双层钻具反循环技术在气体钻井中的应用分析

温 杰，李金和，罗 整

(1西南石油大学 2中国石油川庆钻探钻采工程技术研究院 3中石油欠平衡与气体钻井试验基地)

一、概况

气体钻井是以气体为循环介质的一种钻井方式，与常规钻井相比，在保护油气产层、提高机械钻速、缩短钻井周期以及处理井漏事故等方面具有诸多优点，为钻井技术的发展提供了新思路和方向，国内也进行了相关研究并对该技术进行了应用[1-2]，在川渝、新疆塔里木、青海等地区大规模推广应用中取得了显著的效果。

川东地区地层漏失严重，目前通过气体钻井、雾化/泡沫钻井、充气钻井等技术防漏治漏取得了一定的成绩，但一些特殊工况仍然没有很好的技术手段来处理。例如罐003-X1井，井漏失返且地层大量出水，虽然采用充气强钻技术取得了进尺，但是未能建立正常循环，井下始终存在安全隐患；或者是井漏失返且漏水不漏砂的情况，因此必须建立循环才能在确保井下安全的情况下维持钻进，目前没有办法解决这类问题。

鉴于反循环钻进技术在地矿、水文水井钻探、工程勘察、基础工程施工等领域的成熟应用[3]，特在油气钻井工程开展双层钻具气体钻井技术研究，形成针对水层、漏层同存的钻井配套技术，进一步拓宽气体钻井技术应用范围。

二、双壁钻具反循环工艺原理

反循环钻井方法较多，有空气管悬吊在单壁钻具中气举法、泵吸法、双壁钻具空气反循环法、双壁钻具气举法等。使用的钻具有单层钻具、双层钻具、风管并列式法兰连接钻具等。采用的钻头有改造的牙轮、刮刀、气动潜孔锤钻头等[4]。

其中双层钻具气体钻井技术是反循环钻井技术的一种，也称气体全井反循环钻井技术，气体全井反循环钻井即气体由双壁钻具与潜孔锤及反循环钻头到达井底，携带岩屑由钻柱中心通道返至地面的反循环钻井系统。由于采用专门设计的贯通式潜孔锤，所以有时又统称为贯通式潜孔锤反循环钻井。

双层钻具气体钻井工艺原理如图1所示，压缩空气从进气管4进入双壁水龙头2，经双壁钻具5内外管的环形空隙流至井底，经反循环钻头6并携带岩屑从双壁钻具5中心管返至双壁水龙头2，再经鹅颈管3和排砂管1排至地面。

三、双壁钻具反循环工艺特点

双层钻具反循环气体钻井技术融合了潜孔锤钻井技术、气体钻井技术和反循环钻井技术这三种钻井技术的方法，将这三种技术同时其运用到油气藏勘探开发领域，能够同时发挥这三种钻井技术的优点，比单一钻进方法有更多的优点。

图1 双层钻具气体钻井工艺原理示意图

1排砂管 2双壁水龙头 3鹅颈管 4进气管 5双壁钻具 6反循环钻头

1.所需气量小，可节约注气设备投入

钻井时，岩屑从钻具内眼返出，由于内眼截面积远小于环空截面积，与正循环空气钻井相比，达到携岩返速所需空气量小，配套的空压机及增压机数量少，可节约资金投入，特别在大井眼钻进井段尤为明显。

2.岩样不受污染、代表性强，且所钻井眼的质量好

由于岩屑和压缩气体通过钻具内部循环至地面，岩样迟到时间短，避免了正循环钻井中岩屑和压缩气体通过钻具和井眼间环空循环时，岩样易损失和受污染的情况。同时也避免了气体在携带岩屑的上返过程中对已钻井壁带来的冲蚀，能够有效地避免在复杂地层钻进过程中井壁扰动性垮塌的发生，提高钻孔质量。

3.处理地层出水的能力强

地层出水一直以来是制约气体钻井发展的一大瓶颈，在钻进过程中，如果所钻地层出水量达到足以使所钻岩屑粘结成团，成团岩屑将在环空聚集、沉降、形成岩桥，导致环空岩屑堆积，如不及时有效处理，最终导致卡钻事故，威胁井下安全。

大量的研究结果表明，井底及环空净化不充分是影响钻井速度、引起井下事故发生的重要因素。在常规的气体钻井过程中，对井底及环空净化问题的研究主要涉及在井底射流流场分析及射流对井底岩屑的作用机理。然而，对于反循环气体钻井来说，该方面的研究成果相对较少[5]。

双层钻具气体钻进时破碎产生的新岩屑沿钻具内壁通道向上返出，由于钻具内壁中心通道过流断面较小，上返气体流速较高，理论上排出岩屑、净化井眼效果好，处理地层出水能力强。

4.能够有效避免和减少严重漏失，且有利于保护储层

钻井时，采用具有强力抽汲能力的专用反循环钻头，气体和岩屑不会进入环空，因此在裂隙发育地层钻进时，能够避免和减少严重漏失；低压或欠压储层常被常规钻井液钻井、泡沫钻井、高压空气钻井损害，而采用双壁钻具气体钻井，环空无气体和岩屑，岩屑不会进入地层，对低压、低渗透储层无污染、零伤害，有利于保护储层。

四、双壁钻具反循环适应条件分析

目前国内贯通式潜孔锤反循环钻井技术还未用于油气钻井工程，而国外已在最近十几年开始了相关技术的研究与应用。

结合调研资料，对双层钻具气体钻井技术适应条件进行了以下分析：

1.井深条件

在国内外用于地质勘探、水文水井等工程的钻孔最深不过400 m，这主要受到钻孔目的、钻机能力、空压机能力等因素的限制。据2007年资料查得，国外加拿大PressSolLtd公司采用RCCD技术，由于采用的双壁钻具钢级强度不够，最大实钻井深为853 m，钻深能力为3 000 m，但采用P110电动钻具后可钻中深井。2008年川庆钻采院技术人员对双壁钻具反循环空气钻井的循环参数进行了理论分析与计算，得出了不同井深、不同注气量与注入压力的关系，如表1和2所示。

表1 Ø444.5 mm井眼井深2 000 m时注气量与立压的对照表

表2 Ø311.2 mm井眼注气量35 m3/min 时井深与立压的对照表

据上述资料分析，国内外贯通式潜孔锤反循环钻井在地质勘探、水文水井等工程所钻井深深度不超过400 m；国外采用RCCD钻井技术后，在油气钻井工程中，最大实钻井深为853 m；另外随着井深的增加，注入气量与压力也随之增大，这对注入设备压力、双壁钻具性能以及钻井安全性要求更高。因此在配套装备不完善的条件下进行双层钻具气体钻井时，建议首先在1 000 m井深内进行试验。

2.井型条件

在油气钻井工程中，井型主要为直井和斜井。其中直井是最为普遍，而斜井中摩阻大，井下复杂多，处理事故较为困难，因此正循环气体钻井通常在直井中应用。另外双层钻具气体钻井配套使用的是双壁钻具和贯通式潜孔锤，双壁钻具性能比单壁钻具性能差，配套使用潜孔锤时处理井下卡钻事故极为困难，因此该项技术最适用于直井。

3.地层条件

3.1 适合水敏性地层

双层钻具气体钻进时破碎产生的新岩屑沿钻具内壁通道向上返出，由于钻具内壁中心通道过流断面较小，上返气体流速较高，排出岩屑、净化井眼效果好，处理地层出水能力强，因此适合出水地层，但适合多大的出水量，还需现场不断试验。

3.2 适合坍塌、漏失地层

钻井时，采用具有强力抽汲能力的专用反循环钻头，气体和岩屑不会进入环空，而在双壁钻具中形成闭路循环系统，因此在裂隙发育地层钻进时，能够避免和减少严重漏失。同时气流在双壁钻具内管携带岩屑上返时对井壁不会带来冲蚀，能够有效避免复杂地层钻进过程中井壁扰动性垮塌发生。同时即便易垮塌、掉块、破碎等复杂地层，井眼可以在不下套管的情况下持续钻进，因为双壁钻具的外管就起到了跟管钻进套管的作用，只要钻具到达井底，即可建立正常循环。由此可得出，适合于垮塌、漏失地层。

4.适合低压、低渗透气层

在低压低渗气层采用常规钻井液、泡沫或空气钻井，可能使这些地层会受到损害，用钻井液钻井时甚至可能不会有油气显示。而采用双壁钻具气体钻井，环空无气体和岩屑，岩屑不会进入地层，对低压、低渗透气层无污染、零伤害，有利于保护气层。

国外应用情况：加拿大K2能源公司于2002年开始试验空气反循环钻井技术开发低压气藏和浅层气藏。在美国北蒙大拿州Blackfeet印第安人保留地的Bow Island 地层，应用RCCD成功钻成天然气试验井，该地层属低压地层(估计地层压力为1.03 MPa)。两口对比试验井分别位于用泥浆和空气钻成而没有油气显示的井旁，在没有增产措施的情况下，采用Ø50.8 mm油管抽汲，日产天然气分别为4 389.104 m3和2 746.73 m3。次年，K2能源公司利用RCCD技术又成功实施16口井(其中11口井在Bow Island，另外5口井在Thrust Belt)。另外，2009年的资料表明，RC Energy公司也已采用连续管顶驱钻机配合RCCD技术成功完成了40余口浅层气井的施工，均有天然气显示，井深100～905 m(钻深能力3 000 m)不等，均为低压、低渗透地层(渗透率为1～10 mD)。

综上分析得到的适用条件是在工艺特点和国外试验井的基础上得到的，国内尚未在油气钻井工程中应用双层钻具钻井技术，因此适用条件还需通过现场试验进行深入研究。

五、结论

(1)使用双壁钻具反循环气体钻井技术能减小井壁污染，甚至无污染，有利于发现和保护储层。

(2)使用双壁钻具反循环气体钻井技术，重点对含有低压层、漏失层、低渗层区块开展技术攻关，加快国内气体钻井技术的发展。

[1]肖新磊.空气钻井技术在元坝地区的应用[J].石油钻探技术，2012，38(4)：35-37.

[2]罗增，林元华，明传中，等.基于Walker模型的空气钻井钻柱疲劳寿命算法[J].石油矿场机械，2010，39(4)：57-60.

[3]潘卫国，王益山，刘东勤.反循环钻进技术[C].第四届石油钻井院所长会议论文集.石油工业出版社，2004，12：362-366.

[4]金丽娜.反循环钻井合理注气参数的研究[D].大庆石油学院硕士研究生学位论文，2008.

[5]Belavadi M N, Chukwu G A. Experimental study of the parameters affecting Cutting Transportation in A Vertical Wellbore Annulus[C]. SPE 27880:319-325.