雙層鉆具反循環(huán)技術(shù)在氣體鉆井中的應(yīng)用分析

溫 杰，李金和，羅 整

(1西南石油大學(xué) 2中國石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院 3中石油欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地)

一、概況

氣體鉆井是以氣體為循環(huán)介質(zhì)的一種鉆井方式，與常規(guī)鉆井相比，在保護(hù)油氣產(chǎn)層、提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期以及處理井漏事故等方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，為鉆井技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和方向，國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)研究并對該技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用[1-2]，在川渝、新疆塔里木、青海等地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用中取得了顯著的效果。

川東地區(qū)地層漏失嚴(yán)重，目前通過氣體鉆井、霧化/泡沫鉆井、充氣鉆井等技術(shù)防漏治漏取得了一定的成績，但一些特殊工況仍然沒有很好的技術(shù)手段來處理。例如罐003-X1井，井漏失返且地層大量出水，雖然采用充氣強(qiáng)鉆技術(shù)取得了進(jìn)尺，但是未能建立正常循環(huán)，井下始終存在安全隱患；或者是井漏失返且漏水不漏砂的情況，因此必須建立循環(huán)才能在確保井下安全的情況下維持鉆進(jìn)，目前沒有辦法解決這類問題。

鑒于反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在地礦、水文水井鉆探、工程勘察、基礎(chǔ)工程施工等領(lǐng)域的成熟應(yīng)用[3]，特在油氣鉆井工程開展雙層鉆具氣體鉆井技術(shù)研究，形成針對水層、漏層同存的鉆井配套技術(shù)，進(jìn)一步拓寬氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用范圍。

二、雙壁鉆具反循環(huán)工藝原理

反循環(huán)鉆井方法較多，有空氣管懸吊在單壁鉆具中氣舉法、泵吸法、雙壁鉆具空氣反循環(huán)法、雙壁鉆具氣舉法等。使用的鉆具有單層鉆具、雙層鉆具、風(fēng)管并列式法蘭連接鉆具等。采用的鉆頭有改造的牙輪、刮刀、氣動(dòng)潛孔錘鉆頭等[4]。

其中雙層鉆具氣體鉆井技術(shù)是反循環(huán)鉆井技術(shù)的一種，也稱氣體全井反循環(huán)鉆井技術(shù)，氣體全井反循環(huán)鉆井即氣體由雙壁鉆具與潛孔錘及反循環(huán)鉆頭到達(dá)井底，攜帶巖屑由鉆柱中心通道返至地面的反循環(huán)鉆井系統(tǒng)。由于采用專門設(shè)計(jì)的貫通式潛孔錘，所以有時(shí)又統(tǒng)稱為貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆井。

雙層鉆具氣體鉆井工藝原理如圖1所示，壓縮空氣從進(jìn)氣管4進(jìn)入雙壁水龍頭2，經(jīng)雙壁鉆具5內(nèi)外管的環(huán)形空隙流至井底，經(jīng)反循環(huán)鉆頭6并攜帶巖屑從雙壁鉆具5中心管返至雙壁水龍頭2，再經(jīng)鵝頸管3和排砂管1排至地面。

三、雙壁鉆具反循環(huán)工藝特點(diǎn)

雙層鉆具反循環(huán)氣體鉆井技術(shù)融合了潛孔錘鉆井技術(shù)、氣體鉆井技術(shù)和反循環(huán)鉆井技術(shù)這三種鉆井技術(shù)的方法，將這三種技術(shù)同時(shí)其運(yùn)用到油氣藏勘探開發(fā)領(lǐng)域，能夠同時(shí)發(fā)揮這三種鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，比單一鉆進(jìn)方法有更多的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 雙層鉆具氣體鉆井工藝原理示意圖

1排砂管 2雙壁水龍頭 3鵝頸管 4進(jìn)氣管 5雙壁鉆具 6反循環(huán)鉆頭

1.所需氣量小，可節(jié)約注氣設(shè)備投入

鉆井時(shí)，巖屑從鉆具內(nèi)眼返出，由于內(nèi)眼截面積遠(yuǎn)小于環(huán)空截面積，與正循環(huán)空氣鉆井相比，達(dá)到攜巖返速所需空氣量小，配套的空壓機(jī)及增壓機(jī)數(shù)量少，可節(jié)約資金投入，特別在大井眼鉆進(jìn)井段尤為明顯。

2.巖樣不受污染、代表性強(qiáng)，且所鉆井眼的質(zhì)量好

由于巖屑和壓縮氣體通過鉆具內(nèi)部循環(huán)至地面，巖樣遲到時(shí)間短，避免了正循環(huán)鉆井中巖屑和壓縮氣體通過鉆具和井眼間環(huán)空循環(huán)時(shí)，巖樣易損失和受污染的情況。同時(shí)也避免了氣體在攜帶巖屑的上返過程中對已鉆井壁帶來的沖蝕，能夠有效地避免在復(fù)雜地層鉆進(jìn)過程中井壁擾動(dòng)性垮塌的發(fā)生，提高鉆孔質(zhì)量。

3.處理地層出水的能力強(qiáng)

地層出水一直以來是制約氣體鉆井發(fā)展的一大瓶頸，在鉆進(jìn)過程中，如果所鉆地層出水量達(dá)到足以使所鉆巖屑粘結(jié)成團(tuán)，成團(tuán)巖屑將在環(huán)空聚集、沉降、形成巖橋，導(dǎo)致環(huán)空巖屑堆積，如不及時(shí)有效處理，最終導(dǎo)致卡鉆事故，威脅井下安全。

大量的研究結(jié)果表明，井底及環(huán)空凈化不充分是影響鉆井速度、引起井下事故發(fā)生的重要因素。在常規(guī)的氣體鉆井過程中，對井底及環(huán)空凈化問題的研究主要涉及在井底射流流場分析及射流對井底巖屑的作用機(jī)理。然而，對于反循環(huán)氣體鉆井來說，該方面的研究成果相對較少[5]。

雙層鉆具氣體鉆進(jìn)時(shí)破碎產(chǎn)生的新巖屑沿鉆具內(nèi)壁通道向上返出，由于鉆具內(nèi)壁中心通道過流斷面較小，上返氣體流速較高，理論上排出巖屑、凈化井眼效果好，處理地層出水能力強(qiáng)。

4.能夠有效避免和減少嚴(yán)重漏失，且有利于保護(hù)儲(chǔ)層

鉆井時(shí)，采用具有強(qiáng)力抽汲能力的專用反循環(huán)鉆頭，氣體和巖屑不會(huì)進(jìn)入環(huán)空，因此在裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)時(shí)，能夠避免和減少嚴(yán)重漏失；低壓或欠壓儲(chǔ)層常被常規(guī)鉆井液鉆井、泡沫鉆井、高壓空氣鉆井損害，而采用雙壁鉆具氣體鉆井，環(huán)空無氣體和巖屑，巖屑不會(huì)進(jìn)入地層，對低壓、低滲透儲(chǔ)層無污染、零傷害，有利于保護(hù)儲(chǔ)層。

四、雙壁鉆具反循環(huán)適應(yīng)條件分析

目前國內(nèi)貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆井技術(shù)還未用于油氣鉆井工程，而國外已在最近十幾年開始了相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

結(jié)合調(diào)研資料，對雙層鉆具氣體鉆井技術(shù)適應(yīng)條件進(jìn)行了以下分析：

1.井深條件

在國內(nèi)外用于地質(zhì)勘探、水文水井等工程的鉆孔最深不過400 m，這主要受到鉆孔目的、鉆機(jī)能力、空壓機(jī)能力等因素的限制。據(jù)2007年資料查得，國外加拿大PressSolLtd公司采用RCCD技術(shù)，由于采用的雙壁鉆具鋼級強(qiáng)度不夠，最大實(shí)鉆井深為853 m，鉆深能力為3 000 m，但采用P110電動(dòng)鉆具后可鉆中深井。2008年川慶鉆采院技術(shù)人員對雙壁鉆具反循環(huán)空氣鉆井的循環(huán)參數(shù)進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，得出了不同井深、不同注氣量與注入壓力的關(guān)系，如表1和2所示。

表1 ?444.5 mm井眼井深2 000 m時(shí)注氣量與立壓的對照表

表2 ?311.2 mm井眼注氣量35 m3/min 時(shí)井深與立壓的對照表

據(jù)上述資料分析，國內(nèi)外貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆井在地質(zhì)勘探、水文水井等工程所鉆井深深度不超過400 m；國外采用RCCD鉆井技術(shù)后，在油氣鉆井工程中，最大實(shí)鉆井深為853 m；另外隨著井深的增加，注入氣量與壓力也隨之增大，這對注入設(shè)備壓力、雙壁鉆具性能以及鉆井安全性要求更高。因此在配套裝備不完善的條件下進(jìn)行雙層鉆具氣體鉆井時(shí)，建議首先在1 000 m井深內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.井型條件

在油氣鉆井工程中，井型主要為直井和斜井。其中直井是最為普遍，而斜井中摩阻大，井下復(fù)雜多，處理事故較為困難，因此正循環(huán)氣體鉆井通常在直井中應(yīng)用。另外雙層鉆具氣體鉆井配套使用的是雙壁鉆具和貫通式潛孔錘，雙壁鉆具性能比單壁鉆具性能差，配套使用潛孔錘時(shí)處理井下卡鉆事故極為困難，因此該項(xiàng)技術(shù)最適用于直井。

3.地層條件

3.1 適合水敏性地層

雙層鉆具氣體鉆進(jìn)時(shí)破碎產(chǎn)生的新巖屑沿鉆具內(nèi)壁通道向上返出，由于鉆具內(nèi)壁中心通道過流斷面較小，上返氣體流速較高，排出巖屑、凈化井眼效果好，處理地層出水能力強(qiáng)，因此適合出水地層，但適合多大的出水量，還需現(xiàn)場不斷試驗(yàn)。

3.2 適合坍塌、漏失地層

鉆井時(shí)，采用具有強(qiáng)力抽汲能力的專用反循環(huán)鉆頭，氣體和巖屑不會(huì)進(jìn)入環(huán)空，而在雙壁鉆具中形成閉路循環(huán)系統(tǒng)，因此在裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)時(shí)，能夠避免和減少嚴(yán)重漏失。同時(shí)氣流在雙壁鉆具內(nèi)管攜帶巖屑上返時(shí)對井壁不會(huì)帶來沖蝕，能夠有效避免復(fù)雜地層鉆進(jìn)過程中井壁擾動(dòng)性垮塌發(fā)生。同時(shí)即便易垮塌、掉塊、破碎等復(fù)雜地層，井眼可以在不下套管的情況下持續(xù)鉆進(jìn)，因?yàn)殡p壁鉆具的外管就起到了跟管鉆進(jìn)套管的作用，只要鉆具到達(dá)井底，即可建立正常循環(huán)。由此可得出，適合于垮塌、漏失地層。

4.適合低壓、低滲透氣層

在低壓低滲氣層采用常規(guī)鉆井液、泡沫或空氣鉆井，可能使這些地層會(huì)受到損害，用鉆井液鉆井時(shí)甚至可能不會(huì)有油氣顯示。而采用雙壁鉆具氣體鉆井，環(huán)空無氣體和巖屑，巖屑不會(huì)進(jìn)入地層，對低壓、低滲透氣層無污染、零傷害，有利于保護(hù)氣層。

國外應(yīng)用情況：加拿大K2能源公司于2002年開始試驗(yàn)空氣反循環(huán)鉆井技術(shù)開發(fā)低壓氣藏和淺層氣藏。在美國北蒙大拿州Blackfeet印第安人保留地的Bow Island 地層，應(yīng)用RCCD成功鉆成天然氣試驗(yàn)井，該地層屬低壓地層(估計(jì)地層壓力為1.03 MPa)。兩口對比試驗(yàn)井分別位于用泥漿和空氣鉆成而沒有油氣顯示的井旁，在沒有增產(chǎn)措施的情況下，采用?50.8 mm油管抽汲，日產(chǎn)天然氣分別為4 389.104 m3和2 746.73 m3。次年，K2能源公司利用RCCD技術(shù)又成功實(shí)施16口井(其中11口井在Bow Island，另外5口井在Thrust Belt)。另外，2009年的資料表明，RC Energy公司也已采用連續(xù)管頂驅(qū)鉆機(jī)配合RCCD技術(shù)成功完成了40余口淺層氣井的施工，均有天然氣顯示，井深100～905 m(鉆深能力3 000 m)不等，均為低壓、低滲透地層(滲透率為1～10 mD)。

綜上分析得到的適用條件是在工藝特點(diǎn)和國外試驗(yàn)井的基礎(chǔ)上得到的，國內(nèi)尚未在油氣鉆井工程中應(yīng)用雙層鉆具鉆井技術(shù)，因此適用條件還需通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行深入研究。

五、結(jié)論

(1)使用雙壁鉆具反循環(huán)氣體鉆井技術(shù)能減小井壁污染，甚至無污染，有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲(chǔ)層。

(2)使用雙壁鉆具反循環(huán)氣體鉆井技術(shù)，重點(diǎn)對含有低壓層、漏失層、低滲層區(qū)塊開展技術(shù)攻關(guān)，加快國內(nèi)氣體鉆井技術(shù)的發(fā)展。

[1]肖新磊.空氣鉆井技術(shù)在元壩地區(qū)的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2012，38(4)：35-37.

[2]羅增，林元華，明傳中，等.基于Walker模型的空氣鉆井鉆柱疲勞壽命算法[J].石油礦場機(jī)械，2010，39(4)：57-60.

[3]潘衛(wèi)國，王益山，劉東勤.反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)[C].第四屆石油鉆井院所長會(huì)議論文集.石油工業(yè)出版社，2004，12：362-366.

[4]金麗娜.反循環(huán)鉆井合理注氣參數(shù)的研究[D].大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文，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.