进行（考虑地层出水），需要对注气量附加一定的安全系数。注气量65m3/min时的参数井 深（m）立管压力（MPa）井底流压（MPa）关节点处上返速度（m/s）岩屑的上返速度（m/s）25002.970.6214.6711.3428003.080.6812.9810.5331003.180.749.49.5833903.280.88.99.26注气量80m3/min时的参数25005.931.1416.4812.3928006.141.2413.6711.5131006.351.3512.3910.7733906.551.4610.9310.14实际钻进时间，采用注入气量：8085m3/min.2.3雾化钻井注气参数设计气体参数采用与上面气体钻井相同的计算参数，雾化泵排量取40L/min计算。雾化液的加入，增加了井内压缩空气流动的负荷，因此，将井内固相及液相携带出井筒所需的最小气量为45m3/min。同样，取两个气量进行计算： 注气量65m3/min、注液量40L/min时的参数井 深（m）立管压力（MPa）井底流压（MPa）关节点处上返速度（m/s）岩屑的上返速度（m/s）雾化钻井气体体积分数井 口 井 底25003.7981.088.257.280.99910.94928003.891.167.766.840.94731004.031.297.126.280.94433904.161.426.585.80.942注气量80m3/min、注液量50L/min时的参数25006.011.757.528.120.99940.95428006.241.966.827.360.95131006.472.196.236.720.94833906.692.425.736.190.946 注气量80m3/min、注液量80L/min时的参数25006.092.196.056.530.9990.92328006.352.505.395.820.91931006.62.834.855.230.91433906.843.184.394.740.909实际钻进时，采用第三组设计参数。3、苏3、6-11-8井空气钻井现场施工苏6-11-8井是中石油长庆石油勘探局在苏里格气田部署的一口重点试验评价井。该井由我院负责提供全套空气钻井设备和设备操作人员、由长庆钻井工程院负责整个现场施工的技术工艺措施；由长庆石油勘探局钻井工程总公司40632钻井队承钻。我所苏6-11-8井空气技术服务项目组人员于9月10日到达井场。进行安装、调试、试压工作；空气钻井高压主管汇试压至1800psi，20分钟无压降。 9月18日06:4010:20 气举；开一组车，气量45m3/min、最高气举压力1250psi，开雾化泵，注泡基沫7m3，注气压力达到7MPa，再注泡沫基液4 m3，气举进行1.20小时后泥浆开始返出，继续注气至泡沫全部返出，开始二开扫塞气体钻进。 21892354m井段钻进情况2005年9月19日01:00开始二开钻进。在二开空气钻井过程中，2189m2354m井段（纸坊组）正常钻进，排屑口排出干岩屑粉，注气压力3.8 MPa 4.0MPa，注入气量：83m3/min，平均机械钻速：11.97m/h；地层未出水，井壁稳定；钻进正常。23542769m井段钻进情况钻进23542467m井段时（和尚沟、刘家沟组），各钻井参数正常，排屑口排出干岩屑粉，粉尘量有所增大。注气压力3.7MPa3.8MPa，注入气量：83m3/min，平均机械钻速：和尚沟10.79m/h、刘家沟7.32m/h；地层未出水，井壁稳定；钻进正常。27693050 m井段钻进情况钻进27693050m井段时（石千峰组上部），钻时明显加快，排屑口返出气量小、岩屑少，岩屑粉变潮，注气压力3.5MPa5.5MPa，注入气量：83m3/min；平均机械钻速：7.34 m/h,由此可见地层开始出水（后经测定出水量为：16m3/d）。井深28802885.78m时，压力由4.9MPa逐步上升到5.3MPa，扭矩由3900 N*m 上升到5300 Nm,循环5分钟恢复正常。5:116:25钻进，压力缓慢上升，5.1MPa上升到5.4MPa。6:226:25压力快速上升,出口砂子量减少,逐步无砂子返出，停钻循环47分钟，打两次泡沫基液（5%发泡剂0.3%CMC清水），每次100L。第一次：7：12注泡沫基液，7：45返出，有2m33m3砂子、水被带出。第二次：7：52注泡沫基液，8：36返出，但压力没有恢复正常，继续上升，准备打第三次雾化液。四、现场施工结果分析1、钻井参数及钻速分析在该井段的钻进过程中，地层略有出水，排出口返出的都是稀湿粉尘，有时排出口没有水和岩屑返出，只有少量气返出，并时有伴随注气压力的上升和扭矩变化的现象，为了保证气体钻井的顺利进行，针对地层出水和排屑不畅的情况，在钻进该井段时，采取有意控制钻速、每单根打完划眼以及每钻进2个单根注泡沫液100200L扫井的措施，如果注气压力正常，打三个单根注泡沫液一次进行扫井。自石千峰上部出水以后（出水量：16m3/d），常出现排屑口只出气不出砂子的现象，有时压力高，说明井眼不畅通，但有时压力并不太高，钻时比较快，注泡沫基液扫井后，大量水与砂子混合物返出，这些现象说明气量略显不足，携岩不彻底。 苏6-11-8井气体钻井速度统计： 地层井段（m）进尺(M)气量(m3/min)注入压力(MPa)钻压(KN)转速(rpm)机械钻速(m/h)纸坊组2189.032359.07170.04834.44.5808012.34和尚沟组2359.072466.96107.89834.54.6808010.79刘家沟组2466.962653.21186.25834.64.780808.87石千峰组2653.213050.00396.79834.85.580807.34合计859.31（不含165.36m的水泥塞）8.52注明：表中的气量为两组车全部开启的全部气量（标称：100 m3/min），而受当地海拔、湿度、温度等因素影响，实测的气量为：8385m3/min。与邻井泥浆钻井速度对比 井号地 层井 段 (m)进 尺 (m)纯钻时间（h)机械钻速(m/h)苏6-11-8刘家沟2466.96-2653.21186.2520.998.87苏16刘家沟2255-264939483.554.69苏13刘家沟2455-2944489138.303.53苏6-11-8石千峰2653.21-3050396.7954.057.34苏16石千峰2649-3339359129.403.01苏13石千峰2544-3379300141.52.48序号时间测深（m）井斜（度）方位11:48:502778.05.04348.721:46:502798.04.3145.231:44:502815.03.39338.841:42:502835.04.3938.451:40:402855.02.13339.261:38:302875.04.53357.271:36:302895.06.40341.981:34:202915.06.77265.991:32:202935.07.00335.3101:30:102955.06.62263.9111:28:302975.05.71223.9121:26: 002995.05.33130.0131:24: 003025.07.02156.3结合苏16井和苏13井刘家沟组、石千峰组利用泥浆钻井平均机械钻速，可以看出苏6-11-8井空气钻井井段的机械钻速较常规泥浆钻井时均有大幅度提高，最高机械钻速是常规泥浆钻井时的4倍。2、测井参数及分析苏6-118井利用空气钻至储层顶部，井斜控制良好，钻速提速明显，钻头使用合理（全井空气钻井井段只使用了一只钻头）。所钻邻井阶段实践表明：苏里格气体钻井的井斜主要原因是井壁掉块坍塌造成的井径扩大，钻压大也是一个影响因素。在大肚子井段，较大的钻压，使下部钻柱过度屈曲，造成迅速增斜。因此，该井在实际施工过程中第一是尽量控制井壁稳定，只要不见水，井壁应该是稳定的，井径就不会扩大，故尽量