气体钻井技术在龙岗1井的试验与认识.pdf

1 6 钻 采 工 艺 DRI L U NG ＆ P R0DUC TI ON I 1E CHN0L 0GY 2 0 0 9年 1 1月 NO V ．2 0 0 9 气体 钻 井技术在龙 岗 1井的试 验与认识 余锐 ， 许期聪 ， 艾惊涛， 裴 昆 川庆钻探 工程有限公司钻采工艺技术研究院 余锐等． 气体钻井技术在龙岗 1 井的试验与认识． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 6 1 61 9 摘要龙岗1井是龙岗构造上一口风险探井， 设计井深 6 3 1 6 m， 由于地层可钻性差， 采用常规钻井工艺机械 钻速低， 且极易发生钻具事故。龙岗1井钻井采用纯空气、 氮气钻井试验的结果表明， 采用气体钻井技术后机械钻 速比邻区提高了3～ 4倍 ， 减少了井漏和断钻具等井下事故， 保证了井下安全， 试验所用空气锤还具有很好的防斜 打快效果 。 关键词 气体钻 井； 优 化设计 ；空气锤 ； 机械钻速 ；防斜打快 ； 钻 井周期 中图分类号 T E 2 4 2 文献标识码 A DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 67 6 8 X ． 2 0 0 9 ． 0 6 ． 0 0 5 龙岗 1 井设计井深 6 3 1 6 m， 设计勘探层位为二 叠系长兴组 ， 勘探 目标 为龙 岗生物礁地震 异常区。 该构造陆相侏 罗系厚度 3 5 1 6 m， 三叠系须家河组厚 6 0 0 m， 埋深 4 1 1 6 m， 具有含气丰富 、 超压实的特点 ， 钻探难度大。 针对龙 岗 1井井 眼尺寸 大、 裸 眼段长 、 可钻性 差、 易发生断钻具事故等难点 ， 在 0 3 1 1 ． 2井眼段采 用空气锤 、 牙轮钻头交替钻 进 ， 0 2 1 5 ． 9井 眼采用氮 气钻进 ， 并从井身结构、 钻井参数等方面进行优化 ， 达到了充分利用气体钻井技术手段大幅提高本井上 部大尺寸井段机械钻速、 大大缩短钻井周期、 节约钻 井成本的 目的； 并通过现场试验进一步完善了气体 钻井工艺技术 ， 摸索出一套空气锤的使用规律。 一 、龙 岗 1井气体钻 井方案优化 1 ． 井身 结构优 化 结合龙 岗 1井井深、 可钻性差 、 井漏复杂、 含气 层段多 、 地表水丰富的特点 ， 经过气体钻井地质适应 性评价研究 、 燃爆基础理论研究、 地层油气水分布规 律及压力特征研究 ， 制定如下 图 1 所示井身结构及 气体试验方案。该井身结构有效封隔 了浅层水 ， 为 3 1 1 ． 2 mm井眼气体钻井创造了有利条件。 2 ． 钻井参数优化 运用多相流理论 和数值模拟 的方法 ， 分析 了注 气量与井眼尺寸、 钻具尺寸 、 井 内温度、 岩屑尺寸 、 井 底流压 、 井 口套压 、 岩屑密度 、 机械钻速等的关系 ， 建 立了实现 目标机械钻速所需注气量 的计算方法 ， 为 气体钻井设备配套 、 进一步提高机 械钻速找到了理 论依据。 由数值模拟提出 当设定机械钻速为 2 0 m ／ h ， 地层不 出水、 不 出气条件 下 ， 注气量达 到 1 4 0 m ／ mi n时井底压力 达到最低值 ， 在此注气量下对井底 流速、 岩屑返速、 环空岩屑浓度分布等影响因素进行 模拟得知， 此时已经能够满足安全钻井的需要 ， 再增 大注气量并不能够大 幅度降低岩屑浓度 ， 说明此注 气量已经能够满足清洁井底的需要 见图 2 。考虑 到气体钻井的井眼扩大率并结合龙岗 1 井实际情 况 ， 适当增加 了气量 ， 具体钻井参数如表 1 。 根据 上述 优化 参 数 ， 配 置 了累计 供气 量 2 0 0 m ／ mi n的供气设备和 9 0 I n 。 ／ mi n的氮气设备 ， 现场 试验表明 ， 该钻井参数完全能够满足安全钻井的需 要 ， 能够保证高机械钻速状态下的携屑要求 ， 还有一 定的富余气量 ， 能够满足处理常见井下复杂的要求。 二 、 龙 岗 1井现场试 验概 况 0 3 1 1 ． 2井眼空气钻进井段 7 9 1～3 4 4 0 ． 6 0 m， 空气钻井进尺 2 6 4 9 ． 6 0 m， 占设计井深的 4 1 ． 9 5 ％， 平均机械钻速 2 4 ． 1 7 m／ h 。其 中 8 0 7 ． 7 7～2 5 2 0 ． 5 9 m和 3 0 9 4 ． 3 7～ 3 1 6 0 ． 5 2 m井段采用空气锤钻进 ， 总进 尺 1 7 7 8 ． 9 7 m， 占纯 空气 钻 进 段 总 进 尺 的 6 7 ． 1 4 ％ ， 平均机械钻速 2 6 ． 1 2 m ／ h 。所钻层位 遂 宁组 ～沙溪庙组 、 凉上 ～大安寨 ， 主要岩性 紫红色 收稿 日期 2 0 0 9 0 7-_0 9 作者简介余锐 1 9 8 2 一 ， 助理工程师， 2 0 0 5 年毕业于西南石油大学石油工程专业， 现从事气体钻井技术研究及现场工程技术服务。地 址 6 1 8 3 0 0 四川省广汉市中山大道南二段， 电话 0 8 3 8 5 1 5 2 0 9 3 。 第 3 2卷第 6期 Vo 1 ． 3 2 No ． 6 钻 采 工 艺 DR I L L I N G＆ P R 0 DU C T 1 0 N T E C HN 0 L 0G Y 1 7 泥岩、 绿灰色砂岩夹页岩 ， 钻具组合 K Q C 2 5 7 F 0 3 1 3 空气锤 回压凡尔 0 2 2 8 ． 6无磁钻铤 0 2 2 8 ． 6钻 O 6 6 3 1 3 2 5 1 9 8 9 2 6 5 2 撒3 3 1 5 3 9 7 0 46 41 5 3 0 4 5 9 6 7 6 6 9 0 密度 g ／ c m3 1 ． O 1 ． 5 2 ． O 铤 3根 0 2 0 3 ． 2钻铤 6根 0 1 7 7 ． 8钻铤 3根 0 1 3 9 ． 7钻杆 01 2 7钻杆 转盘。 图1 龙岗1 井井身结构图 表 1 龙岗 1井 3 1 1 ． 2 m m井 眼空气钻 井参数 井段 层位 钻头 钻井介质 钻压 转盘转速 立压 注气量 IT I 类 型 g ／ c m k N r ／ m i n MP a In ／ m i n 7 9 1 ～3 4 4 O 遂宁组 ～ 须家河顶 空气锤 空气 2 0～ 3 O 3 0 5 0 2 ． 1 2 ． 5 1 7 O～1 9 0 3 5 8 9 4 3 4 3 须家河 ～雷 口坡 牙轮钻头 氮气 8 0～1 0 0 6 57 0 1 ． 9～ 3 ． 0 6 0～9 O 童 幽 世 注气量 m ／ mi n 图2 龙岗1 井3 1 1 ． 2 m气体钻井气量优化设计 在使用空气锤钻头时， 钻具转动速度对顺利钻 进和延长空气锤钎头寿命起着决定性的作用 。龙岗 1 井现场应用 中， 根据所 钻进 的地层岩性 以及注气 参数的不同， 选择下列转速范 围 软岩层 4 0～ 5 5 r ／ mi n ； 中硬岩层 3 5 5 0 r ／ m i n 。 实践证明， 空气锤钻进获得 了良好的效果 ， 第一 只空气锤钎头进尺达到 1 7 1 2 ． 8 2 m， 平均机械钻速 达到 2 6 ． 9 5 m ／ h ， 最高 日进尺 5 5 7 ． 3 2 I n ， 创造 了国内 使用空气锤钻井的单只空气锤钎头最高进尺记录和 最高 日进尺记录。第二只空气锤 由于使用时遇到井 下复杂提前 出井 ， 并不能够反应真实的使用情况 ， 具 体使用情况见表 2 。 钻至沙溪庙底部时 出现严重垮塌 ， 为 了保证井 下安全， 转化为常规钻井液钻井。 0 2 1 5 ． 9井眼氮气 、 氮气 空气钻进井段 3 5 8 9 ～ 4 2 4 3 ． 0 2 m， 进 尺 6 5 4 ． 0 2 I n ，占设 计 井 深 的 1 0 ． 4 ％ ， 钻 进 层 位 须 五 ～雷 三 ， 平 均 机 械 钻 速 1 0． 78 m／h。 在 3 5 8 9～ 4 0 4 9 m井段开展了气体钻井条件下 双稳定器钻具组合防斜试验 。钻具组合为 0 2 1 5 ． 9 5 O 5 O 5 O 5 O 5 ∞ 卯 卯 铂 铊 1 8 钻 采 工 艺 DRI I J I JI NG ＆ P RODUCT 1 0N T ECHN0L OGY 2 0 0 9年 1 1 月 NO V ．2 O o 9 三牙轮钻 头 回压凡尔 0 1 6 5 ． 1钻铤 1根 0 2 0 8稳定器 0 1 6 5 ． 1 钻铤 1根 0 2 0 6稳定器 0 1 6 5 ． 1钻铤 1 3根 0 1 6 5 ． 1随钻震击器 1 6 5 ． 1 钻铤 3根 0 1 2 7钻杆 ， 使用过程 中除扭矩偏大外 无其他 异 常情 况 ， 携 屑效 果 良好 ， 全段 平 均井斜 1． 41 。 。 表 2 3 1 1 ． 2 m m井眼段气体 钻井空气 锤、 牙轮钻头数据 规格 型号 井 段 钻达 纯钻 钻压 转速 立压 注气量 机械钻速 进尺 F il m m 层位 h k N r ／ m i n MP a m ／ ra i n r n f h m 8 0 7 ． 7 7～ 遂宁组 ～ 1 ． 9～ 3 1 3 ． 0 K Q C 2 5 7 F 6 3 3 3 3 0 5 0 5 0 1 3 O 2 6 ． 5 9 1 7 1 2 ． 8 2 2 5 2 0 ．5 9 沙溪庙组 2 ． O 2 5 2 0 ． 5 9～ 凉高山 7 5～ 1 ． 9～ 3 1 1 ． 2 HJ 6 1 7 G 2 4 5 8 1 8 0～2 2 0 1 3 0 2 2 ． 9 8 5 7 3 ． 7 8 3 0 9 4 ． 3 7 上段 8 0 2 ． 0 30 81． 40～ 凉高山 1 ． 9～ 2 O 5 5 1 3 0 0 3 l 1 ．2 HJ 6 1 7 G 3 0 8 8 ． 8 7 上段 2 ． 1 划眼 3 0 9 4． 37 2 0～ 4 5 ～ 2．1～ 1 3 0～ 3 1 1 K Q C 2 5 7 F 大安寨 4 3 3 1 4 ． 5 4 6 6 ． 1 5 3 1 6 0 ．5 2 3 0 5 O 2． 7 1 6O 3 1 6 0 ． 5 2～ 6 0 5 5 2 ． 7～ 3 1 1 ． 2 H J T 5 3 7 G K 珍珠冲 1 5 1 1 1 6 0 1 8 ． 4 5 2 8 0 ． 0 8 3 4 4 0 ．6 0 8 0 7 0 2． 9 三、 龙岗 1 井气体钻井试验效果 1 通过以上井段气体钻井试验和邻构造井天 池 1井 、 天池 2井常规钻井相 比， 钻井速度大幅度提 高 ， 取得了明显的技术效果和经济效益。对 比结果 见 表 3 。 表 3 龙 岗 1井空气钻井与邻构造井钻速对 比 井号、 钻 层 位 钻头尺寸 机械钻速 气体钻井钻速 井方式 m n 1 m ／ h 提高倍数 龙岗 1 井 遂宁组 一 3 1 1 ．2 24． 1 7 空气 珍珠冲 天池 1 井 蓬莱镇 ～ 3 1 1 ．2 6． 1 3 2． 9 5 钻井液 沙溪庙 天池 2井 蓬莱镇 一 3 1 1 ．2 4． 8 6 3． 9 7 钻井液 沙溪庙 与本井 同层位、 同井眼尺寸段常规钻井液钻井 相比， 气体钻井提速效果也非常明显 图 3 。 3 0 2 5 2 0 1 5 姆 1 0 警 5 0 0 1 0 0 0 2 0 00 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 井段 m 图3 龙岗1 井各井段机械钻速对比图 2 空气锤在使用上获得 的突破性进展 ， 空气 锤所钻进尺比例大幅度提高 ， 和近年来其它气体钻 井的机械钻速相 比， 龙 岗 1 井气体钻井的速度也有 较大的提高 ， 对 比情况见表 4、 图 4 。 表 4 龙 岗 1 井空气钻井与近年来空气钻 井钻 速对 比 井 眼尺寸 机械钻速 与龙岗 1 爿 井号 井 段 层位 m m m ／ h 钻速 比 龙 岗 7 9 1 蓬莱镇组 ～ 3 1 1 ．2 2 4． 2 1 1井 3 4 4 0 珍珠 冲组 黄金 9 7 4～ 沙溪庙组 ～ 3 1 1 ．2 7． 9 2． 6 1井 2 5 1 8 ． 3 3 凉高山组 东升 7 0 0 蓬莱镇组 一 3 1 1 ．2 1 2． 3 2 1井 3 2 7 6 ． 1 8 沙溪庙组 七里 6 8 0～ 沙溪庙组 ～ 3 1 1 ．2 7． 8 3． 1 北 2 井 2 7 8 4 ． 8 9 须家河组 七北 4 7 2～ 沙溪庙组 一 3 1 1 ．2 l 3． 4 1 ． 8 1 0 1井 2 0 5 6 ． 3 5 凉高 山组 七北 5 o o一 遂 宁组 一 3 1 1 ．2 9． 3 2． 6 1 0 2井 3 3 2 8 ． 7 1 凉高山组 由于机械钻速 的提高， 龙 岗 1井的进度也比近 年来其它气体钻井更快。 3 气体钻井过程中钻压低、 能够起到一定的 防斜作用已被大家所认识， 但通过该井空气锤和牙 轮钻头交替钻进时的井斜情况可 以看出， 在钻具组 合未发生大的变化情况下 ， 空气锤具有更好 的防斜 打快的优势。空气锤钻进井段最大井斜 2 ． 3 。 ， 平均 井斜 1 ． 6 。 ， 平均机械钻速 2 6 ． 9 5 m ／ h ； 牙轮钻头钻进 第 3 2卷第 6 期 V0 l _ 3 2 No ． 6 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P R O D U C T 1 0 N T E C HN 0 L OG Y 1 9 井段最大井斜 5 ． 6 。 ， 平均井斜 3 ． 5 。 ， 平均机械钻速 2 1 ． 3 1 m ／ h 。测斜情况 表 5 可以明显看 出， 转换为 牙轮钻头钻进后 ， 井 斜迅速上升。空气锤钻进 的确 具有防斜打快的优势 。 5 o 0 1 0 o o 1 5 0 o 吕2 0 o O 2 5 0 0 3 O o 0 3 5 0 o 4 O 0 o O 1 0 20 3 O 4 0 5O 6 O 7 O 时间 d 图4 龙岗1 井与近年来气体钻井周期对比图 表 5． 龙 岗 1井部分测斜点数据 井深 井斜 钻头类型 平均机械钻速 m 。 n v h 2 4 25 1 ． 6 8 7 2 4 50 1 ． 51 1 空气锤 2 6 ． 9 5 2 4 75 1 ． 4 2 9 25 0 0 1． 781 25 2 5 2． 571 25 5 0 2． 561 牙轮钻头 2 1 ． 3 1 2 57 5 2． 91 2 60 0 3． 52 4 使用牙轮钻头钻进过程中虽然通过小钻压 吊打 起到了一定 的纠斜效果 ， 但损失了机械钻速 ， 但与常 规钻井液钻井相比， 空气钻井仍具有非常大的优势。 龙 岗 1 井气体钻井创造三项国内最高纪录 单 只空气锤钻头最高进尺 1 7 1 2 ． 8 2 IT I ； 气体钻井单 日 最高 进 尺 5 5 7 ． 3 2 m； 单 井 气 体 钻 井 最 高 进 尺 3 3 0 4 m， 占设计井深 的 5 2 ． 3 ％。 四、 认识及建议 1 龙 岗构造沙溪庙及须家河地层 稳定性好 ， 不出水、 不垮塌 ， 地层浅层气少 ， 适合进行气体钻井。 沙溪庙底部存在井壁失稳 的问题 ， 能否在保证安全 的前提下进行气体钻井还需要进行进一步论证及实 践。今后还要加强对井壁稳定问题的研究 。 2 空气锤钻进能够起到 防斜 打快的作用 ， 虽 然在该井使用该项技术获得了非 常理想 的效果 ， 但 仍然还需要加强对防斜打直问题 的进一步研究 ， 理 论上根据空气锤低钻压的特点 ， 符合钻井 吊打 防斜 的规律 ， 同时钻井速度快 ， 下一步可以在高陡构造上 探索空气锤防斜打快的技术研究和应用 ， 通过合理 的钻具组合加空气锤 防斜 ， 有可 能满足高陡构造防 斜打快的技术要求 ， 减少对 国外垂直钻井技术的依 赖。 3 空气锤应进 一步完善设计 ， 如空气锤耐 高 温能力有待提高 ， 空气锤 中心管为尼龙材料 ， 难以满 足 1 2 0 C以上井下 温度 条件 ， 空气锤保 径也是需要 研究 的课题 。 4 气体钻井可 以加装 稳定器 ， 只要 配置好合 理的钻井参数 ， 不仅可以保证安全钻进 ， 还具有一定 的防斜效果。 5 龙 岗 1井因为钻遇石膏层提前结束气体钻 井 ， 气体钻井是否能够在石膏层钻进及钻进的条件 都还需要进一步深入探索和研究。 参考文献 。 魏武 ， 许期聪， 邓虎， 等． 气体钻井技术在七北 1 0 1 井的 应用与研究[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 9 4 85 0 ． 孟英风 ， 刘绘新．注气欠平衡钻水平井的新技术 [ J ] ． 石油勘探与开发 ， 2 0 0 5， 3 2 1 1 0 01 0 2 ． 苏义脑．空气钻井工作特性分析与工艺参数的选择研 究[ J ] ． 石油勘探与开发， 2 0 0 5 ， 3 2 2 8 6 0 5 ． 杨令瑞， 等．四川天然气平衡钻井完井技术研究与应 用 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 3 ． 郎东升， 岳兴举．油气水层定量评价录井新技术[ M]． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 赵卫红 ， 邹枫．旋转控制头在负压钻井中的应用 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 1 9 9 9 ， 2 7 2 4 00 2 ． 张德军 ， 白璨 ， 郭世侯 ， 等． 四川超深定向井龙 岗 8井 钻井技术实践[ J ] ．钻采工艺 ， 2 0 0 9， 3 2 2 6 8 ． 何世宝， 李兵， 范成友 ， 等． 提高龙岗地区固井质量的工 艺技术[ J ] ．钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 2 8 4 8 6 ． 编辑 黄晓川 温 馨 提 示 钻采工艺 现 已入编“ 万方数据数字化期刊群” 、 “ 中国核心期刊 遴选 数据库” 、 中国石油文献数据库、 中文科技期 刊数据库和 C N K I 系列数据库 ， 作者著作权使用费与本刊稿酬一次给付 ， 不再另行发放。作者如不同意将文章入编， 投稿时敬 请说明 ， 我们将 另作 处理 。 ] ] J] j] J l二