水平井氣體鉆井關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：目前氣體鉆井技術(shù)已在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，能夠有效提高鉆井機(jī)械鉆速，減少地層漏失，保護(hù)油氣儲層等。為了擴(kuò)大氣體鉆井技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高致密砂巖、泥頁巖等非常規(guī)低滲透油氣藏的開發(fā)效益，將氣體鉆井應(yīng)用于水平井的開發(fā)成為發(fā)展的方向。本文調(diào)研分析了國內(nèi)外氣體鉆水平井實(shí)例，總結(jié)了現(xiàn)有設(shè)備的不足，分析了氣體鉆水平井的技術(shù)難題，為國內(nèi)開展相關(guān)研究提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：氣體鉆井；井眼軌跡；隨鉆測量；井下工具

引言

氣體鉆井技術(shù)能夠有效提高鉆井機(jī)械鉆速，減少地層漏失，保護(hù)油氣儲層等。近年來，隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，氣體鉆井技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛。為了提高低滲透油氣藏開發(fā)效益，將氣體鉆井應(yīng)用于水平井鉆井成為未來發(fā)展的方向。

自1986年以來國外先后使用氣體鉆井成功鉆成多口水平井，很好地解決了常規(guī)鉆進(jìn)過程中存在的問題，但仍存在著一些問題，主要包括：氣體鉆水平井井眼軌跡控制、隨鉆測量技術(shù)、大井斜條件下井眼清潔等。本文針對以上問題，調(diào)研分析相關(guān)的新技術(shù)和新方法，為氣體鉆井在水平井中的應(yīng)用提供了參考。

1 氣體鉆井地層造斜特性分析

氣體鉆井的循環(huán)介質(zhì)為氣體，井底壓力很小，井底巖石的受力狀態(tài)等與常規(guī)鉆井不同，這就使得其地層造斜特性與常規(guī)鉆井存在很大差異。國內(nèi)外學(xué)者采用多種研究方法分析了氣體鉆井條件下地層的造斜特性，認(rèn)為：

1）與常規(guī)鉆井液鉆井相比，氣體鉆井井底存在的負(fù)壓差，放大了傾斜地層上傾和下傾兩側(cè)巖石應(yīng)力的不對稱性，使地層各向異性指數(shù)明顯增大，地層的造斜特性增強(qiáng)；

2）相同鉆具組合條件下，氣體鉆井的鉆具降斜力比常規(guī)鉆井時(shí)有所增加，但增加幅度小于地層造斜力的增加幅度。在相同的地層、相同的鉆具組合條件下，氣體鉆井比常規(guī)鉆井更容易發(fā)生井斜[1-3]。

2氣體鉆井井眼眼軌跡控制技術(shù)

氣體鉆水平井過程中，井筒內(nèi)的震動容易造成工具故障，因此必須要選擇合適的導(dǎo)向減震系統(tǒng)。

Smith公司研制了可導(dǎo)向氣體鉆井系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)氣體鉆水平井過程中的軌跡控制。該系統(tǒng)包括能不受鉆柱轉(zhuǎn)動影響的沖擊鉆具（即空氣錘/馬達(dá)組合）、井底總成（包括彎接頭、穩(wěn)定器）和遙測工具。該系統(tǒng)有一個獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，能在活塞的兩次沖擊之間4o～5o，迫使活塞轉(zhuǎn)動，而活塞與鉆頭連接，所以帶動鉆頭呈分度式轉(zhuǎn)動，并對井眼進(jìn)行定向控制。

2.1 空氣錘

空氣錘是氣體鉆井中常用的一種破巖工具，其采用沖擊破巖的鉆井方式，與傳統(tǒng)的鉆井方式相比，可以大大提高硬質(zhì)、研磨性地層的機(jī)械鉆速，提高低壓易漏地層的鉆井效率。定向鉆井過程中使用較多的是氣體馬達(dá)驅(qū)動式空氣錘。

氣體螺桿馬達(dá)驅(qū)動式空氣錘定向鉆井過程中主要使用常規(guī)空氣錘，其解決了自回轉(zhuǎn)式空氣錘鉆井過程中鉆壓不易控制和空氣錘回轉(zhuǎn)扭矩增加而引起的輸出功率低的問題，可以保證較高的機(jī)械鉆速。但是氣體螺桿馬達(dá)驅(qū)動式空氣錘定向鉆井技術(shù)需要采用低速空氣螺桿鉆具，常規(guī)氣體螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)速較高，達(dá)到 80-150r/min，而空氣錘的適用轉(zhuǎn)速為30-50r/min；同時(shí)高轉(zhuǎn)速增強(qiáng)了空氣錘鉆頭與巖石的剪切力，容易導(dǎo)致鉆頭過早磨損，因此在使用空氣錘時(shí)盡量選擇低轉(zhuǎn)速的氣體螺桿。

圖1 氣體螺桿馬達(dá)驅(qū)動式空氣錘定向鉆具組合

1-空氣錘；2-空氣錘上接頭；3-彎殼氣體馬達(dá)；

4-減震器；5-螺旋穩(wěn)定器；6-鉆鋌及隨鉆測量裝置。

美國Appalachian 盆地Berea砂巖儲層研磨性強(qiáng)，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)近80% 的石英質(zhì)，非側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到137.8MPa，2009 年以前使用傳統(tǒng)鉆井模式鉆探水平井，機(jī)械鉆速低。2009 年后，EQT 公司在該地層使用氣體螺桿馬達(dá)驅(qū)動式空氣錘定向鉆井技術(shù)，共鉆探了37口井，單井鉆探成本可節(jié)約30%，應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)具有較好的適應(yīng)性，機(jī)械鉆速可提高至30 m/h[4-5]。

2.2 氣體螺桿鉆具

氣體螺桿鉆具是用氣體、泡沫等可壓縮流體鉆 及各類特殊工藝井的必需工具，其結(jié)構(gòu)包括：可調(diào)彎接頭、馬達(dá)、萬向節(jié)外殼/總成和軸承總成。

國外從1960年就開始進(jìn)行氣體螺桿現(xiàn)場測試，Bake Hughes等多家石油公司擁有自己的氣體螺桿產(chǎn)品。其中Bake Hughes具有從最大外徑為?241.3 mm到最小外徑為?79.4 mm等尺寸最為齊全的氣體螺桿馬達(dá)系列產(chǎn)品。

國內(nèi)方面，氣體螺桿鉆具的研究還處于起步階段。2002年，中國石油天然氣集團(tuán)公司立項(xiàng)研制氣體螺桿鉆具，8月，由北京石油機(jī)械廠生產(chǎn)的試驗(yàn)樣機(jī)在蘇里格氣田進(jìn)行了天然氣驅(qū)動螺桿鉆具鉆直井試驗(yàn)，并獲得初步成功。

2004年7月，中國石油西南油氣田公司在白淺111-H水平井使用K7LZ120×7.0型氣體螺桿鉆具進(jìn)行氣相欠平衡鉆井，由柴油機(jī)尾氣驅(qū)動氣體螺桿鉆具帶PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，后因試驗(yàn)中的尾氣發(fā)生裝置出現(xiàn)技術(shù)問題而停止，累計(jì)進(jìn)尺僅為23 m。2004年11月，窿14井首次進(jìn)行了氣體螺桿配合PDC鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速到達(dá)7.19 m/h。

3 隨鉆測量技術(shù)

常規(guī)MWD工具是利用鉆井液脈沖將信息從井底傳到地面，而氣體是可壓縮的，無法有效地產(chǎn)生脈沖，因此，在氣體鉆水平井過程中，只能使用電磁波為傳輸載體的EMWD（ELWD）測量系統(tǒng)，進(jìn)行隨鉆測量、數(shù)據(jù)傳輸以及實(shí)時(shí)控制井眼軌跡。EMWD系統(tǒng)的傳輸速度為普通鉆井液脈沖系統(tǒng)的4倍以上，且氣體鉆井鉆進(jìn)速度較快，因而能大幅度提高水平井的鉆井效率。但氣體鉆井需要提高EMWD工具的抗震性能，近年來，國外多家公司針對以上不足進(jìn)行了研究。Weatherford公司研制出了Trend-Set電磁隨鉆測量系統(tǒng)，用于解決氣體鉆井中遇到的高沖擊和振動力，并且該工具在井眼的不同井段可以進(jìn)行鉆井液脈沖測量；該系統(tǒng)電磁波傳送最大井深為3292m，比其它任何電磁MWD都深。

4 配套工藝與技術(shù)

4.1 井眼凈化

與常規(guī)鉆井類似，氣體鉆水平井也存在井眼清潔的問題。在井斜大于50°時(shí)，水平井井段偏心環(huán)空存在流速上高下低、分布不均勻的現(xiàn)象，不利于攜巖。而且某些情況下，增大氣量提高大角度井眼偏心環(huán)空下步流道的攜巖效果是有限的，可使用減摩接頭、變徑短節(jié)、扶正器等抬升鉆柱的方法。

4.2 降阻減摩技術(shù)

氣體鉆井過程中井眼摩阻系數(shù)一般為0.45，而鉆井液鉆進(jìn)井眼摩阻系數(shù)是0.2-0.35。當(dāng)鉤載降為0，鉆桿就無法依靠自身重量下到井底，這就限制了氣體鉆水平井水平段的鉆進(jìn)長度。

常規(guī)鉆井過程中，摩阻系數(shù)可以由鉆井液潤滑劑來控制，而現(xiàn)在還沒有加入氣體中的降阻劑。霧或泡沫可以增加潤滑性能，但隨著井眼的清潔又會弱化這個效果。

4.3 鉆井參數(shù)優(yōu)化

氣體鉆井過程中只需施加很小的鉆壓就可以進(jìn)行鉆井作業(yè)，但鉆具在氣體中對鉆壓的敏感性更強(qiáng)，因此，為了保證安全鉆進(jìn)，應(yīng)在工具脫離井底前，關(guān)閉空壓機(jī)泄壓，直到立管壓力等于環(huán)空壓力為止。

氣體鉆進(jìn)過程中為了保證攜巖的效果，氣量一定要充足，將正常鉆井時(shí)使用的鉆井液排量按一定的系數(shù)換算成氣體排量的公式為1 L/min（鉆井液）=30～33 L/min（空氣）。當(dāng)巖性為泥頁巖、泥質(zhì)膠結(jié)砂巖時(shí)，應(yīng)將計(jì)算出的氣量擴(kuò)大30%～50%；若為碳酸鹽巖、變質(zhì)巖、火成巖等硬脆地層，擴(kuò)大70%～100%。同時(shí)，氣體鉆井過程中需要穩(wěn)定的、連續(xù)不斷的高壓氣流作為鉆井的動力，必須在鉆井過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測壓縮氣體的壓力。

結(jié)論與建議

（1）氣體鉆井能夠有效提高鉆井機(jī)械鉆速，減少地層漏失，保護(hù)油氣儲層等，隨著技術(shù)的進(jìn)步，將氣體鉆井應(yīng)用于水平井鉆井成為未來發(fā)展的方向。

（2）氣體鉆水平井仍存在著一些技術(shù)瓶頸，如缺乏有效的隨鉆測量工具和導(dǎo)向系統(tǒng)；水平段摩阻限制了氣體鉆水平段的長度；水平井段攜巖效果差，造成巖石重復(fù)破碎等。需加強(qiáng)氣體鉆水平井相關(guān)配套工具和工藝的研發(fā)。

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