1、 石油工程钻井论文题 目： 气基流体空气钻井技术 专 业： 石油工程 中国石油大学( 华东)成人(网络) 教育毕业论 文i摘 要过去，对气基流体(空气、雾化液等)作为气体钻井循环流体缺乏深入的理论研究和现场应用经验。为适应新的气基流体钻井方式及钻井工艺技术的进步，开展了气基流体空气的应用技术的研究。空气作为循环流体，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼，如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。介绍了气基流体空气的携岩机理、空气量的计算方法、空气循环系统以及气基流体空气、雾液在现场的应用效果、空气钻井国内外应用现状、优缺点
2、及所用的设备.并阐述了空气钻井的一些关键技术,如钻具腐蚀问题、钻遇水层问题、固井等,最后介绍了空气钻井技术的改进技术 1.关键词: 气体钻井;气基流体;空气钻井; 携岩机理 ;钻具腐蚀 ;钻遇水层 固井石油工程钻井论文ii目 录前 言. 3第 1 章 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统. 41.1 基本概念 41.2 空气量的大小与井眼净化的关系 41.2.1 空气携岩机理 41.2.2 钻屑形状与下沉速度的关系 51.2.3 空气注入量的确定 61.3 气基流体(空气雾液)的循环系统 8第 2 章 空气钻井技术的国内外研究现状 102.1 空气钻井在国内外应用现状 .102.2 国内外关于
3、空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状 .112.3 空气钻井的优缺点比较 .122.4 空气钻井设备 介绍 .132.5 气体钻井所必需的条件井眼条件.13第 3 章空气钻井的关键技术与实例简 163.1 空气钻井与钻具腐蚀 .163.1.1 腐蚀物质与腐蚀形式. 163.1.2 防治措施. 173.2 空气钻井地层出水限定值 .18石油工程钻井论文iii3.2.1 地层出水对空气钻井的影. 183.2.2 地层出水后空气钻井方法. 193.3 空气钻固井技术实例 .223.3.1 平落 0065 井空井固井初 223.3.2 主要技术难点. 233.3.3 空井固井施工技术. 253.3.
4、4 现场施工技术. 263.3.5 固井技术总结. 27第 4 章 气体钻井技术 的改进 284.1 控制气体体系的压力 .284.2 控制压力钻井的目标 .294.2.1 液压系统. 294.2.2 气压系统. 294.2.3 气体流体钻井 误解. 304.2.4 没有适当控制井眼压力所造成的问题. 304.3 井下空气分流器(DHAD) .31石油工程钻井论文iv4.4 压力试验结果 .324.5 建议 .33结 论 .34参考文献 .35致 谢 .36石油工程钻井论文1前 言气体钻井技术就是以气体为主要循环介质的欠平衡钻井技术,主要有纯气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井液钻井 1。气
5、体钻井在国外应用已相当广泛，主要用于加快钻速，发现和保护气层，在低压破碎地层用气体钻井可以解决长段井漏问题。气体钻井首次使用是在19世纪中期，美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井（包括煤层气）的钻探和开发上，特别是在阿巴拉契亚山脉地区新墨西哥圣胡安盆地西得克萨斯等油田和钻井液易漏失的洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用 2，截至2000年，美国约30%的钻井和完井作业采用该技术，最深井5791.2m 2。石油工程钻井论文2第 1 章 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统1.1 基本概念气基流体空气钻井是利用大气中的空气或雾化空气流体作为钻井的循环介质，通过
6、特殊的气体钻井配套设备(空压机、增压机、空气锤、旋转防喷器及连接管汇等)将空气注入井下再携岩返至地面来进行钻井的一种工艺技术。气基流体空气是由空气、干燥剂、防腐剂以及其它添加剂按一定的比例混合组成。干空气和充空气、空气泡沫流体钻井是可使地层压力小于1.0的地层实现欠平衡钻进的钻井技术，是目前使用较多的一种气体型流体。1.2 空气量的大小与井眼净化的关系气基流体空气钻井中使用的循环流体是空气，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼。如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。因而在空气钻井作业中，空气注入量(空气流速)是安全钻井
7、的关键因素。1.2.1 空气携岩机理在空气钻井中，循环的空气对钻屑施加一个与钻屑重力方向相反的举升力，当举升力大于重力时，钻屑就沿井眼向上移动，相反钻屑就会沉降。由于钻屑自身重力不受空气流的影响，因而空气使钻屑向上运动有一个临界速度，当空气在环空中的流动速度超过临界速度时，钻屑就向上运动。如果钻屑的自由沉降速度为V t ，空气沿井眼环空向上的流速为V f ，那么钻屑向上的运动速度V c 可由下式表示：Vc = Vf-Vt (1-1)由公式(1-1)可知，钻屑的自由下沉速度越大，运移钻屑所需的空气石油工程钻井论文3流速越大。钻屑的自由下沉速度与钻屑直径、密度、形状和流体密度等因素有关。 研究发现
8、，球形微 粒的自由下沉速 度为：（1-2)在公示（1-2)中：dc为钻屑直径，mm；C d为阻力系数； c为钻屑密度，gcm 3； f为流体密度，gcm 3。1.2.2 钻屑形状与下沉速度的关系携带岩屑的阻力系数与雷诺数有关，可由钻屑在流体中的运动速度确定。研究发现，在空气钻井中，环空中的空气一般为紊流，这时钻屑的阻力系数与流动速度无关，为一定值。但阻力系数受钻屑形状的影响，扁平状钻屑的阻力系数为1.4，角状及次圆状钻屑的阻力系数为0.8。结合气体状态方程，可推导出扁平状钻屑的自由下沉速度为：（1-3）次圆角状钻屑的自由下沉速度为：（1-4）石油工程钻井论文4式中：T为井底温度，K；P为井底压
9、力，MPa。钻屑的自由下沉速度主要由钻屑直径、形状、井底温度和压力决定。但没有考虑钻屑之间或钻屑与井壁之间的相互作用，而这些作用会引起钻屑下沉速度的降低。从公式(1-3)、公式(1-4)可以看出，钻屑的自由下沉速度随钻屑直径的增加而加大，钻屑尺寸越大，要带出钻屑所需的空气流速就越大。同时，携带圆球形钻屑所需空气量比扁平状钻屑所需空气量大。1.2.3 空气注人量的确定为了有效携带钻屑，需要预测地面空气注入速度，而其与井眼大小、井深、机械钻速等有关。国外研究了多种预测方法，其中多数方法用于现场时都遇到一个共同问题，这就是难以提供钻屑的形状和尺寸。同时还需要知道井眼的几何形状，因为在井径扩大处，环空
10、空气流速会明显下降，携带钻屑的效果也会下降。Angel 提出了一种方法，该方法假设空气冲击每粒钻屑的动能与空气在标准状态下给予钻屑的动能是相同的。目前该方法已广泛成为预测空气注入量的基础。利用 Angel 软件，以某井为例，计算了 311.2mm 井眼与 127mm 钻杆环空、井深为 500m、机械钻速为 8mh、球形钻屑直径为 3mm 时空气注入量与注入压力、岩屑含量和岩屑运移速度的关系，分别如图 1-1、图 1-2 和图 1-3 所示。图1-1 注入压力与空气注入量的关系石油工程钻井论文5图1-3 岩屑运移速度与空气注入量的关系图1-1表明，随空气注入量增加，注入压力降低，最终趋于一个比较
11、恒定的值；图1-2表明，岩屑含量随空气注入量的增加而下降，当空气注入量达到一定值后，岩屑含量变化趋势减缓；图1-3表明，空气注入量增加，岩屑在环空的运移速度增加，当空气注入量达到一定值后，运移速度呈显著上升趋势。空气钻井时，对于 444.5 mm、311.2 mm、215.9 mm不同尺寸的井眼，一般情况下的注气量分别为180210、11015O、8O120 m3min。图1-2 岩屑含量与空气注入量的关系石油工程钻井论文61.3 气基流体(空气雾液)的循环系统空气钻井的流程大致是：空气-空压机-增压机-方钻杆-钻具-钻头-环空-井口-排砂管-排砂池。在空气钻井作业中，需要将压缩机系统的压缩空
12、气输送到钻机的立管管汇，因此就需要连接较大直径(76101.6mm)的钢管或软管。这些连接管线的额定压力值应与增压机的最大压力相匹配或更高。此外，在这些连接管线中应安装相应的单流阀、安全阀和球阀，以保护压缩机和便于泄压。在气体输入的主管线上要连接一根旁通管线(泄压管线)，方便在接单根或需要时泄压。旁通管线可以直接导流到排砂管线。另外在旁通管线与立管之间也需安装一条泄压管线，用以在接单根前放掉立管和钻具内的压缩空气，以便压缩机在接单根期间保持运转。旁通管线和泄压管线的直径一般为50.8 mm 3。石油工程钻井论文7第 2 章 空 气 钻 井 简 介2.1 空气钻井在国内外应用现状空气钻井是欠平衡
13、钻井的一个重要分支，与传统钻井液钻井相比具有明显的特征。空气钻井是指以空气作为循环介质进行欠平衡钻井，它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。空气钻井在美国及加拿大应用较为广泛。据文献记载空气钻井首次使用是在十九世纪中期，有文字记载的是1953年美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井(包括煤层气)的钻探和开发上。到70年代末，估计有10%的深井钻井和完井作业采用了空气与气体钻井技术。截止到2000年，据美国能源部统计30%左右的石油、天然气钻井和完井作业采用了该技术，最深井已钻达19000英尺，特别是在美国东部阿巴拉契亚山脉地区、新墨西哥州的圣.胡安盆地以及西
14、得克萨斯的某些油田和那些钻井液易漏失的地区如洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用。美国能源部要求，到2005年用空气或气体钻井技术的油井要达到30%以上，美国年钻井33000口左右，也就是说到2005年将有10000口以上的油井采用空气或气体钻井技术。近年来空气钻井在我国也得到了一定程度的应用并取得了良好的效果。例如，玉门青西油田的隆9井一开后，所钻遇的地层均为逆掩推覆体地层，由于逆掩推覆体老地层倾角大，最大达到70 o。裂缝发育，斜、跳、慢是制约该井机械钻速的主要因素，平均机械钻速约为0.58米/小时左右，机械钻速很低。为了寻求硬地层井段提高机械钻速的新方法，降低勘探开发综合成本，加快隆9井
15、推覆体井段钻井速度决定在2970至3300m井段采用空气(雾化)钻井枝术结果实验取得成功，机械钻速达到3.48-11.6米/小时左右，为原钻速的6-20倍。另外在长庆油田苏里格气田、四川油田的正坝1井、浅二井、长庆油田的陕242井、苏35-18井等等都曾采用过空气或气体钻井的方式，均取得了良好的效果。事实证明采用空气或气体钻井可大幅度地提高机械钻速，保护产层。同时在空气钻井工具上，我国也取得了突破性的进展。2001年，石油工程钻井论文8我集团公司国际工程公司在伊朗承包了欠平衡钻井项目，根据有关方面所设计的工程施工方案，需要空气或泡沫作为介质驱动螺杆钻具进行钻井作业。中国石油勘探开发研究院钻井所
16、和北京石油机械厂联合组成课题组，承担了集团公司科技发展部下达的“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”项目，旨在开发用空气及泡沫作为钻井介质的新型螺杆钻具K7LZ244样机并形成产品，以解决伊朗欠平衡钻井项目的急需，并为国内今后的欠平衡钻井及空气钻井提供一种实用工具。经过双方人员的共同努力，样机研制获得成功，并已在伊朗项目中使用，获得较满意的效果。2.2 国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状空气或气体钻井的理论研究第一个具有里程碑式的人物是D.J Martin，他于1952年发表的题为Use of Air or Gas as a Circulating Fluid in RotaryDr
17、illingVolumetric Requirements的论文，首次提出用数学的方法来预估干空气钻井所需的气量。尽管当时他没有考虑环空岩屑的影响，但是他启发了人们使用数学的方法来解决空气钻井的若干问题。1957年，PHILLIPS公司的R.R.Angel给出了第一个实用的计算公式，在这个公式里，Angel把所需流量与气体的密度，井眼的大小、深度，钻柱的尺寸以及机械钻速关联起来。该公式的影响极其深远，此后所推导的包含各种考虑因素的公式皆是在该公式基础上的修正或引用。比如:1980年，Ikoko和Williams就是把该公式与砂岩、石灰岩和页岩的颗粒运移速度以及环空摩擦系数关联起来。1984年，
18、W. C. Lyons总结了当时的各项公式，提出计算空压机和增压器所需功率的七个步骤，并与当年出版了第一版的Airand Gas Drilling Maunal。90年代早期，欠平衡钻井成为当时油气井钻井和完井工程的一项重要技术，同时空气与气体钻井技术的潜在经济效益和环保效益受到高度关注，促使他和同事于2001年再版Air and Gas Drilling Maunal 。近两年来国内外学者多把注意力放在环空携屑的研究上，例如Y. Masuda研究了泥浆钻井中弯曲井段环空携屑的规律并给石油工程钻井论文9出了控制方程; Liu HuiXing等研究了在实验室条件下环空携屑的各种情况并推导了携屑数
19、学模型，但其结果只停留在实验室阶段，未经现场实钻检验。中国石油勘探开发研究院钻井所硕士研究生庞保平的硕士论文空气钻井流体压力计算与空气螺杆马达的初步研究，对空气钻井沿程压力分布规律及空气螺杆马达的设计也做出了有益的探讨。2.3 空气钻井的优缺点比较空气钻井作为欠平衡钻井的一种特殊形式，具有自己显著的特点，应用范围亦有一定的限制。下面简要介绍一下哪些情况较适合空气钻井以及其局限性。(一) 空气钻井尤其适合用于下述情况1、地层岩石坚硬2、井壁稳定性强3、较少的地层流体侵入4、具有中低孔隙压力的地层5、缺水干旱地区6、对水基或油基钻井液敏感的地层(二) 空气钻井的局限性1、对地层流体的侵入控制力不强
20、。2、钻头的适用范围窄。由于空气对钻头的冷却作用不强，使得耐高温性能不强的金刚石类钻头较少应用于空气钻井中，因此在空气钻井中大多使用牙轮钻头。3、软地层不适用于空气与气体钻井。通常情况下软地层产生的岩屑尺寸较大，不利于在较大井深情况下气体携屑。4、井底着火。当井底烃类气体与空气混合达到一定比例后，就有可能发生燃烧 3。石油工程钻井论文102.4 空气钻井设备介绍空气钻井中所用设备和井场布置明显有别于传统钻井方式，现简要介绍一下主要设备的功能及其井场布置原则。(一)、空气钻井井场布置图图2-1 空气钻井井场布置图下面简单介绍一下图2.1各部分设备的功能:空压机:空气钻井中最主要的设备，高压气体产
21、生的源泉。增压机:提高压缩空气的压力等级，以补偿当空气钻进时使用小尺寸喷嘴或井下动力钻具造成的过大的压力损耗。增压机控制阀:由于控制增压机移出或接入空气循环系统。流管中的安全阀:当流管中气体压力过高时，通过开启安全阀释放过高的压力。液体注入泵:由于地层大量出水而需将空气钻井转为雾化或泡沫钻井时，用来向空气中加入水或起泡剂;或向空气螺杆马达注入润滑剂时使用。石油工程钻井论文11固体注入泵:当地层出现少量水时，可向井筒内注入干燥剂，有利于气体携屑。压力计、温度计、流量计:用来监测流管中气体状态.泥浆罐:储备泥浆，用于特殊情况下，由空气钻井转为常规泥浆钻井时使用.压力释放管线:用于释放空气流动系统中
22、过高的压力。常用于起下钻、接单根或其它需要开口操作的场合。空气吸湿器:干空气钻井时要求空气进入井筒前除去水分。当空气较湿润时，经过空压机压缩后，空气中可能有水分析出，因此使用空气吸湿器除去水分。排出管线:从环空中出来的气固混合物通过排出管线排离钻台，其内截面一般应为井口环空截面的1.1倍。排出管线的控制阀:用于控制井口回压，也可用于配合试井测试.岩屑捕获器:用于获得井口处的岩屑样本。气体探测器:用于检测烃类气体，便于钻工采取安全措施。减尘器:用于向排管内的气固混合物喷水，减少粉尘污染。燃烧池:用于沉降岩屑和燃烧井底产生的烃类气体。引火器:将从排管中带出来的井底产生的烃类混合气体点燃，保证安全钻
23、进。(二 )、井口设备石油工程钻井论文12图 2-2 井口设备布置图旋转头:它分为旋转与非旋转两部分。旋转部分可以和钻柱一起旋转。非旋转部分和同密封装置配合，使从环空中出来的含岩屑的气流流向排出管线，保证钻井平台和人员的安全。防喷器组合：空气钻井中主要使用两种防喷器。一种为环形防喷器(或旋转防喷器)，它靠液动作用使胶芯挤向井口中心，直到抱紧钻具或全封闭井口，从而实现其封井的目的。另一种为闸板防喷器，要求半封、全封齐全 4。2.5 气体钻井所必需的条件井眼条件气体钻井所必需的条件包括以下几方面： 能够准确预测现场不同情况时井下流动条件下的气体钻井模型，即能够预测各种井深下的井径扩大、气体侵入、液
24、体侵入、气体从钻柱内分流至环空； 便于调节空气流量、钻柱几何尺寸、井眼几何尺寸； 井下空气分流器能够在最合适的井深将一定量的气体分流至环空，能够更有效地利用分流气体的能量。石油工程钻井论文13通常情况下，采用合适的模型和井眼几何尺寸能够获得令人满意的经济效益。不过在大多数情况下，有必要在底部钻具组合之上分流一部分气体。能够利用通常不再受摩擦影响的能量是有益的，在地面和井下都能发现其优势。石油工程钻井论文14第 3 章 空气钻井的一些关键技术3.1 空气钻井与钻具腐蚀3.1.1 腐蚀物质与腐蚀形式1）. 腐蚀物质空气钻井腐蚀钻具的主要介质是空压机注入的空气，其次是地层盐水和硫化氢。在注入的空气中
25、含有21的氧气和不到1的二氧化碳。氧气在水中溶解度约10mgL，二氧化碳在空气中含量虽小，但它在水中形成碳酸，不但自身腐蚀钻具，而且在酸性状态下，加剧氧化和电化学腐蚀。虽然井史中介绍，地层可能含有硫化氢，但空气钻井时没有检测到硫化氢气体，所以它的腐蚀并不严重。空气钻井过程中，真正腐蚀钻具的物质是地层水，地层水的pH值小于7，造成酸性腐蚀；地层水为氧和二氧化碳的腐蚀提供了条件，干燥的氧气和二氧化碳是不腐蚀金属的，只有在潮湿的环境下，腐蚀才会发生。地层水不仅提供了潮湿环境，而且含有电解质，具有导电性，更有甚者，它还显酸性，加剧腐蚀，是氧和二氧化碳腐蚀的土壤和温床。2）. 腐蚀物质 氧、二氧化碳和盐
26、水腐蚀钻具的主要形式是坑点腐蚀和失重腐蚀，这种腐蚀易引起钻具疲劳、穿孔、断裂，导致钻具寿命缩短和井下严重事故发生。3）. 腐蚀机理氧气的腐蚀2Fe+1.5O2+H2O2FeO(OH)Fe 2O3+H 2O石油工程钻井论文15二氧化碳腐蚀Fe+CO2+H2O=FeCO3+H 2硫化氢腐蚀xFe+yH2S=(Fe)xSy+yH 2酸性盐水腐蚀Fe+2H+=Fe+H2流速：环空流速越快、冲蚀与腐蚀越严重。3.1.2 防治措施空气钻井离不开空气，要清除空气中的氧气也是不可能的。由于空气钻井的气柱压力很低，不让地层流体进入井眼也是不可能的。必须根据井下情况采取合理措施，扬长避短。既要发挥空气钻井的优势，
27、提高机械钻速，缩短钻井周期，又要尽可能地减轻腐蚀，保护钻具，延长使用寿命，提高经济效益。因此，空气钻井时，应采取以下工艺措施。1）. 干地层使用纯空气钻井由腐蚀机理可知：空气(氧气和二氧化碳)对钻具产生腐蚀，必须有水存在。在干燥环境下，空气不腐蚀钻具，所以，当地层不出水时，可以进行干空气钻井。2）低压水层使用干泡沫钻井当地层出水后，氧和二氧化碳对钻具的腐蚀作用开始发生。而且，由于地层出水，必须增加3040空气排量进行雾化钻井。因气柱压力增高，氧在水中的溶解度增大，氧对钻具的腐蚀加剧。在这种情况下，必须采用干泡沫钻井。即通过泵入7.537.9Lmin的加有缓蚀剂的高pH、高发泡剂浓度的发泡液，保
28、护钻具，捕集水流，将钻屑和水流带至地面。3）. 在高压水层使用泡沫钻井石油工程钻井论文16当地层出水量较大，含盐量较高时，干泡沫钻井无法作业，必须采用泡沫钻井。这样既可降低空气排量和环空返速，减少钻具冲蚀，又可用泡沫将空气包裹起来，减少空气与钻具接触的机会。同时，通过高pH值和缓蚀剂的协同作用，减轻钻具腐蚀。3.2 空气钻井地层出水限定值采用空气钻井时，经常会遇到地层出水的情况，大多认为在出水量达到5m 3h就应该转化成雾化钻井或其它方式钻井，更有甚者认为出水量大于2m 3h时就应该转化 5。事实上不同的地层岩石特性不同，对于地层出水的限制也应该不同，所以应根据裸眼井段的地层岩性、井壁稳定性、
29、裸眼井段是否有漏失层等条件而定。空气钻井中遇到地层出水时就要转化为雾化钻井或泡沫钻井，国外推荐在地层出水大于2m 3h时就要转化，国内采用空气钻井时通常的做法是地层出水大于5m 3h，转化为雾化钻井，现场施工措施中有时还要求更严，当地层出水大于3m 3h就要求转化为其它的钻井方式。这一规定没有考虑地层岩性和物性，对某些地层来说这一要求过严，因而在一定程度上会影响到空气钻井的应用范围，本文就对这一问题进行探讨。3.2.1 地层出水对空气钻井的影响(1)引起卡钻。地层出水引起岩屑吸水，岩屑就会水化膨胀，当地层出水较多时，岩屑容易粘糊成团，在井眼的周围形成泥环，从而引起卡钻。(2)井下着火。井下着火
30、是空气钻井的一大缺点。空气钻井作业时，若有地层水进入井眼，使钻屑变湿形成泥环，井内流动受阻，井下压力迅速上升，泥环以下的气体温度升高，这时，即使天然气等烃类物质进入井眼的流速很低，也可能会迅速形成可燃的混合物。一旦混合物达到燃烧范围，混合气体压缩本身就可能会引起燃烧。另外，钻柱与井壁的摩擦、钻头在石油工程钻井论文17钻硬地层时会产生火花也会把井下 昆合气体点燃。(3)空气量增加，作业费用增加。空气钻井时，当地层出水后，不但要把岩屑带出井眼，同时还要把地层水带出井眼。在相同条件下，地层出水与地层不出水相比，就需要更多的空气量 5。3.2.2 地层出水后空气钻井方法1）.裸眼井段无漏失层此种情况较
31、简单，只需要考虑地层的岩性、井壁稳定性。为了了解不同岩石吸水膨胀性能，对四川角611B井从蓬莱组大三，麻18井云岩做了室内吸水膨胀实验。实验是按照中华人民共和国石油天然气行业标准参考文献进行的 6。页岩膨胀实验是让页岩岩屑直接与水接触，测定岩屑在不同时间的线膨胀百分数。页岩吸水膨胀百分数的测定是在限制条件下，只允许岩屑在一个方向膨胀。不同页岩的膨胀性强弱，用相同条件下测定的2h和16h的线膨胀百分数来进行比较，表1选取具有代表性的几种岩样的吸水膨胀试验数据。这里只对易水化膨胀的岩石做了吸水膨胀实验。从表1数据看出，不同地层有不同的吸水膨胀特性，差异还较大。2h的吸水特性与16h的吸水特性相差不
32、大。同时也可看出不同岩性的吸水膨胀有较大的差别。从前面地层出水对空气钻井三个方面的影响中可以看出，除需要额外增加空气量之外，其余两个因素都与地层岩屑吸水后膨胀有关，因此对于有些地层，如吸水性小的碳酸盐岩地层，钻屑本身基本上不具有吸水膨胀的特性，或者吸水膨胀很小，而且岩屑吸水后本身不会粘结成团，那么此时的空气钻井中就不会发生由于地层出水使钻屑粘结成团而引起的卡钻事故，也不易引起井下着火，即是说此时的空气钻井是安全的石油工程钻井论文18。表3-1 岩石吸水膨胀实验结果注：表中H原表示原始岩屑高度，H2表示2h后测得高度，H16表示16h后测得高度。当然这种情况下的空气钻井，在地层稳定、岩性吸水膨胀
33、能力弱，空气量足够，即空气量能及时将地层水带出到地面，且地面对地层出水有足够处理能力的条件下，完全可进行空气钻井。如大天9井嘉陵江地层空气钻井中，初步测量在地层出水量达到30m 3h，空气钻井仍能正常钻进。地层出水量非常大，注入的空气量不足以将地层水完全带到地面，此时就需要转化成充气或常规钻井液钻进，以使液柱压力平衡水层压力，尽量少让地层水出来或者不让地层水出来。当地层有水产出时，地层岩性主要是砂泥岩或页岩，而这些岩屑吸水后会粘结成团，在井眼里可能会形成滤饼环，从而引起卡钻事故，这样的地层就不适宜进行空气钻井。事实上，在这种情况下，地层的准确出水量是难以测量的。一方面，地层水要被钻屑吸收一部分
34、，所吸收水量与钻时有关，当钻速快时，钻出的岩屑多，被石油工程钻井论文19钻屑吸收得就多。另一方面，在地层水被携带出井眼的过程中，也会被井壁吸收一部分，如果吸收地层水的井段越长，吸收地层水就越多。因此，遇到这种情况，就要十分慎重，并不一定就非要地层出水量达到3m 3h或者5m 3h才转化成其它的钻井方式。如果发现上提钻具重量增加或发现井下不正常就应及时转化，以免造成不必要的事故。2）.裸眼井段有漏失层当裸眼井段有漏失层时，除考虑钻屑吸水膨胀特性、井壁的稳定性外，还要考虑漏层位置、漏失压力等因素。空气钻井作为治理复杂井漏的有效措施之一，但当地层出水后，特别是当裸眼井段既有水层又有漏层时的处理与单一
35、漏层或单一水层或地层不出水相比，有很大的不同。（1）. 上部裸眼井段只有漏失层上部裸眼井段有单一的漏失层，且上部裸眼段无水层，正钻进地层出水，如果钻屑不易吸水膨胀且上部地层吸水后稳定，在空气钻井中只需气固两相流动时在漏失层处形成的压力小于漏失压力即可正常钻进。如果气一固两相流动时在漏失层处形成的压力大于漏失压力，且钻屑容易进入漏失层，也仍然可以正常钻进；如果岩屑进不漏失层，那么就需要进行堵漏等作业后才能继续钻进。如果上部地层吸水后变得不稳定，采取相应的堵漏措施时，就应转化成泡沫或常规钻井液钻进。（2）. 正钻进段有漏失层对于漏失层、水层共层的恶性漏失井段，一般情况漏失压力等水层压力，这种情况理
36、论上讲只要循环流体在井底产生的有效静液柱压力小于漏失层压力即可钻过漏层。但这个压力(密度)窗口太小很难控制，而且这种地层水的绝对压力都很低。因此在空气钻进中，地层水一般将进入井筒。如果钻屑能全部进入漏失层，那么可正常钻进，否则可采取增大空气注入量、适当控制钻进速度或采取相应的堵漏等措施后，达到正常钻进的目的。石油工程钻井论文20（3）. 上部地层是出水层，正钻进地层是漏失层若在漏层上部井段有水层。若水层压力小于漏失层压力，水层可能先漏失。如长庆油田陇东庆阳一马岭一带的洛河水层，但通常情况若漏层为一常规堵漏方法都无法堵漏的地层，那么水层压力比漏层压力大。在这种情况下是否可采用空气钻井钻过漏层，主
37、要取决于漏失压力的大小和上部地层的出水量。如果地层出水量大，增加空气排量后而能将地层水和钻屑带入漏失层，此时不管地层出水量是多大都还可以进行空气钻井，否则就不行。无论是漏层与水层同层，还是漏层与水层不同层，采用空气钻过漏层中遇地层出水，只要井壁稳定，岩屑吸水膨胀小，有足够的空气量，就仍可采用空气钻井，否则就应该转化成其它方式的钻井。因此采用空气钻井时，在地层出水后，应该根据所钻地层岩石特性和井眼具体情况确定是否仍采用空气钻井，离开这些具体条件只考虑地层出水量的大小这一因素是不全面的。3.3 空气钻固井技术实例3.3.1 平落 0065 井空井固井初探平落0065井是平落坝低压易漏地质构造上的一
38、口排水井。设计311.2mm井眼采用空气钻井技术钻至井深1650m下入244.5mm技术套管。为了解决空气钻井达到设计井深后，替入水基钻井液再下套管、注水泥固井面临井壁水化失稳和井漏等问题，第一次实施了空气正注水钻井液固井作业。分析了空气固井的7项技术难点。空气通井采用了模拟钻具配合划眼、加大排气量清扫技术，下套管采用了加长铝质引鞋配合平稳控制下放速度技术，注水泥采用内插管配合施工参数动态监测技术。介绍了现场施工过程中井眼准备及管柱下入、注水泥等工序，值得借鉴和推广。施工顺利，固井质量合格，创造了该地区244.5 mm套管空井固井最深纪录，丰富了空气钻井石油工程钻井论文21技术。近年来，四川盆
39、地应用气体钻井技术在提高钻井速度、防漏堵漏、发现和保护油气层等方面取得了明显效果 9。但现场实践表明，空气钻井完成钻井目的后，为了进行表层套管或技术套管固井，需要再替入水基钻井液。这就和水基钻井液完成钻井目的一样，面临井壁水化失稳和井漏两大技术难题 10。因处理井壁失稳和井漏等井下复杂情况要花费大量时间和钻井材料，无法获得气体钻井既得经济效益。因此，空气钻井完成后，在不替人任何液体钻井液的情况下，如果能直接进行表层套管或技术套管固井即空井固井，就可以减少替人钻井液、避免处理井下复杂等中间环节，从而减少钻井液处理剂，缩短钻井周期，降低钻井综合成本。平落0065井空井固井就是在这个目的的驱动下进行
40、的川渝地区第一口空井固井尝试 7。3.3.2 主要技术难点平落坝构造中上部地层具有低压易漏、油气显示弱、地层相对稳定等特点，比较适宜采用气体钻井 2。为加快钻井进度，从根本上规避工程复杂情况。平落0065井在空气钻成井眼后，不再替人钻井液，而是直接进行下套管和注水泥固井施工作业。现场研究表明，空井固井与常规固井作业相比，主要存在以下技术难点：(1)井眼稳定与岩屑清除比较困难。采用空气作为循环工作流体钻成的井眼，井壁干燥，孔隙、裂缝基本保持原始状态，但各个地层地质构造应力不尽相同。因而，在没有液柱压力的情况下，坍塌压力很容易使井眼掉块、坍塌进而失稳。如果依靠空气彻底清除钻屑和掉块，现场施工比较困
41、难，特别是体积较大的掉块。(2)固井过程中极易井漏。一方面是由于水泥填充原始孔隙、裂缝，需要一定量水泥浆，属渗漏；另一方面是由于地层本身承压能力不高，注入水泥浆时，液柱压力一般远大于地层漏失压力，造成地层漏失，损失水泥石油工程钻井论文22浆，属压漏。(3)水泥浆非连续流动造成施工参数难以控制。在水泥浆重力、地层与水泥浆液柱压差的作用下，水泥浆注入空井过程中无法形成连续流动，注水泥施工压力、排量设计困难，施工参数也不可能准确反映井下实际情况。(4)水泥浆较长时间对井底高能冲击损坏固井工具及固井附件，还可能引起环空堵塞。水泥浆从1000m以上的井口自由下落，沿程对固井工具及套管附件冲击力很大，施工
42、时间较长，容易造成固井工具及套管附件损坏及失效；另外，水泥浆的冲击和不可避免的失水会使干燥的井壁失稳掉块，水泥浆具有较强的携带能力又容易造成井壁掉块及原井眼的钻屑聚集，增加了环空堵塞的机率。(5)常规双胶塞固井时，套管内容积较大，水泥浆配浆量精确设计。施工过程中，井下出现水泥浆漏失时，掌握和控制水泥浆返高困难。(6)要求水泥浆性能良好。水泥浆不仅需要具有高早强、低失水、零析水、微膨胀、低渗透、沉降稳定性好等特点，而且需要在干燥环空中长时间流动时，保持良好的流变性。(7)井下不确定因素多，潜在风险大。空井注替涉及工作环节多、工作量大，而且各环节存在大量的潜在因素，稍有不慎，很可能引起其它风险因素
43、，因此施工难度大，风险高。针对以上难点，平落0065井在空井固井时运用了较为全面的空井固井施工技术，为顺利完成该井固井做了充分准备。3.3.3 空井固井施工技术1）通井技术下套管前，第1次采用通井的钻具结构为311.2钻头+630730双母接头+228.6mm常闭止回阀+228.6mm减震器+228.6mm钻铤1根+ 298稳定器+228.6 mm钻铤2根+731630接头+203.2mm钻铤1柱+631410接头+177.8mm钻铤石油工程钻井论文23+411410短节+411411双公+178mm随钻震击器+177.8mm钻铤3根+127mm钻杆；第2次通井在第2根228.6mm钻铤之上再
44、加入1只295稳定器。这种钻具结构和钻井时使用的钻具结构一样，称为模拟钻具结构。空井通井时，首先要防止始终处于拉伸状态下的钻具事故；二是合适的通井稳定器大小及安放位置，是通井及套管柱顺利下入的关键。通井时，遇阻卡井段必须坚持划眼和短程起下钻，不能强拉硬放；通井至井底加大气量循环，确保井眼清洁。2）下套管技术确保空井下套管顺利应从设计和现场工艺两方面人手。设计引导性好的加长铝质引鞋，减小下入阻力。设计合适数量的刚性扶正器，增强套管柱过台阶能力并提高其居中度。注水泥浆结束后，底部套管承受较大的外挤力，若水泥浆能返至地面，外挤力将更大，回压凡尔所受的上顶力也很大，套管可能会被挤扁，浮箍工作的可靠性也
45、难以保证。因此，设计时应充分考虑套管、套管附件的机械性能，并进行相应的模拟计算与校核；现场施工时，套管进人裸眼井段后严格控制下放速度并操作平稳，防止套管碰撞井壁引起井壁掉块，给下步施工增加困难。3）注水泥技术常规注水泥技术一般采用在注水泥替人前置液，而空井固井在注水泥施工过程中不宜采用前置液，这主要是由于水泥浆重力造成的。若施工前期注入低于水泥浆密度的前置液，随后注人的水泥浆以自由落体的速度坠人前置液 造成混浆，影响水泥浆性能而且降低水泥浆的胶结强度。内插管注水泥工艺目前看来比较适合空井注水泥。单位长度的外径127mm插入管柱内容积与外径339.7mm、244.5mm套管柱内容积比，分别为l：
46、8、1：4左右。充填满内管柱的注入量远小于非插入式固井，套管柱外环空更易充填水泥浆。固井附件也可迅速淹没在水泥浆中，减小了空井水泥浆对附件的冲击破坏；与此同时，注入的水泥浆基本上直接向环空流动，便于施工参数动态监测，有利于及时发现和处理井下复杂情况 6石油工程钻井论文243.3.4 现场施工技术1）井眼准备与管柱下入平落0065井311.2mm井眼采用空气钻井技术钻至井1650m，按照设计要求加人298、295扶正器，空井通井2次，确保井眼通畅、清洁后，下入套管到指定位置。人井管串结构为：引鞋0.60m+套管鞋0.27m+244.5P11010.03mm套管2根19.62 m+浮箍0.30m+
47、244.5P11010.03mm套管3根29.13m+浮箍0.3Om+0244.5P11010.03mm套管1根9.93m+插管座0.25m+244.5P11010.03mm套管162根1579.71m+双公短节0.25m+悬挂器0.59m+联入8.48m。为防止大排量气体对人井固井附件的损害，未进行空气循环吹扫，直接下入127光钻杆加内插管管柱注水泥。2）注水泥固井准备结束后，清水冲洗内插管，试压25.0MPa稳定，然后排出地面管线清水。注水泥领浆10m 3,密度1.74gcm 3。注夹江G级高抗水泥浆68.0m3，密度1.88gcm 3。水泥浆返出地面后，停止配注水泥浆。替配浆水15m 3
48、，环空出口返出约15m 3。替浆结束检查无回流，拔出插入管，起钻完，候凝。施工过程中对流量变化和压力变化进行了现场监测。监测表明，水泥浆在充满上套管鞋以上管柱前和替配浆水时，流量和压力变化剧烈，再次印证了空井固井的难点；水泥浆开始进入环空流量和压力整体变化不大，也即形成了“U”形液柱 7。3.3.5 固井技术总结(1)平落0065井是川渝地区套管下深最深的第一口44.5mm技术套管空井固井作业，不但实现了低压易漏地层一次性正注水泥浆全封固，而且固井质量合格。该井顺利施工为今后空井固井作业提供了可借鉴的经验。(2)空井固井能够实现环空水泥浆的全充填，解决了空气钻井后注入常规钻井液后再固井带来的井壁稳定、经济效益问题，是气体钻井技术的补石油工程钻井论文25充和延伸。对于提高固井质量，缩短钻井周期，降低钻井成本，加快勘探速度和推动钻井技术进步，具有重要的现实意义和良好的社会经济效益。(3)空井固井在平0065井的应用成功，填补了空气钻井技术领域的一项空白，但是，它仅仅是空井固井技术的一次有益尝试，应用和推广该技术，需要在固井工艺、施工参数设计、防止管鞋替空等方面，做进一步研究和试验。
