氣體鉆井井筒常見復(fù)雜及技術(shù)對策探討

劉應(yīng)民，楊 剛，劉永偉，初 毅

（中國石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

氣體鉆井井筒常見復(fù)雜及技術(shù)對策探討

劉應(yīng)民*，楊 剛，劉永偉，初 毅

（中國石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

氣體鉆井是利用氣體代替鉆井液作為循環(huán)流動介質(zhì)進行的鉆井作業(yè)，氣體鉆井的優(yōu)點有機械鉆速高、有效保護和發(fā)現(xiàn)油氣層、防止井漏和粘附卡鉆等，同時，因其具有密度低、粘度低、環(huán)空流速高、對井筒施加的壓力低等特性，實施過程中易出現(xiàn)鉆具阻卡、地層流體侵入等復(fù)雜；通過淺析氣體鉆井井筒常見復(fù)雜發(fā)生的原因，提出了相應(yīng)的技術(shù)對策。

氣體鉆井；鉆具阻卡；地層出水；氣液轉(zhuǎn)換

氣體鉆井包括純空氣、惰性氣體和柴油機尾氣鉆井，屬欠平衡鉆井的分支，主要應(yīng)用于低壓低滲地層的勘探開發(fā)；氣體鉆井實施前，通常要根據(jù)目標(biāo)井區(qū)域地質(zhì)資料、鄰井實鉆工程及地質(zhì)資料對其實施可行性進行評估，評估的內(nèi)容主要包括鉆井井段井壁穩(wěn)定性分析、地層油氣水及有害氣體分布、井筒氣液轉(zhuǎn)換安全性等，而可行性評價重點參考的是鄰井常規(guī)鉆井的鉆完井、測錄井資料，因氣體鉆井密度低、粘度低、環(huán)空流速高、對井筒施加的壓力低等特性有別于常規(guī)鉆井，故通過可行性評價具備實施氣體鉆井條件的井，在實鉆過程中也易遭遇鉆具阻卡、地層流體侵入等井筒風(fēng)險，因此根據(jù)實鉆動態(tài)及時分析判斷井筒狀況并做出相應(yīng)的技術(shù)對策，才能有效解決井筒復(fù)雜，杜絕事故的發(fā)生，提高氣體鉆井的成功率。

1 有關(guān)鉆具阻卡的問題

除井口落物掉入井筒形成鉆具硬阻卡外，導(dǎo)致氣體鉆井鉆具阻卡甚至卡死的原因大致可以分為井眼圍巖單純力學(xué)失穩(wěn)、地層出水及鉆井氣量或循環(huán)時間不足3類，此3類鉆具阻卡發(fā)生的原因及地面參數(shù)變化各有差異，及時準(zhǔn)確地分析判斷阻卡原因，并采取相應(yīng)的技術(shù)對策，是有效控制、處理鉆具阻卡，防止發(fā)生卡鉆事故的關(guān)鍵。

1.1 井眼圍巖力學(xué)失穩(wěn)

地層鉆開后，巖石的力學(xué)平衡狀態(tài)被打破，最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力將以外載的方式與上覆地層壓力和氣柱壓力共同作用于井眼圍巖而重新應(yīng)力集中，由于地層中2個水平地應(yīng)力大小不等及氣柱壓力很低的原因，隨著時間的推移，井眼將縮徑并逐步變?yōu)橐粋€橢圓形；從宏觀上看鉆揭的裸眼井段，當(dāng)井眼圍巖應(yīng)力集中過程中，在地層巖石膠結(jié)較差的破碎帶、層間接觸面及巖石強度相對較低的鹽膏巖等地層會產(chǎn)生剪切破壞，導(dǎo)致井壁掉塊，甚至井眼局部垮塌的風(fēng)險，造成井眼異常擴徑；氣體鉆井時，地面表現(xiàn)為上提鉆具遇卡、下放鉆具遇阻且下放不到底、立壓波動上升、轉(zhuǎn)盤扭矩增加及返出流體束撞擊排砂管線的聲音間歇性減弱或中斷，嚴(yán)重者可致鉆具卡死。

1.2 地層出水

氣體鉆井地層少量出水時，水沿井壁含泥質(zhì)成分的微裂縫，尤其是泥頁巖的微裂縫侵入，并由于毛管力的存在產(chǎn)生滲析作用，使井眼圍巖吸水膨脹，造成地層的孔隙壓力增大，致使井眼圍巖的應(yīng)力分布改變，從而降低了井壁巖石的強度，導(dǎo)致坍塌應(yīng)力上升，隨著泥質(zhì)掉塊的增加，井眼局部擴大，泥質(zhì)成分將與水及巖屑混合形成泥餅環(huán)，造成泥包鉆具，影響環(huán)空通暢，導(dǎo)致攜巖困難；地面表現(xiàn)為活動鉆具阻卡、立壓升高、轉(zhuǎn)盤扭矩增大，返出流體束不連續(xù)甚至斷流，可見霧狀、液滴等現(xiàn)象，若不及時處置，易造成卡鉆事故。地層大流量出水時，由于井壁沒有泥餅的保護，侵入的地層水直接浸泡井眼圍巖，易導(dǎo)致井壁垮塌卡鉆，地面最明顯的表現(xiàn)是立壓快速升高、扭矩異常增大、排砂口突然失返。

1.3 氣量或循環(huán)時間不足

氣體鉆井過程中，由于井眼圍巖重新應(yīng)力集中及高返速環(huán)空流體對井壁的沖刷作用，鉆揭的裸眼井段將不可避免地出現(xiàn)井壁掉塊現(xiàn)象，鉆進時形成的大顆粒巖屑與井壁掉塊回落至井底重復(fù)破碎后上返，將使環(huán)空巖屑濃度縱向上分布不均；若氣量不足，或劃眼接單根前循環(huán)不充分，巖屑將回落至井底或大尺寸鉆具與井壁接觸處堆積，形成沉砂或橋塞卡鉆的風(fēng)險；氣體鉆井時，地面表現(xiàn)為，相同地層巖性和參數(shù)條件下，機械鉆速降低、立壓連續(xù)波動、返出流體束含砂量不穩(wěn)定，接單根上提鉆具懸重上升、下放不到底等現(xiàn)象。

1.4 鉆具阻卡的預(yù)防處置措施

氣體鉆井施工前，根據(jù)實施步驟要求首先進行可行性評價，參考區(qū)域地質(zhì)資料與鄰井鉆完井資料對擬鉆井井段的井眼穩(wěn)定性、地層水存在可能性及產(chǎn)量進行初步評估，針對風(fēng)險高的井段，形成鉆具阻卡的預(yù)防處置措施，并在實鉆過程中及時發(fā)現(xiàn)異常，準(zhǔn)確判斷原因并采取相應(yīng)的技術(shù)對策，避免發(fā)生卡鉆事故。

（1）實施氣體鉆井時，建議使用牙輪鉆頭，采用光鉆鋌或特制扶正器鉆具組合，低壓吊打，合理控制鉆進速度，以方便預(yù)防和處理鉆具阻卡；當(dāng)鉆具發(fā)生阻卡時，應(yīng)立即停止鉆進，保持注氣循環(huán)、上下活動鉆具，根據(jù)上述地面反映情況，準(zhǔn)確判斷阻卡原因。

（2）若為單純的井眼圍巖力學(xué)失穩(wěn)，則增大注氣量循環(huán)，如果增大注氣量能滿足安全鉆井要求，則繼續(xù)進行氣體鉆井；若增大注氣量不能滿足安全鉆井的要求，則立即停止氣體鉆井，關(guān)閉進氣閘閥，將鉆柱起至技術(shù)套管內(nèi)靜置2h以上。靜置后下鉆探明井眼狀況，下放鉆具遇阻，則增大氣量注氣劃眼，劃眼采取“進一退二”的原則，防止卡鉆；若能安全探至井底，則保持循環(huán)30min以上繼續(xù)實施鉆進作業(yè)，鉆進過程始終堅持“進一退二”的原則；若探底作業(yè)證明井筒狀況不能滿足氣體安全鉆井的要求，則終止氣體鉆井，轉(zhuǎn)換為常規(guī)泥漿鉆井。

（3）若地層出水量小導(dǎo)致環(huán)空攜巖困難，則增大注氣量上下活動鉆具，循環(huán)觀察；若泥餅環(huán)已導(dǎo)致環(huán)空阻卡，返出流體束流量減小，則上下活動鉆具并震擊鉆柱，必要時可采取環(huán)空憋壓的方式迫使環(huán)空通暢；處理正常后，若判斷地層水產(chǎn)量小于5m3/h，則轉(zhuǎn)換為霧化鉆井，霧化鉆井時應(yīng)在注入流體中適量加入抑制劑與穩(wěn)定劑，以提升井眼穩(wěn)定性；若地層出水量大于5m3/h，則轉(zhuǎn)換為常規(guī)泥漿鉆井。

（4）高機械鉆速、井壁正常掉塊形成環(huán)空巖屑濃度增加而導(dǎo)致鉆具阻卡時，應(yīng)適量增大注氣量鉆進，降低鉆進速度，接單根前充分循環(huán)劃眼，防止井底沉砂。

2 地層氣體侵入及對策

由于氣體鉆井對井筒施加的壓力低，鉆揭的地層中一旦含有天然氣、硫化氫等氣體時，將立即侵入井筒混入返出流體中。空氣鉆井條件下，天然氣與空氣混合后濃度介于5%～15%易發(fā)生井下燃爆事故；硫化氫等有毒有害氣體返出地面后，會導(dǎo)致人生傷害和環(huán)境污染事件的發(fā)生。

預(yù)防處置地層氣體侵入的對策：

（1）采用防爆的綜合錄井儀，綜合錄井儀配備有能連續(xù)檢測全烴含量、烴組分的氣相色譜儀和二氧化碳儀；安裝氣體鉆燃爆氣體監(jiān)控儀，提供CH4、CO、CO2、H2S、SO2、O2、H2等氣體監(jiān)測，為井下燃爆監(jiān)控提供有力數(shù)據(jù)支持。

（2）空氣鉆井時，當(dāng)1%≤全烴≤3%，注氣壓力沒有變化，立即停止鉆進，上提方鉆桿，在返出口試點火，并加大注氣量循環(huán)觀察。如果全烴含量短暫升高后迅速降低，可恢復(fù)空氣鉆進；如果全烴含量降到1%以下，實施控制鉆時鉆進；如果全烴含量在20min內(nèi)持續(xù)超過3%，則轉(zhuǎn)為惰性氣體鉆井（如氮氣鉆進）；如果地層出氣量影響惰性氣體鉆井安全作業(yè)時，則轉(zhuǎn)為泥漿鉆進；若全烴含量迅速上升至燃爆極限，則實施關(guān)井作業(yè)，并會同各方商議下步處理方案。

（3）按油田井控細(xì)則及氣體鉆井技術(shù)規(guī)范要求，配置安裝足夠的固定式H2S檢測儀，現(xiàn)場24h連續(xù)監(jiān)測硫化氫濃度，監(jiān)測儀探頭置于現(xiàn)場硫化氫易泄漏區(qū)域，且在H2S易聚集區(qū)域安裝排風(fēng)扇；同時現(xiàn)場每班每人都要配帶便攜式硫化氫監(jiān)測儀，用來監(jiān)測工作區(qū)域硫化氫的泄漏和濃度變化。當(dāng)檢測到H2S濃度大于10ppm時，立即啟動應(yīng)急預(yù)案，作業(yè)人員迅速佩戴防護裝備，保持注氣循環(huán)觀察，在返出口點長明火，若濃度下降則繼續(xù)實施氣體鉆井，并加密對H2S的跟蹤檢測；若H2S濃度大于20ppm時，則立即關(guān)井，終止氣體鉆井作業(yè)，轉(zhuǎn)換為常規(guī)泥漿鉆井。

3 氣液轉(zhuǎn)換條件及措施

氣體鉆井轉(zhuǎn)換為常規(guī)泥漿鉆井的原則為：①地層出水量大于5m3/h。②空氣鉆井返出氣體中全烴含量連續(xù)超過3%，且井下連續(xù)發(fā)生2次燃爆。③純空氣轉(zhuǎn)換為惰性氣體鉆井后，天然氣產(chǎn)出量影響鉆井安全。④返出氣流中H2S含量持續(xù)超過20ppm。⑤扭矩、摩阻突然增大或起下鉆困難影響鉆井安全。⑥井斜大于井眼軌跡對井斜要求且糾斜效果差。⑦鉆完進尺，需轉(zhuǎn)換為常規(guī)泥漿介質(zhì)進行完井作業(yè)。 井筒置換為泥漿的首要目標(biāo)是壓力平衡和井眼穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)實鉆地層情況，調(diào)整合理的泥漿密度和性能，并確定是否在置換泥漿中加入堵漏劑等材料，在井下情況允許的條件下，可先起鉆，后下入光鉆桿進行鉆井液的置換。

（1）置換泥漿必須具有強抑制性、較好的封堵能力和良好的流變性。要求泥漿失水量應(yīng)盡量低，嚴(yán)格控制膨潤土和固相的含量，以利于形成薄而韌的泥餅，達(dá)到維護井壁穩(wěn)定的目的；視地層可能漏失的機理和程度，加入適量的封堵粒子或堵漏材料。

（2）在泥漿體系密度及相關(guān)性能與地層配伍的情況下，采取直接注入法實施氣液轉(zhuǎn)換。將鉆具置于上層套管鞋以下10m左右，以設(shè)計排量的50%從鉆桿內(nèi)注入泥漿，以盡可能消除溫度效應(yīng)及大排量下激動壓力帶來的井壁失穩(wěn)問題，泥漿充滿裸眼井段后，以正常排量注入井筒直至返出地面，靜置觀察，判斷是否有井漏或溢流。

（3）下牙輪鉆頭探底，嚴(yán)格控制下鉆速度，以利于判斷井眼穩(wěn)定性，如遇鉆具阻卡，應(yīng)及時開泵劃眼。

4 認(rèn)識及建議

（1）通過可行性評價確定氣體鉆井實施井段存在的風(fēng)險，并制定針對性的指導(dǎo)措施，同時實施過程及時發(fā)現(xiàn)異常并采取相適應(yīng)的技術(shù)對策，均是保證氣體鉆井成功，避免發(fā)生鉆井事故的重要法寶。

（2）為減少鉆具阻卡，加強井筒遭遇復(fù)雜后的處理能力，本文提出了在氣體鉆進時使用牙輪鉆頭、光鉆鋌或特制扶正器的鉆具組合，以及氣液轉(zhuǎn)換后用牙輪鉆頭探底的對策。

（3）氣體鉆井在巖屑錄井、氣體采集、巖性確定、工程異常預(yù)報等方面與泥漿鉆井有很大差別，為達(dá)到氣體鉆井準(zhǔn)確判斷地層巖性、地層油氣水及有毒有害氣體分布及含量的目的，建議加大氣體鉆井一體化錄井的研究與應(yīng)用。

[1]鄧昌松，練章華，等.九龍山某井氣體鉆井技術(shù)及事故處理實踐[J].探礦工程，2011，38（10）:23-29.

[2]黃強，馬文英，等.空氣泡沫鉆井流體井壁穩(wěn)定性研究[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39（1）:52-55.

[3]李果，楊海波.氣體介質(zhì)條件下鹽膏層井段蠕變規(guī)律分析[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟，2011，5（4）:33-35.

[4]李皋，孟英峰，等.氣體快速鉆井井壁失穩(wěn)研究[J].鉆采工藝，2013，36（4）:26-30.

[5]劉金龍，李永杰，等.氣體鉆井返出氣體檢測方法研究[J].斷塊油氣田，2013，20（1）:6-9.

[6]馬慶濤.氣體鉆井后氣液轉(zhuǎn)換新工藝[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41（5）:67-70.

TE224

B

1004-5716(2016)12-0012-03

2016-02-16

2016-02-17

劉應(yīng)民（1982-），男（漢族），四川敘永人，工程師，現(xiàn)從事欠平衡鉆井系列技術(shù)研究與推廣工作。