空气钻井装备及技术在KED项目现场应用实践

高庆东

（大庆钻探工程公司国际事业部， 黑龙江 大庆 163413）

空气钻井技术诞生于上世纪50年代，并在上世纪80年代开始在美国和加拿大兴起。目前，美国和加拿大的空气钻井数量约占钻井总数的20%。在上世纪80年代之前就使用了空气注入技术，该技术主要用于防止渗漏和提高渗透率，但未得到广泛推广。在80年代旋转防喷器等欠平衡钻井设备发展成熟后，空气钻井在美国和加拿大得到了广泛应用。从80年代末到90年代初，北美利用气体流体欠平衡钻井技术钻探和开发油气藏，发现油气藏并保护油气藏。美国埃克森公司在圣拉里克油田钻了24口井，空气钻井效率比泥浆钻井高15倍。在德克萨斯州西南部一个古老的气田中，压力系数为0.272，生产层采用稳定的泡沫钻探，产气量高达70800m3/d，是泥浆钻井产量的6～8倍。加拿大艾伯塔省的卡姆罗斯水库已使用空气钻井技术钻成水平井。其产量是该地区垂直井的2.5至6倍。上世纪后期，美国和加拿大的空气钻井技术已成熟，井数逐年增加。空气钻井已被广泛应用于新墨西哥州圣胡安盆地及美国东部的阿巴拉契亚山脉和洛基山脉等钻井液泄漏区域。近年来，空气钻井技术在KED地区得到了广泛应用，主要使用的是威德福的空气钻井设备，在实际应用过程中加入了雾化器，为空气钻井的升级版泡沫/雾化钻井。

1 空气钻井技术流程

空气钻井是一种欠平衡压力钻井，其循环介质是压缩空气[1-3]。由于空气大大降低了井筒流体的静压，因此可以提高钻进速度[1-4]。空气钻井技术的流程：空气压缩机将气体压缩到初级350psi（2.4MPa），减少通过散热器和分离器，然后进入涡轮增压器以压缩空气直到满足钻井施工所需的压力。散热器用来冷却空气，分离器去除水分，加压的空气通过地面主管道泵到立管和井底。钻井过程中，同时利用压缩空气来完成冷却钻头的任务，携带岩屑，碎屑从环空通过排水管道到达地面分离器（D-tank）至沉砂池。分离器管汇上有排砂管道，使用砂屑取样器在排砂管道上获取砂样，并用除尘器除去钻屑中的灰尘，参见图1空气钻井技术流程。

图1 空气钻井工艺流程

2 空气钻井技术在KED项目中的应用

2.1 基础数据

井号：P k-5；井别：评价井、开发井；井型：大斜度定向井；设计井深：3250m（靶点垂深2652m）；空气钻井设计：二开井段：130～1365m，空气钻井。

表1 井深结构表

表2 钻遇地层设计地层剖面

表3 地层压力预测表表

2.2 空气钻井设备及工具

空气钻井设备包括：空压机4台，增压机2台，旋转控制头1套，排屑管汇1套，地面供气管汇1套，设备满足4400SCFM空气的供气能力。本井采用的空气钻井技术所需设备和配套装置见表4。

表4 空气钻井设备及工具表

井口装置主要由套管头＋四通＋2FZ54-14闸板防喷器＋FH54-14环形防喷器＋SLXFD旋转控制头组成。

本次在实际使用中，直接使用空气，但含有雾化设备，设备示意如图2：

图2 空气钻井设备示意图

2.3 钻井参数

表5 空气钻井参数记录

3 应用空气钻井的优势分析

3.1 能够保证生产所需的进尺速度

在实际钻进过程中，使用空气钻井的同时能够把地层水通过泡沫携带至地面，从井深606m开始，由于废水池的储量已满，甲方决定用泵吸入上层的清水，打入井中，使用清水和泡沫交替的钻井方式。实际应用的情况正好能对空气钻井和常规的钻进做一个对比，从表格中不难看出，在转速，钻压都一样的情况下，使用空气钻井时的平均进尺大部分都在10m/hr以上，瞬时进尺有时达到36m/hr，高于后期使用清水的钻井阶段，进尺普遍都低于10m/hr。这证明了空气钻井能够提高岩石破碎效率，提高进尺，满足工业生产需要。

3.2 使用空气钻井能够有效携带岩屑

以下是在不同井深，在不使用钻井液的情况下，不同空气注入排量钻井时，岩屑下落速度（Slip.Vel）和环空流体上返速度（Ann.Vel）的对比。

图3 190m时岩屑下落速度和环空流体上返速度的对比

图4 742m时岩屑下落速度和环空流体上返速度的对比

图5 1305m时岩屑下落速度和环空流体上返速度的对比

在以上曲线图中，虚线表示岩屑的下落速度（Slip.Vel），实线表示环空流体的上返速度（Ann.Vel）。不难看出环空流体的上返速度在三个不同的井深，在1000scfm和2000scfm的注入排量下，都明显高于岩屑的下滑速度，岩屑都能顺利被携带至地面，及时清理井筒，保证环空畅通。并且在地面有分离器，可以在分离器处取得砂样，这样在有效携带岩屑，清理井底的同时，更为录井工作提供了跟踪和分析地层信息的基础。

3.3 在钻进过程中利用空气循环形成负压提高岩石破碎效率

以下是不同深度时利用空气钻井产生的当量循环密度(ECD)对比图。

图6 190m时空气钻井产生的当量循环密度

图7 742m时空气钻井产生的当量循环密度

图8 1305m时空气钻井产生的当量循环密度

图中用不同的颜色标识了在不同的空气注入排量和泡沫注入排量时的当量循环密度（ECD）随着井深变化的情况。可以看出，在17-1/2”井眼的钻进段（130m-1365m），当量循环密度（ECD）始终处于1.5ppg以下，明显小于地层孔隙压力当量密度（8.74-9.16ppg）。这样在井底的围岩上就形成了负压，地层孔隙压力对围岩产生推力，帮助破碎岩石，有效提升了钻头破碎岩石的效果，提高了钻进速度。

4 认识与建议

在对实际应用情况和数据进行分析后，对空气钻井技术可得到以下几点认识：

（1）能提高钻井速度，缩短井工期。主要从两方面体现了这一优势：一方面井筒压力小，由于岩石处于采用空气循环形成负压中，地层孔隙压力可以形成对围岩的向外推力，有利于井底岩石的破坏；另一方面，打入地层的泡沫/空气，可以有效地携带井底的岩屑，增加钻头切割效果，可以避免重复切割，提高钻孔速度并延长钻头的使用寿命，从而提高钻井速度，缩短工期。

（2）避免钻井工程中的井漏效应。钻井液对地层造成的压力较大，会造成漏失现象，甚至是不能返回地面。在常规水基泥浆钻进过程中，当井内钻井液的液柱压力等于地层压力时，不会发生井漏。但当钻遇裂缝发育或岩溶洞内时，易发生恶性井漏，会造成额外的经济损失，延长钻井周期。空气钻井井筒压力低，在循环介质作用下形成负压，流体不能进入地层，因此可以避免井漏现象。目前，使用空气钻井已成为避免渗漏形成的主要技术手段。

（3）可减少钻井液对浅层水源的破坏。由于我们采用的是空气钻井，不会把钻井液压入地层，进而对地层造成污染，并且还可利用地层中的地层水就地取材，有效地保护环境。

（4）利用空气钻井还可以有效解决因粘着现象引起的水敏地层，并能揭示有效储层。

◆参考文献

[1] 田玉栋. 徐深气田空气钻井转换雾化钻井最佳时机确定[J].石油钻采工艺，2017，39(1)：37-41.

[2] 马光长，杜良民. 空气钻井技术及其应用[J].钻采工艺，2004，(3)：4-8.

[3] 田玉栋.徐深气田气体钻井问题分析及技术对策[J].中国石油大学胜利学院学报，2016，30(2)：12-14.

[4] 刘江涛. 特殊井选择钻井注气设备影响因素分析[J].石油和化工设备，2017，20(8)：78-80.