气体钻井发展现状及其应用前景

. .. 2005年中国石化钻井工作研讨会论文

气体钻井发展现状及其应用前景

蒋祖军 王 波 西南分公司工程技术研究院 2005年10月.郑州 .

.. 目 录 1、前言 ..................................................................................................................... 1 2、气体钻井在国内外应用情况 ............................................................................. 1 3、气体钻井工艺 ..................................................................................................... 3 4、气体钻井的特点 ................................................................................................. 7 5、气体钻井在四川地区的应用 ............................................................................. 9 6、气体钻井在四川地区的应用前景 ................................................................... 13 7、结束语 ............................................................................................................... 15 .

.. 1、前言 近年来，石油行业面临的双重压力越来越大：一方面，油气需求剧增，全球供应日趋紧张；另一方面，国内油气勘探新发现越来越少，勘探领域越来越向难采储层深入，全国难动用储量高达60多亿吨。长庆苏里格气田探明储量6000亿立方米，但低压低渗低产，开发成本高，至今进展缓慢；四川盆地上三叠系总资源量高达9000亿立方米以上，同样因为类似的原因，勘探效果一直不理想，探明率仅5%，探明资源转化率不到20%。与此同时，各油田钻井工程中处理井漏、井斜、卡钻、出水、井壁坍塌等井下复杂情况不但占去大量钻井时间，而且成为钻井成本居高不下的主要因素。在四川，仅处理井漏或因井漏带来的复杂情况即占钻井总时间的8~10%，有的井甚至因井漏而报废，一年仅井漏造成的损失就近亿元。钻井工程速度慢、周期长、成本高，已对勘探开发形成严重的瓶颈制约。急切需要新的技术来破解上述地质和工程两大难题：既能拿储量拿产量，又能提高钻井效率、降低勘探开发成本。 因此，针对常规钻井工艺开采油气藏存在的诸多问题，国外许多公司，都逐步尝试采用更先进的气体钻井、欠平衡钻井、水平钻井或多分支钻井技术来提高综合效益。 近年来，随着其他低压钻井技术的发展，特别是井口旋转防喷器、高压注气系统、地面分离系统、气体监测系统、应用软件系统等配套设备和安全技术的不断完善，空气钻井逐渐应用到了油层保护和开发方面，并取得了经济效益，该技术也得到了长足发展和完善。

2、气体钻井在国内外应用情况 2.1 国外气体钻井发展状况 作为最先提出空气钻井概念的国家，美国在空气钻井的各项关键技术和设备配套上已经达到了国际领先水平，并得到了广泛推广与应用。其次是在加拿大、澳大利亚和欧洲的德国等一些国家，空气钻井技术得以迅速发展，并取得了巨大的经济效益。并且随着井底空气马达的研制成功和钻杆遥测等先进技术的出现，使得空气钻井和定向井、水平井结合在一起，更适合于部分特殊地质状况的油气层开发，提高油井产量和采收率。 1953年，美国的EI paso天然气公司首次利用空气作钻井流体在犹他州成功地钻成了第一口油气井。自那时起，利用气体来进行油气井钻探在全球范围发展起来，现在采用气体钻井技术已能钻达近6000m深度。这些技术通常应用在美国东部的阿巴拉契亚山脉地区、阿肯色州油气田、新墨西哥州的山间盆地，以及某些西得克萨斯油气田。在那些频繁发生井漏的钻井地带（例如洛基山脉地区），气体钻井已得到广泛的应用。目前，据估计约有10%的美国内陆地钻井作业，以及相同比例的国际钻井作业运用空气和天然气钻井技术来. .. 完成主要井段的钻进。强有力的证据表明，美国陆地约30%的油气井均可采用气体钻井技术来完成。 在加拿大阿尔伯达的Camrose油田用充气钻井液钻成了一口水平井--Wainwright15B-44-4W4M，水平段长1800ft(548.64m)。该油藏属裂缝－孔隙性灰岩低压油藏，原来钻井中出现过严重井漏。该水平井采用气体钻井完钻后经测试，其产量是该地区直井产量的2.5至6倍之间。利用氮气泡沫避免了井下着火和爆炸，加拿大成功地把密闭循环氮气泡沫钻井应用于水平井中，这也使得加拿大成为了该项技术的领先者，井数也从1992年的30口猛增至1995年的330口。 美国、加拿大等国在气体钻井的井下配套工具的研究上水平比较高，有专用的空气螺杆钻具（Air Positive Displacement Drill）、空气锤（Air Hammer）、空气锤配套使用的钻头（Air Hammer Bit）。为了加快钻井进度、提高机械钻速，通常将气体螺杆、空气锤和与空气锤配套使用的钻头一起使用，机械钻速大幅度提高，在同类地区相同井段是泥浆钻进的15~20倍。与空气增压设备配套的还有用惰性气体设备，钻进中先用空气钻井提高机械钻速，并对环空返出气体进行实时监测，一旦发现可燃气体，立即转为惰性气体钻井钻完产层，即空气钻井、惰性气体钻井联作，此方法主要用于开发井和调整井，但现在也逐步在勘探井中得到应用。 另外德国、法国、英国、西班牙、匈牙利、哥伦比亚、俄罗斯、突尼斯、澳大利亚、阿根廷等国家都有了空气钻井的应用。 从目前国外气体钻井的应用情况看，按比例大小顺序是:硬地层提高机械钻速>油气田开采后期或地层压力下降>用于易漏地层>低渗地层>水平井。 2.2 国内气体钻井发展现状

20世纪60年代，四川盆地曾经在8口井中使用天然气钻井，取得一定效果，但由于井控设备落后、工艺技术差、装备不配套而没有进行下去。到1988年，新疆克拉玛依油田从美国英格索兰公司引进了全套空气雾化钻井装备以后，开始利用现代手段开展空气雾化钻井的试验研究工作。从1989年至1997年先后成功地进行了12口井的空气雾化钻井现场试验工作。其在提高机械钻速和油气勘探方面有显著效果，提高机械钻速1.7~10.24倍，并取得较好的油气成果。 长庆油田于1986年开始了空气钻井技术研究的探索，实施了空气泡沫钻井，后来针对苏里格气田的储层特征，于2000年、2002年提出以天然气作为循环介质打开储层，在陕242井和苏35-18井进行了试验；2003年以提高机械钻速、缩短钻井周期为目的，在苏39-14-1井和苏39-14-4井进行全井段天然气钻进试验；2004年又在苏33-8井采用空气、泡沫钻井，在苏38-19井采用空气钻井进行试验，均取得了明显的效果，提高机械钻速2.5~9.65倍。 . .. 四川、新疆和玉门油田从1999年起，经过在原有空气钻井的设备基础上配套，根据以前所取得了试验经验又开始了新一轮空气钻井试验研究，分别以打开油层保护油气层、克服恶性井漏和提高油层比较坚硬地层的机械钻速为目的，共计在17余口井中实施了空气钻井、泡沫钻井、雾化钻井、天然气钻井和柴油机尾气钻井，取得了一系列技术上的突破性进展，积累了大量空气钻井的经验。 进入21世纪，为了解决长段低压破碎地层的钻井问题，提高低压、低渗油气藏的开发效益，提高钻井进度，国内大规模开展了气体钻井的研究，积极探索气体钻井技术以提高机械钻速。

3、气体钻井工艺 气体钻井按介质分类可以分为空气钻井和惰性气体钻井两大类。 3.1 空气钻井

广义的空气钻井包括有：纯空气钻井、雾化钻井、充气钻井、泡沫钻井，如图3.1所示。依次序岩屑的携带能力逐步增强，对环空返速的要求依次降低。

图3.1 空气钻井几种方式 1、纯空气（粉尘）钻井 纯空气钻井是指用空气压缩机向井内注入干燥空气，依靠环空气体的冲量，把钻屑从井底带回地面的一种钻井方式，主要应用在提高非储层段的机械钻速和对付非储集层段井漏上，钻遇油气层时井下着火的可能性极大；要求钻进的层段没有水或地层出水量较小，为井壁稳定的干地层的最好钻井方法。 . .. 主要优点： （1）能比常规泥浆钻井的机械钻速提高2～5倍； （2）单只钻头的进尺增加，减少钻头消耗； （3）更少的起下钻次数，提高钻井时效； （4）对所钻地层能进行及时评价； （5）减少产层伤害； （6）在低压漏失带减小或消除循环损失。 2、雾化钻井 在空气中加入一定体积包含有水和化学抑制剂的液体，使液相以非连续液滴形式存在于连续气相之中。这种低液相体积分数的钻井流体通常称为“雾”，以这种流体为循环介质的钻井就称为“雾化钻井”。由于液相以非连续液滴存在，对循环气体的流变性没有直接的影响。但是，液滴会影响井筒压力，与钻屑在空气中的情形相似。雾化钻井与纯空气钻井大致相同，在一定程度上，能克服怕地层出水的缺点。 当在空气钻井时期，地层有流体侵入，并且流体侵入量少于500L/M，空气钻井就应该转化为雾化钻井。 优点： （1）比常规泥浆体系更高的机械钻速； （2）当地层产出非烃质流体时还能继续钻进； （3） 降低井下着火或者爆炸的危险。 3、充气钻井 充气流体钻井是液相中充入气相（氮气、天然气、空气），以两相流体作为钻井循环介质以获得欠压差的空气欠平衡钻井方式。充气泥浆的密度可以控制在0.45~1.00g/cm3，它不但能大大降低井内静液柱的压力而且具有良好的携带岩屑的能力。常规的充气方式包括有地面、寄生管柱和同心管柱充气方式，如图3.2、3.3所示。 优点： （1）可以通过改变注入气液比来改变井底压力； （2）能在多种钻井液体系中使用； （3）由于井底压力降低，能大幅度提高机械钻速。 4、稳定泡沫钻井 泡沫是一种比较复杂的非牛顿流体，稳定泡沫具有良好的携屑能力。在石油工业中就是在空气（氮气、天然气）中以一定比例加入表面活性剂和水，维持泡沫质量指数在55％～99.5%,形成稳定泡沫。泡沫钻井是所有空气钻井中，在能满足井眼净化良好条件下，对环