天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术.pdf

1、天然气技术 摘 要 天 然 气 要 溶 于 油 基 钻 井 液 ， 其 溶 解 度 大 小 受 多 种 因 素 影 响 。 在 超 过 临 界 压 力 和 临 界 温 度 的 井 眼 内 ， 天 然 气 有 可 能 在 油 基 钻 井 液 中 完 全 溶 解 凝 析 甚 至 发 生 超 临 界 现 象 。 所 以 ， 天 然 气 侵 入 油 基 钻 井 液 后 的 运 移 膨 胀 规 律 有 别 于 水 基 钻 井 液 的 运 移 膨 胀 规 律 ； 在 向 上 部 井 段 运 移 过 程 中 ， 溶 解 气 存 在 反 凝 析 挥 发 现 象 和 气 体 因 压 力 降 低 而 发 生 的

2、等 温 膨 胀 现 象 ， 这 都 将 引 起 井 筒 气 液 体 积 比 急 速 升 高 。 若 不 对 侵 入 油 基 钻 井 液 的 天 然 气 进 行 井 口 控 制 ， 将 可 能 引 发 灾 难 性 事 故 。 为 了 控 制 天 然 气 侵 入 油 基 钻 井 液 的 风 险 ， 角 51 - 1 FM 井 在 目 的 气 层 钻 进 时 使 用 了 旋 转 防 喷器与液气分离器 ，对侵入油基钻井液的天然气进行井口脱气分离，取得了预期效果。 关键词 天然气 气侵 油基钻井液 溶解 脱气 天 然 气 侵 入 油 基 钻 井 液 的 井 口 脱 气 分 离 技 术 刘 俊 1 谭山川

3、 2 方 敏 2 张 洪 2 罗永中 3 丁振龙 2 （ 1. 重庆市燃气集团公司 ，重庆 400020 ；2. 中国石油川庆钻探工程公司，四川 成都 610051 ； 3. 百勤石油技术有限公司 ，广东 深圳 518054 ） 收稿日期：2010- 02 - 25 修订日期 ： 2010- 04- 2 8 作者简介：刘俊 （ 1972 ） ， 女 ，高级工程师 ， 从事天然气机械设备及技术管理工作。 E-mai l ： ztshy 中图分类号： TE 254. 4 文献标识码：A 0 引 言 在 国 际 钻 井 服 务 市 场 上 ， 大 多 数 油 公 司 在 钻 探 探 井 、 超 深

4、 井 、 三 维 定 向 井 、 水 平 井 及 大 位 移 井 时 是 乐 意 选 择 油 基 钻 井 液 体 系 的 ， 以 支 撑 旋 转 导 向 和 随 钻 测 井 等 最 领 先 技 术 来 勘 探 开 发 油 气 田 1 。 油 基 钻 井 液 的 组 分 通 常 是 以 柴 油 或 无 毒 矿 物 油 作 连 续 相 ； 水 作 分 散 相 ， 水 含 量 为 10 % 40 % 不 等 ； 主 辅 乳 化 剂 作 油 水 乳 化 稳 定 剂 ， 以 有 机 酸 和 有 机 酰 胺 等 为 主 乳 化 剂 ， 可 生 物 降 解 的 烷 基 苯 磺 酸 钠 等 为 辅 乳 化 剂

5、 ； 有 机 土 为 分 散 胶 体 ； 氧 化 钛 铁 矿 或 重 晶 石 等 作 加 重 剂 ； 无 机 盐 调 节 水 相 活 度 ， 一 般 乳 化 水 即 为 20 % 的 氯 化 钙 盐 水 。 笔 者 就 天 然 气 侵 入 油 基 钻 井 液 后 的 运 移 膨 胀 进 行 探 讨 ， 并 提 供 一 种 可 供 现 场 应 用 的天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 。 1 油基钻井液井口脱气分离的必要性 天 然 气 与 柴 油 或 无 毒 矿 物 油 极 性 相 似 ， 具 有 互 溶 性 。 如 甲 烷 ， 在 标 准 状 况 下 其 在 石 油 中 的 溶 解 系 数

6、 为 0. 3， 在 水 中 的 溶 解 系 数 为 0. 033 2 。 然 而 ， 侵 入 油 基 钻 井 液 的 天 然 气 溶 解 度 大 小 则 受 多 种 因 素 影 响 。 可 以 定 性 地 认 为 ： 油 基 钻 井 液 的 介 电 常 数 ， 特 别 是 乳 化 剂 的 介 电 常 数 是 主 要 的 内 在 影 响 因 素 ； 在 地 层 条 件 下 ， 天 然 气 的 溶 解 度 还 随 压 力 的 增 加 而 增 加 ， 随 温 度 的 上 升 而 减 小 ， 且 压 力 的 影 响 远 大 于 温 度 的 影 响 。 天 然 气 在 油 基 钻 井 液 中 的 溶

7、解 将 稀 释 水 分散相 ，改变钻井液体系的油水比 。 有 人 对 富 含 地 层 水 的 凝 析 油 气 样 品 进 行 了 地 下 环 境 的 模 拟 测 试 ， 发 现 了 超 临 界 现 象 ， 当 压 力 降 低 至 某 点 压 力 后 ， 又 出 现 了 液 气 两 相 状 态 3 。 气 侵 油 基 钻 井 液 类 似 这 种 情 况 。 因 为 存 在 超 临 界 现 象 ， 处 于 临 界 压 力 和 临 界 温 度 以 上 的 流 体 对 有 机 物 的 溶 解 是 非 常 强 的 ， 所 以 在 高 温 、 高 压 井 中 ， 天 然 气 在 油 基 钻 井 液 中 有

8、 可 能 完 全 溶 解 凝 析 。 在 向 井 口 运 移 过 程 中 又 逐 渐 出 现 反 凝 析 现 象 ， 引 起 井 筒 气 液 体 积 比 急 速 升 高 ， 同 时 又 存 在 因 压 力 降 低 引 起 的 等 温 膨 胀 ， 等 组 分 体 积 随 井 内 压 力 的 变 化 关 系 相 当 复 杂 ， 值 得 进 一 步 进 行 理 论 推 导 和 模 拟 实 验 。 总 体 来 说 ， 在 从 井 底 侵 入 后 的 很 长 井 段 ， 气 侵 油 基 钻 井 液 的 等 组 分 相 对 体 积 变 化 极 小 ， 即 体 积 并 不 随 压 力 发 生 明 显 变 化

9、 。 只 有 在 接 近 井 口 的 几 十 米 或 几 百 米 时 ， 才 符 合 单 相 气 体 定 律 ， 即 气 体 体 积 与 压 力 呈 近 似 反 比 例 的 关 系 。 综 上 所 述 ， 油 基 钻 井 液 气 侵 即 使 很 严 重 ， 其 最 初 造 成 的 井 底 压 力 降 也 是 很 小 的 。 指 望 通 Vol. 4 ，No. 3 Jun . 2010 文章编号 ： 1673 - 9035 （ 2010 ） 03- 0027 - 02 天 然 气 技 术 Natural Gas Technolo gy 2010 年 第 4 卷 第 3 期 27/Natura l

10、 Gas Technolo gy 过 水 基 钻 井 液 气 侵 经 验 ， 即 通 过 钻 井 参 数 如 泵 压 、 钻 时 等 的 变 化 来 判 断 油 基 钻 井 液 的 气 侵 几 乎 是 不 可 能 的 。 由 于 天 然 气 的 溶 解 性 与 可 压 缩 性 ， 当 其 接 近 地 面 时 才 开 始 极 大 地 膨 胀 ， 之 前 的 录 井 气 测 也 监 测 不 到 ， 但 其 随 后 的 影 响 可 能 是 灾 难 性 的 。 在 接 近 井 口 几 百 米 甚 至 几 十 米 时 ， 天 然 气 突 然 喷 出 ， 可 能 引 起 爆 炸 与 火 灾 （ 特 别 是

11、 在 高 温 干 燥 季 节 ） 。 同 时 ， 天 然 气 喷 出 也 引 起 井 内 压 力 剧 降 ， 类 似 气 举 诱 喷 ， 地 层 天 然 气 再 次 侵 入 井 筒 。 即 使 关 井 ， 也 有 较 高 的 立 管 、 套 压 力 ， 可 能 憋 漏 易 碎 裸 眼 地 层 或 表 层 套 管 鞋 ， 天 然 气 甚 至 窜 到 地 面 ， 造 成 井 喷 失 控 。 所 以 ， 侵 入 油 基 钻 井 液 中 的 天 然 气 必 须 有 控 制 地 进 行 分 离 和 燃 烧 清 除 ， 特 别 是 含 有 H 2 S 的 天 然 气 必 须 进 行 燃 烧 清除 。 2

12、油基钻井液井口脱气分离装置设计 鉴 于 油 基 钻 井 液 气 侵 的 风 险 ， 在 钻 井 设 计 中 应 增 加 在 目 的 气 层 钻 进 时 使 用 旋 转 防 喷 器 与 液 气 分 离 器， 用于天然气的井口控制与分离 ， 如图 1 所示。 旋 转 防 喷 器 安 装 在 环 形 防 喷 器 上 端 ， 旋 转 防 喷 !“# $%789 ?/ 1 500 mm （ 书 书 书 ! 50 mm ） （ 书 书 书 ! 254 mm ） （ 书 书 书 ! 305 mm ） 书 书 书 ! 203 mm 书 书 书 ! 203 mm 书 书 书 ! 203 mm （ 书 书 书 !

13、 100 mm ） 6 000 mm 液气分离器 6 450 mm 1 500 mm 图 1 油基钻井液井口脱气分离装置示意图 器 的 排 浆 口 接 1 个 书 书 书 ! 254 mm 的 气 动 （ 液 动 ） 力 阀 ， 该 气 动 （ 液 动 ） 力 阀 又 与 钻 井 液 出 口 流 量 计 相 连 ， 共 同 组 成 钻 井 液 返 出 管 。 整 个 钻 井 液 返 出 管 全 部 硬 连 接 到 尖 斗 罐 上 的 钻 井 液 分 配 槽 ， 即 振 动 筛 前 安 装 气 测 录井探头 的钻井液 监测槽 。 钻井液分 配槽有 1 条固井 排污管线 连接到污 水池 。 旋转防

14、喷 器的灌浆 孔接 1 个 书 书 书 ! 50 mm 的 低 扭 矩 阀 与 自 动 灌 浆 泵 连 接 。 液 气 分 离 器 设 计 有 2 个 入 口 ， 1 个 与 节 流 管 汇 连 接 ， 用 于 关 井 脱 气 ； 1 个 与 钻 井 液 返 出 管 的 三 通 连 接 ， 用 于 钻 进 时 脱 气 。 液 气 分 离 器 的 出 液 口 也 连 接 到 振 动 筛 前 的 钻 井 液 分 配 槽 。 从 出 液 口 到 钻 井 液 分 配 槽 之 间 设 计 外 置 U 型 管 ， 以 自 动 调 节 液 气 分 离 器 内 的 液 面 高 度 ， 防 止 气 体 从 出

15、液 口 返 出 及 液 体 从 排 气 管 溢 出 4 。 在 U 型 管 底 部 安 装 1 个 书 书 书 ! 100 mm 的 排 污 阀 门 ， 以 防 管 线 淤堵 。 液气分离 器的排气 管线上也 安装 1 套气体取 样 器， 用于气测录井 。 钻 井 液 返 出 管 外 径 为 书 书 书 ! 305 mm ， 液 气 分 离 器 的 进 出 口 管 线 外 径 均 为 书 书 书 ! 203 mm 。 在 气 层 钻 进 时 ， 气 侵 油 基 钻 井 液 由 旋 转 防 喷 器 经 气 动 （ 液 动 ） 力 阀 和 钻 井 液 出 口 流 量 计 流 向 液 气 分 离 器

16、 ， 脱 气 后 再 流 回 到 振 动 筛 ， 整 个 管 路 能 承 压 1. 0 MPa 。 液 气 分 离 器 的 工 作压力为 0. 8 MPa ， 由排气管上的泄压阀调节 。 3 现场应用 角 51 - 1 FM 井 是 四 川 八 角 场 构 造 上 的 1 口 地 层 压 裂监测井 ， 其为定向 井 ， 按 5 段式剖面 进行设计 ， 水 平位移的 设计是按 第 5 段即直井 段距离邻 井水平段 约 100 150 m 来 考 虑 的 。 其 主 要 钻 井 目 的 是 ： 下 检 波 器到该井 的 XX 4 D 地层 ， 收集邻井 水平井相 同层位压 裂 时 的 地 震 资

17、料 。 在 完 成 相 关 地 质 资 （ 下 转 第 46 页 ） 第 4 卷 第 3 期 刘俊， 等：天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 28/Natura l Gas Technolo gy 口 坡 组 的 可 能 气 层 后 ， 对 上 部 的 高 压 气 层 和 易 垮 塌 层 进 行 了 封 隔 ， 为 下 部 安 全 钻 井 和 提 高 钻 速 提 供 了 保 障 ； 下 部 海 相 地 层 为 同 一 常 压 压 力 体 系 ， 可 采 取 措 施 获 得 较 高 的 机 械 钻 速 ； 预 留 了 一 层 套 管 层 次 ， 给 井 身 结 构 留 有 余 地 ； 此 套

18、 井 身 结 构 套 管 的 设 计 尺 寸 仍 是 目 前 在 用 的 尺 寸 ， 其 生 产 组 织 和 钻 井 工 作 较 成 体 系 ； 第 三 次 开 钻 可 用 书 书 书 ! 127 mm 钻 具 ， 解 决 了 目 前 元 坝 区 块 部 分 井 钻 具 负 荷 不 够 和 马 力 消 耗大的问题 1 。 3. 2 套管尺寸优化 第 一 次 开 钻 以 上 结 构 完 全 采 用 上 述 井 身 结 构 方 案 ， 第 二 次 开 钻 用 书 书 书 ! 311 . 2 mm 钻 头 钻 进 ， 钻 至 雷 三 段 完 钻 ， 下 入 书 书 书 ! 244 . 5 mm 套

19、管 ， 封 隔 陆 相 高 压 层 和 复 杂 层 ， 为 第 三 次 开 钻 用 低 密 度 钻 井 液 钻 海 相 地 层 提 供 保 障 ； 第 三 次 开 钻 用 书 书 书 ! 215 . 9 mm 钻 头 钻 至 设 计 井 深 完 钻 ， 下 书 书 书 ! 177 . 8 mm 套 管 完 井 ， 若 第 三 次 开 钻 嘉 陵 江 组 钻 遇 高 压 气 层 或 复 杂 情 况 ， 可 下 入 书 书 书 ! 193 . 7 mm 无 接 箍 套 管 将 复 杂 层 位 封 隔 ； 第 四 次 开 钻 用 书 书 书 ! 165. 1 mm 钻 头 钻 至 设 计 井 深 ，

20、 下 入 书 书 书 ! 146 . 1 mm 尾 管 完井 （ 表 3 ） 。 这 种 井 身 结 构 设 计 除 了 具 有 第 一 套 井 身 结 构 优 化 方 案 的 优 点 外 ， 书 书 书 ! 244 . 5 mm 套 管 不 仅 具 有 更 高 的 强 度 ， 而 且 质 量 问 题 明 显 减 少 ， 提 高 了 第 二 次 开 钻 套管下入的安全性 2 。 3. 3 非常规井身结构优化 具 体 方 案 为 ： 书 书 书 ! 508 mm 导 管 下 深 为 200 m ， 建 表 2 套管下深优化设计表 开钻次数 导管 第一次开钻 第二次开钻 第三次开钻 井眼直 径mm

21、 660. 4 444. 5 311. 2 241. 3 套管外 径mm 508. 0 339. 7 273. 1 177. 8 下深 m 200 3 200 5 200 7 000 下深原则 封 隔 疏 松 表 层 ， 建 立 井口 封 隔 上 沙 溪 庙 组 低 承 压 层 封 隔 陆 相 高 压 层 和 复 杂层 （ 上 接 第 28 页 ） 资 料 的 收 集 后 ， 或 射 书 书 书 ! 244 . 5 mm 套 管 测试上部 地层 ， 或以 XX 4D 为目的层 侧钻打成 另一口 水平井 ，或作为干井直接弃井 。 在 可 能 的 浅 层 油 气 层 钻 进 前 ， 钻 井 承 包

22、 商 按 作 业 者 要 求 安 装 了 油 基 钻 井 液 井 口 脱 气 分 离 装 置 ， 并 进 行 了 整 体 试 压 。 自 书 书 书 ! 311 mm 井 段 开 始 使 用 油 基 钻 井 液 ， 在 旋 转 导 向 钻 进 时 还 进 行 了 自 然 伽 马 和 电 阻 率 的 随 钻 测 井 。 钻 至 DA ANZHAI 地 层 ， 钻 井 液 密 度 为 1 . 50 g cm 3 ， 有 气 测 显 示 ， 最 大 全 烃 值 为 53 % 。 采 用 该 装 置 分 离 井 口 气 ， 未 进 行 加 重 处 理 ， 也 未 停 钻 。 依 测 井 资 料 分 析

23、 ， 气 测 显 示 地 层 为 低 渗 透 率 地 层 。 在 书 书 书 ! 216 mm 井 段 钻 进 时 ， 油 基 钻 井 液 密 度 为 1. 681 . 80 g cm 3 ，未有任何气显示 。 4 结论与建议 1 ） 天 然 气 侵 入 油 基 钻 井 液 的 井 口 脱 气 分 离 技 术 虽 然 在 设 备 安 装 与 费 用 控 制 方 面 有 待 改 进 ， 但 其 依 然 是 油 基 钻 井 液 钻 高 产 气 井 ， 特 别 是 钻 含 硫 高 产 气 井最安全的井控方案之一 。 2 ） 在 使 用 油 基 完 井 液 对 气 井 或 使 用 水 基 完 井 液

24、对 高 含 凝 析 油 气 井 进 行 测 试 时 ， 地 面 流 程 设 计 也 应 充 分 考 虑 天 然 气 在 完 井 液 中 的 溶 解 及 运 移 膨 胀 特 点 ， 采 取 多 级 降 压 、 远 程 开 关 、 多 路 放 空 以 及 多 套 流程共用与备用等测试措施 。 3 ） 对 于 陆 地 深 井 电 动 钻 机 ， 建 议 借 鉴 海 洋 钻 井 经 验 ， 逐 步 对 钻 井 喇 叭 口 与 钻 井 液 返 出 管 进 行 标 准 化 设 计 。 钻 井 喇 叭 口 长 度 可 调 节 ， 其 上 可 密 封 连 接 转 盘 底 座 ， 其 下 可 连 接 环 形 防

25、 喷 器 ， 除 去 调 整 占 位 短 节 后 可 连 接 旋 转 防 喷 器 ； 钻 井 液 返 出 管 与 钻 井 喇 叭 口 硬 连 接 ， 在 钻 台 以 下 部 分 用 支 架 固 定 ， 延 伸 至 钻井液罐振动筛部分是拆卸安装部分 。 参考文献 1 李 家 龙 ， 张 坤 ， 吴 仕 荣 ， 等. 超 低 密 度 硬 胶 极 压 型 油 包 水 乳 化 钻 井 液 在 广 安 002-H 9 井 的 应 用 J . 天 然 气 工 业 ， 2008 ， 28 （ 1 ） ：88- 90. 2 郭 昭 学 . 天 然 气 在 油 基 钻 井 液 中 的 溶 解 特 性 D . 四

26、 川 新 都：西南石油大学，2008. 3 李 建 伟 ， 赵 习 森 ， 周 小 平 ， 等 . 雅 克 拉 大 涝 坝 凝 析 气 田的相态特征 J . 天然气工业 ，2008，28 （ 8 ） ：84 - 85. 4 孙 振 纯 ， 王 守 谦 ， 徐 明 辉 . 井 控 技 术 井 控 设 备 M . 北 京：石油工业出版社，1997：106- 107. （ 编辑 ： 卢栎羽 ） 第 4 卷 第 3 期 陈明， 等：川东北元坝区块井身结构优化设计 46天然气侵入油基钻井液的井口脱气分离技术 作者： 刘俊， 谭山川， 方敏， 张洪， 罗永中， 丁振龙， LIU Jun， TAN Shan

27、-chuan， FANG Min， ZHANG Hong ， LUO Yong-zhong， DING Zhen-long 作者单位： 刘俊,LIU Jun(重庆市燃气集团公司,重庆,400020)， 谭山川,方敏,张洪,丁振龙,TAN Shan-chuan,FANG Min,ZHANG Hong,DING Zhen-long(中国石油川庆钻探工程公司,四川,成都,610051)， 罗永中,LUO Yong- zhong(百勤石油技术有限公司,广东,深圳,518054) 刊名： 天然气技术 英文刊名： NATURAL GAS TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2010,04(3)参考文献(

28、4条) 1.孙振纯;王守谦;徐明辉 井控技术井控设备 1997 2.李建伟;赵习森;周小平 雅克拉-大涝坝凝析气田的相态特征 2008(08) 3.郭昭学 天然气在油基钻井液中的溶解特性 2008 4.李家龙;张坤;吴仕荣 超低密度硬胶极压型油包水乳化钻井液在广安002-H9井的应用期刊论文-天然气工业 2008(01)本文读者也读过(10条) 1. 刘双全.汪雄雄.樊莲莲.韩东.LIU Shuang-quan.WANG Xiong-xiong.FAN Lian-lian.HAN Dong 喷射引流技术在排除井筒积液中的应用期 刊论文-天然气技术2010,04(3) 2. 杨建坤.YANG J

29、ian-kun 降低井下大修作业成本的对策以中国石油西南油气田公司为例期刊论文-天然气技术2010,04(4) 3. 何青琴.杨永全.何世明.刘永存.米庆.钟雨师.郭宏 低渗透油气田重复压裂诱导应力场模拟研究期刊论文-天然气技术2010,04(1) 4. 许云春.魏建军.陈东升.吴云利.XU Yunchun.WEI Jianjun.CHEN Dongsheng.WU Yunli 底水油藏电泵+喷射泵油水分采技术期刊论文-石 油钻采工艺2010,32(4) 5. 潘正富.PAN Zheng-fu 压裂酸化远程施工监测技术及其应用期刊论文-天然气技术2010,04(4) 6. 吴志坚.沈忠厚.杨令

30、瑞.Wu Zhijian.Shen Zhonghou.Yang Lingrui 高温高压下水平井钻井中的气体扩散研究期刊论文-天然气工业 2006,26(11) 7. 魏书宝.陈毅.王强.钟水清 堵塞球分段酸压技术在水平井的应用期刊论文-天然气技术2010,04(1) 8. 王娟.何素娟.李磊.卢栎羽.许红川.WANG Juan.HE Su-juan.LI Lei.LU Yue-yu.XU Hong-chuan 现场钻井液滤液碱度测定方法探索期刊 论文-天然气技术2010,04(3) 9. 雷宗明.郭青.龙翔.LEI Zongming.GUO Qin.LONG Xiang 钻井液气分离器最大处理量分析研究期刊论文-钻采工艺2010,33(2) 10. 危常兵.屈沅治.梁瑞丽.黄名召.李志刚.李官全.WEI Changbing.QU Yuanzhi.LIANG Ruili.HUANG Mingzhao.LI Zhigang.LI Guanquan 盖南1井钻井液技术难点及对策期刊论文-钻井液与完井液2010,27(4)本文链接：http:/