反循環(huán)鉆井工藝技術(shù)及發(fā)展趨勢

張 仟

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

反循環(huán)空氣鉆井是指氣體從空氣鉆井裝備（空壓機、膜制氮、增壓機）經(jīng)氣體管線從環(huán)空進入井筒到達井底，攜帶巖屑依次經(jīng)過氣體鉆井反循環(huán)專用鉆頭、鉆具內(nèi)眼、水龍頭、立管等上返至地面的一種鉆井技術(shù)。反循環(huán)空氣鉆井作為欠平衡/氣體鉆井的重要分支，與鉆井液常規(guī)鉆井相比具有高鉆速、保護油氣儲層、降低成本等優(yōu)勢，在國內(nèi)外進行了較為越廣泛的應(yīng)用。具有代表性的是加拿大PressSolLtd公司，該公司借鑒了巖土鉆掘工程中反循環(huán)鉆進思路，開發(fā)出適合中淺層氣資源的RCCD(Recycle Center Cycle Drilling Tech?nology)反循環(huán)鉆井系統(tǒng)，近幾年RCCD系統(tǒng)成功地應(yīng)用到淺氣層的商業(yè)開發(fā)中[1-4]。

因為空氣密度低，并具有可壓縮性，所以常規(guī)鉆井的相關(guān)理論對空氣鉆井已不再適用。反循環(huán)空氣鉆井在國內(nèi)處于起步階段，相關(guān)的理論分析、計算方法尚未形成，急需開展反循環(huán)空氣鉆井相關(guān)理論的研究，為反循環(huán)空氣鉆井的裝備選型、工藝技術(shù)參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持[2-8]。

1 反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)的原理及特點

1.1 反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)原理

圖1 RCCD反循環(huán)鉆井原理及結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)不同的鉆井和完井要求，需要配備RCCD反循環(huán)用特殊鉆桿、鉆井液馬達、MWD工具、空氣鉆頭、反循環(huán)鉆頭、隔離測試工具、套管脫氣工具、固井工具、旋轉(zhuǎn)防噴器、地面壓井與節(jié)流防噴管線、反循環(huán)容積式氣馬達和注氣水龍頭等。

1.2 反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)特點

反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)具有如下特點：

（1）能及時、準確地反映鉆遇地層特性。氣體在鉆具內(nèi)上返速度高，攜帶巖屑能力強，能及時、準確地反映地層巖石的特性。

（2）能提高漏層鉆井效率。在漏層鉆井時，鉆頭處的氣體對井底形成一定的抽汲作用，巖屑及時攜帶走，進一步減少壓持效應(yīng)，減少了巖屑重復(fù)破碎，提高鉆井效率。

（3）保護油氣儲層，降低對儲層的污染。由于反循環(huán)鉆井時，循環(huán)介質(zhì)在環(huán)空由上向下流動，與正循環(huán)時相比對井底的循環(huán)壓耗降低。同時鉆進產(chǎn)生巖屑從鉆具內(nèi)管被攜走，不會增加環(huán)空鉆井液密度，作用于地層的壓力小，所以在易漏地層鉆進時，可有效降低儲層的污染，保護儲層。

（4）豐富氣體鉆井手段，提高氣體鉆井效率?？刹扇≌h(huán)、反循環(huán)2種方法進行氣體鉆井，提高了氣體鉆井對復(fù)雜地層的處理能力。經(jīng)計算，應(yīng)用反循環(huán)空氣鉆井可適當(dāng)減少注氣量，進一步減小氣體鉆井所需的成本。

2 反循環(huán)空氣鉆井工藝流程

為了不影響正循環(huán)氣體鉆井作業(yè)，并同時有效地實現(xiàn)反循環(huán)空氣鉆井，對上述RCCD系統(tǒng)進行了簡化，省去了雙壁鉆桿、動力頭及旋流器等設(shè)備。簡化的反循環(huán)空氣鉆井是指氣體從氣體發(fā)生設(shè)備（空壓機、膜制氮、增壓機）經(jīng)氣體管匯從環(huán)空進入井筒到達井底，攜帶巖屑依次經(jīng)過氣體鉆井反循環(huán)專用鉆頭、鉆具內(nèi)眼、水龍頭、立管等上返至地面。圖2為反循環(huán)空氣鉆井工藝流程圖。

圖2 反循環(huán)空氣鉆井工藝流程圖

3 反循環(huán)空氣鉆井鉆井工藝參數(shù)及作業(yè)程序

反循環(huán)空氣鉆井現(xiàn)場施工工藝技術(shù)參數(shù)及作業(yè)程序如下：

第一，控制網(wǎng)。工作人員在開展測繪工作前，首先要根據(jù)GPS技術(shù)的使用條件和技術(shù)特點構(gòu)建三維控制網(wǎng)絡(luò)，還要設(shè)立一個基準站為GPS技術(shù)的運行創(chuàng)造良好的環(huán)境。需要注意的是，控制網(wǎng)要滿足GPS測繪技術(shù)的要求。由于GPS技術(shù)具有靈活高效的特點，且受到干擾源的影響也較小，即使是復(fù)雜惡劣的地勢環(huán)境也能應(yīng)對自如，在工作過程中靈敏度高且抗性強，是當(dāng)前測繪領(lǐng)域的重點應(yīng)用手段之一。為了使數(shù)據(jù)更加準確，在構(gòu)建控制網(wǎng)時要防止短邊情況的發(fā)生。

（1）管線連接。由于氣舉時氣體返至地面的沖擊力較大，可能造成水龍帶大幅擺動，產(chǎn)生不安全因素，所以還應(yīng)該采用正循環(huán)氣舉。這就要求在連接氣體鉆井管線時要實現(xiàn)既能進行正循環(huán)氣舉又能進行反循環(huán)鉆進的目的，經(jīng)過分析研究可采取如下方法：

①在放氣管匯后加裝三通使進氣管線分別連接到反循環(huán)流道的壓井管匯和正循環(huán)的立管處并分別加裝球閥；

②在防噴器殼體的液動平板閥和立管處分別連接排氣管線并經(jīng)三通連接到排砂管線并同樣加裝球閥。這樣只要在工況需要時倒換閥門就能分別實現(xiàn)正反循環(huán)的功能。

（2）鉆具組合。由于鉆進采取反循環(huán)，氣舉采取正循環(huán)方式。所以在下入的鉆具組合中不能下入單流閥。待正常鉆進未進入產(chǎn)層前在鉆具的上部加裝反向單流閥以便在反循環(huán)空氣鉆井接單根操作中減少放氣時間，進入產(chǎn)層前最后一趟鉆要拆除所有單流閥以便特殊情況下可進行正反循環(huán)壓井。

（3）氣舉。按照上述連接好氣體鉆井管線后，在氣舉時關(guān)閉反循環(huán)球閥打開正循環(huán)球閥按照常規(guī)氣體鉆井程序進行氣舉。氣舉完成進行反循環(huán)氣體鉆進前打開反循環(huán)球閥關(guān)閉正循環(huán)球閥進行反循環(huán)鉆井等后續(xù)工作。

（4）注氣量。反循環(huán)空氣鉆井中巖屑是從鉆具內(nèi)循環(huán)上返至地面，比正循環(huán)氣體鉆井時巖屑流經(jīng)通道的截面積要小得多。經(jīng)過計算軟件計算，在3500m井深處，攜帶同樣的巖屑反循環(huán)為僅需氣量33.1m3，所需氣量僅為正循環(huán)方式的三分之一，大大節(jié)省了設(shè)備量。

（5）鉆進。在正式鉆進前要進行試鉆進工作，逐漸調(diào)整鉆進參數(shù)，使巖屑能被氣體通過鉆頭攜帶井底循環(huán)至地面，避免重復(fù)破巖影響鉆速甚至無進尺。待鉆進參數(shù)調(diào)整至最優(yōu)后再進行反循環(huán)空氣鉆井的正常鉆進工作。

（6）接單根。進行接單根操作時，同樣要遵循正循環(huán)氣體鉆井時的原則，充分循環(huán)井底，待井底巖屑全部返至地面后進行停氣作業(yè)，待井底氣體壓力降至大氣壓后再進行接單根作業(yè)，否則易造成巖屑沖擊傷人。

（7）氣液轉(zhuǎn)換。氣體鉆井完成進行鉆井液轉(zhuǎn)換時要從壓井管匯反循環(huán)灌注鉆井液，待建立正常的鉆井液循環(huán)后再進行起鉆等后續(xù)作業(yè)。

4 反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢

通過對反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)進行研究，總結(jié)分析了國內(nèi)外反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢[6-9]：

（1）需要開展反循環(huán)空氣鉆井流體理論模型研究與計算，特別是開展反循環(huán)空氣鉆井壓力及排量的計算模型研究；

（2）開展反循環(huán)空氣鉆井地面配套設(shè)備的研究，特別是開展反循環(huán)空氣鉆井鉆頭及側(cè)入式氣水龍頭的研究，并完善其性能；

（3）通過不斷的現(xiàn)場試驗，摸索出適合反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)的現(xiàn)場施工技術(shù)參數(shù)。

5 結(jié)論和認識

（1）反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)具有提高鉆井效率、降低污染、及時與保護儲層等特點，具有比較廣闊的應(yīng)用前景；

（2）在不影響正循環(huán)空氣鉆井作業(yè)的前提下，給出了具體的反循環(huán)空氣鉆井鉆井工藝參數(shù)及作業(yè)程序，進行反循環(huán)空氣鉆井施工能夠有效促進反循環(huán)鉆井技術(shù)的發(fā)展；

（3）給出了反循環(huán)空氣鉆井技術(shù)的下步發(fā)展趨勢及建議，為該技術(shù)的進一步發(fā)展提供了技術(shù)參考。

[1]PaulMackay，等.反循環(huán)鉆井避免損害低壓氣層[J].國外油田工程,2003,19(9):19-20.

[2] 朱麗紅.反循環(huán)空氣鉆井壓力計算分析[J].鉆井液與完井液,2009,26(4):34-37.

[3] 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):17-21.

[4] 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．

[5] 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.

[6] 韓烈祥,孫海芳.氣體反循環(huán)鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].鉆采工藝,2008,31(5):1-5.

[7] 王運美.反循環(huán)鉆井技術(shù)在淺層氣開發(fā)中的應(yīng)用[J].石油機械,2007，35(5):59-61.

[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.

[9] 田魯財,宋瑞宏,趙凱來.氣體反循環(huán)鉆井工藝技術(shù)研究[J].中國科技博覽,2013(14):1.