复杂深井钻井技术及应用（中）.docx

第五章 气体钻井技术气体钻井由于井底具有最大的负压差，适用于致密、不含水、不含油气（或地层渗透性极差，地层流体产出能力极低）的地层，是中国石油近年发展的一项钻井提速提效利器。中国石油2001年底在伊朗TABNAK构造的“19+1”项目开始规模试验和应用气体钻井技术，取得了非常显著的提速效果；此后2003年在玉门油田窿9井利用国产设备开展空气钻井试验，初见成效；随后又引进了威得福公司的技术进行了3口井的气体钻井试验；2005年西南油气田公司在七北101井应用气体钻井进行提速试验，在171/2井眼30～320m井段进行了空气泡沫钻进，进尺290m，机械钻速5.08m/h，是常规钻井机械钻速的1.78倍。在该井121/4井眼472～2056m井段实施纯空气钻井，平均机械钻速13.96m/h，是常规钻井机械钻速的5.5倍。在该井81/2井眼2591~3426m井段实施纯氮气钻井，平均机械钻速13.7m/h，是常规钻井机械钻速的14.5倍。此后西南油气田公司大规模实施气体钻井提速，特别是在龙岗地区，取得了非常显著的效果。随着气体钻井应用的增多，气体钻井的装备、工具及工艺也得到了快速发展，目前已基本形成了气体钻井装备、工具及工艺系列化和国产化。第一节 气体钻井技术概述气体钻井是以气体作为循环介质代替常规钻井液的钻井技术。依据不同地质情况采用介质不同，分为空气、氮气、柴油机尾气、雾化钻井、泡沫钻井及充气钻井液等钻井技术，形成了系列化气体钻井技术。一、空气、氮气钻井空气钻井即采用压缩空气作为循环介质携带岩屑返回至地面的钻井技术。为了防止井下燃爆事故的发生，空气钻井只适用于非产层。空气钻井优点在于能大幅度提高机械钻速，治理恶性井漏问题，减少对储层的伤害。缺点在于不适合含大量油、气、水地层以及易垮塌地层。氮气钻井是利用氮气作为循环介质，除具有空气钻井的优点外，还具有防止井下燃爆的优点，多用于含气层段的钻进。与空气钻井相比，氮气钻井增加了膜制氮设备（液氮），设备费用高，地质适用条件与空气钻井基本一致，且能适用含油气地层。通常情况下，干气体钻井返出岩屑呈粉尘状。因为在岩屑被带到地面以前，除钻头切削岩屑外，在环形空间高速气流撞击作用以及钻杆旋转的机械作用使岩屑变得越来越小。当返出岩屑颗粒较大时，预示井底可能出现垮塌。当返出岩屑比较湿润时，预示井底可能出水。如果地层少量出水就需要增大气体流量，以避免钻井事故的发生。泥饼圈是纯气体钻进含水地层最可能出现的复杂情况。较小的岩屑在地层水的水化作用下粘结形成泥糊，并且由于低流速流动（较大的环空截面积），在钻铤顶部就构成了圈形约束。这种泥饼圈限制了流体流动，增加了井底压力和当量密度，也就是说降低了液体流动速度和携带钻井岩屑的能力。这样，岩屑集聚在井底直到发生卡钻。防止泥饼圈形成的有效方法就是在地层出水后转为雾化、泡沫或充气液钻井。干气体钻井需要专门的地面设备：气体压缩机、膜制氮气装置增压机、旋转防喷器和排砂管汇等。二、雾化和不稳定泡沫钻井雾化和不稳定泡沫钻井技术采用雾或不稳定泡沫作为循环介质携带岩屑返回到地面，一般在地层出水时采用。雾化或不稳定泡沫钻井就是向气流中加入液体，使井底的岩屑达到水饱和状态以防止在环控形成泥饼圈，避免泥饼圈可能带来的卡钻事故，可解决气体钻井应对地层微出水难题。雾化钻井工艺流程是将来自气体注入设备的压缩气体与来自液体注入设备的液体经过混合装置的混合，形成均匀的雾，通过立管注入井筒达到携岩的目的。雾化钻井技术适用于微量出水、井漏地层。同纯气体钻井相比，雾化钻井所需气量约多40%，同时携带地层出水能力有限。地质适用条件与空气钻井一致，但可适应地层少量的出水情况。三、稳定泡沫钻井泡沫钻井采用稳定泡沫作为循环介质。稳定泡沫是由水、压缩气体、发泡剂及其它化学剂组成的混合物，压缩气体包括空气、氮气。稳定泡沫在地面由基液与气体混合形成，经井筒循环一次性使用，返至地面即行分解，亦称作预制性泡沫。泡沫钻井工艺流程同雾化钻井类似。泡沫钻井当量密度可达到0.032～0.064g/cm3，在地层压力系数高于0.3的地层都可用泡沫实现欠平衡钻井。泡沫的特点在于携岩能力强、返速低、冲蚀小、支撑井壁、失水小，可有效防止泥页岩吸水膨胀引起的缩径和坍塌。泡沫钻井能有效解决地层少量出水难题，但对适用井深有一定限制，一般适用于中深井。在泡沫基液中加入预水化坂土就形成了硬胶泡沫，硬胶泡沫携带能力更强，可适合于不稳定的易塌、易掉块地层。四、充气钻井充气钻井是指钻井时将一定量的可压缩气体通过充气设备注入到液相钻井液中作为循环介质的工艺。常用注入气体主要是空气和氮气。与纯气或雾化钻井相比，充气液钻井所需的气量少，液相可重复使用，因此成本较低。另外，充气液对钻柱的冲蚀腐蚀更小，还具有易加重、不怕地层出水、环境污染小等优点。但充气液钻井在接