防流體倒灌的新型泡沫錘研制及其應用

胡貴 孟慶昆 王向東 陶冶

中國石油勘探開發(fā)研究院

空氣錘在油氣田“防斜打快”應用中逐步成熟［1－3］，應用范圍從傳統(tǒng)防斜提速開始向定向鉆井發(fā)展［4］。但也還存在鉆遇地層出水，空氣錘易出現(xiàn)輸出功率低或不工作的問題［5］及地層液體倒灌氣缸污染空氣錘問題。國內(nèi)外曾在泡沫介質(zhì)中應用空氣錘鉆進［6－7］，但主要限于淺地層，井底壓力較小，對空氣錘輸出功率影響程度較小。在油氣鉆井行業(yè)，由于井深大，使用霧化或泡沫后井底壓力相對純氣體高，對常規(guī)空氣錘輸出功率影響較大，有必要同時發(fā)展適應于氣體（干氣）和霧化或泡沫（濕氣）鉆井介質(zhì)的泡沫錘技術(shù)。為此，筆者主要介紹了泡沫錘的研制背景、結(jié)構(gòu)及性能特點以及在現(xiàn)場中的應用效果。

1 泡沫錘研制背景

空氣錘在潮濕地層或出水地層鉆進時，容易出現(xiàn)泥包鉆頭鉆具現(xiàn)象，封堵鉆具和井壁之間的環(huán)空，嚴重時可直接封堵住氣體通道，致使氣體鉆井無法正常鉆進。遇到這種情況，只能轉(zhuǎn)換鉆進工藝，根據(jù)出水量采用霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井或鉆井液鉆進等，以保證攜巖攜屑。但使用霧化鉆井或泡沫鉆井，常規(guī)空氣錘容易出現(xiàn)以下兩大問題：①輸出功率低或無輸出功率，導致空氣錘機械鉆速低或無法鉆進；②井下液體倒灌空氣錘氣室污染氣缸導致空氣錘失效。

1.1 輸出功率降低

在現(xiàn)場作業(yè)中，一旦發(fā)生地層出水，空氣錘首先是每米鉆時增加，嚴重時可出現(xiàn)無進尺現(xiàn)象，隨后返出氣體潮濕。出現(xiàn)這種情況，現(xiàn)場一般先循環(huán)干燥，若干燥不成功則轉(zhuǎn)化為霧化或泡沫鉆井。介質(zhì)轉(zhuǎn)換對空氣錘的輸出功率影響更大，每米鉆時會進一步降低，直至出現(xiàn)無進尺現(xiàn)象。

根據(jù)空氣錘的結(jié)構(gòu)及工作原理［8］可知，實現(xiàn)其能量交換和轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵是空氣錘后氣室在充盈的鉆井介質(zhì)時具有一定的壓縮量，保證活塞位移大于前氣室泄壓所需要的最小距離，實現(xiàn)前后氣室的能量交換。當鉆井介質(zhì)轉(zhuǎn)化為霧化或泡沫后，需在注入氣體中同時添加一定量的水及發(fā)泡劑，以保證攜巖。當注入一定量的液體后，會導致以下問題：①輸入介質(zhì)的可壓縮性降低，或稱輸入介質(zhì)可壓縮成分的體積分數(shù)降低；②環(huán)空中鉆井介質(zhì)當量密度提高，空氣錘背壓增加，導致空氣錘后氣室的可壓縮性降低。

本文參考文獻［5］分析了空氣錘在泡沫鉆井介質(zhì)條件下的工作性能，認為泡沫介質(zhì)不可壓縮成分等同于減小了后氣室的初始體積，同時泡沫鉆井時井底壓力增加會降低活塞的行程，影響其能量交換過程，嚴重時導致空氣錘無輸出功率；針對此問題提出了綜合優(yōu)化后氣室初始體積、優(yōu)化尾管結(jié)構(gòu)尺寸、優(yōu)化動力單元間隙的技術(shù)建議。

1.2 地層液體倒灌

空氣錘遇水后除輸出功率降低外，還會出現(xiàn)地層液體倒灌問題。即在鉆井介質(zhì)（氣體、霧化或泡沫）停止循環(huán)時，如接換單根（立柱）時，地層液體流入井筒，因不能及時上返而在井底積聚，達到一定量時可通過鉆頭中心孔進入氣缸，并攜帶一定的井下巖屑、粉塵或地層臟污。這些巖屑粉塵臟污在水的作用下極易粘貼在氣缸內(nèi)壁和活塞上，當送氣恢復循環(huán)鉆進時，如不及時排出，則會卡死活塞或者加速氣缸和活塞的磨損。

2 泡沫錘結(jié)構(gòu)特點

2.1 結(jié)構(gòu)

和空氣錘［1］類似，研制的泡沫錘采用無閥式中心排氣結(jié)構(gòu)，并增加了防倒灌裝置。主要構(gòu)成部件有：后接頭、外套筒、逆止閥、配氣座、活塞、活塞缸、尾管、防倒灌裝置、鉆頭（圖1）。

圖1 PKQC180泡沫錘結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 特點

泡沫錘除具有空氣錘技術(shù)特點：①沖擊破巖提高機械鉆速，②高傾角地層糾斜防斜鉆進，③耐井下150℃高溫外，還具備以下兩大技術(shù)優(yōu)勢。

1）可同時適用氣體（干氣）和霧化泡沫（濕氣）鉆井介質(zhì)。相比空氣錘，動力單元（前后氣室、氣缸、活塞、尾管）結(jié)構(gòu)參數(shù)重新優(yōu)化設計，降低濕氣時背壓增加對前后氣室能量交換過程的影響程度，提高其在泡沫介質(zhì)中的適應性，適合注液量應小于3L／s?，F(xiàn)場作業(yè)時，泡沫錘可先在氣體介質(zhì)中鉆進，如遇地層出水需要轉(zhuǎn)化為霧化鉆進或泡沫鉆井（注液量在推薦值范圍內(nèi)）時，不用起鉆調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)［8］，相比空氣錘對泡沫介質(zhì)具有更好的適應性。

2）可防止井下液體倒灌。泡沫錘鉆頭部位增加了防倒灌裝置，如圖1所示。其工作原理為：泡沫錘正常工作時，裝置中閥體在重力和流體作用下處于下行位置，流體通道常開；當接換單根（立柱）停止注氣循環(huán)時，井下流體侵入井筒。隨著流體的集聚，當液面淹沒防倒灌裝置后，由于閥體當量密度小于井下流體密度，閥體開始上行，并封閉流體通道，并隨著井下流體的繼續(xù)集聚，泡沫錘外部液面逐步上升，閥體上下壓差增加，密封性增加，從而達到防止倒灌的目的。相比一般的彈簧強制性防倒灌裝置，這種結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件少、不需要額外開啟壓力，同時不采用彈簧部件可提高裝置在高頻沖擊作用下的穩(wěn)定性。

2.3 性能參數(shù)

經(jīng)室內(nèi)測試，PKQC180型泡沫錘的性能參數(shù)如表1所示。

表1 PKQC180型泡沫錘性能參數(shù)表

3 現(xiàn)場試驗

為驗證泡沫錘在氣體和泡沫介質(zhì)條件下的適應性，2012年8月在松遼盆地深層下白堊統(tǒng)泉頭組、登婁庫組開展現(xiàn)場試驗，試驗井位為肇深17井。

3.1 總體情況

松遼盆地深層登婁庫組、營城組、沙河子組、侏羅系上統(tǒng)火石嶺組主要巖性為大段雜色、灰色砂礫巖夾黑色泥巖和少量煤層，以及大面積分布的層狀中酸性火山噴發(fā)巖，夾少量砂礫巖和凝灰?guī)r，成巖性好，研磨性強，巖石硬度高，常規(guī)鉆井機械鉆速低于1.5m／h［9］。為此開展了氣體鉆井試驗，機械鉆速提高5倍以上，牙輪鉆頭進尺增加2～3倍［10］，采用空氣錘鉆井相比氣體牙輪提速1倍以上［11］。但氣體牙輪鉆井提速幅度有限且存在井斜問題［11］，采用空氣錘提速可克服井斜問題卻常因鉆遇出水地層需轉(zhuǎn)換鉆井工藝而被迫終止鉆進［9］。為此，新一輪欠平衡現(xiàn)場試驗考慮開展泡沫錘提速試驗，增加沖擊鉆進井段，同時檢驗泡沫錘的輸出功率以及防井下液體倒灌能力。

3.2 試驗過程

試驗井段為泉頭組一段至登婁庫組三段，主要巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。第二次開鉆鉆至泉頭組一段井深2 750m，第三次開鉆先采用 215.9 mm牙輪鉆頭進行氣舉和循環(huán)干燥，并鉆進新地層10 m后再下入泡沫錘，鉆具組合為：PKQC180－216＋430×410接頭＋ 178mm強制性箭型止回閥2只＋ 178mm鉆鋌＋ 210mm方接頭＋ 178mm鉆鋌＋ 210mm方接頭＋411×4A10接頭＋ 165mm鉆鋌＋411×4A10接頭＋ 127mm鉆桿。

根據(jù)松遼盆地徐深氣田外圍的出水層定性判識標準［12］預測第1個水層為泉頭組一段2 769.8～2 770.8 m，出水量約8.3m3／h（表2）。實際泡沫錘下鉆到底后，即2 760m時循環(huán)清潔井底出現(xiàn)返出氣體潮濕，判斷水層提前溝通，但循環(huán)4h后，返出氣體干燥?，F(xiàn)場決定采用純氣體鉆進，鉆進參數(shù)與空氣錘相當，轉(zhuǎn)速25r／min，鉆壓10kN，氣量140m3／min，扭矩5kN·m，立壓5.1MPa，鉆時不低于3～5min／m。

鉆至2 800.35m預測的第2個水層提前到達（表2），現(xiàn)場返出氣體潮濕。扭矩波動較大，劃眼并循環(huán)1.5h后返出，繼續(xù)采用氣體鉆井，鉆時3～7min／m，與空氣錘相當。

鉆至2 900m（2 870m進入登婁庫組四段），扭矩開始發(fā)生波動，預計鉆達第3個水層（表2）。2 914m接立柱后恢復鉆進時返出氣體潮濕，判斷接換立柱時井下已經(jīng)出水。循環(huán)30min后粉塵返出，現(xiàn)場繼續(xù)采用氣體鉆井，鉆時3～15min／m。

表2 地層出水預測表

鉆至3 178.5m（3 030m進入登婁庫組三段），返出氣體潮濕，觀察口伴有小細流，鉆遇前期未預測到的第四個水層。循環(huán)干燥8h后觀察口小細流無改善，現(xiàn)場決定轉(zhuǎn)為霧化泡沫鉆進，注液量為0.8L／s，泡沫錘開始在泡沫介質(zhì)下工作，鉆壓10～40kN，轉(zhuǎn)速25 r／min，扭矩2～16kN·m，氣量120m3／min，液量0.8L／s，立壓3MPa，鉆時相比氣體條件下增加，為7～20min／m。鉆至3 192.58m后井壁失穩(wěn)，短起鉆具時發(fā)現(xiàn)遇卡，現(xiàn)場決定轉(zhuǎn)化為常規(guī)鉆井液鉆進，并大力活動鉆具解卡。泡沫錘起出后評價檢測未發(fā)現(xiàn)氣室含有巖屑、未發(fā)現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象。

3.3 試驗分析及結(jié)論

本次試驗井段：2 760～3 192.58m，共432.58m，純鉆時間40.53h，機械鉆速10.67m／h。其中氣體鉆井井段2 760～3 178.5m，共418.5m，純鉆37.36h，機械鉆速11.2m／h；霧化鉆井井段3 178.5～3 192.58m，共14.08m，純鉆3.17h，機械鉆速4.44m／h。受井壁失穩(wěn)影響，泡沫錘在霧化泡沫介質(zhì)中鉆進井段較短，鉆速沒有發(fā)揮明顯優(yōu)勢，但相比常規(guī)鉆井機械鉆速提高2倍；氣體鉆井機械鉆速相比常規(guī)鉆井提高6.5倍，相比氣體牙輪鉆井［10］機械鉆速提高1倍。泡沫錘在氣體介質(zhì)中相比空氣錘輸出功率未降低。

試驗共鉆遇4個水層，鉆進過程中未發(fā)生流體、巖屑倒灌現(xiàn)象，氣室內(nèi)部未受污染，尤其是在鉆遇第3、第4個水層時，泡沫錘曾在井下停止流體循環(huán)未出現(xiàn)氣缸污染而失效現(xiàn)象，防倒灌裝置在井下工作可靠。

4 結(jié)論與建議

1）針對空氣錘在出水地層適應性差的問題，研制了新型泡沫錘，能適應氣體（干氣）和霧化泡沫（濕氣）鉆井介質(zhì)，具備防止井下液體倒灌的能力。

2）經(jīng)松遼盆地徐深氣田外圍的肇深17井開展的泡沫錘現(xiàn)場試驗驗證，泡沫錘輸出功率在氣體介質(zhì)中相比空氣錘未降低，在霧化泡沫介質(zhì)中相比于常規(guī)鉆井可提高機械鉆速2倍以上，可有效防止井下液體倒灌。

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