气侵对钻井作业的影响

1、气侵对钻井作业的影响敬忠平1997年10月23日气侵对钻井作业的影响敬忠平摘要南海地区的钻井活动中，气侵是一个影响钻井作业的主要问题之一。尤其是高温高压井的钻井作业过程中发生的气侵给钻井作业带来很大影响。对产生气侵后所采取的措施的正确与否 取决于对气侵的正确判断和充分的认识。所采取的措施既要满足作业的要求，又要确保海上钻 井设施、人员和井下的安全性。因此海上钻井的气侵问题相对陆上钻井来说更具特殊性。问题的提出在南海高压气井的钻井作业过程中，气侵是一个十分令人伤脑筋的事。如在YC21-1构造中，由于严重气侵，循环时气测值相当高(一般在 1200个单位左右，每 50个单位为体积含量 的1%),即地

2、面井口泥浆内气体体积含量为24%左右，有时其峰值高达 80% ,经多次加重循环，最终泥浆比重与最初泥浆比重差值达0.6g/cm3以上，气测值仍居高不下，给钻井作业带来很大影响，并引出一系列问题：一 高压气井的压井泥浆比重的选择问题；- 气侵的处理及气侵后的决策问题；一 气侵的安全防范问题；本文就上述几个问题作一些粗浅的探讨并提出相应看法和观点。气侵的方式和特点1 .岩屑中的天然气在钻井过程中，随着岩屑的破碎，天然气不可避免地侵入井内。2 .接单根天然气(CONNECTION GAS )由于接单根时停泵环空总压力的降低，常常把少量但是很显著的天然气带入井中。3 .起下钻天然气(TRIP GAS

3、)通常与起下钻的抽汲有关。4. 泥浆液柱压力不足以平衡地层压力而侵入的天然气。5. 气层天然气由于气体的扩散性和易溶解性，即使在泥浆液柱压力超过地层压力的情况下，气全也不可 避免地侵入泥浆内，其扩散和运动速度都很快，并在从井底向井口运移的过程中，其体积随温度 和压力的变化而变化，在井口其体积最大(井口敞开时)，天然气的侵入量还与气层天然气的饱 和度与气层的孔隙度有关，饱和度越高，气侵量越大。气侵对泥浆液柱压力的影响气侵后泥浆性能最显著的变化就是泥浆下降，有时候这种比重的降低是非常惊人的。如在 循环出起下钻天然气(TRIP GAS )时，气测峰值高达 3000个单位以上，甚至接近5000个单位,

4、以致于地面仪表不能读数，即地面泥浆中气体体积含量超过60%甚至接近100%。这也就是说，这时井口返出的泥浆大部分为气泡状或几乎全是泡沫，并大量涌出转盘面，出现所谓的假井喷。根据天然气的特性，天然气从井底向井口运移过程中，其体积不断增加，因此，在不同深度下的泥浆比重是不同的。在井口时，由于天然气膨胀后其体积最大，气侵后的泥浆比重最低；假设气体膨胀的等温过程，并忽略气体自重，则气侵后泥浆柱压力的降低值可用下式计算：2.3(1 -a)Ps , Ps 0.1 mHP = -lgaPm P:气侵前后泥浆液柱压力降低值kg/cm 3sa:地面气侵泥浆比重 &与原泥浆比重 m的比值即a =mH:井深

5、m£井口环空压力，kg/cm2:原泥浆比重，kg/cm 3以YC21-1井的例，揭开高压气层时井深为4647m，泥浆比重1.52 ,气侵后测得背景气(BACKROOUND GAS) 峰值为4000个单位(含量 80%)。贝U:1 )气侵后井底压力的降低值P2.3(1 - 0.2) 1P =' 02 lg(1 011.52 4647) = 26.20kg/cm22）当量泥浆比重降低值丫.、，.:P 26.20.Y = = = 0.056g / cm3P 0.1 46473）压力降低百分比nPn =P26.200.1 152 4647-3.7%由以上计算可以看出，泥浆气侵后整个泥

6、浆柱的压力的下降并不严重，即使气侵后泥浆比重仅为原来的20%，即井口泥浆几乎全是泡沫的严重情况下，其压力下降百分比仅为3.7% ,这个压力下降值也只不过与一般考虑的安全附加压力相当。如果气侵后泥浆比重为原来的50% ,其压力降低值是微乎其微的。因此，气侵后不一定会紧急加重泥浆比重，应首先循环除气，然后根据地层压力的大小，酌情加重。最危险的做法是将气侵泥浆重复使用，而根据气测值的大小盲目加重又只会导致井漏、井塌，从而又可能导致井喷。如果气测值经多次循环加重后仍居高不下，应保证在不压漏地层和使入口泥浆比重过平衡的条件下继续进行有关作业，如钻进，起下钻等。在气侵条件下对有关钻井作业的安全评价1 .钻

7、井由上所述，气侵后井口泥浆比重下降很明显，然泥浆液柱压力降低值并不大，因此，如果 能通过地面除气设备循环除气的话，那是最理想的情况。但是这样循环除气应尽可能地使钻头在井底的条件下进行，否则将人为地制造一个非常高的地层孔隙度的容积环境，使得本来易容解和扩散的天然气更易侵入泥浆中，从而会造成多次加重循环而气测值仍居高不下的复杂局面。如果多次加重循环气测值仍保持一定数值（如在YC21-1-1井中循环加重后气测值仍在1000个单位左右），由天然气的特性及相应的计算，我们有理由恢复钻进，但是必须保证进口泥浆比重大于 地层压力系数而又不致于压漏地层，同时又必须认真地进行除气，绝对禁止气侵泥浆的重复使用，保

8、持进口泥浆比重符合上述记录。这里，对泥浆比重的要求必须考虑到气侵后泥浆比重的降低； 停泵后当量循环比重的损失；除气设备的性能及处理量；以及地层破裂压力安全附加压力等安全因素。-7 -2.起下钻同样，在上述类似条件下，能否进行下钻作业或电测作业呢?首先假设已经起钻且井口是开启的，井内有一段立柱或严重气侵的泥浆（如图所示），则其自动外溢的条件是:X =h10YmX:井下气柱高度或严重气侵泥浆柱高度mh:未气侵泥浆高度mYm:原泥浆比重g/cm 3即在停泵后泥浆自动外溢的条件是气柱高度或严重气侵泥浆高度超过井深一半以上时，泥浆稍一流出就会井喷一般认为，起钻后停止循环期间要积聚这样大量的气柱是不大可能

9、的。既然如此，这就增加了起钻的安全性，这也就是说：即使起钻时由于抽汲作用将部分天然气带入井内形成气柱或一段严重气侵泥浆，还不致于在短期内造成自动外溢的危险，因此必须考虑气柱上升运动的情况,即下钻后循环排气时可能发生的危险（气柱以上泥浆全部喷条件）：X X(h ：°)3)Ym10hl = x12x4)Ym10P = h x 厂-2x5)X1 :泥浆开始外溢时气柱或严重气侵泥浆柱的高度mh1：泥浆开始外溢时气柱上面未气侵泥浆柱的高度mx :井下积聚的气柱或严重气侵泥浆柱高度mh :气柱上面未气侵泥浆柱高度mYm：原泥浆比重g/cm 3仍以YC21-1-1井为例，H=4647m ,泥浆比重

10、后加重至由以上几个公式分别得出x215mh1=210mI=4223mYm=1.54，设X=10m （气柱高度）即当气柱或严重气侵泥浆在循环时上升至井深H =X+H 1=425 m时就会自动夕卜溢，由于425米长的液柱压力的损失，当量泥浆比重的降低值y=0.14g/cm 3剩余泥浆当量泥浆比重y' =y-Ay=1.40g/cm 3远远低于揭开气层时的泥浆比重ym=1.52g/cm 3,故很有可能诱发井喷。因此，因电测作业或换钻头起钻后，由于长期停泵，积聚在井底的气柱或严重气侵的泥浆在下钻后循环时上行膨胀，至一定井深后会外溢喷出，这在高压气井的钻井作业中已多次发生，所以要引起高度重 视。为

11、防止自动外溢后造成气体再次侵入或井喷，可考虑如下几个措施：1 ）起钻前在裸眼内漏层以下打重晶石塞由于重晶石塞的粘度和节力都比较，且会沉淀，在井内会形成一个坚固的重晶塞子。且由 于失炎可能造成井壁剥落形成桥堵，更重要的是，重晶石塞的密度大，又注入套管鞋以下的某一 易漏失处下方，其液柱压力的增加可大大地抑制天然气的侵入及其膨胀上升，有助于控制地层压力，极大地增加了起钻后的安全因素。2）下钻后关闭防喷器循环出气柱或严重气侵泥浆对于这种循环，可视之为套管为零的压井作业，在这种情况，尤其要注意井底气柱上升膨胀时的套管压力的变化，以防止压漏地层可通过调节阻流器，在保证泵速不变和钻杆压力不变的情况下进行循环，使最大套压不能超过最大允许套管压力。结论综上所述，气侵虽然是一种危险而又复杂的情况，但只要充分地，正确地认识天然气的特性及其运动规律，气侵的问题也可以得到控制。由此可以回答本文开始提出的几个问题：1 .气侵后压井泥浆比重的选择应主要以平衡地层压力为原则而不应仅仅以气测值的大小为 依据。2 .在气井的钻井作业