氣體鉆井井下復(fù)雜情況分析及預(yù)防

謝春強(qiáng) 史 輝 高 堯 黃曉川

（1.中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井管具工程處，河南 濮陽(yáng) 457331；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

氣體鉆井井下復(fù)雜情況分析及預(yù)防

謝春強(qiáng)1史 輝1高 堯1黃曉川2

（1.中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井管具工程處，河南 濮陽(yáng) 457331；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

氣體鉆井是一種特殊的欠平衡鉆井方式，也是一種鉆井效率比較高的技術(shù)手段，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在提高機(jī)械鉆速、減少井下復(fù)雜事故的發(fā)生、延長(zhǎng)鉆頭壽命等方面。為了保證氣體鉆井安全，對(duì)氣體鉆井過(guò)程中可能出現(xiàn)的井下復(fù)雜情況進(jìn)行分析，并以川東北地區(qū)實(shí)際施工過(guò)程中出現(xiàn)的事故為實(shí)例，列出了氣體鉆井中易出現(xiàn)的井下燃爆、井下下鉆、井壁傾斜等導(dǎo)致井下復(fù)雜情況的因素，得出了相應(yīng)的預(yù)防措施，確保氣體鉆井施工安全。

氣體鉆井 欠平衡鉆井 井下復(fù)雜情況 安全

0 引言

氣體鉆井是一種特殊的欠平衡鉆井方式，它是以壓縮氣體為循環(huán)介質(zhì)，充當(dāng)破巖工具并清洗井眼；能極大地提高鉆進(jìn)速度，縮短鉆井周期，消除常規(guī)鉆井出現(xiàn)的漏失現(xiàn)象。同時(shí)氣體鉆井對(duì)于地層要求極其苛刻，需要井壁穩(wěn)定，不存在垮塌現(xiàn)象，而且地層不能出水，對(duì)于不符合使用條件者不能勉強(qiáng)使用。即使是條件適合于空氣鉆進(jìn)技術(shù)要求的情況，也應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件制定相應(yīng)的技術(shù)措施，各施工單位及輔助部門(mén)應(yīng)在施工過(guò)程中密切關(guān)注各項(xiàng)施工參數(shù)及監(jiān)測(cè)參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中出現(xiàn)的井下燃爆、井下出水、井壁坍塌等井下復(fù)雜情況，以便在施工時(shí)出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)能夠確保生產(chǎn)安全。

1 氣體鉆井井下燃爆

1.1 氣體鉆井燃爆成因分析

用空氣作為鉆井循環(huán)介質(zhì)時(shí)由于空氣中含有氧氣，氧氣進(jìn)入含烴環(huán)境容易造成井下著火、爆炸，井下著火、爆炸是空氣鉆井的一大缺點(diǎn)［1］。天然氣或油等烴類(lèi)物質(zhì)與空氣混合后，當(dāng)混合量達(dá)到爆炸極限范圍并在有火源或高溫、高壓的情況下，就會(huì)引起井下燃爆［2］。空氣鉆井作業(yè)時(shí)，若有地層水進(jìn)入井眼，與鉆屑混合形成泥環(huán)，井內(nèi)循環(huán)介質(zhì)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)到爆炸極限，在遭遇明火或高溫的條件下很容易發(fā)生燃爆（圖1）。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、鉆柱出現(xiàn)微裂縫或小孔刺漏出的氣體在其周?chē)a(chǎn)生局部高溫等原因把井下混合氣體點(diǎn)燃也會(huì)發(fā)生燃爆［3］。

1.2 氣體鉆井井下燃爆實(shí)例

圖1 混合物燃爆示意圖

2013年5月1日，xx井使用?314.1mm空氣錘鉆頭鉆進(jìn)至井深2177.61m起鉆。5月2日22:19下牙輪鉆頭至井深1846.07m遇阻，安裝旋轉(zhuǎn)防噴器、接方鉆桿，準(zhǔn)備劃眼。22:25開(kāi)始送氣（排砂口為常

明火），氣量為25m3／min，立壓為0.1MPa，22:34井口突然爆炸，排砂口火焰高2m左右，排砂管灼熱燙手，懸重由888.6kN下降至130.50kN。5月4日7:00起鉆完發(fā)現(xiàn)2號(hào)228.6mm鉆鋌由母扣下3.84m處斷裂，有燃燒現(xiàn)象，斷口呈斜坡?tīng)?，局部燃燒后形成黑色氧化物（圖2），可見(jiàn)井下燃爆、著火常常會(huì)炸斷或熔化掉著火點(diǎn)附近的鉆具。

圖2 228.6mm鉆鋌燃爆斷口圖

1.3 事故原因分析

下鉆中途通過(guò)節(jié)流管匯循環(huán)點(diǎn)火，氣體排量為25m3，循環(huán)期間閘板防噴器頂密封或前密封失效，氣體從閘板上部進(jìn)入旋轉(zhuǎn)防噴器后經(jīng)排砂管線至排砂池點(diǎn)火口處，可燃?xì)怏w經(jīng)管線回火至井口發(fā)生井下燃爆，萬(wàn)能膠芯、閘板總成嚴(yán)重?zé)龘p；故障損失時(shí)間為760h，報(bào)廢進(jìn)尺為1286.61m，該井最終實(shí)施填井側(cè)鉆。

1.4 事故預(yù)防方法

1）氣體鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)安裝燃爆檢測(cè)儀器，沒(méi)有條件的可以與錄井配合，加強(qiáng)氣體監(jiān)測(cè)。鉆遇少量可燃?xì)怏w時(shí)，要加大氣量，提起鉆具充分循環(huán)至烴值降至安全值后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

2）鉆進(jìn)施工應(yīng)安裝流量計(jì)，氣體排量要嚴(yán)格按照鉆井設(shè)計(jì)提供，如需調(diào)整應(yīng)按程序由氣體鉆井施工隊(duì)、鉆井隊(duì)及甲方技術(shù)人員三方結(jié)合確定方案，不得隨意減少供氣量。氮?dú)忏@井期間，氮?dú)獾募兌炔坏玫陀?5%。

3）應(yīng)盡量避免鉆至氣層后對(duì)排砂管線等進(jìn)行焊補(bǔ)作業(yè)，薄弱部位應(yīng)提前更換，必須進(jìn)行焊補(bǔ)作業(yè)時(shí)應(yīng)與監(jiān)督、鉆井隊(duì)等做好多方協(xié)調(diào)工作，取得動(dòng)火證并經(jīng)充分循環(huán)后，熄滅排沙口長(zhǎng)明火，關(guān)閉萬(wàn)能防噴器（防止閘板防噴器前密封、頂密封失效、時(shí)間小于30min），氣體經(jīng)節(jié)流管匯至防噴口釋放并在防噴口處點(diǎn)火，焊接完畢后，反向操作，充分循環(huán)后恢復(fù)鉆進(jìn)。

4）鉆至氣層后，起下鉆過(guò)程中要緩慢，盡量避免鉆具與井壁巖石摩擦從而產(chǎn)生火花，起下鉆過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行氣體抽吸作業(yè)，在井口處形成負(fù)壓力，避免井內(nèi)可燃?xì)怏w在井口處聚集，并在點(diǎn)火口處點(diǎn)燃倒吸入環(huán)空，從而引起燃爆。循環(huán)防噴點(diǎn)火前應(yīng)及時(shí)熄滅排砂口長(zhǎng)明火。

5）鉆遇油氣顯示，如環(huán)空不暢，不應(yīng)采用高壓空氣憋通環(huán)空，宜更換其他鉆井介質(zhì)。

6）發(fā)現(xiàn)油氣顯示應(yīng)停止鉆進(jìn)循環(huán)觀察，排砂口及時(shí)點(diǎn)火。全烴含量低于3%時(shí)，采用控制鉆時(shí)鉆進(jìn)，全烴值大于3%應(yīng)維持排量循環(huán)觀察，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)烴值保持3%以上，應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)為其他安全的鉆井方式。

2 氣體鉆井井下卡鉆

2.1 氣體鉆井卡鉆成因分析

氣體鉆井卡鉆常見(jiàn)地層出水形成卡鉆及地層坍塌形成卡鉆等情況［4］。地層出水形成卡鉆的原因有：足夠的水量將空氣鉆井形成的粉塵及巖屑變?yōu)槎稳?，更為?yán)重的是濕巖屑會(huì)黏附在一起，在鉆桿外壁上形成泥餅環(huán)（圖3），不能被空氣從環(huán)空中帶上來(lái)，引起井眼縮小、循環(huán)阻力增大。當(dāng)泥餅環(huán)填充環(huán)空時(shí)，阻止了空氣流動(dòng)并最終產(chǎn)生卡鉆（圖4）。另外這些空氣、段塞相間的混合物沿著井眼向上運(yùn)移，它們會(huì)堵塞地面設(shè)備并且對(duì)井壁產(chǎn)生不穩(wěn)定性效應(yīng)；氣體鉆井井壁坍塌也是阻礙氣體鉆井發(fā)展的一大難題。井筒內(nèi)空氣柱幾乎對(duì)地層無(wú)作用力，因此靠靜液柱壓力來(lái)平衡坍塌壓力的地層不能用氣體來(lái)鉆。但是，空氣鉆井的井壁不穩(wěn)定在部分地層，尤其是泥頁(yè)巖地層是客觀存在的，它大致分為兩種形式：①井壁剝落、掉塊，并且不能及時(shí)排走，造成堵塞和卡鉆；②地層大塊坍塌甚至錯(cuò)動(dòng)，會(huì)造成卡鉆。

2.2 實(shí)例

2.2.1 地層出水形成卡鉆

2013年7月16日，xx井于11:25時(shí)鉆至井深2273m發(fā)現(xiàn)不返砂，但立壓、鉆時(shí)沒(méi)有明顯變化，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩輕微增加，由2.9kN／m上升至3.1kN／m，有連續(xù)憋鉆現(xiàn)象，循環(huán)觀察后試鉆1m仍然不返砂。13:10時(shí)，開(kāi)6臺(tái)排量為35m3的空氣壓縮機(jī)循環(huán)，

有少量掉塊返出，略潮濕。邊鉆進(jìn)邊循環(huán)至2288m仍不返砂，懷疑井底出水井壁失穩(wěn)，決定起鉆檢查。17:30時(shí)，起鉆至2003m遇卡。17:45時(shí)，循環(huán)立壓最高2.4MPa后逐漸降至2.0MPa，循環(huán)通暢，繼續(xù)起鉆。分析地層2000m左右出水較大，導(dǎo)致井底上返巖屑全部黏附該段井壁，但井底返屑正常，故能正常鉆井10m且未見(jiàn)返砂。出水后井壁失穩(wěn)，開(kāi)6臺(tái)車(chē)循環(huán)出掉塊，但巖屑黏附于井壁未能返出。起鉆至該段地層時(shí)遇卡，活動(dòng)鉆具，起6臺(tái)車(chē)循環(huán)上提解卡成功。2.2.2 地層坍塌形成卡鉆

圖3 形成泥餅環(huán)圖

圖4 發(fā)生卡鉆圖

2013年1月7日，xx井二開(kāi)整改驗(yàn)收合格，11:00開(kāi)始?xì)馀e，20:15井筒干燥并開(kāi)始空氣鉆進(jìn)；鉆進(jìn)至涼高山組地層，鉆遇地層軟硬頻繁交錯(cuò)，可鉆性差，局部有放空現(xiàn)象，全烴有顯示，氣測(cè)最高顯示為0.97%；1月18日11:00鉆至井深2676m，全烴升3.8%，排砂口點(diǎn)火未成功。1月19日06:10接單根后下放困難，尚余4m下不到底，判斷井壁垮塌、掉塊，之后啟增壓機(jī)恢復(fù)鉆進(jìn)，接單根仍沉砂約4 m。1月20日03:50鉆進(jìn)至井深2841m，打完單根劃眼時(shí)井壁突然垮塌，立即倒換增壓機(jī)2級(jí)壓縮，起雙增壓機(jī)循環(huán)，循環(huán)至16:00排砂口基本不返砂，立壓上漲至10.2MPa，判斷井壁持續(xù)垮塌，掉塊難以返出，活動(dòng)鉆具有嚴(yán)重阻卡現(xiàn)象，經(jīng)反復(fù)循環(huán)劃眼，無(wú)好轉(zhuǎn)，決定轉(zhuǎn)換鉆井液。采用加重稠泥漿推井底掉塊，返出掉塊約5m3，可推測(cè)井筒存在多處大肚子井眼（圖5）。

圖5 大肚子井眼圖

2.3 氣體鉆井卡鉆的判斷

氣體鉆井卡鉆的判斷依據(jù)有：①注氣壓力增大；②轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩增大；③取樣器中返出巖屑濕潤(rùn)；④排屑管出口噴出的巖屑增多，有掉塊；⑤上提、下放鉆具阻力增大。⑥降塵泵停注噴淋水后，排屑管出口無(wú)粉塵物。

2.4 氣體鉆井卡鉆的預(yù)防方法

1）小流量出水較難判斷，需仔細(xì)觀察。對(duì)于小流量出水，比較有效的措施是提高注入氣體排量，可邊循環(huán)邊鉆進(jìn)，異常情況排除后，恢復(fù)鉆進(jìn)。

2）中等水量發(fā)生巖屑結(jié)團(tuán)的危險(xiǎn)性較小，由于井內(nèi)水較多，只要在空氣壓縮機(jī)排量足夠的情況下，可將水及鉆屑以氣泡形式吹至地面。但是對(duì)于存在水敏性不穩(wěn)定地層的井，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的井塌。對(duì)于中等流量出水若循環(huán)10h以上烘干無(wú)效可轉(zhuǎn)化為霧化鉆井。

3）大水量危險(xiǎn)性較大，因?yàn)闃O可能導(dǎo)致地層坍塌，而且空壓機(jī)功率不能滿足將水吹至地面。但是由于井內(nèi)水多，鉆屑被稀釋?zhuān)粫?huì)使巖屑黏結(jié)成塊。對(duì)于大流量的出水只能轉(zhuǎn)化為霧化鉆進(jìn)，若出水量超過(guò)20m3／h，則必須轉(zhuǎn)化成鉆井液鉆進(jìn)。

4）在氣體鉆井過(guò)程中如果出現(xiàn)輕微坍塌掉塊，可以采用減慢鉆井速度或劃眼，防止卡鉆，同時(shí)也應(yīng)加大氣體注入量，提高攜帶效率，滿足井眼清潔的需要。

5）現(xiàn)場(chǎng)空氣鉆井時(shí)，為了避免特殊地層出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定情況，一般使用霧化鉆井。注入的霧化液使環(huán)空出現(xiàn)兩相流，即在井壁表面形成連續(xù)覆蓋的液膜，使井壁表面完全浸潤(rùn)，霧化液中強(qiáng)抑制性表面活性劑在液膜發(fā)生毛細(xì)管作用，防止自由水?dāng)U散吸附和各種化學(xué)離子的擴(kuò)散和交換，促使井壁穩(wěn)定。

6）井壁失穩(wěn)可以根據(jù)立壓、扭矩、鉆時(shí)及返出巖屑的變化來(lái)判斷。如果扭矩增大、出砂情況較好、機(jī)械鉆速變化不大、返出巖屑增多就可以判定是掉塊，輕微掉塊可以通過(guò)多循環(huán)，控制下鉆速度解決。如果立壓增大、扭矩增大、機(jī)械鉆速減慢、上提下放遇阻則很有可能是井壁掉塊嚴(yán)重或坍塌，出現(xiàn)這種現(xiàn)象，應(yīng)盡快轉(zhuǎn)換成常規(guī)鉆井。

3 氣體鉆井井壁傾斜

3.1 氣體鉆井井斜成因分析

鉆井實(shí)踐表明，井斜的原因是多方面的［5］，如地質(zhì)條件、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井操作技術(shù)措施以及設(shè)備安裝質(zhì)量等。歸納起來(lái)，造成井斜的原因主要有兩方面：一是鉆頭與巖石的相互作用，即因所鉆地層的傾斜和非均質(zhì)性使鉆頭受力不平衡而造成井斜；二是鉆柱力學(xué)方面，即下部鉆具受壓發(fā)生彎曲變形使鉆頭偏斜并加劇其受力不平衡而造成井斜。其中，地質(zhì)條件是產(chǎn)生井斜的重要原因，一般影響井斜的地質(zhì)因素有地層傾角、層狀結(jié)構(gòu)、各向異性、巖性的軟硬交錯(cuò)以及斷層等。下部鉆具在鉆壓作用下發(fā)生彎曲是引起井斜的另一個(gè)重要原因，其彎曲程度越嚴(yán)重，井斜也越嚴(yán)重。下部鉆具彎曲使鉆頭偏斜，其鉆進(jìn)的方向偏離原井眼軸線，直接導(dǎo)致井斜；下部鉆具彎曲使鉆壓作用方向改變，不再沿井眼軸線方向施加給鉆頭，而是偏離一個(gè)角度，即鉆頭偏斜角，從而產(chǎn)生一個(gè)引起井斜的橫向偏斜力。

3.2 氣體鉆井井斜預(yù)防方法

1）合理確定測(cè)斜頻率。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)井斜超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求立即采用減壓吊打的常規(guī)方法，如表1所示，xx井500～2362m合理采用測(cè)斜間隔，從而很好地控制井斜。

2）空氣錘防斜技術(shù)。因空氣錘完全依靠空氣錘活塞作用在鉆頭上的震擊作用而不是鉆壓吃入地層，其作用就是用低轉(zhuǎn)速（通常為20～30r／min）和極小的鉆壓震擊巖石，鉆具處于懸吊狀態(tài)，從而使得鉆頭振動(dòng)減少到最低限度，保持高鉆速又不會(huì)造成井斜。

3）鉆具組合防斜技術(shù)。常見(jiàn)的有鐘擺鉆具防斜、塔式鉆具組合防斜、滿眼鉆具控制井斜、偏軸鉆具組合防斜打快技術(shù)等。

表1 xx井500～2362m井斜情況統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

1）氣體鉆井是一項(xiàng)對(duì)地質(zhì)條件、施工工藝和施工設(shè)備要求較多的復(fù)雜鉆井技術(shù)，井壁的穩(wěn)定性、地層流體產(chǎn)出、地層壓力、井身結(jié)構(gòu)及場(chǎng)地設(shè)備等問(wèn)題均可能導(dǎo)致氣體鉆井井下出現(xiàn)復(fù)雜情況，處理不當(dāng)甚至可能導(dǎo)致鉆井失敗。

2）氣體鉆井的異常預(yù)報(bào)與正常鉆進(jìn)有相同的地方，也有區(qū)別。在鉆井過(guò)程中，司鉆和相關(guān)技術(shù)人員可以通過(guò)泵壓、懸重、扭矩、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、氣測(cè)值及砂樣變化來(lái)判斷異常，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及早采取合理手段進(jìn)行處理。

3）目前氣體鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了較多的應(yīng)用，但氣體鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)卻難以稱為成熟，隨著我們技術(shù)的不斷提高，今后還可以爭(zhēng)取在一些低壓、低滲氣田開(kāi)展全過(guò)程氣體鉆井，包括符合條件的定向井、水平井等的氣體鉆井，讓氣體鉆井技術(shù)發(fā)揮更大的作用。

［1］WilliamC．Lyons.空氣與氣體鉆井手冊(cè)：第3版［M］.楊虎，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2012.

［2］游莉，方琴.空氣鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及安全技術(shù)措施［J］.江漢石油科技，2008，18（4）：29-34.

［3］楊虎，周強(qiáng).空氣鉆井技術(shù)［J］.新疆石油科技信息，1999，20（1）：38-46.

［4］朱江，王萍，蔡利山，等.空氣鉆井技術(shù)及其應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2007，30（2）：145-148.

［5］白家祉，蘇義腦.井斜控制理論與實(shí)踐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

（編輯：李臻）

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2095-1132（2014）01-0042-04

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.01.012

2013-11-06

2014-01-13

謝春強(qiáng)（1972-），工程師，從事石油裝備檢測(cè)與安全性評(píng)價(jià)、氣體鉆井等方面的研究工作。E-mail：373084738@qq.com。