空氣鉆井技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用趙朋肖國(guó)益胡宏濤中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽，457001)摘要：普光氣田鉆井特別是探井，由于地層復(fù)雜，鉆井機(jī)械鉆速極低，不僅鉆井周期長(zhǎng)而且極易發(fā)生各種井下復(fù)雜情況，嚴(yán)重制約了普光氣田的天然氣勘探開發(fā)進(jìn)程，如何提高鉆井速度一直是普光氣田鉆井工作的一個(gè)難題。通過對(duì)普光氣田地層的分析與評(píng)價(jià)，選擇適當(dāng)?shù)木芜M(jìn)行空氣鉆井提高鉆井速度試驗(yàn)，通過PD-1、P2-2、PA-2井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：機(jī)械鉆速提高了3?15倍，并且有效的預(yù)防了井斜，同時(shí)也避免了井漏、卡鉆等井下復(fù)雜，大大縮短了建井周期，節(jié)約了鉆井成本。主題詞：空氣鉆井鉆頭機(jī)械鉆速鉆井周期普光氣田是四川盆地目前已發(fā)現(xiàn)的最大天然氣田，2005年初中石化把普光氣田交給中原油田開發(fā)和管理，至2005年末普光氣田累計(jì)探明可采儲(chǔ)量為2510.75億立方米。按照規(guī)劃，普光氣田分三期按照19億、30億、60億年產(chǎn)能進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，其中第一期19億年產(chǎn)能建設(shè)，部署開發(fā)井12口，要求2007年投產(chǎn)。普光氣田地質(zhì)構(gòu)造為陸相、海陸相交互和海相沉積。其中上部陸相地層為高陡構(gòu)造，砂、泥、頁巖互層頻繁，硬度大，研磨性強(qiáng)，須家河組石英砂巖硬度達(dá)8級(jí)，可鉆性差，漏層多，中下部地層破碎，井眼穩(wěn)定性差，鉆井中時(shí)常發(fā)生井漏，井漏后往往誘發(fā)井塌，并且漏失井段長(zhǎng)，極易造成井下復(fù)雜，處理難度大。下部深層碳酸鹽巖氣藏普遍存在多產(chǎn)層、多套壓力系統(tǒng)、高壓、高含硫、裂縫和溶洞發(fā)育，漏失嚴(yán)重，鉆井風(fēng)險(xiǎn)大。不僅機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)，而且極易發(fā)生斷鉆具等井下復(fù)雜事故，嚴(yán)重制約了普光氣田的天然氣勘探開發(fā)進(jìn)程。一、普光氣田鉆井概況普光氣田自2001年投入勘探鉆井以來，先后完成了普光1、2、3、4、5、6、7井施工。普光完鉆井主要指標(biāo)見下表。表1普光完鉆井主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)井號(hào)完鉆井深/m鉆井周期/d機(jī)械鉆速/(m/h)鉆頭用量/只普光1井5700540.230.99120普光2井5353225.732.3178普光3井6110421.671.2078普光4井6122361.071.5686普光5井6090296.501.6850普光6井5510209.181.9051普光7井5936316.801.6759平均5832338.711.6175通過鉆井實(shí)踐，在鉆井施工中存在以下技術(shù)難點(diǎn)和問題：巖石硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，鉆井速度低高陡構(gòu)造，地層傾角大，井身質(zhì)量控制困難地層嚴(yán)重漏失地層坍塌、掉塊嚴(yán)重，井壁極不穩(wěn)定為了解決該區(qū)塊鉆速慢的鉆井難題，在開發(fā)井鉆井過程中，先后在PD-1井、P2-2井、PA-2井、P4-2井、P6-3井開展了空氣鉆井、空氣錘鉆井、霧化鉆井應(yīng)用，機(jī)械鉆速提高，縮短了鉆井周期，見到了明顯的效果。二、空氣鉆井適用井段分析采用空氣鉆井技術(shù)要受到井壁穩(wěn)定、地層出水或天然氣等諸多條件的限制。針對(duì)這些問題在普光氣田應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)前進(jìn)行了理論上的分析，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用形成了一套比較成熟的空氣鉆井技術(shù)，可以在普光地區(qū)部分井段采用空氣鉆井技術(shù)大幅提高鉆井速度，同時(shí)在鉆井過程中減少井下可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況，并保證鉆井安全順利地進(jìn)行，對(duì)井下可能出現(xiàn)的問題從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：1、井眼穩(wěn)定性分析1、井眼穩(wěn)定性分析首先是井眼穩(wěn)定性的物理力學(xué)分析，通過借助計(jì)算軟件，對(duì)普光1井、2井和4井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行分析，計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并進(jìn)行了巖性解釋。一般認(rèn)為，空氣錘鉆井最小需要68.95MPa的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明，普光氣田的地層強(qiáng)度能滿足空氣錘鉆2、地層出水量分析空氣鉆井具有水敏感性，同時(shí)普光地區(qū)地層巖石對(duì)水敏感，所以在空氣鉆井時(shí)需對(duì)出水情況進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測(cè)。地層測(cè)試表明地層出水會(huì)通過水化作用降低巖石強(qiáng)度。在空氣鉆井前，通過分析計(jì)算鄰井測(cè)井資料來預(yù)測(cè)地層出水和天然氣情況。采用深探側(cè)向電阻率和淺探側(cè)向電阻率測(cè)井來識(shí)別含氣層。深、淺探側(cè)向電阻率之間的比值KR可以按下列公式計(jì)算:KRD俸 DSRd：深探側(cè)向電阻率Rs：淺探側(cè)向電阻率KR參數(shù)反映裂縫類型以及儲(chǔ)層流體性質(zhì)。在某些儲(chǔ)層，如果有氣或有水存在，地層的深、淺探側(cè)向電阻率會(huì)有明顯不同。所以可以用KR作為識(shí)別含氣層和含水層的參數(shù)。同時(shí)，使用徑向流公式來預(yù)測(cè)出水量。圖為普光2井預(yù)測(cè)含水層的情況。空氣鉆井時(shí)，地層產(chǎn)出的可燃?xì)怏w與空氣混合，有可能發(fā)生井下燃爆，可燃?xì)怏w可能發(fā)生燃爆的濃度比例與氣體本身的組分、物性、井下的溫度、壓力、流道形狀和環(huán)空邊界物的空氣鉆井時(shí)，地層產(chǎn)出的可燃?xì)怏w與空氣混合，有可能發(fā)生井下燃爆，可燃?xì)怏w可能發(fā)生燃爆的濃度比例與氣體本身的組分、物性、井下的溫度、壓力、流道形狀和環(huán)空邊界物的熱力學(xué)性質(zhì)等有關(guān)，且燃爆只在井下具備點(diǎn)火條件時(shí)才會(huì)發(fā)生。針對(duì)普光氣田上部井段，雖然臨井顯示有多處氣測(cè)異常，但預(yù)計(jì)原始產(chǎn)能很小，井筒在無傷害條件下的無阻產(chǎn)氣量不會(huì)很高。在空氣鉆井的120m3/min注入條件下，可燃?xì)怏w濃度低，達(dá)不到燃爆的下限，沒有發(fā)生井下燃爆的可能。同時(shí)，在鉆井過程中，通過錄井儀器進(jìn)行返出氣體監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并控制井下燃爆。通過以上分析，選擇在普光氣田陸相地層須家河以上地層應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)，根據(jù)實(shí)鉆中地層出水和地層出天然氣情況來確定轉(zhuǎn)化泥漿鉆井時(shí)機(jī)。三、 空氣鉆井施工工序空氣鉆井與常規(guī)的泥漿鉆井有所區(qū)別，它是直接用空氣作為鉆井循環(huán)介質(zhì)，滿足鉆井工程作業(yè)需要的一種鉆井方式?？諝忏@井主要施工工序如下：1、設(shè)備的安裝及試壓2、鉆具組合空氣鉆井與常規(guī)鉆井液鉆井所要求的鉆具組合基本相似。為了防止回流堵塞鉆頭水眼，下鉆時(shí)必須在鉆頭上安裝一只箭型止回閥，同時(shí)在井口附近的鉆具上安裝一只活瓣式止回閥，以避免接單根時(shí)鉆柱內(nèi)大量空氣噴到鉆臺(tái)上。3、氣舉排液空氣鉆井前，井筒內(nèi)如果有鉆井液，需要把鉆井液舉升到地面來。氣舉排液分為充氣排液和分段排液兩種。4、吹干井筒氣舉排液結(jié)束后，使用壓縮機(jī)吹干井筒。5、試鉆空氣鉆井正式鉆井前，控制機(jī)械鉆速進(jìn)行試鉆。6、空氣鉆井鉆井時(shí)，要求送鉆均勻，并注意立管壓力及井下情況，發(fā)現(xiàn)立壓突然升高、扭矩變化、憋跳嚴(yán)重、上提遇卡等異常情況出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)立即停鉆，活動(dòng)鉆具，循環(huán)觀察，及時(shí)處理。7、接單根及起鉆由于空氣不可能懸浮巖屑，空氣鉆井時(shí)，起鉆或接單根前必須進(jìn)行充分循環(huán)，將井下鉆屑或其它沉積物帶到地面。循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)短取決于鉆井情況。8、空氣鉆井轉(zhuǎn)化為泥漿鉆井空氣鉆井轉(zhuǎn)換泥漿鉆井的主要原則，發(fā)現(xiàn)以下情況之一，應(yīng)立即將空氣鉆井改為泥漿鉆井：地層出水大于5m3/h，地面表現(xiàn)為見液滴、砂樣濕潤(rùn)，井下扭矩、摩阻增加，井壁不穩(wěn)定。返出流體中全烴含量連續(xù)超過3%。返出流體中H2S含量超過5mg/m3。四、 空氣鉆井在普光氣田應(yīng)用空氣鉆井情況在一開井段，P2-2井、P4-2井使用空氣錘鉆井，因地層出水，轉(zhuǎn)為采用空氣霧化鉆井。P2-2井一開鉆井歷時(shí)5d,進(jìn)尺569.46m，純鉆井時(shí)間68.2h,平均機(jī)械鉆速&35m/h。使用空氣錘鉆頭1只。P4-2井一開井段32m-602m,進(jìn)尺570m,純鉆井時(shí)間73.75h,平均機(jī)械鉆速7.73m/h。在一開①444.5mm井段，空氣錘鉆井與普通轉(zhuǎn)盤鉆井在機(jī)械鉆速方面，空氣錘鉆井是轉(zhuǎn)盤鉆井的3.2倍。在P4-2井與P4井深相近，地質(zhì)情況相近的情況下，空氣錘鉆井是轉(zhuǎn)盤鉆井機(jī)械鉆速的2.94倍。表2普光地區(qū)一開機(jī)械鉆速對(duì)比井號(hào)井段/m平均機(jī)械鉆速/(m/h)

P122.60-302.651.50P221-312.502.36P322-300.31.91P422.00-548.602.63P523.86-318.602.68P623.10-308.62.60P720-307.563.84P2-231.54-6018.35P4-232-6027.73普光D-1井空氣鉆井施工從二開井深564.0m開始，鉆至井深3002.0m進(jìn)入須家河組地層頂部完鉆。空氣鉆井進(jìn)尺2438.0m，純鉆井時(shí)間286.9h，鉆井周期20d，使用鉆頭5只，平均機(jī)械鉆速&50m/h。普光2-2井二開空氣鉆井從601米開始，2907米停鉆，鉆井周期19天，鉆井2306米。二開空氣鉆井使用311.1mm空氣錘鉆頭4只，進(jìn)尺1851m,純鉆井時(shí)間105h，平均機(jī)械鉆速17.63m/h。二開使用牙輪鉆頭4只，進(jìn)尺455m，純鉆井時(shí)間77.3h,平均機(jī)械鉆速5.88m/h。普光4-2井二開空氣錘鉆井從602m開始，3032m停鉆，鉆井2430m。二開空氣鉆井使用311.1mm空氣錘鉆頭2只，純鉆井時(shí)間174.75h，平均機(jī)械鉆速13.91m/h。表3普光地區(qū)二開數(shù)據(jù)對(duì)比井號(hào)井段/m平均機(jī)械鉆速/(m/h)鉆井周期/DP1302.65-3472.280.86377.04P2312.50-3068.002.3273.97P3300.3-3645.941.34165.90P4548.60-3580.001.74108.17P5318.60-3345.001.67112.09P6308.6-3468.001.52123.02P7307.56-3539.001.31161.84PD-1564.00-3002.008.5020空氣錘鉆頭進(jìn)尺185117.63P2-2牙輪鉆頭進(jìn)尺4555.8819P4-2602-303213.9116由表3可知用牙輪鉆頭空氣鉆井比泥漿鉆井機(jī)械鉆速提高了3-4倍，空氣錘空氣鉆井比泥漿鉆井機(jī)械鉆速提高了6-7倍。井斜控制分析在空氣鉆井過程中，鉆具組合中不能加扶正器。在沒有使用空氣錘鉆井的PA-2井等，在空氣鉆井期間主要采用塔式鉆具結(jié)構(gòu)，只能通過調(diào)節(jié)鉆壓控制井斜。鉆壓在140-160KN機(jī)械鉆速明顯提高，同時(shí)，在易斜地層也極易井斜。鉆壓在40-60KN能夠控制井斜增長(zhǎng)，但機(jī)械鉆速明顯降低。PA-2井鉆壓對(duì)井斜、機(jī)械鉆速的影響見下表表4PA-2井鉆壓對(duì)井斜、機(jī)械鉆速的影響鉆井井段鉆壓(KN)井斜(°)分段機(jī)械鉆速(m/h)鉆井井段鉆壓(KN)井斜(°)分段機(jī)械鉆速(m/h)646.6-76640-601.9-2.24.65-21781202.44.08-8184022.59-226310032.57-866802.46.12-2326603.53.78-926402.23.15-2348400.71-1069603.04-2382402.72.03-1101601.41.7-2431602.43.06-11658016.04-2459801.37-128410013.93-247812022.82-13991200.85.54-24981402.95-18031400.74.59-25381601.8-200614019.16-26171601.6從上表可以看出，800-900m、000-2300m是易斜井段，鉆壓60-80KN，增斜率在0.8-1°/100m左右，井斜控制難度較大。在使用空氣錘鉆井的P2-2井和P4-2井，空氣錘鉆井使用的鉆壓為5-10kN。井斜控制良好。表5 P2-2井測(cè)斜數(shù)據(jù)序號(hào)測(cè)深（m）井斜角（°）方位角（°）147.431.36239.192127.082.16245.423146.462.20259.814204.571.51253.065320.860.79269.366378.960.74257.127437.170.25352.008525.410.45183，749585.490.55200.36107540.37260.251111310.42286.121215380.11231.441319650.82114.061424470.57250.32鉆具復(fù)雜情況普光空氣鉆井施工中，頻繁出現(xiàn)鉆具復(fù)雜情況。2006年3月25日下午14：30普光2-2井霧化鉆井至井深526.3m時(shí)，發(fā)現(xiàn)大鉤載荷和立壓突然下降，判斷為鉆具斷裂，起鉆檢查。起鉆后發(fā)現(xiàn)是鉆桿的本體斷裂，斷點(diǎn)位于距離鉆桿公扣接頭1.66m處，魚頂20.62m。下打撈筒打撈，3月25日19：20打撈成功。起鉆遇阻，最大提升拉力800~1000kN。起出后發(fā)現(xiàn)鉆具大部分已彎曲，特別是加重鉆桿全部彎曲?？諝忮N鉆頭鉆井鉆至13日1880m時(shí)，鉆速逐漸減低，鉆至1885m時(shí)出現(xiàn)高扭矩，懸重減少29噸。決定起鉆，發(fā)現(xiàn)有鉆桿倒扣現(xiàn)象，活動(dòng)鉆具，接上落魚后起鉆。起出鉆具檢查發(fā)現(xiàn)：177.8mm鉆鋌壞5根，203.2mm鉆鋌壞1根，630*730接頭損壞，空氣錘鉆頭外排齒15顆全掉，外徑308mm，鉆頭損壞6級(jí)。普光D-1井空氣鉆井施工過程中發(fā)生兩次斷鉆具事故。第一次是鉆鋌斷裂，第二次是鉆桿斷裂。第一次斷鉆具事故：2006年1月24日下午16：10空氣鉆井至井深1865.36m，發(fā)現(xiàn)大鉤載荷和立壓突然下降,判斷為鉆具斷裂，起鉆檢查。晚上20：45起出鉆桿178根,鉆鋌5根，井內(nèi)落魚長(zhǎng)94.75m，魚頂1770.60m。落魚組合：314.1mm鉆頭*0.3m+630*731*0.46m+730*730*0.72m+228mm減震器*4.66m+241mm鉆鋌*27.3m+228mm鉆鋌*52.22m+731*630*0.47m+203mm鉆鋌*8.62m。起鉆后發(fā)現(xiàn)從下向上數(shù)8〃鉆鋌第一根母扣根部斷裂，下入外徑127mm*1.15m公錐打撈，1月25日凌晨1：20打撈成功，起鉆。第二次斷鉆具事故：2006年1月31日下午14：40空氣鉆井至2348.54m，發(fā)現(xiàn)大鉤載荷和立壓突然下降，判斷為鉆具斷裂，起鉆檢查。晚上20：00起出鉆桿227根，第228根鉆桿（9.63m）母扣往下3.85m處斷裂，斷口平直。井內(nèi)落魚長(zhǎng)148.43m，魚頂2200.11m。下入200mm卡瓦打撈筒*1.03m打撈，2月1日凌晨0：30打撈成功，起鉆。表6普光空氣鉆井鉆具復(fù)雜統(tǒng)計(jì)井號(hào)鉆具復(fù)雜統(tǒng)計(jì)PD-1斷鉆具2次P2-2斷鉆具1次，脫扣1次PA-2斷鉆具3次P4-2脫扣2次五、認(rèn)識(shí)1、空氣鉆井能大幅度的提高機(jī)械鉆速采用空氣鉆井技術(shù)能夠大幅度提高鉆井機(jī)械鉆速。普光1井至普光7井，二開平均機(jī)械鉆速1.54米/小時(shí)，PD-1井和P2-2井空氣牙輪鉆頭鉆井平