涪陵焦石壩含硫地層泡沫鉆井試驗

楊海平 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北潛江433121)

涪陵焦石壩含硫地層泡沫鉆井試驗

楊海平 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北潛江433121)

借鑒鉆井液除硫方法,首次提出在含硫地層使用防硫泡沫鉆井的設(shè)想。研究防硫泡沫配方及配伍性,改進(jìn)防硫泡沫施工工藝,強化地面硫化氫的監(jiān)測和防硫措施,并制定應(yīng)急預(yù)案。在涪陵焦石壩成功試驗3口井,安全鉆穿含硫地層,地面未檢測到硫化氫,拓寬了氣體鉆井技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

涪陵;硫化氫;泡沫鉆井;氣體鉆井

頁巖氣勘探開發(fā)是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),投資大、周期長,商業(yè)開發(fā)必須走低成本戰(zhàn)略。美國頁巖氣采用“叢式井+井工廠”鉆井模式,使用氣體鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等先進(jìn)技術(shù),鉆井速度得到極大提高,Woodford頁巖氣田垂深2500m、水平段1300m左右的頁巖氣水平井,平均鉆井周期僅27d,為頁巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。涪陵焦石壩是中國第一個頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)示范區(qū),已探明頁巖氣田面積160km2,地表為海相嘉陵江組,山高谷深,溝壑縱橫,溶洞發(fā)育,地表嚴(yán)重缺水。鉆井施工面臨地層硬、溶洞多、大井眼井段長、含硫淺層裂縫氣、生產(chǎn)用水遠(yuǎn)程供給等不利因素,采用常規(guī)鉆井方式,機械鉆速慢,復(fù)雜時間多。目前完井30余口,平均鉆井周期82d,鉆井周期長、費用高,影響了焦石壩頁巖氣勘探開發(fā)步伐,是目前鉆井技術(shù)工作急需解決的重點和難點。由于焦石壩二疊系含硫化氫,不能使用常規(guī)空氣鉆井和泡沫鉆井來提速,借鑒含硫地層鉆井液的除硫方法,提出了使用防硫泡沫鉆井的設(shè)想,通過試驗優(yōu)選出高效除硫泡沫配方,現(xiàn)場成功試驗3口井,安全鉆穿含硫地層,排砂管未檢測到硫化氫,實現(xiàn)了安全提速的目的,拓寬了氣體鉆井技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 工程概況

焦石壩地層從上到下分別為三疊系、二疊系、石炭系、志留系,目的層為龍馬溪組。以JY1HF井為例,井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1,氣體鉆井時在長興組監(jiān)測到硫化氫,轉(zhuǎn)換鉆井液鉆井。

表1 JY1HF井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

2 防硫泡沫鉆井液

2.1 配方優(yōu)選原則

含硫地層鉆井,鉆井液中應(yīng)加入一定量的堿式碳酸鋅(Zn(OH)2ZnCO3)作為除硫劑,鉆井液p H值應(yīng)不低于11[1],鉆井液液柱壓力應(yīng)略大于地層壓力,防止硫化氫以流體方式進(jìn)入井筒;對以鉆屑、氣液置換及氣體擴散等方式進(jìn)入鉆井液的少量硫化氫,則通過與鉆井液所含的除硫劑起化學(xué)反應(yīng)被清除。借鑒防硫鉆井液所優(yōu)選的防硫泡沫液配方,鉆井過程中井筒內(nèi)泡沫所含的除硫劑應(yīng)能及時與進(jìn)入井筒的硫化氫充分化學(xué)反應(yīng),確保排砂管內(nèi)硫化氫質(zhì)量濃度不超過10mg/L。

2.2 除硫劑加量

堿式碳酸鋅與硫化氫反應(yīng)的方程式為:Zn(OH)2+ZnCO3+2H2S→2ZnS↓+CO2↑+3H2O。

JY1HF井二開采用空氣鉆井,空氣排量150m3/min。從井深761m開始,排砂管內(nèi)持續(xù)監(jiān)測到硫化氫(標(biāo)況下密度1.518kg/m3)質(zhì)量濃度為2.0～3.0mg/L;至井深773m時,硫化氫質(zhì)量濃度上升至5.2mg/L(密度79mg/m3)。計算地層硫化氫產(chǎn)量7.8L/min,質(zhì)量流量11.85g/min。實際施工過程中,排砂管內(nèi)硫化氫質(zhì)量濃度不應(yīng)超過危險臨界質(zhì)量濃度100mg/L[2],即地層硫化氫質(zhì)量流量不超過22.77g/min。根據(jù)硫化氫的質(zhì)量濃度,可計算堿式碳酸鋅的消耗量。

2.3 防硫泡沫配方及配伍性研究

泡沫鉆井因地層出水量、巖性、溫度等差異,泡沫液需及時維護,保持泡沫液的發(fā)泡量和穩(wěn)定性,保證泡沫的攜帶、防塌等性能。泡沫基液配方:水+1%起泡劑WD-1+0.1%穩(wěn)泡劑HWP+1%抑制劑CMC +氫氧化鈉 (配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。

將100mL泡沫基液在攪拌器中高速(10000r/min)攪拌1min,形成的泡沫體積反映了泡沫基液的發(fā)泡能力,再從中析出50m L液體的時間反映了泡沫的穩(wěn)定程度,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。發(fā)泡能力隨p H值的增大而增大。p H值相同時,隨著除硫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,發(fā)泡能力增強。試驗說明泡沫基液與除硫劑配伍性好。

表2 除硫劑與泡沫配伍試驗結(jié)果

3 防硫泡沫施工工藝

3.1 工藝流程

防硫泡沫鉆井施工工藝與常規(guī)泡沫鉆井的相同?？諌簷C輸出壓縮空氣,經(jīng)增壓機增壓后,與泥漿泵輸出的泡沫液混合,通過地面管匯、立管、水龍帶、水龍頭進(jìn)入鉆具水眼,再經(jīng)鉆頭進(jìn)入井眼環(huán)空,返出地面后,由排砂管進(jìn)入污水池(見圖1)。

圖1 防硫泡沫鉆井施工工藝流程

3.2 泡沫液配制及維護

?311.2mm井眼常規(guī)泡沫鉆井,井深不超過1000m,出水量不超過5m3/h的情況下,空氣排量100～130m3/min,泡沫注入量0.6～0.7m3/min。

配制泡沫液時,除硫劑加量應(yīng)根據(jù)設(shè)計泡沫液注入排量來確定,一般配制70m3。泡沫液在污水池沉淀后,回收至循環(huán)罐繼續(xù)使用。根據(jù)返出泡沫的p H值,補充除硫劑和氫氧化鈉,并及時進(jìn)行維護,確保發(fā)泡量和穩(wěn)定性。

3.3 安全措施

防硫泡沫鉆井除執(zhí)行含硫地層鉆井相關(guān)技術(shù)安全規(guī)定以外,還應(yīng)落實下列措施:①設(shè)備及安裝標(biāo)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)防噴器的橡膠件應(yīng)是防硫的,空氣鉆設(shè)備應(yīng)安裝主噴管,天車、轉(zhuǎn)盤、井口三垂線偏差應(yīng)不超過10mm,排砂管線應(yīng)按規(guī)定試壓。②鉆具組合。鉆頭不安裝噴嘴,近鉆頭接2只單流閥,確保鉆具內(nèi)單流閥密封可靠。③硫化氫監(jiān)測。除按含硫地層鉆井配備硫化氫監(jiān)測儀器和空呼器設(shè)施外,排砂管出口5m范圍內(nèi)安裝不少于2個固定式硫化氫監(jiān)測儀探頭,排砂管安裝獨立的硫化氫監(jiān)測裝置。④地面除硫措施。鉆臺、循環(huán)罐、機房、井口、排砂管出口處應(yīng)分別布置排風(fēng)扇,及時吹散井口周圍有毒氣體。接單根或停鉆整改過程中,應(yīng)使用主噴管,防止硫化氫在井口周圍聚集;鉆井過程中及時測量泡沫液p H值,發(fā)現(xiàn)p H值下降,應(yīng)及時補充除硫劑和氫氧化鈉,保持泡沫液p H值不低于11,并根據(jù)管內(nèi)硫化氫質(zhì)量濃度調(diào)整氣體泡沫的氣液比,硫化氫質(zhì)量濃度高時應(yīng)適當(dāng)提高泡沫注入量;若遇長時間停鉆或不能循環(huán),需要對井筒內(nèi)的硫化氫氣體進(jìn)行有效控制,以低注氣量往井筒內(nèi)打一段泡沫基液或者從井口吊灌。

3.4 防硫泡沫鉆井終止條件

滿足下列條件之一的,轉(zhuǎn)換鉆井液鉆井。①地層出水量大,井下安全無法保證;②污水池不能容納產(chǎn)出的地層水和返出的泡沫;③燃爆監(jiān)測全烴含量連續(xù)大于3%,或井下連續(xù)發(fā)生2次燃爆;④井壁失穩(wěn),阻卡嚴(yán)重。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 JY9-2HF井防硫泡沫鉆井

一開?444.5mm鉆頭,所鉆井段38.22～782.03m,所鉆地層為飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M,空氣排量150m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%,泡沫基液p H值12～13。鉆進(jìn)至井深600m,泡沫p H值由入口的12～13下降至9～10(見表3),間斷補充氫氧化鈉和除硫劑,保持入口p H值不低于12,泡沫鉆進(jìn)中未監(jiān)測到殘余硫化氫,鉆進(jìn)井深782.03m中完。

4.2 JY8-2HF井防硫泡沫鉆井

二開?444.5mm鉆頭,所鉆井段270.68～712.89m,所鉆地層為飛仙關(guān)組、長興組,空氣排量150m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%,泡沫基液p H值13。鉆進(jìn)至井深646m,泡沫p H值由入口的13下降至9～12(見表4),間斷補充氫氧化鈉和除硫劑,保持入口p H值不低于13,泡沫鉆進(jìn)中排砂管內(nèi)未監(jiān)測到硫化氫。鉆至井深712.89m,轉(zhuǎn)換鉆井液鉆井。

4.3 JY9-1HF井防硫泡沫鉆井

一開?444.5mm鉆頭,所鉆井段355.74～1159.00m,所鉆地層為飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組(上部),空氣排量150～180m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%,泡沫基液p H值12～13。鉆進(jìn)至井深607m,泡沫p H值由入口的12下降至9～10(見表5),間斷補充氫氧化鈉和除硫劑,保持入口p H值不低于12,泡沫鉆進(jìn)中未監(jiān)測到殘余硫化氫,鉆進(jìn)井深782.03m中完。

表3 JY9-2HF井p H值監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 JY8-2HF井p H值監(jiān)測數(shù)據(jù)

表5 JY9-1HF井p H值監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1)堿式碳酸鋅(Zn(OH)2ZnCO3)與泡沫基液配伍性好。

2)防硫泡沫鉆井施工工藝與常規(guī)泡沫鉆井的相同。除執(zhí)行含硫地層鉆井相關(guān)技術(shù)安全規(guī)定以外,還制定了一系列安全措施,強化了地面硫化氫的監(jiān)測和除硫措施。

3)焦石壩3口井試驗獲得成功,安全鉆穿長興組、龍?zhí)督M和茅口組上部,說明低含硫地層泡沫鉆井是可行的。

[1]QSH 0013—2007,川東北復(fù)雜壓力條件下鉆井推薦作法[S].

[2]SY/T 6137—2005,含硫化氫的油氣生產(chǎn)和天然氣處理裝置作業(yè)的推薦作法[S].

[編輯] 帥群

TE254

A

1000-9752(2014)12- 0143-03

2014-09-01

楊海平(1967-),男,1989年西南石油學(xué)院畢業(yè),高級工程師,現(xiàn)主要從事鉆井工程技術(shù)研究與管理工作。