气体钻井井筒常见复杂及技术对策探讨

2016-02-24刘应民刘永伟

西部探矿工程 2016年12期

关键词：环空井眼钻具

刘应民，杨刚，刘永伟，初毅

（中国石油西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

气体钻井井筒常见复杂及技术对策探讨

刘应民*，杨刚，刘永伟，初毅

（中国石油西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

气体钻井是利用气体代替钻井液作为循环流动介质进行的钻井作业，气体钻井的优点有机械钻速高、有效保护和发现油气层、防止井漏和粘附卡钻等，同时，因其具有密度低、粘度低、环空流速高、对井筒施加的压力低等特性，实施过程中易出现钻具阻卡、地层流体侵入等复杂；通过浅析气体钻井井筒常见复杂发生的原因，提出了相应的技术对策。

气体钻井；钻具阻卡；地层出水；气液转换

气体钻井包括纯空气、惰性气体和柴油机尾气钻井，属欠平衡钻井的分支，主要应用于低压低渗地层的勘探开发；气体钻井实施前，通常要根据目标井区域地质资料、邻井实钻工程及地质资料对其实施可行性进行评估，评估的内容主要包括钻井井段井壁稳定性分析、地层油气水及有害气体分布、井筒气液转换安全性等，而可行性评价重点参考的是邻井常规钻井的钻完井、测录井资料，因气体钻井密度低、粘度低、环空流速高、对井筒施加的压力低等特性有别于常规钻井，故通过可行性评价具备实施气体钻井条件的井，在实钻过程中也易遭遇钻具阻卡、地层流体侵入等井筒风险，因此根据实钻动态及时分析判断井筒状况并做出相应的技术对策，才能有效解决井筒复杂，杜绝事故的发生，提高气体钻井的成功率。

1 有关钻具阻卡的问题

除井口落物掉入井筒形成钻具硬阻卡外，导致气体钻井钻具阻卡甚至卡死的原因大致可以分为井眼围岩单纯力学失稳、地层出水及钻井气量或循环时间不足3类，此3类钻具阻卡发生的原因及地面参数变化各有差异，及时准确地分析判断阻卡原因，并采取相应的技术对策，是有效控制、处理钻具阻卡，防止发生卡钻事故的关键。

1.1 井眼围岩力学失稳

地层钻开后，岩石的力学平衡状态被打破，最大水平地应力、最小水平地应力将以外载的方式与上覆地层压力和气柱压力共同作用于井眼围岩而重新应力集中，由于地层中2个水平地应力大小不等及气柱压力很低的原因，随着时间的推移，井眼将缩径并逐步变为一个椭圆形；从宏观上看钻揭的裸眼井段，当井眼围岩应力集中过程中，在地层岩石胶结较差的破碎带、层间接触面及岩石强度相对较低的盐膏岩等地层会产生剪切破坏，导致井壁掉块，甚至井眼局部垮塌的风险，造成井眼异常扩径；气体钻井时，地面表现为上提钻具遇卡、下放钻具遇阻且下放不到底、立压波动上升、转盘扭矩增加及返出流体束撞击排砂管线的声音间歇性减弱或中断，严重者可致钻具卡死。

1.2 地层出水

气体钻井地层少量出水时，水沿井壁含泥质成分的微裂缝，尤其是泥页岩的微裂缝侵入，并由于毛管力的存在产生渗析作用，使井眼围岩吸水膨胀，造成地层的孔隙压力增大，致使井眼围岩的应力分布改变，从而降低了井壁岩石的强度，导致坍塌应力上升，随着泥质掉块的增加，井眼局部扩大，泥质成分将与水及岩屑混合形成泥饼环，造成泥包钻具，影响环空通畅，导致携岩困难；地面表现为活动钻具阻卡、立压升高、转盘扭矩增大，返出流体束不连续甚至断流，可见雾状、液滴等现象，若不及时处置，易造成卡钻事故。地层大流量出水时，由于井壁没有泥饼的保护，侵入的地层水直接浸泡井眼围岩，易导致井壁垮塌卡钻，地面最明显的表现是立压快速升高、扭矩异常增大、排砂口突然失返。

1.3 气量或循环时间不足

气体钻井过程中，由于井眼围岩重新应力集中及高返速环空流体对井壁的冲刷作用，钻揭的裸眼井段将不可避免地出现井壁掉块现象，钻进时形成的大颗粒岩屑与井壁掉块回落至井底重复破碎后上返，将使环空岩屑浓度纵向上分布不均；若气量不足，或划眼接单根前循环不充分，岩屑将回落至井底或大尺寸钻具与井壁接触处堆积，形成沉砂或桥塞卡钻的风险；气体钻井时，地面表现为，相同地层岩性和参数条件下，机械钻速降低、立压连续波动、返出流体束含砂量不稳定，接单根上提钻具悬重上升、下放不到底等现象。

1.4 钻具阻卡的预防处置措施

气体钻井施工前，根据实施步骤要求首先进行可行性评价，参考区域地质资料与邻井钻完井资料对拟钻井井段的井眼稳定性、地层水存在可能性及产量进行初步评估，针对风险高的井段，形成钻具阻卡的预防处置措施，并在实钻过程中及时发现异常，准确判断原因并采取相应的技术对策，避免发生卡钻事故。

（1）实施气体钻井时，建议使用牙轮钻头，采用光钻铤或特制扶正器钻具组合，低压吊打，合理控制钻进速度，以方便预防和处理钻具阻卡；当钻具发生阻卡时，应立即停止钻进，保持注气循环、上下活动钻具，根据上述地面反映情况，准确判断阻卡原因。

（2）若为单纯的井眼围岩力学失稳，则增大注气量循环，如果增大注气量能满足安全钻井要求，则继续进行气体钻井；若增大注气量不能满足安全钻井的要求，则立即停止气体钻井，关闭进气闸阀，将钻柱起至技术套管内静置2h以上。静置后下钻探明井眼状况，下放钻具遇阻，则增大气量注气划眼，划眼采取“进一退二”的原则，防止卡钻；若能安全探至井底，则保持循环30min以上继续实施钻进作业，钻进过程始终坚持“进一退二”的原则；若探底作业证明井筒状况不能满足气体安全钻井的要求，则终止气体钻井，转换为常规泥浆钻井。

（3）若地层出水量小导致环空携岩困难，则增大注气量上下活动钻具，循环观察；若泥饼环已导致环空阻卡，返出流体束流量减小，则上下活动钻具并震击钻柱，必要时可采取环空憋压的方式迫使环空通畅；处理正常后，若判断地层水产量小于5m3/h，则转换为雾化钻井，雾化钻井时应在注入流体中适量加入抑制剂与稳定剂，以提升井眼稳定性；若地层出水量大于5m3/h，则转换为常规泥浆钻井。

（4）高机械钻速、井壁正常掉块形成环空岩屑浓度增加而导致钻具阻卡时，应适量增大注气量钻进，降低钻进速度，接单根前充分循环划眼，防止井底沉砂。

2 地层气体侵入及对策

由于气体钻井对井筒施加的压力低，钻揭的地层中一旦含有天然气、硫化氢等气体时，将立即侵入井筒混入返出流体中。空气钻井条件下，天然气与空气混合后浓度介于5%～15%易发生井下燃爆事故；硫化氢等有毒有害气体返出地面后，会导致人生伤害和环境污染事件的发生。

预防处置地层气体侵入的对策：

（1）采用防爆的综合录井仪，综合录井仪配备有能连续检测全烃含量、烃组分的气相色谱仪和二氧化碳仪；安装气体钻燃爆气体监控仪，提供CH4、CO、CO2、H2S、SO2、O2、H2等气体监测，为井下燃爆监控提供有力数据支持。

（2）空气钻井时，当1%≤全烃≤3%，注气压力没有变化，立即停止钻进，上提方钻杆，在返出口试点火，并加大注气量循环观察。如果全烃含量短暂升高后迅速降低，可恢复空气钻进；如果全烃含量降到1%以下，实施控制钻时钻进；如果全烃含量在20min内持续超过3%，则转为惰性气体钻井（如氮气钻进）；如果地层出气量影响惰性气体钻井安全作业时，则转为泥浆钻进；若全烃含量迅速上升至燃爆极限，则实施关井作业，并会同各方商议下步处理方案。

（3）按油田井控细则及气体钻井技术规范要求，配置安装足够的固定式H2S检测仪，现场24h连续监测硫化氢浓度，监测仪探头置于现场硫化氢易泄漏区域，且在H2S易聚集区域安装排风扇；同时现场每班每人都要配带便携式硫化氢监测仪，用来监测工作区域硫化氢的泄漏和浓度变化。当检测到H2S浓度大于10ppm时，立即启动应急预案，作业人员迅速佩戴防护装备，保持注气循环观察，在返出口点长明火，若浓度下降则继续实施气体钻井，并加密对H2S的跟踪检测；若H2S浓度大于20ppm时，则立即关井，终止气体钻井作业，转换为常规泥浆钻井。

3 气液转换条件及措施

气体钻井转换为常规泥浆钻井的原则为：①地层出水量大于5m3/h。②空气钻井返出气体中全烃含量连续超过3%，且井下连续发生2次燃爆。③纯空气转换为惰性气体钻井后，天然气产出量影响钻井安全。④返出气流中H2S含量持续超过20ppm。⑤扭矩、摩阻突然增大或起下钻困难影响钻井安全。⑥井斜大于井眼轨迹对井斜要求且纠斜效果差。⑦钻完进尺，需转换为常规泥浆介质进行完井作业。井筒置换为泥浆的首要目标是压力平衡和井眼稳定，应根据实钻地层情况，调整合理的泥浆密度和性能，并确定是否在置换泥浆中加入堵漏剂等材料，在井下情况允许的条件下，可先起钻，后下入光钻杆进行钻井液的置换。

（1）置换泥浆必须具有强抑制性、较好的封堵能力和良好的流变性。要求泥浆失水量应尽量低，严格控制膨润土和固相的含量，以利于形成薄而韧的泥饼，达到维护井壁稳定的目的；视地层可能漏失的机理和程度，加入适量的封堵粒子或堵漏材料。

（2）在泥浆体系密度及相关性能与地层配伍的情况下，采取直接注入法实施气液转换。将钻具置于上层套管鞋以下10m左右，以设计排量的50%从钻杆内注入泥浆，以尽可能消除温度效应及大排量下激动压力带来的井壁失稳问题，泥浆充满裸眼井段后，以正常排量注入井筒直至返出地面，静置观察，判断是否有井漏或溢流。

（3）下牙轮钻头探底，严格控制下钻速度，以利于判断井眼稳定性，如遇钻具阻卡，应及时开泵划眼。