徐深氣田空氣鉆井轉(zhuǎn)換霧化鉆井最佳時機確定

田玉棟

中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院

徐深氣田空氣鉆井轉(zhuǎn)換霧化鉆井最佳時機確定

田玉棟

中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院

針對空氣鉆井地層出水后，巖屑易形成泥環(huán)造成環(huán)空循環(huán)不暢等問題，需要確定轉(zhuǎn)化為霧化鉆井的時機，開展了臨界地層出水量及最佳轉(zhuǎn)化時機研究與試驗。通過使用烘干的采集于空氣鉆井不同層位的巖樣，開展了氣體霧化水、巖屑吸水、巖心吸水及巖屑吸水形態(tài)變化地面試驗，得到了巖屑吸水后形態(tài)變化情況，得出巖屑聚團是氣體鉆井出水后危險的狀態(tài)。同時以空氣鉆井裸眼段長度1 000 m為例，經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)分析，當排砂管線內(nèi)有自由水出現(xiàn)，地層出水量為0.51 m3/h時，空氣鉆井應(yīng)及時轉(zhuǎn)換成霧化鉆井。現(xiàn)場試驗表明，通過試驗手段得到空氣鉆井轉(zhuǎn)化成霧化鉆井轉(zhuǎn)化時機能夠有效地指導(dǎo)徐深氣田空氣鉆井安全施工。

空氣鉆井；霧化鉆井；地層出水；轉(zhuǎn)化時機；徐深氣田

在空氣鉆進過程中，地層出水后巖屑易水化黏附在井壁和鉆具，不利于空氣鉆井安全鉆進，應(yīng)根據(jù)井下工況轉(zhuǎn)化為霧化鉆井，國內(nèi)對如何確定轉(zhuǎn)換成霧化鉆井的最佳時機研究較少［1-6］。2008年，鐘英［7］等學(xué)者認為當空氣鉆井鉆遇水層，出水量不大時， 地層出水速度在1～5 m3/h可轉(zhuǎn)換為霧化鉆井，以提高攜水能力。在空氣鉆井過程中，如何準確及時把握轉(zhuǎn)化成霧化鉆井的時機對于空氣鉆井安全鉆進至關(guān)重要。但目前空氣鉆井轉(zhuǎn)化為霧化鉆井的時機不明確和給出地層出水量范圍寬泛，不能有效地指導(dǎo)現(xiàn)場實踐，因此開展了空氣鉆井轉(zhuǎn)化成霧化鉆井的最佳時機的試驗與研究。通過開展氣體霧化水、巖屑吸水、巖心吸水及巖屑吸水形態(tài)變化地面試驗及分析，得出了當排砂管線內(nèi)有自由水出現(xiàn)，空氣鉆井應(yīng)及時轉(zhuǎn)換成霧化鉆井。經(jīng)過4口井現(xiàn)場試驗，取得較好效果，能夠有效地指導(dǎo)徐深氣田空氣鉆井安全施工。

1 地面試驗方法

Ground experiment methods

在空氣鉆井過程中，地層出水后，如果完全被氣體攜帶上來，那么地層出水量等于氣體霧化水量、攜帶自由水量和巖屑及井壁吸附水量［8-10］。為了能夠得到地層出水量及巖屑吸水后形態(tài)變化情況，從而確定空氣鉆井轉(zhuǎn)換成霧化鉆井的臨界地層出水量及最佳轉(zhuǎn)化時機，開展了氣體霧化水、巖屑吸水、巖心吸水及巖屑吸水形態(tài)變化試驗，試驗過程中使用的巖樣是取自空氣鉆井不同層位并經(jīng)過烘干的巖樣，通過試驗數(shù)據(jù)分析，得出了空氣鉆井轉(zhuǎn)化成霧化鉆井的臨界地層出水量及最佳轉(zhuǎn)化時機。

1.1 氣體霧化水試驗

Air atomized water experiment

1.1.1 試驗方法及流程 在徐深氣田氣體鉆井現(xiàn)場，三開未鉆水泥塞前，在?244.5 mm技術(shù)套管內(nèi)沒有巖屑的情況下，利用空氣鉆井注氣裝備和霧化泵，通過調(diào)整注氣量和注水量進行了氣體霧化水試驗。氣體攜帶水量等于氣體霧化水量和自由水量之和，注水量可以通過霧化泵流量計直接讀取，自由水量可以在排砂管線出口處進行計量，所以，在一定氣量下霧化水量等于霧化泵流量與自由水量的差值。

1.1.2 試驗數(shù)據(jù)及分析 通過試驗，0.5 h一測，得出了不同注氣排量情況下對應(yīng)的氣體霧化水量，見表1。

當注液量為7.3 L/min不變，如果注氣量在20 m3/min以下時，氣體沒有霧化水能力，水以連續(xù)的狀態(tài)流動。當注氣量20～35 m3/min時水開始少量被霧化，隨注氣量增大，被霧化水量增多。隨注氣量進一步增大，當注氣量40～60 m3/min時，氣體霧化速度增快。當注氣量大于70 m3/min以上時，霧化水量基本不會因注氣量增大而增加，霧化達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過對氣體霧化水試驗數(shù)據(jù)分析取得認識：注氣排量20～35 m3/min時，基本上無霧化能力； 注氣排量35～60 m3/min時，霧化水量上升趨勢大，霧化水能力為0.21～3.22 L/min；注氣排量為60～105 m3/min時，霧化水量趨于飽和。

表1 氣體霧化水試驗數(shù)據(jù)Table 1 Data of air atomized water experiment

1.2 巖屑吸水室內(nèi)試驗

Indoors water absorption experiment on rock debris

1.2.1 試驗方法及原理 通過使用巖屑吸水試驗裝置對氣體鉆井不同層位巖屑進行了吸水試驗。試驗裝置見圖1。原理是根據(jù)“U”型管效應(yīng)，巖屑吸水的同時，漏斗內(nèi)水面高度不變，導(dǎo)致取樣管內(nèi)水減少，即巖屑吸水量等于取液管內(nèi)水的減少量。

圖1 巖屑吸水試驗原理及裝置圖Fig. 1 Principle and devices of debris water absorption experiment

1.2.2 試驗數(shù)據(jù)及分析 通過對5種不同巖樣的最大吸水率及吸水飽和時間試驗數(shù)據(jù)分析，得出巖屑最大吸水率為0.17～0.30 mL/g，巖屑吸水3 min趨于飽和，見圖2。

1.3 巖心吸水試驗

Water absorption experiment on cores

圖2 不同巖樣吸水率對比Fig. 2 Water absorption rate of different rock samples

1.3.1 試驗方法及原理 取氣體鉆井巖屑，研磨后壓制成巖心，對巖心的高度及重量進行測量，使用膨脹儀進行試驗，見圖3。巖心吸水后膨脹，高度增加，接觸桿向上移動，使膨脹儀電壓發(fā)生變化，通過記錄膨脹儀電壓變化，取得巖屑的膨脹率，通過測量巖心重量，求得巖心吸水率。

圖3 打壓設(shè)備及膨脹儀實物圖Fig. 3 Pictures of pressurization equipment and dilatometer

1.3.2 試驗數(shù)據(jù)及分析 通過試驗得到了不同巖樣巖心的膨脹率和吸水率，見圖4。對試驗數(shù)據(jù)進行分析得出：巖心吸水5 h后趨于飽和； 膨脹率大的巖心吸水率也大，說明巖屑中的黏土礦物是決定巖屑吸水多少的主要因素；巖心膨脹率為3.7%～19.26%，吸水量為0.12～0.23 L/m2。

圖4 5種巖樣膨脹率隨時間變化曲線Fig. 4 Relationship of swelling rate vs. time of 5 rock samples

1.4 巖屑吸水形態(tài)變化試驗

Morphological change experiment on debris absorption water

1.4.1 試驗方法及原理 巖屑吸水后攪拌，通過觀察巖屑形態(tài)變化及攪拌力大小，確認巖屑聚團時巖樣的吸水率，從而確定空氣鉆井轉(zhuǎn)換成霧化鉆井的臨界出水量。

1.4.2 試驗數(shù)據(jù)及分析 從試驗過程中觀察可知，巖屑在攪拌過程中主要表現(xiàn)出潮濕、聚團和成泥3種狀態(tài)，見圖5。5種巖樣3種狀態(tài)對應(yīng)的吸水量見表2。

圖5 巖樣吸水潮濕、聚團及成泥3種狀態(tài)Fig. 5 Three water absorption states of rock samples, i.e., moistness, agglomeration and mud formation

表2 5種巖樣3種不同狀態(tài)下巖樣吸水率mL·g-1Table 2 Water absorption of 5 rock samples in 3 states

巖屑吸水形態(tài)變化試驗中巖屑聚團時攪拌力最大，結(jié)合現(xiàn)場實際可認為此狀態(tài)井下易發(fā)生憋壓、卡鉆等復(fù)雜事故，是空氣鉆井地層出水后井下一種的危險狀態(tài)。

2 霧化鉆井轉(zhuǎn)化時機確定

Determination of conversion time from air drilling to mist drilling

2.1 無自由水返出時地層最大出水量

Maximum formation water production with no free water returning

排砂管線內(nèi)無自由水返出時，地層出水主要被氣體霧化、巖屑吸附和井壁吸附，所以地層出水量Q1是氣體霧化水、巖屑吸附水和井壁吸附水之和。

式中，H為裸眼段長度，m；D為井眼直徑，mm；V為氣體霧化水量，L/min；RP為機械鉆速，m/h；α為巖心吸水量，L/（m2·h）；β為巖屑吸水率，mL/g。

根據(jù)上述氣體霧化水試驗、巖屑吸水試驗及巖心吸水試驗數(shù)據(jù)，通過公式（1）計算可以得到排砂管線無自由水情況下的地層最大出水量，見表3。

表3 排砂管線無自由水出現(xiàn)時地層出水量Table 3 Formation water production without free water

2.2 臨界地層出水量

Critical formation water production rate

根據(jù)巖屑吸水形態(tài)變化試驗，得出攪拌力最大時對應(yīng)的巖屑吸水率，此時巖屑聚團，是氣體鉆井出水后最危險的狀態(tài)，應(yīng)轉(zhuǎn)化成霧化鉆井，此時對應(yīng)的地層出水量Q2由下式計算

式中，χ為巖屑聚團時對應(yīng)的巖屑吸水率，mL/g。

根據(jù)氣體霧化水試驗、巖心吸水試驗及巖屑吸水形態(tài)變化試驗數(shù)據(jù)，利用公式（2）對臨界地層出水量進行計算，計算結(jié)果見表4。

表4 不同條件下臨界地層出水量Table 4 Critical formation water production rate

2.3 空氣鉆井轉(zhuǎn)換成霧化鉆井的原則

Conversion principle from air drilling to mist drilling

以空氣鉆井裸眼段長度1 000 m為例，通過對排砂管線無自由水出現(xiàn)時地層最大出水量（0.51 m3/ h）與氣體鉆井轉(zhuǎn)換成霧化鉆井的臨界地層出水量（0.48～0.53 m3/h）進行對比分析，發(fā)現(xiàn)氣體鉆井轉(zhuǎn)化成霧化鉆井的臨界地層出水量與排砂管線內(nèi)無自由水出現(xiàn)時的地層最大出水量相當，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，當?shù)貙映鏊繛?.51 m3/h時，此時排砂管線內(nèi)有自由水出現(xiàn)，空氣鉆井應(yīng)及時轉(zhuǎn)換成霧化鉆井。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

Field application

徐深氣田采用該理論進行了4口氣體鉆井現(xiàn)場試驗，在現(xiàn)場施工中出現(xiàn)不同程度地層出水情況下，實現(xiàn)了地層出水后安全鉆進。其中XS35井為徐深氣田徐家圍子斷陷一口預(yù)探井，該井設(shè)計三開層位泉一段—登二段進行空氣/霧化鉆進。空氣鉆進至井深2 928 m時，濕度監(jiān)測顯示出口濕度微升，停鉆循環(huán)，觀察排砂口有水滴出現(xiàn)，經(jīng)過反復(fù)循環(huán)與干燥后觀察排砂口出現(xiàn)有小水流，并通過以上理論計算地層出水量為0.5 m3/h，現(xiàn)場決定及時轉(zhuǎn)化為空氣霧化鉆進，霧化鉆進至3 528 m，霧化鉆井進尺600 m，創(chuàng)造了徐深氣田新紀錄，同時避免了復(fù)雜事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

Conclusions

（1）通過巖屑攪拌試驗確定了巖屑聚團是空氣鉆井地層出水后井下危險的狀態(tài)，此時易發(fā)生憋壓、卡鉆等復(fù)雜事故。

（2）經(jīng)過4口井現(xiàn)場試驗驗證了徐深氣田空氣鉆井轉(zhuǎn)化成霧化鉆井的轉(zhuǎn)化時機能夠有效指導(dǎo)地層出水后氣體鉆井安全施工。

（3）通過試驗手段，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定了排砂管線內(nèi)出現(xiàn)自由水為空氣鉆井轉(zhuǎn)化成霧化鉆井的最佳時機，并確定了轉(zhuǎn)化成霧化鉆井的臨界地層出水量，對氣體鉆井提供了一定的理論指導(dǎo)。

References:

［1］ 丁海峰，魏學(xué)成，張新旭，裴建忠，李三杰. 空氣鉆井過程中的鉆井液轉(zhuǎn)換［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（4）：12-15. DING Haifeng, WEI Xuecheng, ZHANG Xinxu, PEI Jianzhong, LI Sanjie. Mud system trans for mation in air drilling practiees ［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2006, 34（4）: 12-15.

［2］ 柳貢慧，陶謙，李軍. 氣體循環(huán)鉆井井筒氣量控制技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝，2009，31（4）：32-35. LIU Gonghui. TAO Qian. LI Jun. Gas volume control techniques for circular gas drilling［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2009, 31（4）: 32-35.

［3］ 李軍，柳貢慧，王錫洲. 氮氣循環(huán)鉆井開環(huán)現(xiàn)場試驗［ J］.石油鉆采工藝，2010，32（3）：9-12 . LI Jun, LIU Gonghui, WANG Xizhou. Open loop field test of nitrogen circulation drilling system ［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32（3）: 9-12.

［4］ 田玉棟. 徐深氣田氣體鉆井問題分析及技術(shù)對策［J］ .中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報，2016，30（2）：12-14. TIAN Yudong. Gas drilling problem analysis andcountermeasures for Xushen Gas Field［ J］ . Journal of Shengli College China University of Petroleum, 2016, 30（2）: 12-14.

［5］ 魯立強.混合充氣鉆井技術(shù)在深井鹽水層段的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（1）：10-13. LU Liqiang. Application of mixed aerated drilling technilogy in deep well saltwater interval［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38 (1):10-13.

［6］ 唐佳彤. 氣體鉆井最小氣體體積流量計算新方法［J］.石油鉆探技術(shù)，2015，43（4）：73-77. TANG Jiatong. A new calculation method of minimum gas volume flow rate for gas drilling［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(4): 73-77

［7］ 鐘英，崔茂榮，梁毅，馬勇，白立業(yè). 空氣鉆井中氣液合理轉(zhuǎn)換時機和井壁失穩(wěn)原因及對策［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008（20）：146-147. ZHONG Ying, CUI Maorong, LIANG Yi, MA Yong, BAI Liye. The reasonable transference time of gas- liquid and causes of well bore instability and strategy in air drilling［J］. Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2008(20): 146-147.

［8］ 武乾文，柳貢慧，李軍. 氣體循環(huán)鉆井室內(nèi)相似模擬方法研究［J］. 石油鉆采工藝，2009，31（5）：11-14. WU Qianwen, LIU Gonghui, LI Jun. The research on indoor simulation method of gas circulation drilling in a similar way ［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2009, 31（5）: 11-14.

［9］ 楊順吉，李軍，柳貢慧. 氣體鉆井井底低溫對巖石破碎的影響機制［J］. 中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，40（4）： 90-94．ZHANG Hongyun, GAO Deli, GUO Boyun. Downhole rock thermal stress analysis in gas drilling［J］. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016, 40（4）: 90-94．

［10］ 陳若銘，劉偉，屈志偉，王堅，王開華. 氣基流體鉆井轉(zhuǎn)換技術(shù)研究［ J］. 石油鉆采工藝，2010，32（增刊）：58-62. CHEN Ruoming, LIU Wei, QU Zhiwei, WANG Jian, WANG Kaihua. Research on conversion technology for gas-based fluid drilling ［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32（S0）: 58-62.

（修改稿收到日期 2016-11-27）

〔編輯 薛改珍〕

Determination of optimal conversion time from air drilling to mist drilling in Xushen Gasfield

TIAN Yudong
Drilling Engineering Technology Research Institute, CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing 163413, Heilongjiang, China

When air drilling is adopted, mud rings tend to be formed from debris, hindering the circulation in annulus after formation water breakthrough. To deal with these problems, it is necessary to determine the conversion time from air drilling to mist drilling. Therefore, the critical formation water production and the optimal conversion time were investigated and tested. A series of ground experiments were carried out on the dried rock samples taken from different horizons during air drilling, and they are air atomized water experiment, debris water absorption experiment, core water absorption experiment and morphological change experiment after debris water absorption. And accordingly, the morphological change after the debris were absorbed with water was understood. It is indicated that debris agglomeration is the dangerous state of air drilling after water breakthrough. Finally, a case study was performed on an open hole interval of 1 000 m long where air drilling was carried out. Experimental data analysis results show that the air drilling shall be converted into mist drilling as soon as the formation water production rate reaches 0.51 m3/h after free water occurs in clearance pipelines. Field tests indicate that the conversion time from air drilling to mist drilling determined by means of experiments can be used as the effective guidance for safe air drilling in Xushen Gasfield.

air drilling; mist drilling; formation water production; conversion time; Xushen Gasfield

田玉棟.徐深氣田空氣鉆井轉(zhuǎn)換霧化鉆井最佳時機確定［J］.石油鉆采工藝，2017，39（1）：37-41.

TE242

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0037– 05

10.13639/j.odpt.2017.01.007

:TIAN Yudong. Determination of optimal conversion time from air drilling to mist drilling in Xushen Gasfield［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 37-41.

國家科技重大專項 “大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題“碳酸鹽巖、火成巖及酸性氣藏高效安全鉆井技術(shù)” （編號：2011 ZX05021-002）；中國石油集團公司重大科技專項課題“深層天然氣高效開發(fā)技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：2016E-0211）。

田玉棟（1983-），2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事欠平衡鉆井技術(shù)研究工作，工程師。通訊地址：（163413）黑龍江省大慶市紅崗區(qū)八百坰鉆井工程技術(shù)研究院。電話：0459-4984404。E-mail：tianyudong@cnpc.com.cn