常规钻具充气反循环钻井技术研究与试验

李文哲，代 锋，李郑涛，傅 栋，高德伟，张小林

1四川长宁天然气开发有限责任公司 2四川中页利华新能源科技有限公司3西南石油大学(成都)石油与天然气工程学院

0 引言

四川长宁页岩气资源丰富，是中国石油页岩气建产核心区域之一[1- 3]。该区地表地形复杂，地下水资源丰富，表层孔隙、裂缝、溶洞发育，压力系数低，表层钻井井漏问题严重[4- 5]。据统计，仅2019年1～8月，长宁区块页岩气表层(飞仙关组及以上地层)钻井井漏96井次，累计漏失清水27.62×104m3，累计损失时间达202.3 d，严重影响钻井提速，限制了页岩气的高效勘探开发，同时也面临巨大的环保压力。目前该区通常采用空气钻井和清水强钻，解决表层钻井井漏问题，但空气钻井在出水地层钻进存在一定的局限性，清水强钻卡钻风险高[6- 7]。

针对长宁页岩气表层钻井严重井漏复杂问题，目前尚无较好的解决办法。双壁钻杆气举反循环钻井技术是一种有效的低压、负压钻井技术，与正循环钻井技术相比，具有携屑效率高、消除环空压耗、降低井底压力、减少井漏等优点[8- 9]，在处理地层大量出水、严重井漏问题方面具有独特优势，已成熟应用于水井、地热井、瓦斯排放井等钻井领域[10-12]。但该技术需要专门配套气水龙头、双壁钻杆、气水混合器等工具，工艺复杂，成本较高。本文针对长宁表层严重井漏问题，结合工程实际，在双壁钻杆气举反循环钻井技术基础上，设计了一种常规钻具充气反循环钻井新工艺，在N216-X井进行了现场试验，以解决长宁页岩气表层钻井严重井漏复杂问题。这是对充气反循环钻井技术应用于页岩气钻井领域的探索，也为解决其他低压易漏地层钻井难题提供了一种新的技术措施。

1 技术原理

1.1 工艺流程

在双壁钻杆气举反循环钻井技术基础上，去掉气水龙头、双壁钻杆、气水混合器等工具，增加旋转防喷器、气举阀，设计了一种常规钻具充气反循环钻井新工艺，工艺流程如图1所示。新工艺在启动过程中，通过旋转防喷器封闭井口，先开空压机注气，气体通过钻井四通注入井口环空，随着注气压力的增大，气体沿环空向下流动至气举阀位置，当气举阀位置的外、内压差增大至气举阀开启压力时，气举阀侧孔打开，环空气体经侧孔进入钻柱内，顶替气举阀以上钻柱内钻井液，待出口有气液返出后，小排量开泵，逐渐增大排量至设计值。气、液混合低密度流体注入井筒环空，继续顶替气举阀以上钻柱内钻井液，随着气举阀以上的钻柱内钻井液密度降低，井底压力降低。注气压力继续增大，气举阀位置的环空压力也继续增大，当气举阀位置的外、内压差增大至气举阀闭合压力时，气举阀侧孔关闭，低密度混合流体沿环空继续下行，至井底经反循环钻头水眼进入钻柱内，携带岩屑上返出井口，形成反循环钻进。

图1 常规钻具充气反循环钻井工艺流程图

1.2 配套设备

常规钻具充气反循环钻井工艺设备主要包括反循环钻头、开侧孔双母接头、气举阀、钻柱旋塞、空压机、增压机、旋转防喷器、排砂管线等。其中，反循环钻头通过三牙轮钻头改造加工而成，如图2所示。反循环钻头设计特点：原三牙轮钻头水眼堵死，中心开一80 mm水眼，在牙轮周围加焊挡板。在反循环时，挡板迫使气液低密度流体从更接近井底的位置流过，提高井底携屑效果，同时防止超大块岩屑从牙轮侧面缝隙进入钻柱内，堵塞钻柱水眼。

图2 反循环专用钻头

气举阀通过短接头改造而成，在本体侧壁上集中分布四个直径7 mm侧孔，气举阀设计特点如图3所示。图中，pA表示气举阀外压力，pB表示气举阀内压力，pX表示气举阀外、内压力差，p2、p1表示气举阀开启压力上下限。气举反循环钻井启动时，pX逐渐增大，当pX增大至大于p1时气举阀侧孔开启，气体或气液混合低密度流体经气举阀侧孔进入钻柱内，顶替气举阀上部钻柱内钻井液，降低井底压力当量密度。随着pX继续增大，当pX增大至大于等于p2时，气举阀侧孔关闭，气液低密度混合流体沿环空流向井底，经钻头水眼进入钻柱内，携带岩屑返出井口。

图3 气举阀结构示意图

开侧孔双母接头在本体侧壁上均匀分布有3个直径10 mm侧孔，在钻头水眼堵塞时起短路作用，防止憋压导致钻具飞出造成事故。空压机提供压缩空气，增压机在空压机注气压力不足时提供更高的注气压力。旋转防喷器在充气反循环钻进时封闭井口，并提供一定的井控能力。

1.3 工艺优势

新工艺通过旋转防喷器封闭井口，由环空充气，井口使用普通钻杆，具备以下优点：

(1)能明显降低井底压力当量密度，减少漏失。

(2)岩屑由钻杆内返出，避免岩屑冲蚀井壁。

(3)钻杆内过流面积较环空小，钻井液流速快，携岩效果好。

(4)所需排量小、注气量小，节约设备投入。

(5)使用常规钻具，降低技术成本。

(6)井口安装旋转防喷器后，具备一定的井控能力。

为验证常规钻具充气反循环钻井技术工艺设计和装备配套的可行性，在长宁216井区X井进行了现场试验。

2 现场试验

2.1 作业难点分析

N216-X井是四川长宁公司部署在长宁页岩气216井区的一口开发井，设计井深4 141 m，目的层为龙马溪组。该井所在平台布置6口水平井，井口最小间距5 m，平台所在山区为典型的喀斯特地貌，周围出露嘉陵江组厚层灰岩、薄层灰岩，表层裂缝、溶洞发育，压力系数低(1.0)，在钻井过程中存在较大的井漏风险。距离平台2.6 km处有一溶洞，周边共有18处水源，供周围多户居民饮用。

2.2 基础数据

(1)井段。井眼尺寸Ø406.4 mm,试验井段为二开120～360 m。

(2)钻具组合。Ø406.4 mm反循环钻头+Ø228.6 mm开侧孔双母接头+Ø228.6 mm无磁钻铤×1根+Ø400 mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤×1根+Ø203 mm无磁钻铤1根+Ø203.2 mm钻铤×6根+Ø177.8 mm气举阀+Ø177.8 mm钻铤×3根+Ø127 mm钻杆。

2.3 现场应用情况

2.3.1 施工参数

N216-X井二开常规钻具充气反循环钻井施工参数:钻压100～200 kN,转速60～80 r/min,扭矩3～5 kN·m,钻井液排量12～18 L/s,泵压1.0～2.0 MPa,注气量18～25 m3/min,注气压力1.0～2.0 MPa。

2.3.2 作业过程

本次试验从二开开始钻进，按钻具组合下钻至120 m，接上顶驱，先开空压机反循环注气，注气量20 m3/min，待出口有气液返出后，再缓慢开泵，注入清水，逐渐增大排量至12 L/s，顺利建立反循环，转盘转速60 r/min，钻压100 kN，开始钻进，每钻进30 m进行一次测斜。

接立柱过程需要注意：接立柱前循环一个迟到时间，尽量排干净钻柱内岩屑，防止停止循环时岩屑沉降堵塞钻柱水眼；停止循环应先停气，待出口无气泡返出后，再缓慢停泵；卸扣前注气、注液管线泄压，关闭钻柱旋塞，迅速接上立柱后，打开钻柱旋塞；重建反循环步骤与启动步骤相同，过程中密切注意压力变化，防止岩屑未排干净等原因导致的水眼堵塞形成憋压，造成钻具飞出等憋压伤人事故。

充气反循环钻井过程中，返出的岩屑多为云岩、灰岩岩块，岩屑直径普遍比常规正循环钻井技术产生的岩屑大，部分直径超过3 cm。

在钻进至井深234 m进行接立柱作业后，发现液位不在井口，大排量(40 L/s)灌满后进行纯钻井液反循环，测漏速为36 m3/h。随后停泵，按常规钻具充气反循环钻井启动操作规程，先开空压机注气，注气量25 m3/min，待井口返出后再缓慢开泵，提高排量至15 L/s，顺利重建了反循环，继续钻进，加密泥浆池液面监测，发现液面稳定，不再发生明显钻井液漏失，成功钻穿漏层。

本次试验共入井两只反循环钻头，第一只反循环钻头从120 m钻至274 m，累计进尺154 m，纯钻时间72 h，第二只钻头从274 m钻进至361 m，累计进尺87 m，纯钻时间36.5 h。试验共完成进尺241 m，平均机械钻速2.22 m/h。

2.3.3 应用效果

充气反循环钻进至234 m处发生井漏后，以注气量25 m3/min、清水排量15 L/s，顺利重建反循环，此时井底压力约为1.5 MPa，当量密度为0.64，继续钻进不再发生明显井漏，成功钻穿漏层，与邻井同井段井漏地层相比，较常规钻井技术井漏减少83.6%。

充气反循环钻井过程中井内返出的岩屑直径明显偏大，可以有效减少岩屑在井底的重复切削，提高钻头使用寿命，下套管前通井一次到底，井底几乎无沉砂，成井质量高，套管下入顺利，较常规正循环钻井技术携屑能力强，携屑效率达到99%。

2.3.4 存在问题

常规钻具充气反循环钻井技术能明显减少钻井漏失，且携屑效果好，但由于自身工艺技术特点，也存在一些问题：钻柱内充气，该工艺无法使用MWD等随钻测量工具；钻柱内多相流上返，无法使用螺杆等井下动力钻具。以上问题制约了该技术的大范围应用，有待进一步研究。

3 结论

(1)在N216-X井成功进行了常规钻具充气反循环钻井现场试验，累计进尺241 m，与邻井同井段井漏地层相比，较常规钻井技术井漏减少83.6%。该技术为解决长宁页岩气表层严重井漏问题提供了一种新的技术措施，对其他低压易漏地层钻井难题处理具有重要借鉴意义。

(2)常规钻具充气反循环钻井技术钻柱内上返速度快，携屑效果好，返出岩屑粒径普遍偏大，减少岩屑井底重复切削，提高钻头使用寿命。井底几乎无沉砂，成井质量高，为后期下套管作业顺利进行提供了技术保障。

(3)与正循环钻井技术相比，常规钻具充气反循环钻井技术所需钻井液排量小，与气体钻井相比，所需注气量小，仅需配备2台空压机、1台增压机，噪音小、成本低，为该技术推广应用创造有利条件。