气体钻井井眼排液工艺技术及应用.pdf

第 4 O卷第 6 期 2 0 1 2年 l 1月 石 油 钻 探 枝 朱 P ETR I E UM DRI I I I N TECHNI QUES Vo 1 ． 4 0 No ． 6 NOV ．， 2 O1 2 ． ． 钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 ～ 0 8 9 0 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 0 3 气体钻 井井 眼排液工艺技术及应用 杨俊锋，陈永明， 赵绪龙 中国石化胜利石油管理局钻井工艺研究 院， 山东东 营 2 5 7 0 1 7 摘要 为 了提 高气体钻井作业时效 ， 保 障气体钻 井作业 快速安 全进行 ， 在 常规 气体 钻 井井眼排液 方法 气举 排 液法和充气排液法 的基础 上， 提 出 了一种新 方 法 交替 排液 法。气举排 液只使 用气体 注入设备 空压机 和增 压机 ， 充 气排 液和 交替排 液还需要使 用液体注入设备钻井泵 。介绍 了井眼排液原 则、 钻具 组合 、 降低 井筒液柱压力 的作业方式和井眼排液施工工艺； 实例分析了气举排液法、 充气排液法和交替排液法的现场应用效果。对比分析 表明， 浅井排液中， 可采用一次性气举排液； 深井排液中， 采用分段 气举排液耗 时达 3 0多小时， 采用充气排液或交 替排 液仅 需几小时 ， 其 中交替排 液法时效更高 ， 值得推广应 用。 关键 词 气体钻 井 气举排 液 充气排 液 交替排 液 中图分类 号 T E 2 8 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 6 0 0 1 3 - 0 4 W e l l Un l o a di n g Te c h no l o g y i n Ga s Dr i l l i n g a nd I t s App l i c a t i o n Ya n g J u n n g， Ch e n Yo n g mi n g ， Z h a o Xu l o n g Dr i l l i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e， S h e n gl i Pe t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n， Si n o p e c ， Do n g y i n g， S h a n d o n g， 2 5 7 0 1 7， C h i n a Ab s t r a c t To e n h a n c e t h e e f f i c i e n c y a n d e n s u r e t h e s a f e t y a n d s p e e d o f g a s d r i l l i n g， a n e w u n l o a d i n g me t h o d n a me d a l t e r n a t i v e u n l o a d i n g wa s p u t f o r wa r d o n t h e b a s i s o f c o n v e n t i o n a l u n l o a d i n g me t h o d g a s l i f t i n g a n d a e r a t e d u n l o a d i n g ． E x c e p t g a s i n j e c t i o n e q u i p me n t f o r g a s l i f t i n g u n l o a d i n g ， d r i l l i n g p u mp i s u s e d a s l i q u i d i n j e c t i o n e q u i p me n t f o r a e r a t e d u n l o a d i n g a n d a l t e r n a t i v e u n l o a d i n g ． T h e p a p e r p r e s e n t s t h e c a s e s a n d r e s u hs o f g a s l i f t i n g u n l o a d i n g ， a e r a t e d u n l o a d i n g a n d a l t e r n a t i v e u n l o a d i n g ． Th r o u g h t h e c o mp a r i s o n a n d a n a l y s i s o f t h e i r f i e l d a p p l i c a t i o n， i t i s f o u n d t h a t g a s l i f t i n g i s s u i t a b l e f o r t h e s h a l l o w we l l o n e - o f f u n l o a d i n g； a n d a e r a t e d u n l o a d i n g o r a l t e r n a t i v e u n l o a d i n g i s s u i t a b l e f o r t h e d e e p we l l ， a n d a l t e r n a t i v e u n l o a d i n g i s mo r e e f f i c i e n t ． Th i s t e c h n o l o g y i s wo r t h y t o b e p r o mo t e d ． Ke y wo r d s g a s d r i l l i n g； g a s l i f t i n g u n l o a d i n g； a e r a t e d u n l o a d i n g； a l t e r n a t i v e u n l o a d i n g 气体钻进施工前 ， 需要先把井筒 内的钻井液或 水完全举 升到地面来 ， 这一作业 叫井 眼排液_ 】 ] 。由 于通常直接用气体替换井 内液体 ， 现场也 叫气举 ， 即 气举排液， 但它只是排液方式之一。井眼排液前 ， 井 筒流体的来源主要有 2类 一类是开钻前扫除水泥 塞和套管附件时的原钻井液 ， 一类是气体钻井施工 中的地层 出水、 封井 液以及泡沫基液等。井眼排液 时 ， 一旦气体通过钻头进入环空 ， 占据原来的流体空 间， 由于液体 的不可压缩性 ， 环空液柱会不断上移并 最终排出。在深井 中， 这一过程耗 时可能长达十几 小时甚至几十小 时。随着气体注人总量 的增加 ， 环 空液柱越来越短 ， 液体排出速度逐渐加快 ， 环空压力 急剧降低 。此时被压缩气体 的体积会急剧膨胀 ， 并 携带液体高速返出。高速流体存在损坏排液管线和 地面设备 的潜在危 险， 并对现场人员人身安全构成 威胁 。为 了保证作业安全， 提高作业 时效 ， 需要提前 优化选择排液方法 ， 详细制定施工措施 ， 确保施工作 收稿 日期 2 O 1 2 O 2 一 l 5 ； 改回 日期 2 0 1 2 1 0 0 7 。 作者简介 杨俊锋 1 9 7 6 ， 男， 四川岳 池人 ， 2 0 0 0年 毕业 于西 南石油学院石油工程专业， 工程 师， 主要 从 事欠平衡 、 气体 钻井方 面 的科研与现场技 术服 务工作 。 联系方式 0 5 ,1 6 8 5 5 3 6 1 5 ， d y y j f I O F I I ． C O H I 。 】 4 石 油 钻 探 技 术 业安全快速进行。 l 井 眼排液方法 根据气体钻井排液深度 、 设备配套及工作压力 等级等的不同， 目前 常见 的井眼排液方法主要有气 举排液法和充气排 液法 2种 。此外 ， 在现场实践的 基础上形成了一种新方法交替排液法。 1 ． 1 气举排液法 气举排液法不使用钻井泵_ 2 ] 。该方法的施工步 骤是 将钻具下至井下一 定深度 ， 接好立 管供气管 线 ， 启动空气压缩机和增压机开始循环注气 ， 把井下 液体直接举 升到地面 ， 当井 口返 出纯气后 ， 停止注 气 ， 第一次气举结束 ； 卸下方钻杆或顶驱， 第二次下 钻 ， 同时重复上述操作 ； 如此多次 ， 直至井底 ， 把井内 液体全部排出。 根据气体设备的工作压力等级 ， 可将气体系统 分为低压系统和高压系统 2大部分 。无论采用何种 方式 ， 单次气举排液最大深度取决于气体设备 的额 定工作压力_ 】 j 。m 一 1 式中 D 为最大举升深度， m； 一为气体设备额定 工作压力 ， MP a ； p为钻井液密度 ， k g ／ L。 井眼较浅时 ， 举升压力在供气装置额定工作压 力范围内且供气装置能够安全作业时 ， 可一次性完 成气举排液 ， 不需要分段进行 。值得注意的是 ， 分段 气举排液时 ， 第二段 以后 包括第二段 的钻具下入 深度要考虑钻 具 内液体进入环空造成 的液柱 压力 增大。 1 ． 2 充气 排液 法 充气排液法运用气侵诱喷的原理[ 3 ] 。该方法 的 施工步骤是 将钻具下 至井底 ， 用钻井 泵小排量循 环 ， 维持较低 的立管压力 ， 同时小排量注气 ； 当气体 返到地面后 ， 可逐渐降低钻井泵排量 、 增大气体注入 量， 确保整个过程中立管压力低于增压机额定压力 ； 当立管压力降低到一定程度后 ， 钻井泵停止运行， 继 续注入气体将井筒 中的液体全部举升出来。如果需 要 ， 还可用雾化泵或钻井泵注入含有起泡剂 的发泡 基液帮助排液 。 1 ． 3交替排 液 法 交替排液法综合 了上述 2种排液方法 事先拟 定注气最高压力和注液最低压力 ， 交替 注气 、 注液 ， 排出大部分井 眼液 体后 ， 再进行一 次性气举排液 。 具体实施时 ， 将钻具一次性下至井底 ； 先开增压机供 气 ， 当气柱举升压力达到事先设定 的最高压力值 如 8 MP a ， 停止注气但不泄压， 然后开泵供液 ， 随着进 入钻具 内的钻井液增多， 气 柱段塞下行的同时还不 断受到压缩， 立管压力逐渐降低 ， 当泵人的钻井液积 累到一定高度 ， 立管压力降低至事先设定 的最低压 力值 如 6 MP a 时 ， 停泵 ； 继续供气至设 定压力 ， 停 气不泄压； 再开泵注液 ， 立压降至设定值时， 停泵 ； 如 此交替作业 ， 直到立管压力持续稳定在增压机安全 工作范围内时， 再按一气性气举法进行作业。供气 和供液均以较大排量进行 ， 有利于加快排液速度 、 缩 短作业时间。 目前 ， 国内气体钻井工艺 日趋完善， 井眼排液技 术也不断提高。3种井眼排液方法中， 气举排液法 和充气排液法应用较多 ， 交替排液法暂时应用较少 。 2 井眼排液工艺 2 ． 1 排 液原 则 1 通常用井眼原浆钻完水泥塞和套管附件 ， 不 打开新地层 ， 然后进行排液 。原则上不用气体钻井 钻水泥塞和套管附件 ， 因为套管 附件钻屑不 易被携 带出井 ， 且 出井钻屑易在 排屑管 内堵塞 ， 不利 于返 砂 ； 堵塞严重时， 甚至造成排屑管断裂。 2 气体钻井 中， 原则上不推荐 做地层承压试 验 。对于要求做地层承压试验 的井 ， 用井 内钻井液 钻完水泥塞和套管附件 ， 再打开新地层 1 ～2 m， 做 地层承压试验 ， 最后排液 。 3 对于拟采用泡沫钻井的井眼， 可先用泡沫排 液 ， 再钻水泥塞和套管附件。 4 前一开次采用干法固井 的井眼 ， 可先排液 ， 再用气体钻井钻完水泥塞和套管附件 。 2 ． 2 钻具组合 为节省钻井 时间 ， 推荐所采用的入井钻具组合 跟气体钻井钻具组合一致 ， 但需要注意以下几点 1 钻头不装喷嘴 ； 2 井眼较浅时 ， 可以只在钻具底部安装钻具止 回阀； 3 井眼达一定深度时， 需 同时在钻具底部和上 部安装钻具止 回阀； 完成气举排液后 ， 考虑钻进或测 第 0 0巷第 6期 杨俊锋等． 气体钻 井井眼排 液工 艺技 术及应用 斜需要 ， 可卸掉上部钻具止回阀。 2 ． 3降低井筒液柱压力 针对井 内钻井液密度较高、 气举排液压力过大 的情形 ， 为减小气体设备 的工作负荷 ， 有必要降低井 筒内的钻井液液柱压力 。主要有直接用清水替换原 浆、 钻井液降密度 2种作业方式。 直接用清水替换原浆 在水源充足、 循 环罐足 够的情况下， 可 以直接用清水来替换井筒原浆。这 样既能大大降低井简液柱压力 ， 又能降低气举时 的 循环压耗 。该方法操作简便 ， 但需要 多准备几个循 环 罐 。 钻井液降密度作业 向井筒内混人轻浆或直接 用轻浆替换重浆 ， 可 以在一定 程度上降低井眼液柱 压力 ， 操作时利用现有循环罐即可实现。 2 ． 4井 眼排液 施工 对井眼做充分准备后 ， 将钻头提离井底 0 ． 5 ～ 1 ． 0 r n ， 倒好循环流程 ， 按气体设备高低压能力调试 至正常 ， 按所选排液方案开始供气 或 同时供液 排 液 。为降低沿程摩阻及 冲击和水击效应 ， 通常以小 排量供气 1 ～2台空压 机 配合一 台增压机作 业 ， 但气量过小又会增加作业时间， 因此可以先大后小 的方式注气， 加快施工进程。施工过程 中要注意安 全 ， 持续监测记录钻井液 回收增加体积 ， 当大量液体 排出且流量开始减小时 ， 可适当控制节流装置 以利 于充分排液， 或逐步减小供气量， 等到地面返出纯气 体 ， 才停止供气 。条件具备时可采用多通路排气快 速泄压 ， 结束排液作业。 3 现场应用分析 现场应用中， 按 照增压机单次最大气举排液深 度能力 ， 可将井 眼排液 分成 浅井排 液 和深井 排液 2类 。 3 ． 1 浅井排液 川东北地 区气 体钻 井实 践表 明， 排液 井深 在 1 0 0 0 m以浅时， 可采用气举排 液法一 次性完成排 液 。其 中， 排液井深仅几十米 时， 可直接使用空压 机气举 ， 作业时间不超 过 3 0 mi n ； 井深在 1 0 0 0 r n 以浅时 ， 也可使用增压机一次性完成气举 ， 作业 只 需几小时 ] 。表 1为川东北地 区部分浅井排液试 验数据 。 表 1 川东北地 区部分浅井气举排液数据 Ta bl e l Re c or di ng o f a i r l i f t i n g u nl o a di ng f o r pa r t o f l o w we l l s i n No r t h e a s t Si e h ua n Ar e a 注 1 为标 准 状 况 F的数 据 。 由表 1 可知 ， 浅井一次性气举排液操作简单 ， 时 间较短 ， 优势明显 。不过 ， 一次性气举压力过高， 该 做法可能会带来一些问题 首先 ， 气体设备在额定压 力下长时间运行 ， 很容易 出现过热停机保护或其他 安全问题 ； 其次 ， 一旦气体通过钻头进入环空， 抵 消 气体压力的静液柱压力减小 ， 压缩气体膨胀 ， 出 口液 量不断增加 ， 排液越来越剧烈 ， 因为初始排液的立管 压力较高 ， 钻柱 内气体压缩 蓄集 大量能量 ， 环空返 出的高速流体会损坏排液管线 和地 面设备 ； 另外 ， 井 眼内钻井液 的密度 并不均 匀 ， 且 因长时 间 的静 止切力较大 ， 在一定 程度上增加 了机器 负荷 ， 不利 于施工安全进行 。现场 曾多次 出现排 屑管断裂毁 坏 的情形 。 3 ． 2深井 排液 对于深井排液， 3种排液方法都 曾试验过 。 3 ． 2 ． 1樊 1 4 2 8 井气举排 液 樊 1 4 2 8 井三开 1 5 2 ． 4 IT l r n井眼氮气钻井排液 井深 3 1 8 8 r n ， 钻 井 液 密 度 1 ． 3 0 k g ／ L ， 供 气 量 3 0 1“ I 1 。 ／ mi n 标准状况下 ， 下 同 ， 2 0 0 6 年 1 1 月 2 5 E l 1 2 5 5开始气举 ， 次 日 2 3 5 7气举结束 ， 共分 7段 ， 整个施工过程耗时约 3 5 h 见表 2 。 3 ． 2 ． 2桩 古 1 0井充 气排 液 胜利油 田桩古 l 0井井 深 4 1 0 0 r n ， 由于该 井 石 油 钻 探 技 术 表 2 樊 1 4 2 8 井分段气举排液数据 Ta bl e 2 S e g me nt e d a i r l i f t i n g un l o a di ng of W e l l Fa n1 4 2 8 时间 钻具下人深度／ m 下入钻具／ 柱 1 2 5 5 1 4 1 6 1 9 5 8 21 2 O 2 3 5 O O1 5 5 0 4 O6 05 5 5 0 8 0 8 1 O O8 1 5 5 3 1 8 40 2 1 1 O 一 2 3 5 7 2 8 1 3 1 5 1 7 1 7 1 8 井底 较深 ， 采用充气排液法分 2次进行 。 第一次充气排液下钻至井深 3 2 0 0 m， 开 1台 空压机和 1台增压机 ， 注气量 2 5 m。 ／ mi n ， 泵排量 5 L ／ s ， 2 O mi n后立压达 到最高 1 1 ． 3 MP a 并开始 下 降。提高注气量至 3 O ／ mi n ， 降低排量至 4 L ／ s ， 4 0 rai n后立压降至 9 MP a ； 继续 降低排量至 3 L ／ s ， 5 rai n后立压降至 7 ． 3 MP a ， 停泵 ， 3 h后停气 。 第二次充气排液下钻至井底， 注气量3 0 ma ／ m i n ， 排量 3 L ／ s ， 7 0 mi n后立压升至 9 ． 3 MP a ， 之后开始下 降 ， 1 0 mi n后降排量至 2 L ／ s ， 立压 降至 7 ． 8 MP a ； 3 0 rai n后停泵 ， 2 h后立压稳定 为 3 ． 6 MP a ， 停气 。 排液结束 。 除去设备检修及下钻时问， 整个施工过程耗时 约 7 ． 5 h 。 3 ． 2 ． 3 兴隆 1 0 1井交替排液 2 0 1 1 年 1 月 2 8日， 扫完水泥塞和套管附件后 ， 为做地层承压试验， 三开钻开新地层 1 ． 5 i n至井深 2 3 5 6 m， 循环干净 ， 钻具位于井底 无钻具止 回阀 ， 钻井液密度 1 ． 2 3 k g ／ L， 采用交替排液法作业。设 定增压机最大供气压力为 8 MP a ， 钻井泵顶替 压降 为 2 MP a 立压 6 MP a 交替作业 。2台空压机和 1 台增压机配合使用 ， 0 1 5 0开始供气 ， O 6 0 5结束作 业 ， 整个施工过程耗时仅 4 ． 2 5 h 。施工压力 曲线如 图 1所示 。 综合分析以上 3井例 ， 可 以发现 1 深井 气举排液需分段 重复举升 ， 不 连续作 业 ， 耗时耗力 ， 浪费燃油； 井眼越深 ， 分段次数越多 ， 作业时间越长 。 2 与气举排液相比， 充气排液和交替排液作业 仅需几小时， 工作时效提高了 3 ～5 倍 ， 具有明显的 经济效益 。 3 交替排液一次性下钻到底， 排液压力可控 ， 替人液体 比充气排液要少 ， 排液时效高， 作业安全 ， 值得大力推广。 图 1 兴隆 1 0 1井交替排液施工压力 曲线 Fi g ．1 Pr e s s u r e c u r v e o f a l t e r n at i v e u nl o a di ng o f W e l l Xi n g l o n g 1 01 4 结论与建议 1 井眼排液是气体钻井的重要工序 ， 优选井眼 排液方法有利于保 障排液工作安全快速进行 。 2 浅井采用气举排液 ， 深井采用充气排液或交 替排液法 ， 可以大大提高井眼排液工作时效 。 3 深井井 I I I I I 液 中， 交替排液时效高 ， 作业安 全 ， 值得大力推广。 4 气体钻井排液作业容易 出现冲击和水击现 象 ， 排屑管属低压管线 ， 为保证 钻井设备及人员 安 全 ， 应当通过节流管汇排液， 禁止直接通过排屑管进 行高压排液作业。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] Mc l e n n a n J ， C a r d e n R S ， C u r r y D， e t a 1 ． Un d e r b a l a n c e d d r i l l i n g ma n u a l [ M ． C h i c a g o Ga s Re s e a r c h I n s t i t u t e ， 1 9 9 7 2 - 3 3 ． [ 2 ] 付道 明， 吴晓东 ， 王景利 ， 等． 移 动式气举 技术在 哈得油 田酸化 排液 中的应用[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 0 8 4 8 6 ． F u Da o mi n g， W u Xi a o d o n g， Wa n g J i n g l i ， e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n o f m o b i l e a i r l i f t i n g t e c h n olo gy t o a c i d u l a t io n a n d c l e a n - 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