涪陵焦石坝含硫地层泡沫钻井试验

2014-08-04杨海平中石化江汉石油工程公司钻井一公司湖北潜江433121

石油天然气学报 2014年12期

杨海平 (中石化江汉石油工程公司钻井一公司,湖北潜江433121)

涪陵焦石坝含硫地层泡沫钻井试验

杨海平 (中石化江汉石油工程公司钻井一公司,湖北潜江433121)

借鉴钻井液除硫方法,首次提出在含硫地层使用防硫泡沫钻井的设想。研究防硫泡沫配方及配伍性,改进防硫泡沫施工工艺,强化地面硫化氢的监测和防硫措施,并制定应急预案。在涪陵焦石坝成功试验3口井,安全钻穿含硫地层,地面未检测到硫化氢,拓宽了气体钻井技术的应用领域。

涪陵;硫化氢;泡沫钻井;气体钻井

页岩气勘探开发是技术密集型产业,投资大、周期长,商业开发必须走低成本战略。美国页岩气采用“丛式井+井工厂”钻井模式,使用气体钻井、旋转导向钻井等先进技术,钻井速度得到极大提高,Woodford页岩气田垂深2500m、水平段1300m左右的页岩气水平井,平均钻井周期仅27d,为页岩气大规模商业开发奠定了基础。涪陵焦石坝是中国第一个页岩气产能建设示范区,已探明页岩气田面积160km2,地表为海相嘉陵江组,山高谷深,沟壑纵横,溶洞发育,地表严重缺水。钻井施工面临地层硬、溶洞多、大井眼井段长、含硫浅层裂缝气、生产用水远程供给等不利因素,采用常规钻井方式,机械钻速慢,复杂时间多。目前完井30余口,平均钻井周期82d,钻井周期长、费用高,影响了焦石坝页岩气勘探开发步伐,是目前钻井技术工作急需解决的重点和难点。由于焦石坝二叠系含硫化氢,不能使用常规空气钻井和泡沫钻井来提速,借鉴含硫地层钻井液的除硫方法,提出了使用防硫泡沫钻井的设想,通过试验优选出高效除硫泡沫配方,现场成功试验3口井,安全钻穿含硫地层,排砂管未检测到硫化氢,实现了安全提速的目的,拓宽了气体钻井技术的应用领域。

1 工程概况

焦石坝地层从上到下分别为三叠系、二叠系、石炭系、志留系,目的层为龙马溪组。以JY1HF井为例,井身结构数据见表1,气体钻井时在长兴组监测到硫化氢,转换钻井液钻井。

表1 JY1HF井身结构数据

2 防硫泡沫钻井液

2.1 配方优选原则

含硫地层钻井,钻井液中应加入一定量的碱式碳酸锌(Zn(OH)2ZnCO3)作为除硫剂,钻井液p H值应不低于11[1],钻井液液柱压力应略大于地层压力,防止硫化氢以流体方式进入井筒;对以钻屑、气液置换及气体扩散等方式进入钻井液的少量硫化氢,则通过与钻井液所含的除硫剂起化学反应被清除。借鉴防硫钻井液所优选的防硫泡沫液配方,钻井过程中井筒内泡沫所含的除硫剂应能及时与进入井筒的硫化氢充分化学反应,确保排砂管内硫化氢质量浓度不超过10mg/L。

2.2 除硫剂加量

碱式碳酸锌与硫化氢反应的方程式为:Zn(OH)2+ZnCO3+2H2S→2ZnS↓+CO2↑+3H2O。

JY1HF井二开采用空气钻井,空气排量150m3/min。从井深761m开始,排砂管内持续监测到硫化氢(标况下密度1.518kg/m3)质量浓度为2.0～3.0mg/L;至井深773m时,硫化氢质量浓度上升至5.2mg/L(密度79mg/m3)。计算地层硫化氢产量7.8L/min,质量流量11.85g/min。实际施工过程中,排砂管内硫化氢质量浓度不应超过危险临界质量浓度100mg/L[2],即地层硫化氢质量流量不超过22.77g/min。根据硫化氢的质量浓度,可计算碱式碳酸锌的消耗量。

2.3 防硫泡沫配方及配伍性研究

泡沫钻井因地层出水量、岩性、温度等差异,泡沫液需及时维护,保持泡沫液的发泡量和稳定性,保证泡沫的携带、防塌等性能。泡沫基液配方:水+1%起泡剂WD-1+0.1%稳泡剂HWP+1%抑制剂CMC +氢氧化钠 (配方中的百分数为质量分数,下同)。

将100mL泡沫基液在搅拌器中高速(10000r/min)搅拌1min,形成的泡沫体积反映了泡沫基液的发泡能力,再从中析出50m L液体的时间反映了泡沫的稳定程度,试验数据如表2所示。发泡能力随p H值的增大而增大。p H值相同时,随着除硫剂质量分数的增加,发泡能力增强。试验说明泡沫基液与除硫剂配伍性好。

表2 除硫剂与泡沫配伍试验结果

3 防硫泡沫施工工艺

3.1 工艺流程

防硫泡沫钻井施工工艺与常规泡沫钻井的相同。空压机输出压缩空气,经增压机增压后,与泥浆泵输出的泡沫液混合,通过地面管汇、立管、水龙带、水龙头进入钻具水眼,再经钻头进入井眼环空,返出地面后,由排砂管进入污水池(见图1)。

图1 防硫泡沫钻井施工工艺流程

3.2 泡沫液配制及维护

Ø311.2mm井眼常规泡沫钻井,井深不超过1000m,出水量不超过5m3/h的情况下,空气排量100～130m3/min,泡沫注入量0.6～0.7m3/min。

配制泡沫液时,除硫剂加量应根据设计泡沫液注入排量来确定,一般配制70m3。泡沫液在污水池沉淀后,回收至循环罐继续使用。根据返出泡沫的p H值,补充除硫剂和氢氧化钠,并及时进行维护,确保发泡量和稳定性。

3.3 安全措施

防硫泡沫钻井除执行含硫地层钻井相关技术安全规定以外,还应落实下列措施:①设备及安装标准。旋转防喷器的橡胶件应是防硫的,空气钻设备应安装主喷管,天车、转盘、井口三垂线偏差应不超过10mm,排砂管线应按规定试压。②钻具组合。钻头不安装喷嘴,近钻头接2只单流阀,确保钻具内单流阀密封可靠。③硫化氢监测。除按含硫地层钻井配备硫化氢监测仪器和空呼器设施外,排砂管出口5m范围内安装不少于2个固定式硫化氢监测仪探头,排砂管安装独立的硫化氢监测装置。④地面除硫措施。钻台、循环罐、机房、井口、排砂管出口处应分别布置排风扇,及时吹散井口周围有毒气体。接单根或停钻整改过程中,应使用主喷管,防止硫化氢在井口周围聚集;钻井过程中及时测量泡沫液p H值,发现p H值下降,应及时补充除硫剂和氢氧化钠,保持泡沫液p H值不低于11,并根据管内硫化氢质量浓度调整气体泡沫的气液比,硫化氢质量浓度高时应适当提高泡沫注入量;若遇长时间停钻或不能循环,需要对井筒内的硫化氢气体进行有效控制,以低注气量往井筒内打一段泡沫基液或者从井口吊灌。

3.4 防硫泡沫钻井终止条件

满足下列条件之一的,转换钻井液钻井。①地层出水量大,井下安全无法保证;②污水池不能容纳产出的地层水和返出的泡沫;③燃爆监测全烃含量连续大于3%,或井下连续发生2次燃爆;④井壁失稳,阻卡严重。

4 现场试验

4.1 JY9-2HF井防硫泡沫钻井

一开Ø444.5mm钻头,所钻井段38.22～782.03m,所钻地层为飞仙关组、长兴组、龙潭组,空气排量150m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫剂质量分数1.5%,泡沫基液p H值12～13。钻进至井深600m,泡沫p H值由入口的12～13下降至9～10(见表3),间断补充氢氧化钠和除硫剂,保持入口p H值不低于12,泡沫钻进中未监测到残余硫化氢,钻进井深782.03m中完。

4.2 JY8-2HF井防硫泡沫钻井

二开Ø444.5mm钻头,所钻井段270.68～712.89m,所钻地层为飞仙关组、长兴组,空气排量150m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫剂质量分数1.5%,泡沫基液p H值13。钻进至井深646m,泡沫p H值由入口的13下降至9～12(见表4),间断补充氢氧化钠和除硫剂,保持入口p H值不低于13,泡沫钻进中排砂管内未监测到硫化氢。钻至井深712.89m,转换钻井液钻井。

4.3 JY9-1HF井防硫泡沫钻井

一开Ø444.5mm钻头,所钻井段355.74～1159.00m,所钻地层为飞仙关组、长兴组、龙潭组、茅口组(上部),空气排量150～180m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫剂质量分数1.5%,泡沫基液p H值12～13。钻进至井深607m,泡沫p H值由入口的12下降至9～10(见表5),间断补充氢氧化钠和除硫剂,保持入口p H值不低于12,泡沫钻进中未监测到残余硫化氢,钻进井深782.03m中完。