空氣鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析

李乾

摘 要：空氣鉆井技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)鉆井液具有負(fù)壓鉆井、鉆速快、易穿過地層、設(shè)備簡單和安全性高的特點(diǎn)，但是仍然面臨著諸多技術(shù)難點(diǎn)，文章綜合分析了地層出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失穩(wěn)發(fā)生的原因和相應(yīng)的處理措施，并對(duì)空氣鉆井技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：空氣鉆井；難點(diǎn)；展望

引言

空氣鉆井是將傳統(tǒng)鉆井過程中使用的液體循環(huán)介質(zhì)由氣體代替，通過氣體壓縮機(jī)形成環(huán)空氣，將井底鉆屑帶出，這是一種欠平衡的鉆井方式。它大大減少了鉆井完井液的使用，消除了鉆井液對(duì)環(huán)境的污染，適用在供水困難的地區(qū)。同時(shí)空氣鉆井的速度是使用普通鉆井液速度的三倍[1]，具有建井快、成本低的優(yōu)點(diǎn)。它是水平井鉆井技術(shù)之后又一新鉆井技術(shù)，正在迅速發(fā)展。但是目前該項(xiàng)技術(shù)還不成熟，特別是欠平衡技術(shù)的發(fā)展還有待完善?；谏鲜鰞?yōu)勢，空氣鉆井技術(shù)得到石油行業(yè)的日益重視。

1 空氣鉆井技術(shù)特點(diǎn)

（1）負(fù)壓鉆進(jìn)。空氣密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的密度，根據(jù)正常鉆井的注氣量計(jì)算，當(dāng)井深超過3000m時(shí)，空氣密度也不大于150g/l，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓鉆進(jìn)，也能夠較好地控制孔隙壓力。（2）鉆速快?？諝忏@井技術(shù)消除了井底持壓效應(yīng)，持壓越小，鉆頭周圍的圍壓就會(huì)越小，因此具有更高的機(jī)械鉆速。（3）易穿過地層。在穿過非正常地層時(shí)，常規(guī)的鉆井液會(huì)進(jìn)入裂縫或者溶解鹽類，空氣鉆井技術(shù)沒有水的存在，不會(huì)發(fā)生井壁的水化失穩(wěn)。如果鉆井介質(zhì)的在井底的壓力大于巖石的孔隙壓力，介質(zhì)就會(huì)流入孔隙，產(chǎn)生表皮效應(yīng)，降低產(chǎn)能。（4）設(shè)備簡單?？諝忏@井的主要設(shè)備是空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)，除此之外還需在井口安裝氣體防噴器和斜坡鉆桿，以減小防噴器旋轉(zhuǎn)的摩擦。（5）安全性高?？諝忏@井可以避免有害氣體和天然氣的燃爆，當(dāng)井內(nèi)氣體較多時(shí)可以轉(zhuǎn)換鉆井方式，在正常的監(jiān)控手段下具有較高的安全性。

2 空氣鉆井技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

2.1 地層出水

在干硬等穩(wěn)定地層，可以通過控制氣量、鉆速等保證井眼清潔。但是在非穩(wěn)定地層，空氣鉆井無法攜帶井眼穩(wěn)定添加劑，井壁產(chǎn)生的粉塵遇到地層出水會(huì)阻塞空氣流動(dòng)，產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象。由于無法穩(wěn)定井壁，高速氣體會(huì)使井壁坍塌，發(fā)生井下爆炸等事故。對(duì)于不同的出水量[2]可以采取不同的處理措施。對(duì)小于0.477m3/h的小流量出水，它會(huì)使巖屑相互粘連，形成泥包，造成井眼縮小。出現(xiàn)上返鉆屑量減小，鉆屑變大的現(xiàn)象，可以通過加大氣量的方法消除這一影響。對(duì)大于7.95m3/h的大流量出水，可以通過加入泡沫劑或者改為鉆井液的方法控制。在二者之間的的中等水量出水危害較小，但是對(duì)有水敏性且井壁不穩(wěn)定的井眼易發(fā)生井塌，判斷方法是注氣壓力升高，鉆速降低，處理措施是采用霧化鉆井。

2.2 井斜控制

空氣鉆井相比傳統(tǒng)鉆井技術(shù)具有更小的井壓，因此不易發(fā)生井斜狀況，但是由于鉆速高，一旦發(fā)生就會(huì)產(chǎn)生較大影響。氣體鉆井時(shí)巖石壓力得到很好的釋放，巖石應(yīng)力值較小，但是巖石層的不同造成巖石各向異性顯著，這造成井斜情況嚴(yán)重，有時(shí)出現(xiàn)在鉆井液鉆井技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生井斜的區(qū)域。鄧虎川渝地區(qū)的不同鉆井進(jìn)行各向異性測量發(fā)現(xiàn)，空氣鉆井的各向異性時(shí)鉆井液鉆井的5～6倍，地層造斜力十分顯著。除此之外，地層傾角也是造成井斜的另一重要因素。雖然有些因素還沒有進(jìn)行過系統(tǒng)研究，但是經(jīng)驗(yàn)表明，鉆壓越高，井徑擴(kuò)大對(duì)井斜的影響越大。目前控制井斜的措施主要有三種：空氣錘、鐘擺鉆具和螺桿鉆具?？諝忮N鉆壓較小，通過縱向沖擊破巖，井斜角控制在3°以內(nèi)，效果顯著。鐘擺鉆具通過控制鉆頭的橫向作用力控制井斜，使用雙穩(wěn)定鐘擺器可以使傾斜角度控制在3°以內(nèi)。螺桿轉(zhuǎn)相對(duì)于前兩種具有速度快，可快速實(shí)現(xiàn)防斜功能，傾斜角控制在2°以內(nèi)，但是設(shè)備的可靠性不足，還需提高。

2.3 井下燃爆

空氣鉆井技術(shù)在鉆井過程中，如果遇到天然氣或者其他烴類物質(zhì)的地層時(shí)，與空氣混合后極易發(fā)生爆燃，進(jìn)而發(fā)生井塌等事故。鉆井過程中水與粉塵混合形成濾餅，堵塞環(huán)形通道，形成密閉空間，隨著可燃?xì)怏w的不斷注入溫度逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生爆炸。除了壓力增大引起溫度升高之外，鉆具與巖石的摩擦也會(huì)引起火星。巖石之間的摩擦、鉆井屑的返排、扶正器的摩擦均會(huì)產(chǎn)生火星。對(duì)于井下燃爆的防治措施，首先要勘探地層分布，監(jiān)測易燃?xì)怏w含量，通過加大空氣量加強(qiáng)空氣循環(huán)，降低天然氣等含量，時(shí)刻監(jiān)測井下溫度和可燃?xì)怏w濃度。如果出現(xiàn)大量可燃?xì)怏w需要及時(shí)轉(zhuǎn)換為氮?dú)饣蛘咩@井液，阻止燃爆的發(fā)生。張林偉[3]對(duì)氣體鉆井的井下燃爆條件進(jìn)行了分析計(jì)算，分別考慮可燃?xì)怏w組成、溫度、壓力和惰性氣體含量的影響。建議在空氣中提高氮?dú)饧兌龋瑫r(shí)加強(qiáng)氣體含量檢測和壓力的控制，對(duì)燃爆的薄弱環(huán)節(jié)使用專用的防爆工具等措施。

2.4 井壁失穩(wěn)

氣體鉆井技術(shù)的另一難點(diǎn)是在產(chǎn)油、產(chǎn)氣、出水等復(fù)雜條件下井壁的失穩(wěn)問題。井壁穩(wěn)定性主要取決于巖石強(qiáng)度，在沒有鉆井液存在的條件下，井壁承受巖石的壓應(yīng)力和空氣的壓力，但是空氣的壓力很小。對(duì)于大多數(shù)巖石來說，井壁具有足夠的強(qiáng)度支撐周圍的壓力，但是對(duì)于塑性和黏土化較為嚴(yán)重的玄武巖較易失穩(wěn)，出現(xiàn)掉塊、崩塌等情況。在產(chǎn)液地層，也體會(huì)由于巖石與井筒內(nèi)較大的壓差而流向井筒，降低井壁強(qiáng)度引起失穩(wěn)。在致密產(chǎn)氣層，巨大的負(fù)壓差會(huì)使氣體流動(dòng)阻力變大，井壁巖塊發(fā)生“巖爆”效應(yīng)，這是巖石的動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)。在不同的地層井壁失穩(wěn)千差萬別，需要對(duì)特殊地層的失穩(wěn)進(jìn)行機(jī)理研究，同時(shí)研究氣體鉆井過程針對(duì)復(fù)雜地層的處理劑和處理工藝，進(jìn)行隨鉆封堵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)快速高強(qiáng)度的封堵。李皋[4]對(duì)地層失穩(wěn)機(jī)理和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，使用巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力狀態(tài)與力學(xué)-化學(xué)耦合作用三種性質(zhì)對(duì)井壁的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 展望

空氣鉆井技術(shù)基于其優(yōu)勢將有廣闊的發(fā)展前景，但是目前仍然需要不斷完善，未來仍然需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：（1）基礎(chǔ)理論研究?？諝忏@井是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科綜合的技術(shù)，需要涉及流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、理論力學(xué)和彈塑性力學(xué)等，需要根據(jù)鉆井的實(shí)際情況考慮更加全面的因素，以此建立更加完善的數(shù)學(xué)模型。對(duì)高壓下氣體與巖屑的作用、氣量對(duì)巖屑的攜帶和對(duì)井壁的磨損進(jìn)行研究。（2）實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)是對(duì)理論的驗(yàn)證和升華。實(shí)驗(yàn)研究需要對(duì)注氣量、鉆速、出水量進(jìn)行研究，搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備，選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工藝流程。對(duì)巖屑運(yùn)動(dòng)、鉆具磨損規(guī)律進(jìn)行研究。（3）智能化。引入計(jì)算機(jī)對(duì)井壁溫度場、壓力、巖壁強(qiáng)度和鉆具受力時(shí)刻監(jiān)測，對(duì)反饋的信息及時(shí)進(jìn)行加工處理，對(duì)工況進(jìn)行相應(yīng)的修改。也可以利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行模擬研究，為實(shí)驗(yàn)研究提供參考。（4）應(yīng)用廣闊。目前國內(nèi)很多油田已經(jīng)進(jìn)入了薄油層、滲透油氣藏階段。油氣井壓力低、滲透大，采用常規(guī)的鉆井方法會(huì)使鉆井液漏失較多，不利于油層的保護(hù)和開發(fā)?？諝忏@井技術(shù)能夠克服以上困難，在類似地質(zhì)下的漢江油田空氣鉆井取得了成功。在地層可鉆性較差、井眼尺寸大的鄂西渝東地區(qū)也實(shí)現(xiàn)了空氣鉆井。

4 結(jié)束語

空氣鉆井技術(shù)憑借其優(yōu)勢在低壓鉆井等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用，但是在地層出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失穩(wěn)方面仍然有待完善，相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施無法從根本上解決這些問題的出現(xiàn)，只有全面的掌握空氣鉆井技術(shù)和難點(diǎn)發(fā)生的機(jī)理，才能夠使空氣鉆井技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，因此，要重視并盡快解決出現(xiàn)的問題，以此應(yīng)用并獲得社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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