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文档简介

空气钻井技术

目前,国外已成功采用气体流制度作为循环介质,解决了易盗、低钻孔速度的问题。美国和加拿大应用这方面技术比较普遍,它们用氮气、空气、天然气等轻质流体为循环介质,成功地解决了地层漏失特别严重、地层比较坚硬、地层渗透率特别低的区块的钻井问题,其设备趋于完善,技术趋于成熟。国内长城钻井公司利用空气、泡沫等气体型流体有效地解决了伊朗TABNAK油田长段复杂井漏难题。在川渝地区上部地层钻井作业中,常钻遇长段低压漏失带或破碎性地层引起严重井漏,由于漏失层段多、井段长、漏层连续不断,没有特定的漏层位置,采用常规钻井液钻进时,往往是“有进无出”,给钻井工程造成巨大损失。对于这类严重井漏,采用单一的常规钻井及堵漏的方法难以从根本解决问题,必须包括空气钻井、泡沫钻井、充气流体钻井等多种技术的综合应用。空气钻井具有钻井液钻井所不具备的诸多优点。以空气作为介质,一方面能大幅提高钻井机械速度,另一方面作为循环介质的空气密度低,对井眼形成的压力较低,在钻井过程中不存在钻井液的漏失,能有效解决长段复杂地层的井漏问题,大幅度降低井漏复杂损失,加快钻井工程进度,提高油气勘探效益。上分层充填法空气钻井是用空气作循环介质进行的钻井,其工艺流程如图1。空气经空气压缩机、增压机、注气管线、立管注入到井下,把井下钻屑带到地面,通过排岩管线入地面回收池。空气钻井的主要设备有空气压缩机、增压机、管汇系统、旋转防喷器、井下钻具止回阀、排岩管线以及与管汇系统和工艺相适应的阀门、仪表等。1.空气压缩机增压机空气压缩机是提供空气钻井所需空气的主要设备。目前有多种空气压缩机,如旋转叶片式、直瓣式、往复活塞式和旋转螺杆式,其中螺杆式空气压缩机是油田钻井作业应用最多的一种。空气压缩机有多种压力级别,其输出的最大工作压力一般为1.75~2.45MPa。在正常情况下,这种工作压力能够满足空气钻井的需要,但在井较深时,或预计井内有出水时,所要求输送的空气压力可能超过空气压缩机额定的压力值,这时就要使用增压机。单台空气压缩机的输出气量一般为25.5~42.5m3/min,不能满足空气钻井所需要的空气量。空气钻井作业时,根据不同的井眼尺寸、井下出水等情况,配备多台空气压缩机,以机组形式并联使用提供压缩空气,满足空气钻井需要的空气量。2.单级增压机增压机增压机一般为往复活塞式增压机,它是将来自空气压缩机的空气增到更高的压力,以满足空气钻井的压力要求。油田上使用的增压机有单级、双级或多级增压机。单级增压机常用于较低压力作业,其输出压力一般为5.2~10.5MPa。一般说来,单级增压机能满足空气钻井作业所需的压力要求,但对于空气钻井服务公司,拥有的大多数增压机为双级或多级增压机,能持续输送较高压力,以满足钻井变工况作业条件的需要。一般情况下,一台增压机能处理两台或多台空气压缩机提供的空气。空气钻井时,应根据所需的空气量配备与空气压缩机相对应的增压机数量,且并联使用,满足空气钻井作业需要。3.旁通管线、压力值的连接在空气钻井作业中,需要将压缩机系统的压缩空气输送到钻机的立管,因此就需要连接较大直径〉76~〉101.6的钢管或软管来输送。这些连接管线的额定压力值应与增压机的最大压力相匹配或更高。在这些连接管线中应安装相应的单流阀、安全阀和球阀,以保护压缩机和方便泄压,满足空气钻井作业工艺要求。在空气输入的主管线上要连接一根旁通管线,方便在接单根或需要泄压时使用。旁通管线可以直接导流到排岩管线。另外,在旁通管线与钻井立管之间安装一条泄压管线,用以在接单根前放掉立管和钻具内的压缩空气,这样,压缩机就可以在接单根期间保持运转而不需要停机。旁通管线和泄压管线一般用直径51mm的管子。4.旋转防喷器组无论是空气钻井还是其它气体型流体钻井(雾化、泡沫或充气),井口返出的流体均有一定的压力,为了确保钻井的安全、顺利,井口除装有常规防喷器组外,还必须安装旋转防喷器。5.流插装阀空气钻井作业中,钻具组合中要安装两个或多个钻具止回阀(单流阀)。一个接在钻头之上,以防止钻屑回流堵塞钻头水眼,另一个安装在井口附近的钻具上,以避免接单根时钻具内的大量空气喷出钻具。安装在钻头之上的止回阀通常为箭形止回阀,安装在井口钻具附近的止回阀一般为活瓣式止回阀。另外,在空气钻井中,为了防止在井下着火的情况下空气的继续注入,可在钻铤和钻杆之间安装一个特殊的防火浮阀。该防火浮阀是一种改进的箭形止回阀,阀瓣由一个锌环保持打开。当循环时,在阀上方钻具内的空气压力作用下而打开,循环停止时而关闭。在井下着火时,阀体中的锌环被熔化,使阀套关闭阀体内的流动孔,从而防止空气的继续注入。6.排岩管线的安装空气钻井作业时,井内返出的流体(空气、钻屑)须通过排岩管线进入地面回收池。排岩管线的直径大小应适当,若太大不能有效携带钻屑,若太小,管线上的压力降会过大,这样会增加压缩机系统的输出压力。一般说来,排岩管线大小与所钻井眼的环空横截面积差不多大,现场使用的排岩线大多数为〉178或〉244套管。为了便于采集岩样,在排岩管线上一般安装有岩屑取样器。取样器实际上是一个带有球阀的异径短管(76mm×25.4mm),并用使用过的大钳牙齿焊接在异径管内,这样可使返出的岩屑在取样器处转向沉积,如图2所示。取样器位于排岩管线底部某一方便点,如需采集岩样,打开阀门即可。从排岩管线排出的钻屑通常是干的粉尘,为了不影响环境和人员的身体健康,需要对粉尘采取有效的方法进行控制。一般在排岩管线的末端安上水管线,用水淋湿的方法消除粉尘的影响。7.仪器表的检测数据空气钻井中,除了常规钻井所用的仪表外,在空气输入管线上还安装压力表和气体流量计,用来测定输入空气的压力和流量。8.雾化泵和化学药剂注入泵对于空气钻井不需要使用雾化泵和化学药剂注入泵,但在空气钻井的成套设备配置中都有雾化泵和化学药剂注入泵。因为在空气钻井时,常常井下会出水,当出水量达到一定值后,空气钻井不能满足钻井需要时,利用雾化泵和化学药剂注入泵,及时将空气钻井转化成雾化钻井或泡沫钻井。空气钻的操作方法空气钻井与常规的钻井液钻井有所区别,它是直接用大气中的空气作为循环介质来冷却钻头和携带岩屑,满足钻井工程作业需要的一种特殊钻井方法。1.空气压缩机、增压机现场使用的管理空气钻井需要空气压缩机、增压机、旋转防喷器等特殊设备以及相应的管线、阀门、仪表等。空气钻井前,首先要安装和连接好这些设备,并按要求进行校准。单一的空气压缩机、增压机提供的空气量往往不能满足需要,空气钻井时应根据所钻井眼及地层情况,准备好数台空气压缩机、增压机并联使用。地面安装好空气压缩机、增压机供气设备,连接好所有地面管线(供气主管线与立连接)、阀门,井口安装好旋转防喷器、接好排岩管线并加以固定,引入岩屑回收池(大土池)。空气钻井中,常常会遇到井下出水的情况,因而需要安装连接好雾化泵和化学药剂注入泵,在空气钻井不能满足工程要求时,及时转化成雾化钻井或泡沫钻井。2.最高排气压力试验调试好设备,并按要求对设备、管汇、阀门、旋转防喷器等进行试验压,试验压合格后才能开钻。地面高压管线部分按增压机的最高排气压力试压;低压管线部分按空气压缩机的最高排气压力试验;旋转防喷器按其要求进行静、动压试验。3.安装箭形x需要的根断束装置空气钻井与常规钻井液钻井所要求的钻具组合基本相似。为了防止回流堵塞钻头水眼,下钻时必须在钻头上安装一只箭形止回阀,同时在井口附近的钻具上安装一只活瓣式止回阀,以避免接单根时钻柱内大量空气喷到钻台上。在有条件的井队,还应在钻铤与钻杆之间装一只井下防火阀。4.立管压力空气钻井前,井筒内(套管内)有钻井液或水,需要把钻井液或水举升到地面来。如果下钻到井底采用一次气举排液的方法,由于钻柱内是空气,井眼环空是钻井液或水,立管压力可能会很高,甚至大于增压机的额定工作压力值,使得作业难以进行。为确保气举排液正常,主要的排液方法有两种:4.1立管空气注入法该方法将钻具下至井底,用钻井泵小排量循环,维持较低的立管压力。然后开启一台空气压缩机和一台增压机小排量注气,将空气送至立管,开始对注入到井下的钻井液或水充气,当空气返到地面后,可逐渐降低泥浆泵排量,增大空气注入量,当立管压力降低后,泥浆泵停止,注入空气将井筒中的液体全部举升出来。如果需要,还可用雾化泵注入含有起泡剂的发泡基液。4.2空气压缩和增压机循环注气该方法不使用钻井泵。将钻具下入到井下一定深度,接好方钻杆,启动空气压缩机和增压机开始循环注气,把井下的液体直接举升到地面,当井口出纯气后,停止注气。卸下方钻杆,第二次下钻,同时重复上述操作,如此多次,直至井底,把井内液体全部排出。5.空气排放量检测空气正式钻进前,应控制机械钻速进行试钻,摸索各种参数的合理匹配,以确保快速安全钻进。一般地,〉311.2井眼所需空气排量为120~160m3/min,〉215.9井眼所需空气排量为80~120m3/min。具体空气排量根据井下情况而定,以确保快速安全钻进。钻进时,要求送钻均匀,并注意立管压力及井下情况,发现立压突然升高、扭矩变化、憋跳严重、上提遇卡等井下异常现象时,应立即停钻,活动钻具,循环观察,及时处理。钻进中,每钻进50~100m钻具上加接一只钻具止回阀。钻进过程中若发现地层出水,应立即停钻,加大空气排量循环观察。若出水量较小,则降低机械钻速钻进观察,确认空气钻进安全后,摸索出合理的钻进参数继续钻进。若出水量较大,空气钻进难以确保井下安全和正常钻进时,应立即转化为其它(雾化、泡沫或充气)气体型流体钻进。6.钻台立管管汇使用空气钻井接单根要比使用钻井液钻井更困难一些。因为空气是一种可压缩流体,在卸开方钻杆之前,必须对钻具内的压缩空气泄压,如果不这样,钻具和立管内的压缩空气就会在卸开方钻杆的瞬间强烈喷出,带来极大的危险。在接单根或起钻时,为了放出钻具及立管内的压缩空气,可使用钻台立管管汇。钻台立管管汇如图3所示。空气钻井时,阀1和阀2是打开的,阀3、阀4、阀5是关闭的,这样来至压缩机的空气就可以进入立管。在接单根时,可以不关闭空气压机(如果安有旁通管线),这时需要打开阀3、关闭阀2,让来至于压缩机的空气通过旁通管线进入到排岩管线。为了放出立管和钻具内的压缩空气,则打开阀4,通过泄压管线将立管和钻具内的压缩空气放入到排岩管或大气中。有的空气钻井现场没安装旁通管线,接单根时就必须关闭空气压缩机,再关闭阀2,打开阀4,通过泄压管线放出立管和钻具内的压缩空气。7.充分循环钻屑或其它沉积物由于空气不可能悬浮岩屑,空气钻井时,起钻或接单根前必须进行充分循环,将井下钻屑或其它沉积物带到地面。循环时间长短取决于井下情况,具体应观察排岩管线出口,确认钻屑含量明显降低了,才能开始起钻或接单根作业。空气钻井难点虽然利用空气作为循环介质的钻井技术具有克服井漏、提高机械钻速、延长钻头使用寿命等许多优点,但空气钻井也是有条件的,同时又存在井壁失稳、井下作火、地层水进入井筒引起卡钻等井下复杂。1.空气钻井的水岸性空气钻井在井筒中形成的压力比常规钻井液钻井小得多。低的井筒压力可能引起井眼机械失稳,尤其是在松软地层钻井更是如此。另一方面,当空气钻井有较多的地层水进入井筒时,产出的水在被空气举升过程中经过裸眼井段的水敏性岩层,可能会造成井壁的水化失稳。由于井眼失稳,从井壁上垮塌的岩屑可能会很大,不能被空气有效地举升到地面来,那么,这些留在井下未被带出的岩屑就会聚集在井下,最终造成卡钻,给空气钻井带来严重麻烦。2.地层水进入井眼时钻屑导致地层水被堵利用空气钻渗透性地层、裂缝性地层或含水层时,地层水会流入井眼。当地层水进入井眼时,干燥的钻屑就会吸水,若进入井眼的地层水较多,钻屑很容易粘糊成块,并附着在井壁和钻具上形成泥环,造成卡钻、钻具泥包、循环管路被堵等,甚至导致井下着火。3.空气钻井作业带来的影响井下着火是空气钻井的一大缺点。天然气或油等烃类物质与空气混合后,当混合量达到燃烧范围并有火源的情况下,就会引起井下着火。在大气中,天然气的含量达到5%~15%时就会燃烧爆炸。空气钻井作业时,若有地层水进入井眼,使钻屑形成泥环,井内流动受阻,井下压力迅速上升,泥环以下的气体温度升高,这时,即使天然气等烃类物质进入井眼的流速很低,也可能会迅速形成可燃的混合物。一旦混合物达到燃烧范围,压缩本身会引起燃烧。另外,钻柱与井壁的摩擦、钻头在钻硬地层时会产生火花把井下混合气体点燃。井下着火很少会到达井口,因此难于监测。井下着火常常会熔化掉着火点附近的钻具,造成井眼报废,给钻井带来巨大损失。另外,空气钻井还存在钻柱与井壁之间摩擦阻力较大,在钻定向井、水平井时,常规的井下动力钻具及MWD工具的使用也受到限制。空气钻井注意事项(1)根据所钻井眼尺寸,准备好足够数量的空气压缩机、增压机,以确保能提供满足空气钻井要求的足够空气量,同时准备好雾化泵、化学药剂注入泵,在井下出水时,空气钻井不能满足要求的情况下,及时转化成雾化或泡沫钻井。(2)施工前,对所有地面设备、井口设备及地面管汇进行试压。试压必须按设备的最高工作压力进行,试压合格后才能开钻。(3)施工前,应对现场相关人员进行技术措施、施工步骤、安全注意事项等内容的培训。同时,现场操作人员要接受井控、消防、HSE培训,并持证上岗。(4)入井钻具必须安装两只以上钻具止回阀,一只接在钻头上,另一只接在井口附近的钻柱上。在有条件的井队,还应在钻铤与钻杆之间装一只井下防火阀。同时,在空气钻井时,每钻进50~100m应在钻具上加接一只钻具止回阀。(5)空气钻进期间,应注意立管压力及井下情况,发现立压突然升高、扭矩变化、憋跳严重、上提钻具遇卡等井下异常现象时,应立即停钻,活动钻具,循环观察,并及时处理。(6)空气钻进过程中,若发现地层出水,应立即停钻,加大空气排量循环观察。若出水量较小,则降低机械钻速钻进观察,确认空气钻进安全后,摸索出合理的钻进参数继续钻进。若出水量较大,空气钻进难以确保正常钻进和井下安全时,应立即转化为其它(雾化、泡沫或充气)气体型流体钻进。(7)接单根或起钻前必须充分循环洗井,确认排岩管线返出的钻屑量明显降低后,方可停止向井下注气。(8)卸单根前,应按正确的顺序开关阀门,放掉钻具和立管内的全部压缩空气,方能拆卸方钻杆,以确保人身安全和设备安全。(9)在供气设备及高压管汇区域严禁非操作人员出入,防止意

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