新疆輪臺126井混合氣相流態(tài)鉆井技術(shù)應(yīng)用

魯立強(qiáng)

（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司，北京100101）

新疆輪臺126井混合氣相流態(tài)鉆井技術(shù)應(yīng)用

魯立強(qiáng)*

（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司，北京100101）

某鉆井公司在某油田126井地層產(chǎn)水速度最高70m3/h的情況下，成功在?311.2mm井眼3900～5000m礫石層井段實(shí)施混合流態(tài)鉆井技術(shù)。突破了霧化鉆井或者泡沫鉆井技術(shù)對于施工條件（地層產(chǎn)水量、注氣量、井深、地層流體溫度對于基液性能的影響程度等）的限制，克服了增壓機(jī)壓力級別不能滿足實(shí)施深井充氣鉆井技術(shù)的難題，實(shí)現(xiàn)了合理利用環(huán)空混合流態(tài)鉆井技術(shù)進(jìn)行施工。

混合氣相流態(tài)鉆井；霧化鉆井；泡沫鉆井；充氣鉆井

近年來，氣體鉆井技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅速，應(yīng)用規(guī)模、領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，工藝體系逐漸完善。一度困擾氣體鉆井技術(shù)的問題主要是地層出水，現(xiàn)已可通過霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井技術(shù)起到一定程度緩解。由于以上幾種鉆井工藝均是井眼環(huán)空中僅有單一流態(tài)存在，在實(shí)際施工過程中存在一定的問題。

在新疆輪臺126井3900～5000m井段鉆遇水層，常規(guī)的單一流態(tài)鉆井工藝無法實(shí)施，在通過技術(shù)可行性分析論證的基礎(chǔ)上，嘗試使用多種混合氣相流態(tài)鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆井，安全順利地完成了該層段的施工，取得了良好的效果。

1　工程設(shè)計(jì)

輪臺126井位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶，該井為預(yù)探井，井型為直井，設(shè)計(jì)井深6230m（垂深），設(shè)計(jì)為四開井，井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

該井目的層為白堊系巴什基奇克組，完鉆層位是白堊系巴西改組，完鉆原則為進(jìn)入巴西改組50m無油氣顯示完鉆。鉆探目的：確定氣藏類型及含氣規(guī)模，為后續(xù)探明儲量作準(zhǔn)備，搞清白堊系巴什基奇克組儲層縱橫向變化情況，為構(gòu)造建模、速度場研究及圈閉精細(xì)描述提供參考依據(jù)。

根據(jù)鉆井情況及地震資料預(yù)測，126井自上而下將鉆揭的地層有新近系庫車組（N2k）、康村組（N1-2k）、吉迪克組（N1j），古近系蘇維依組（E2-3s）、庫姆格列木群（E1-2Km）、中生界白堊系巴什基奇克組（K1bs）、巴西蓋組（K1bx），其中該井在白堊系巴什基奇克組（K1bs）可能缺失第一巖性段，白堊系中上統(tǒng)在庫車坳陷整體缺失，如表1所示。新近系庫車組（N2k）厚約3860m，上部巖性為灰色礫巖與褐色泥巖略等厚互層，中下部為厚層狀褐灰色含礫砂巖、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖與略等厚的褐色、灰褐色、黃褐色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層?？荡褰M（N1-2k）在3860～5000m層段，厚約1140m，巖性特征為中厚—巨厚層狀褐色泥巖與薄—厚層狀淺灰、灰白色粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖呈不等厚—略等厚互層。

表1　輪臺126井地層巖性表

2　霧化鉆井施工難點(diǎn)

輪臺126井設(shè)計(jì)在3900～5000m的?311.2mm井眼段實(shí)施霧化鉆井，目的是提高礫石層段機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。表2為本井霧化鉆井參數(shù)模擬情況，井深超過4000m、地層產(chǎn)水速度超過12m3/h后，現(xiàn)場設(shè)備額定供氣量將無法實(shí)現(xiàn)井眼環(huán)空全部霧狀流態(tài)（氣相氣體含量低于97%），井筒會出現(xiàn)段塞流。

表2　霧化鉆井參數(shù)模擬表

本井氣舉過程中即發(fā)現(xiàn)地層產(chǎn)水，霧化鉆進(jìn)至井深4200m后，地層產(chǎn)水速度逐漸增大至60m3/h，且為密度1.17g/cm3的鹽水。霧化鉆井存在下列難點(diǎn)：

（1）氣舉時間長，壓力波動大。如圖2所示，第一次下鉆氣舉歷時24h，最高立管壓力13.7MPa。

（2）接單根后，重新建立循環(huán)需要較長時間，期間立管壓力波動大，峰值接近14MPa，從開始注氣到恢復(fù)鉆進(jìn)需要3h左右，如圖3所示，同時霧化鉆進(jìn)過程中出口連續(xù)性較差，頻繁出現(xiàn)斷流。

這種情況下，霧化鉆井純鉆時效極低，無法充分展現(xiàn)其提速優(yōu)勢，同時地面供氣設(shè)備長時間接近額定功率運(yùn)行，不能保證氣源的穩(wěn)定和連續(xù)。如果執(zhí)行原霧化鉆井施工設(shè)計(jì)，必須立即結(jié)束霧化鉆井替入鉆井液，導(dǎo)致前期為實(shí)施霧化鉆井而投入的大量時間和資金都將為零。

圖2　工藝氣舉圖

圖3　霧化鉆進(jìn)接單根后建立循環(huán)壓力變化圖

3　混合氣相流態(tài)鉆井技術(shù)分析

霧化鉆井要求施工過程中井眼環(huán)空最低氣體體積含量超過97%，氣相為連續(xù)相。國內(nèi)主要運(yùn)用在上部地層的大尺寸井眼段，霧化鉆井最深不超過2000m。由于其具有環(huán)空低液相體積含量、高返速的特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)理論認(rèn)為霧化鉆井不適用于井眼較深、地層產(chǎn)水速度超過3m3/h的情況。

泡沫鉆井實(shí)施中要求井底的最低氣體體積含量超過55%，井口的最低氣體體積含量低于97%，環(huán)空中氣相為分散相、液相為連續(xù)相。通過氣泡之間的相互作用夾持液滴和巖屑，在較低返速下有良好的攜帶能力。缺點(diǎn)是在隨著地層產(chǎn)水速度增加，或者由于含鹽量、井下溫度增加，泡沫穩(wěn)定性易受影響。

充氣鉆井是指鉆井時將一定量的可壓縮氣體通過充氣設(shè)備注入到液相鉆井液中作為循環(huán)介質(zhì)的鉆井工藝，常用注入氣體主要是空氣和氮?dú)?。其?yōu)點(diǎn)在于可將鉆井液密度降低至0.8以下，并可在比較大的范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)，以此達(dá)到治理井漏、提速、發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲層的目的，但是目前國內(nèi)充氣鉆井的井深一般在3000m以內(nèi)，因?yàn)槌^此井深后，實(shí)現(xiàn)充氣需要的注入壓力較高，增壓設(shè)備普遍達(dá)不到要求，且提速效果不明顯。

根據(jù)126井實(shí)鉆情況分析，無法采用傳統(tǒng)的霧化鉆井、泡沫鉆井或者充氣鉆井之一的單一鉆井方式實(shí)現(xiàn)對本井?311.2mm井眼礫石段提速的目的，現(xiàn)有的氣體鉆井工藝必須進(jìn)一步改進(jìn)、完善。經(jīng)過討論研究和分析認(rèn)為，126井實(shí)施氣體鉆井的關(guān)鍵不是強(qiáng)制建立環(huán)空全段霧化狀的單一流態(tài)，而是建立環(huán)空相對穩(wěn)定的流態(tài)，即特定井段的流態(tài)穩(wěn)定，不易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變。如立管壓力穩(wěn)定、出口返出連續(xù)，即可認(rèn)為環(huán)空處于相對穩(wěn)定的流態(tài)。

首先給定一個初始注氣量、注液量，結(jié)合環(huán)境壓力、溫度等參數(shù)，按照霧化鉆井模型由出口向井底計(jì)算不同井深流動參數(shù)；當(dāng)氣相體積含量低于97%后，轉(zhuǎn)為泡沫鉆井模型繼續(xù)向井底計(jì)算；當(dāng)氣相體積含量低于55%后，再轉(zhuǎn)為充氣鉆井模型，然后結(jié)合實(shí)際的循環(huán)立管壓力值，對注氣量、注液量進(jìn)行修正，重新循環(huán)計(jì)算，最終當(dāng)計(jì)算立管壓力與實(shí)際循環(huán)壓力相當(dāng)時，選擇此時注氣量、注液量作為施工參數(shù)。按照前述分析，此時環(huán)空中任意位置的流態(tài)均不宜發(fā)生轉(zhuǎn)變，如圖4所示（注氣量300m3/min，注液量10L/s，地層產(chǎn)水速度69m3/h）。由于此時環(huán)空中霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井3種狀態(tài)同時存在，因此將按此參數(shù)施工的氣體鉆井工藝稱為“混合氣相流態(tài)鉆井”。

圖4　126井井筒流態(tài)分布情況

4　混合氣相流態(tài)鉆井技術(shù)實(shí)施情況

現(xiàn)場通過不斷調(diào)整泥漿泵排量、注氣量循環(huán)，最終確定注氣量330～360m3/min、泥漿泵泵沖30spm以上，立管壓力波動微弱，且出口連續(xù)返出，如圖5所示。

圖5　變排量循環(huán)確定最佳施工參數(shù)圖

按照以上參數(shù)實(shí)施混合氣相流態(tài)鉆井工藝，獲得了良好的攜砂巖能力，并取得較高的機(jī)械鉆速，同時解決了接單根后建立循環(huán)時間長、施工期間壓力波動大、設(shè)備負(fù)荷高的問題，如圖6所示，接單根后10min即可建立循環(huán)開始鉆進(jìn)，立管壓力控制在9MPa以內(nèi)。

圖6　混合氣相流態(tài)鉆進(jìn)接單根后建立循環(huán)壓力變化圖

隨后換鉆頭下鉆氣舉時沿用混合流態(tài)氣體鉆進(jìn)時的施工參數(shù)也取得了良好的效果，氣舉時間縮短至7h，如圖7所示，對比圖1，立管壓力相對平穩(wěn)。

輪臺126井混合充氣鉆井作業(yè)13d，總進(jìn)尺1100m，平均機(jī)械鉆速6.60m/h，實(shí)現(xiàn)了礫石層段提速的目的。更為重要的是，創(chuàng)新使用氣體混合流態(tài)鉆井技術(shù)，在產(chǎn)水速度超過60m3/h，峰值70m3/h的情況下，安全順利地完成了3900～5000m井段的充氣鉆井作業(yè)。

圖7　混合氣相流態(tài)鉆井氣舉參數(shù)圖

5　結(jié)論及建議

（1）使用氣液兩相作為循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行充氣鉆井的關(guān)鍵是在滿足攜巖、攜水能力的前提下，確保環(huán)空中特定井段的流態(tài)穩(wěn)定，不易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變，不必追求從井底到井口保持同一流型；

（2）混合氣相流態(tài)氣體鉆井技術(shù)是目前在深井、高地層產(chǎn)水速度條件下實(shí)施充氣鉆井最有效的方法；

（3）126井進(jìn)行混合氣相流態(tài)鉆井的施工參數(shù)在傳統(tǒng)的充氣鉆井設(shè)計(jì)軟件中無法模擬計(jì)算，既說明了目前充氣鉆井專業(yè)軟件的局限性，同時也說明了混合氣相流態(tài)同存理論的復(fù)雜性，建議深入多相流的研究，為今后深井充氣鉆井設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

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TE24

B

1004-5716（2016）08-0049-04

2015-08-05

2015-08-11

魯立強(qiáng)（1980-），男（漢族），山東鄆城人，工程師，現(xiàn)從事欠平衡鉆井技術(shù)研究與項(xiàng)目管理等工作。