處理空氣鉆井地層出水新技術(shù)與試驗分析

田家林 付傳紅 楊 琳 劉正連 龍小康 方 劍

1.西南石油大學機電工程學院 2.西南交通大學機械工程學院 3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 4.中國石油西南油氣田公司

安全與環(huán)保

處理空氣鉆井地層出水新技術(shù)與試驗分析

田家林1,2付傳紅1楊 琳1劉正連3龍小康4方 劍4

1.西南石油大學機電工程學院 2.西南交通大學機械工程學院 3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 4.中國石油西南油氣田公司

針對泡沫劑不能很好地處理空氣鉆井地層出水的問題，提出了一種處理地層出水的固相攜水劑攜水新技術(shù)，并且主要對固相攜水技術(shù)的攜水性能、攜水速率、黏附性能以及壓力對吸水性能的影響展開了研究。結(jié)合固相攜水技術(shù)的主要研究內(nèi)容，進行了系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗測試。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)泡沫相比，該技術(shù)具有攜水速度快、攜水量大、不影響正常鉆進、不憋壓等特點。該方法對于降低鉆井成本，提高鉆井速度具有重要意義。同時，也驗證了該技術(shù)的可靠性、可行性。

空氣鉆井 地層出水 固相攜水劑 攜水性能 試驗分析

空氣鉆井是目前鉆速最快的鉆井方式，在國外已得到了廣泛的運用，在國內(nèi)四川區(qū)塊也得到了較快的發(fā)展[1-2]?？諝忏@井可以直觀、及時、無遺漏地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層、獲得高的單井產(chǎn)能；可以大幅度提高鉆井速度，縮短建井周期，降低鉆井成本；可以有效控制井漏、防止井斜、減少環(huán)境污染和克服泥頁巖水敏性坍塌等，這些優(yōu)點使得空氣鉆井應用前景廣闊。但空氣鉆井在使用的過程中也存在一些缺點[3-4]，例如，不能很好地應對井壁力學性失穩(wěn)，極易出現(xiàn)井斜現(xiàn)象；需要昂貴的地面設備，特別是地層出水問題將嚴重制約著空氣鉆井的使用，在氣體鉆井的應用過程中，許多井因地層出水而提前結(jié)束氣體鉆井，大大降低了氣體鉆井的推廣應用效果。

目前，大多采用泡沫鉆井液應對出水問題，但并沒有解決出水的根本問題。因為，一旦應用泡沫鉆井液后將無法繼續(xù)應用空氣鉆井，空氣鉆井效果將大打折扣。同時，如果轉(zhuǎn)換為泡沫或常規(guī)鉆井液鉆井時，若處理不好，可能會導致卡鉆、井壁垮塌等井下復雜情況。

針對空氣鉆井地層出水這一難題，國內(nèi)外相關(guān)專家、學者進行了大量的研究。通過提出一種新型隨鉆監(jiān)測方法，對地層出水問題進行實時、全面的監(jiān)測[1,5]；或采用霧化鉆井、充氣鉆井聯(lián)合的方式解決地層出水的問題[6-7]；或基于隨鉆測井技術(shù)，分析隨鉆獲取地層參數(shù)資料所需工具的結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點，對地層出水層位的預測方法進行研究，建立氣體鉆井地層出水的一種新型計算模型等[8-9]。但以上研究并沒有從根本上解決地層出水的這一技術(shù)難題。因此，提出了一種處理地層出水的固相攜水劑攜水新技術(shù)，該技術(shù)在四川某區(qū)塊進行了首次應用并且取得了良好的效果。固相攜水劑攜水新技術(shù)主要是通過添加處理劑(固相粉末)的方式，在較短的時間內(nèi)快速地將地層水攜帶出來，并且攜帶能力極強，可攜帶自身重量10倍以上的地層水，而且具有溫度越高，地層水礦化度越低，攜水速度越快的特點；攜水劑保水能力強且攜水后不會因力的增加而失水；與傳統(tǒng)泡沫相比，該攜水劑攜水后松軟，不具黏結(jié)性，有利于鉆井安全和提高機械鉆速。固相攜水劑攜水后，對其進行集中收集并進行高溫處理，將攜水劑中的水分蒸干后對其進行分離，分離后的攜水劑可再次進行回收利用。

1 空氣鉆井工藝分析

在利用空氣鉆井時，當鉆到含水地層，地層水會流入井眼，干燥的巖屑就會吸水，巖屑很容易黏糊成塊并附著在井壁和鉆具上形成泥環(huán)，從而造成鉆具泥包、卡鉆、循環(huán)管路被堵塞以及井下著火等鉆井事故[8,10-12]。若此時改用常規(guī)鉆井液鉆井，會急劇降低鉆井效率、機械鉆速，并且增加鉆井成本。針對此問題，目前常用的方法是在空氣鉆井的基礎上采用泡沫進行鉆進，使用泥漿泵壓入泡沫基液，在立管處泵入的基液開始與空氣進行混合，并在鉆具內(nèi)形成泡沫，通過空氣泡沫的方法來完成鉆進[10]。但是，當?shù)貙映鏊畤乐兀鏊砍^20 m3/h時，通過在空氣中添加泡沫鉆井的方式已經(jīng)不能保證正常的鉆進，極易發(fā)生井下事故。

2 固相攜水劑處理地層出水新技術(shù)

針對上述空氣泡沫鉆井所出現(xiàn)的問題，提出了一種處理地層出水的新技術(shù)，即固相攜水劑攜水技術(shù)，并對該技術(shù)進行了系統(tǒng)的介紹與分析。主要對固相攜水技術(shù)的攜水性能、攜水速率、黏附性能以及壓力對吸水性能的影響進行了研究。

2.1 攜水性能

針對攜水性能的研究，設計了兩組試驗。第一組為：準備一些蒸餾水和鹽，按照不同的比例成分進行混合，共制成2種樣品，分別是1 kg蒸餾水和在1 kg蒸餾水中添加0.02 kg鹽，以及現(xiàn)有的常規(guī)泡沫劑，然后將2種樣品和泡沫劑分別加熱到不同溫度，即：室溫、40 ℃、60 ℃和93 ℃，對其進行攜水倍數(shù)、攜水速度的觀察和測量，其結(jié)果見表1。第二組為：在不改變溫度(室溫)的前提下，分別向1 kg蒸餾水中添加0.002 kg、0.01 kg、0.02 kg、0.04 kg、0.08 kg的鹽，然后將制成的樣品進行攜水倍數(shù)的觀察與試驗，結(jié)果見表2。

由表1、表2分析可知，不管是蒸餾水、礦化度還是泡沫劑，其攜水倍數(shù)均隨溫度的增加而增加，攜水速度卻隨著溫度的增加而降低，但蒸餾水、礦化度攜水速度還是遠遠大于泡沫鉆井的攜水速度；隨著礦化度的增加，攜水倍數(shù)不斷降低，礦化度為0的蒸餾水的攜水倍數(shù)最高，達到了225。由此可知，高濃度的礦化度不利于攜帶地層水。

表1 溫度對攜水性能的影響Table1 Effectsoftemperatureonwater-carryingcapacity溫度室溫40℃60℃93℃泡沫劑攜水倍數(shù)21212425攜水速度/s70.070.060.060.0蒸餾水攜水倍數(shù)210216230244攜水速度/s10.010.08.58.52000×10-6(質(zhì)量分數(shù))攜水倍數(shù)26293032攜水速度/s60.060.054.050.0

表2 礦化度對攜水性能的影響Table2 Effectsofsalinityonwater-carryingcapacity礦化度/10-60200010000200004000080000攜水倍數(shù)225803926177

2.2 攜水速率

攜水速率是攜水性能的一個重要參數(shù)，攜水速率的大小直接影響著空氣鉆井能否正常順利地進行。因此，針對攜水速率展開全面的研究，盡可能地進行多組試驗。同樣，以蒸餾水和鹽為原料進行試驗樣品的配制，共配制成6種試驗樣品，每種試驗樣品進行4次試驗，結(jié)果見表3。為了說明固相攜水劑攜水速率的優(yōu)越性，同樣對常規(guī)的泡沫劑進行了4次試驗，每次試驗得到的攜水所需時間分別為50 s、65 s、71 s、75 s，并且攜水倍數(shù)也較小。

表3 攜水速率的研究Table3 Studiesonwater-carryingrate礦化度/10-6010002000攜水所需時間/s3591051117227131927攜水倍數(shù)215316819411489813911243962礦化度/10-650001000020000攜水所需時間/s71943481533434814254360攜水倍數(shù)10223943172831339151924

由常規(guī)泡沫劑試驗結(jié)果以及表3分析可知，隨著礦化度的增加，攜水所需要的時間就越長，而攜水倍數(shù)總體上在減小。因此，在配制攜水劑時盡量選用蒸餾水或者礦化度低的水；與泡沫鉆井相比，其攜水速率、攜水量要遠遠地大于泡沫的攜水速率、攜水量。該新技術(shù)的攜水速率僅需要幾秒到1 min的時間即可，并且攜水量能夠達到上百倍，而泡沫的攜水速率最低一般也要1 min左右，并且攜水量也不是太好。

2.3 黏附性能

在進行空氣鉆井的過程中，如果遇到地層出水，將會嚴重影響空氣鉆井的順利進行。由于液體在環(huán)空的出現(xiàn)[11-14]，會濕潤水敏性頁巖，導致井塌卡鉆；濕巖屑會一起黏附在鉆桿的外壁并形成泥餅環(huán)，不能被空氣從環(huán)中帶出，當環(huán)中被泥餅填滿時，會阻止空氣的流動產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象；且隨著這些間歇的空氣大段塞沿著井眼向上運動，會對地面設備和井壁產(chǎn)生不穩(wěn)定的效應。因此，如何降低黏附性能，對提高空氣鉆井的質(zhì)量、保證空氣鉆井的順利進行起著至關(guān)重要的作用。

針對提出的處理地層出水的固相攜水劑攜水性能新技術(shù)進行了黏附性能的研究。方法為：在1 g的攜水劑中混合5 g泥粉，然后加入10 g清水(為攜水劑質(zhì)量的10倍)；同樣，在另一個容器里加入1 g的泡沫劑或者一些普通的材料，然后再加入5 g泥粉和10 g清水，稍等數(shù)分鐘后觀察兩個樣品的黏附情況，如圖1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入攜水劑里的泥粉比較分散并且無明顯的黏附現(xiàn)象，而加入泡沫劑材料的黏附現(xiàn)象十分嚴重。

2.4 壓力對吸水性能的影響

空氣鉆井作為一種典型的欠平衡鉆井，是通過旋轉(zhuǎn)防噴器(或旋轉(zhuǎn)控制頭)和節(jié)流管匯控制井底壓力[13]，讓井筒壓力低于地層孔隙流體壓力。當鉆井遇到滲透性地層時，地層流體將會進入井筒，這些流體可能是油、水、天然氣以及對人體有害的氣體等。如果井底的壓差過大，不僅易造成井口設備過載，甚至失控或引起井漏、井噴、地層坍塌、出砂，造成地層毀滅性破壞等井下復雜事故，嚴重影響整體勘探開發(fā)和鉆井效果，而且還會造成人員的傷亡[14-15]。因此，在滿足鉆井需要的前提下，盡量減小鉆井壓差，使其控制在較小的范圍內(nèi)。但在遇水地層中，同時需要滿足攜水性能的要求，所以還需要開展壓力對固相攜水技術(shù)的吸水性能研究，并進行如下試驗。首先，準備適量的蒸餾水和鹽，按照一定的比例配制5組試驗樣品(見表4)；其次，利用壓力測試儀對其進行測試，并記錄開始保壓壓力和保壓時間后達到的壓力，通過比較，計算壓差；最后，數(shù)分鐘后對其進行觀察并查看試驗結(jié)果，見表4。

表4 壓力對吸水性能的影響Table4 Effectsofpressureonwateradsorptioncapabilities礦化度/10-6吸水倍數(shù)壓差/MPa溫度/℃保持時間/min現(xiàn)象蒸餾水200.7溫室8無濾失,無漏水、滴水現(xiàn)象20000200.7溫室8無濾失,無漏水、滴水現(xiàn)象蒸餾水203.5935無濾失,無漏水、滴水現(xiàn)象20000203.5935無濾失,無漏水、滴水現(xiàn)象蒸餾水飽和3.5933有濾失,有漏水、滴水現(xiàn)象,4mL(1min)

由表4分析可知，壓差、溫度的大小對固相攜水技術(shù)的吸水性能具有重要的影響，當吸水倍數(shù)相同時，壓差越小，固相攜水劑無濾失、滴水現(xiàn)象的保持時間越強，即吸水性能越強。同時發(fā)現(xiàn)，在相同壓差、溫度下，當改變樣品的吸水倍數(shù)時，吸水性能也在發(fā)生變化。當壓差為0.7 MPa，吸水倍數(shù)為20時，無論是蒸餾水還是礦化度為20 000×10-6，在室溫條件下對其觀察8 min，未發(fā)現(xiàn)有濾失、漏水、滴水的現(xiàn)象；當壓差為3.5 MPa，吸水倍數(shù)為20時，不論是蒸餾水還是礦化度為20 000×10-6，在溫度為93 ℃的條件下對其觀察5 min，均無濾失，無漏水、滴水現(xiàn)象，但當超過5 min時有稍微的濾失現(xiàn)象。在其他條件不變的情況下，僅增加蒸餾水的吸水倍數(shù)，讓其達到飽和狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當觀察3 min時就出現(xiàn)了嚴重的濾失、漏水、滴水現(xiàn)象，并且1 min內(nèi)滴水體積達到4 mL。

3 現(xiàn)場試驗分析

為了驗證在空氣鉆井中固相攜水劑攜水性能的優(yōu)越性以及高效的井眼干燥速度，對其進行了現(xiàn)場試驗。2013年開展了攜水劑攜水性能的首次試驗，試驗現(xiàn)場如圖2所示。10：51向主供氣管線加注攜水劑，10：53攜水劑全部入井，總計注入攜水劑0.2 t，攜水劑未返出排砂管線前，排砂管線內(nèi)出口水流未出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。10：55攜水劑攜帶地層水開始返出，10：57攜水完畢。10：57至11：21，排砂管線出口一直返出干氣，未見水霧及液滴，11：22排砂管線開始返出地層水，經(jīng)計算，得到攜水劑攜水量約為2 t。該試驗說明，固相攜水劑具有極強的攜水性能，并且攜水速率極快，僅幾分鐘就能將2 t水全部攜完。

緊接著又進行了第二次試驗。14：40攜水劑加注完畢，總計加注攜水劑0.045 t，在攜水劑進入井底到攜水劑全部返出排砂管線時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)立壓和注氣壓力減小，顯示了攜水劑較好的攜水性能。由此可見，壓差的大小對攜水劑的吸水性能具有重要的影響，試驗結(jié)果見表5、圖4。

表5 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)Table5 Fieldtestdata時間立壓/MPa注氣壓力/MPa備注14:332.132.754攜水劑未進入主供氣管線14:392.112.47314:462.072.54614:522.072.45414:592.072.691攜水劑在井內(nèi)循環(huán)15:062.443.080攜水劑全部返回

當天晚上又進行了無液攜水劑攜水技術(shù)的第三次試驗，該次試驗的目的主要是加快井眼干燥速度，發(fā)現(xiàn)效果十分明顯。23：50，氣舉作業(yè)完成，開始進入井眼干燥階段，然而直至次日7：30點(總計約7.5 h)，井筒仍然有連續(xù)液流從排砂管線排出?，F(xiàn)場決定采用無液相攜水技術(shù)和提高注氣量方式來加速井眼干燥進程。7：32 現(xiàn)場加入攜水劑0.002 t，同時提高注氣量。1 h后，排砂管線返出攜水劑，之后再無液滴返出，且返出氮氣干燥無霧氣，錄井撈砂見攜水劑成分。由此可見，0.002 t攜水劑加速了井眼干燥，減少了柴油消耗和人工成本，增加了經(jīng)濟效益，降低了鉆井成本。

0.1 t×(8-1)h=0.7 t·h(柴油)

12人×(8-1)h=84 人·h(人工)

4 結(jié) 論

(1) 在分析現(xiàn)有空氣鉆井工藝以及泡沫鉆井處理地層出水的基礎上，提出了一種新的固相攜水劑處理地層出水的新技術(shù)，解決了現(xiàn)有攜水技術(shù)攜水性能低、攜水速率慢、黏附性強等問題。

(2) 結(jié)合現(xiàn)場條件，對固相攜水劑攜水性能進行了試驗，與傳統(tǒng)泡沫相比，該技術(shù)具有攜水速度快(5 s)，攜水劑遲到時間僅2 min；攜水量大(10倍)，0.2 t攜水劑攜水量達2 t，且攜水舉水后井筒無水霧、無液滴時間長達24 min；攜水劑返出排砂管線前，排砂口未見排出液斷流，不會造成井筒憋壓，不影響正常鉆進等特點。

(3) 如果該技術(shù)能夠在空氣鉆井得到廣泛的應用，對于提高鉆井速度、減少鉆井周期、延長氣體鉆井施工井段、提高經(jīng)濟效益、降低鉆井成本等具有重要意義。

[1] 劉清友, 包凱, 任文希. 氣體鉆井過程中地層出水的微波隨鉆監(jiān)測方法[J]. 石油天然氣學報, 2014, 36(5): 93-96.

[2] ZHANG Y, ZHANG J L. Technical Improvements and Application of Air-lift Reverse Circulation Drilling Technology to Ultra-deep Geothermal Well[J]. Procedia Engineering，2014 (73)： 243-251.

[3] 林小琰, 李強, 田旭. 影響氣體鉆井地層出水因素[J]. 油氣地球物理, 2014，12(3): 57-59.

[4] CHENG J Y, MAO X. Experimental Research of IntegratedCompressed Air Foam System of Fixed (ICAF) for Liquid Fuel[J]. Procedia Engineering，2014 (71)： 44-56.

[5] OLAV R G, JARLE K, SONNICH M, et al. Real time observation system for monitoring environmental impact on marine ecosystems from oil drilling operations[J]. Marine Pollution Bulletin, 2014 (84)： 236-250.

[6] 馬文英, 孫舉, 羽保林, 等. 空氣鉆井霧化技術(shù)解除油泥包實踐[J]. 鉆井液與完井液, 2014, 31(3): 89-91.

[7] 李金和, 溫杰, 羅整. NY1 井氣體鉆井井下復雜問題的處理方法[J]. 鉆采工藝, 2014, 37(5): 33-34.

[8] 王金茹, 楊寶剛, 黃玉康, 等. 空氣鉆井地層出水判斷技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 重慶科技學院學報: 自然科學版, 2013, 15(5): 46-49.

[9] 范翔宇, 蘇靜, 王俊瑞, 等. 川東北河壩地區(qū)中淺部地層氣體鉆井出水隨鉆預測[J]. 中國石油大學學報: 自然科學版, 2013 (1): 85-90.

[10] 徐英. 空氣泡沫鉆井技術(shù)在核桃 1 井的應用[J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(10): 62-64.

[11] 卓云, 胡顯智, 鄭霞, 等. 氣體鉆井遇地層出水時的充氣鉆井技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè), 2011, 31(8): 73-75.

[12] 楊立華, 李早元, 王小勇, 等. 長慶安塞油田出水套損井封堵微膨脹水泥體系研究[J]. 石油與天然氣化工, 2012, 41(3): 314-316.

[13] 劉永貴, 周英操, 王廣新, 等. 欠平衡鉆井環(huán)空巖屑對井底負壓的影響[J]. 石油學報, 2005, 26(6): 96-98,103.

[14] BOYUN G. Balance between formation damage and well bore damage: what is the controlling factor in UBD operations[C]. SPE 73735, 2002.

[15] 周英操, 劉永貴, 鹿志文. 欠平衡鉆井井底壓力控制技術(shù)[J]. 石油鉆采工藝, 2007, 29(2): 13-17.

Anoveltechnologyandexperimentalanalysisofformationwaterinairdrilling

TianJialin1,2,FuChuanhong1,YangLin1,LiuZhenglian3,LongXiaokang4,FangJian4

(1．SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)(2．SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)(3.CCDCDrillingamp;ProductiondngineeringTechnologyResearchInstitute,Guanghan618300,China)(4.PetroChinaSouthwestOilamp;gasfieldCompany,Chengdu610501,China)

Aiming at the poor water-carrying capacity of foam in air drilling, this paper proposed a novel technology based on a solid phase water carrying agent. Studies were also carried out to analyze the carrying capacity, carrying rate, and adhesion properties of the solid phase water-carrying technology as well as the influence of the pressure on the adsorption capabilities of water. Furthermore, field test was conducted based on the main contents of the solid phase water-carrying technology studies. Results showed that when compared with the traditional foam, this technology has the characteristics of high water-carrying rate and capacity.It wouldn't affect the normal drilling and does not hold pressure, etc. This technology has important significance to reduce the drilling cost and improve the drilling speed. At the same time, it also verifies the reliability and feasibility of the technology.

air drilling, formation water, solid phase water-carrying agent, water-carrying performance, test analysis

石油天然氣裝備教育部重點實驗室(西南石油大學)項目“基于井壁摩擦隨機場的油氣井鉆柱振動特性研究”(OGE10)、國家自然科學基金“介質(zhì)黏度對非牛頓流體旋流分離流場影響機理研究”(51074202)、四川教育廳成果轉(zhuǎn)化重大培育項目“壓縮天然氣站高效運行關(guān)鍵基礎技術(shù)研究”(12ZZ003)。

田家林(1979-)，男，博士，西南石油大學，副教授，主要從事井下工具、鉆頭技術(shù)研究。E-mailtianjialin001@gmail.com

付傳紅(1989年-)，男，西南石油大學，研究生，主要從事井下工具、鉆井力學及理論研究。E-mail358691787@qq.com

TE37

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.024

2014-11-10；編輯鐘國利