大慶油田氣體鉆井出水判斷新技術(shù)研究及試驗(yàn)

郭明?。ù髴c鉆探工程公司鉆井三公司工程開(kāi)發(fā)分公司）

大慶油田氣體鉆井出水判斷新技術(shù)研究及試驗(yàn)

郭明（大慶鉆探工程公司鉆井三公司工程開(kāi)發(fā)分公司）

氣體鉆井作為一項(xiàng)高效、環(huán)保、清潔的鉆井方式，在深層提速、發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲(chǔ)層方面起到了重要的作用，但是由于大慶油田深層探區(qū)地層出水嚴(yán)重，制約了大慶氣體鉆井的應(yīng)用與發(fā)展。為了更好地判斷井下出水情況，開(kāi)展了濕度監(jiān)測(cè)的研究與攻關(guān)，采用進(jìn)、出口同時(shí)監(jiān)測(cè)的方式，最大程度地避免環(huán)境因素的影響，以獲得準(zhǔn)確的井下濕度值。通過(guò)對(duì)3口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下濕度變化，達(dá)到提前判斷井下出水的目的。特別是在XS35井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，降低了無(wú)效等停時(shí)間29 h，節(jié)約氣體鉆井設(shè)備消耗柴油6.5 t，節(jié)能效果顯著，同時(shí)避免了復(fù)雜事故的發(fā)生，為氣體鉆井安全鉆進(jìn)提供了有力的技術(shù)支撐。

氣體鉆井；地層出水；濕度監(jiān)測(cè)；出水判斷；安全鉆進(jìn)

為了更好地提高機(jī)械鉆速，保護(hù)和發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)層，大慶油田近幾年開(kāi)展了氣體鉆井的技術(shù)應(yīng)用和推廣。該技術(shù)是以氣體為循環(huán)介質(zhì)，具有快速、清潔、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但是，當(dāng)氣體鉆井鉆遇地層水時(shí)，井壁穩(wěn)定性會(huì)受到很大影響，尤其對(duì)具有強(qiáng)水敏性的泥頁(yè)巖地層，可能出現(xiàn)井眼垮塌、垮塌物瞬時(shí)堆積等現(xiàn)象，垮塌下落的泥頁(yè)巖會(huì)在下部鉆具組合范圍內(nèi)形成泥包，嚴(yán)重影響井下安全，限制了氣體鉆井的推廣應(yīng)用[2-7]?？梢?jiàn)，能否對(duì)地下水層進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的判斷成為氣體鉆井推廣應(yīng)用中急需解決的問(wèn)題。為此，大慶油田開(kāi)展了氣體鉆井濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)氣體進(jìn)出口的濕度監(jiān)測(cè)達(dá)到提前判斷井下出水的目的，以避免復(fù)雜事故的發(fā)生。

1　出水影響機(jī)理

1.1理論分析

1989年C.H.Yew和M.E.Chenevert提出的利用熱擴(kuò)散模擬水?dāng)U散,然后根據(jù)平面應(yīng)變力學(xué)方程聯(lián)立,得到水化后的應(yīng)力、應(yīng)變及位移，根據(jù)該理論研究了泥頁(yè)巖水化對(duì)巖石彈性模量的影響,并指出巖石彈性模量與其含水量增量存在直線關(guān)系,隨著含水量的增加其彈性模量減小[2-4]。

對(duì)大慶油田的泥頁(yè)巖巖心做了大量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)巖石彈性模量與其含水量之間的關(guān)系不是直線關(guān)系,而是對(duì)數(shù)關(guān)系，得出巖石泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角都與其含水量存在一定的關(guān)系,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨著巖石含水量的增加相應(yīng)減少,而泊松比則隨著巖石含水量的增加而增加。

1.2實(shí)際分析

在氣體鉆井過(guò)程中，由于氣體超低密度的特性，決定了巖屑只能以粉塵或極其微小的顆粒形式，通過(guò)高速的氣流攜帶出井眼。當(dāng)鉆遇水層時(shí)，細(xì)小的巖屑遇水會(huì)凝結(jié)成塊，當(dāng)巖屑和水的比例達(dá)到一定值時(shí),巖屑便會(huì)粘附在鉆具與井壁上形成段塞,阻止環(huán)空氣體流通,使得巖屑無(wú)法正常返出地面,而且隨著這些間歇的空氣大段塞沿著井眼向上運(yùn)移，還會(huì)堵塞地面設(shè)備。特別是水敏性巖屑，如泥頁(yè)巖，會(huì)造成粘附卡鉆和井塌掩埋鉆具等復(fù)雜情況或事故[4-7]。因此,及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)地層出水對(duì)氣體鉆井尤為重要。根據(jù)C.L.Moore等人的理論，少量的出水比大量出水更易造成井下復(fù)雜情況。而目前常用的判斷地層出水的方法主要根據(jù)立壓變化、排砂管出口狀態(tài)、機(jī)械鉆速變化等來(lái)判斷，但是在剛剛鉆遇水層、出水量較小時(shí)無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別。

2　監(jiān)測(cè)方法

2.1監(jiān)測(cè)流程

監(jiān)測(cè)流程如圖1所示，在氣體入口與排沙管上分別安裝濕度傳感器，在氣體鉆進(jìn)或循環(huán)過(guò)程中，對(duì)進(jìn)出口氣體濕度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集，然后通過(guò)屏蔽網(wǎng)線傳輸至裝有監(jiān)測(cè)軟件的計(jì)算機(jī)，處理后以曲線的形式顯示出來(lái)，并自動(dòng)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，以便后期研究使用。

圖1　濕度監(jiān)測(cè)流程

2.2監(jiān)測(cè)原理

為了克服環(huán)境因素的影響，保證氣體鉆井過(guò)程中濕度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，對(duì)監(jiān)測(cè)方式和裝置進(jìn)行了改進(jìn)。

2.2.1監(jiān)測(cè)方式的改進(jìn)

由于氣體濕度受環(huán)境濕度影響較大，單獨(dú)監(jiān)測(cè)排砂管出口濕度，降低了地層出水判斷的準(zhǔn)確性。針對(duì)這一問(wèn)題，增加了注氣管線端即入口的濕度監(jiān)測(cè)，采取了進(jìn)、出口濕度同時(shí)監(jiān)測(cè)的方式。通過(guò)進(jìn)、出口濕度的對(duì)比分析，獲得井下濕度數(shù)據(jù)，從而有效判斷地層出水情況，為氣體鉆井的安全性提供了保障（圖2、圖3）。

圖2　進(jìn)口濕度監(jiān)測(cè)裝置

圖3　出口濕度監(jiān)測(cè)裝置

2.2.2出口監(jiān)測(cè)方法改進(jìn)

傳統(tǒng)的閉環(huán)監(jiān)測(cè)中，由于傳感器采集管線容易被巖屑堵塞，不能及時(shí)、連續(xù)地獲得濕度數(shù)據(jù)。為了保證出口監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，避免因?yàn)閹r屑的堵塞導(dǎo)致濕度傳感器的失效，進(jìn)行了出口監(jiān)測(cè)裝置的改進(jìn)，主要是增加降塵裝置，從而保證氣體的連續(xù)流通和空氣不受到污染（圖4、圖5）。

具體過(guò)程為：排沙管中的氣體通過(guò)管線進(jìn)入傳感器進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)后，氣體進(jìn)入降塵裝置進(jìn)行過(guò)濾降塵，然后將氣體中的粉塵、巖屑去除，最后排放到大氣。通過(guò)改進(jìn)，避免了監(jiān)測(cè)時(shí)的環(huán)境污染，保證了監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，提高了識(shí)別地層出水的及時(shí)性、準(zhǔn)確性[8]。

圖4　原出口濕度監(jiān)測(cè)裝置

圖5　改進(jìn)后的出口監(jiān)測(cè)裝置

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程中地層出水情況，同時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)、出口新技術(shù)，對(duì)3口氣體鉆井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，多次發(fā)現(xiàn)濕度異常，且與地層出水情況相符，為及時(shí)調(diào)整施工方案提供了依據(jù)。

特別是在XS35井的應(yīng)用中，氣體鉆進(jìn)至井深2 900.00 m處時(shí)發(fā)現(xiàn)濕度異常，為及時(shí)調(diào)整注氣參數(shù)及轉(zhuǎn)化為霧化鉆井提供了指導(dǎo)。

XS35井屬于松遼盆地北部東南斷陷區(qū)徐家圍子斷陷一口預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深4700 m。該井設(shè)計(jì)三開(kāi)2900～3600 m進(jìn)行氣體霧化（泡沫）鉆進(jìn)，層位：泉一段～登二段?？諝忏@進(jìn)至井深2 927.93 m時(shí)，濕度監(jiān)測(cè)顯示出口濕度微升，停鉆循環(huán)，濕度繼續(xù)緩慢升高（圖6），停降塵泵，觀察排沙口有水流，確定地層出水，經(jīng)過(guò)空氣大排量反復(fù)循環(huán)與干燥，沒(méi)有效果后轉(zhuǎn)化為空氣霧化鉆進(jìn)，降低了無(wú)效等停時(shí)間29 h，節(jié)約氣體鉆井設(shè)備消耗柴油6.5 t，起到了一定的節(jié)能效果，同時(shí)避免了復(fù)雜事故的發(fā)生。最終，霧化鉆進(jìn)600 m，創(chuàng)造了大慶霧化進(jìn)尺的新紀(jì)錄。

圖6　XS35井進(jìn)、出口濕度監(jiān)測(cè)曲線（井深2927 m）

4　認(rèn)識(shí)與建議

1）在XS35井的施工表明，準(zhǔn)確判斷地層出水情況，能有效地避免井下復(fù)雜，為氣體轉(zhuǎn)霧化或泡沫鉆進(jìn)提供了技術(shù)支持，對(duì)安全施工具有重要的意義。

2）通過(guò)3口井的成功監(jiān)測(cè)表明，采用進(jìn)、出口同時(shí)監(jiān)測(cè)的新方法，具有較好的靈敏性和準(zhǔn)確性，能及時(shí)獲得井下濕度變化情況，為氣體鉆井的順利進(jìn)行提供了更加可靠的保障。

3）建議合理選擇氣體鉆井井段，避開(kāi)含水層，最大程度地發(fā)揮氣體鉆井在提速、保護(hù)和發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層等方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

4）目前對(duì)井下出水情況只停留在定性的判斷上，對(duì)定量地計(jì)算地層出水一直沒(méi)有很好的解決辦法，建議開(kāi)展該方面的研究與探討。

[1]楊明合，翟應(yīng)虎，韓福彬，等.提高徐家圍子深井鉆井速度的優(yōu)化鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2008，28（3）：67-69.

[2]張杰，徐安建，李翠楠，等.泥頁(yè)巖水化對(duì)氣體鉆井井壁穩(wěn)定性影響規(guī)律研究[J].石油鉆采工藝，2008,30（2）：46-49.

[3]楊智光，趙德云，劉永貴，等.大慶外圍深層實(shí)施氣體鉆井的可行性分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2005，32（9）：55-58.

[4]羅健生，鄢捷年.頁(yè)巖水化對(duì)其力學(xué)性質(zhì)和井壁穩(wěn)定性的影響[J].石油鉆采工藝，1999，21（2）：7-133.

[5]楊毅，齊彬，馬曉偉.氣體鉆井注氣模型優(yōu)選及設(shè)備優(yōu)化配置分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011,38（7）：53-56.

[6]馬曉偉，張顯軍，趙德云，等．空氣／氮?dú)忏@井技術(shù)在徐深28井的成功實(shí)踐[J].石油鉆采工藝，2008，30（3）: 19-23.

[7]鄧虎，楊令瑞，陳麗萍.氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析[J].天然氣工業(yè)，2007，27（2）：49-51，151.

[8]陳紹云，邢琛，孫妍.提高慶深氣田氣體鉆井效率技術(shù)研究[J].石油鉆采工藝，2014，36（1）：22-25.

（編輯李珊梅）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.007

郭明，工程師，2005年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）（勘查技術(shù)與工程專業(yè)），從事鉆井技術(shù)研究工作，E-mail:guo1981ming@ 126.com地址：黑龍江省大慶鉆探工程公司鉆井三公司，163413。

2016-01-05