防倒灌泡沫錘的研制與應用

空氣錘“抗傾斜壓快速”的應用已經(jīng)逐步成熟。應用范圍從傳統(tǒng)的抗傾斜壓法開始發(fā)展為定向鉆井。但也還存在鉆遇地層出水,空氣錘易出現(xiàn)輸出功率低或不工作的問題及地層液體倒灌氣缸污染空氣錘問題。國內(nèi)外曾在泡沫介質(zhì)中應用空氣錘鉆進,但主要限于淺地層,井底壓力較小,對空氣錘輸出功率影響程度較小。在油氣鉆井行業(yè),由于井深大,使用霧化或泡沫后井底壓力相對純氣體高,對常規(guī)空氣錘輸出功率影響較大,有必要同時發(fā)展適應于氣體(干氣)和霧化或泡沫(濕氣)鉆井介質(zhì)的泡沫錘技術。為此,筆者主要介紹了泡沫錘的研制背景、結構及性能特點以及在現(xiàn)場中的應用效果。1氣體通道,導致空氣錘難鉆進空氣錘在潮濕地層或出水地層鉆進時,容易出現(xiàn)泥包鉆頭鉆具現(xiàn)象,封堵鉆具和井壁之間的環(huán)空,嚴重時可直接封堵住氣體通道,致使氣體鉆井無法正常鉆進。遇到這種情況,只能轉換鉆進工藝,根據(jù)出水量采用霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井或鉆井液鉆進等,以保證攜巖攜屑。但使用霧化鉆井或泡沫鉆井,常規(guī)空氣錘容易出現(xiàn)以下兩大問題:(1)輸出功率低或無輸出功率,導致空氣錘機械鉆速低或無法鉆進;(2)井下液體倒灌空氣錘氣室污染氣缸導致空氣錘失效。1.1空氣錘工作性能分析在現(xiàn)場作業(yè)中,一旦發(fā)生地層出水,空氣錘首先是每米鉆時增加,嚴重時可出現(xiàn)無進尺現(xiàn)象,隨后返出氣體潮濕。出現(xiàn)這種情況,現(xiàn)場一般先循環(huán)干燥,若干燥不成功則轉化為霧化或泡沫鉆井。介質(zhì)轉換對空氣錘的輸出功率影響更大,每米鉆時會進一步降低,直至出現(xiàn)無進尺現(xiàn)象。根據(jù)空氣錘的結構及工作原理可知,實現(xiàn)其能量交換和轉化過程的關鍵是空氣錘后氣室在充盈的鉆井介質(zhì)時具有一定的壓縮量,保證活塞位移大于前氣室泄壓所需要的最小距離,實現(xiàn)前后氣室的能量交換。當鉆井介質(zhì)轉化為霧化或泡沫后,需在注入氣體中同時添加一定量的水及發(fā)泡劑,以保證攜巖。當注入一定量的液體后,會導致以下問題:(1)輸入介質(zhì)的可壓縮性降低,或稱輸入介質(zhì)可壓縮成分的體積分數(shù)降低;(2)環(huán)空中鉆井介質(zhì)當量密度提高,空氣錘背壓增加,導致空氣錘后氣室的可壓縮性降低。本文參考文獻分析了空氣錘在泡沫鉆井介質(zhì)條件下的工作性能,認為泡沫介質(zhì)不可壓縮成分等同于減小了后氣室的初始體積,同時泡沫鉆井時井底壓力增加會降低活塞的行程,影響其能量交換過程,嚴重時導致空氣錘無輸出功率;針對此問題提出了綜合優(yōu)化后氣室初始體積、優(yōu)化尾管結構尺寸、優(yōu)化動力單元間隙的技術建議。1.2地層液體回流井筒。在地層內(nèi),地層液體有空氣錘遇水后除輸出功率降低外,還會出現(xiàn)地層液體倒灌問題。即在鉆井介質(zhì)(氣體、霧化或泡沫)停止循環(huán)時,如接換單根(立柱)時,地層液體流入井筒,因不能及時上返而在井底積聚,達到一定量時可通過鉆頭中心孔進入氣缸,并攜帶一定的井下巖屑、粉塵或地層臟污。這些巖屑粉塵臟污在水的作用下極易粘貼在氣缸內(nèi)壁和活塞上,當送氣恢復循環(huán)鉆進時,如不及時排出,則會卡死活塞或者加速氣缸和活塞的磨損。2泡沫箱的結構特點2.1排氣結構和空氣錘類似,研制的泡沫錘采用無閥式中心排氣結構,并增加了防倒灌裝置。主要構成部件有:后接頭、外套筒、逆止閥、配氣座、活塞、活塞缸、尾管、防倒灌裝置、鉆頭(圖1)。2.2注氣充壓管道泡沫傳導劑泡沫錘除具有空氣錘技術特點:(1)沖擊破巖提高機械鉆速,(2)高傾角地層糾斜防斜鉆進,(3)耐井下150℃高溫外,還具備以下兩大技術優(yōu)勢。1)可同時適用氣體(干氣)和霧化泡沫(濕氣)鉆井介質(zhì)。相比空氣錘,動力單元(前后氣室、氣缸、活塞、尾管)結構參數(shù)重新優(yōu)化設計,降低濕氣時背壓增加對前后氣室能量交換過程的影響程度,提高其在泡沫介質(zhì)中的適應性,適合注液量應小于3L/s?，F(xiàn)場作業(yè)時,泡沫錘可先在氣體介質(zhì)中鉆進,如遇地層出水需要轉化為霧化鉆進或泡沫鉆井(注液量在推薦值范圍內(nèi))時,不用起鉆調(diào)整結構參數(shù),相比空氣錘對泡沫介質(zhì)具有更好的適應性。2)可防止井下液體倒灌。泡沫錘鉆頭部位增加了防倒灌裝置,如圖1所示。其工作原理為:泡沫錘正常工作時,裝置中閥體在重力和流體作用下處于下行位置,流體通道常開;當接換單根(立柱)停止注氣循環(huán)時,井下流體侵入井筒。隨著流體的集聚,當液面淹沒防倒灌裝置后,由于閥體當量密度小于井下流體密度,閥體開始上行,并封閉流體通道,并隨著井下流體的繼續(xù)集聚,泡沫錘外部液面逐步上升,閥體上下壓差增加,密封性增加,從而達到防止倒灌的目的。相比一般的彈簧強制性防倒灌裝置,這種結構金屬構件少、不需要額外開啟壓力,同時不采用彈簧部件可提高裝置在高頻沖擊作用下的穩(wěn)定性。2.3性能參數(shù)經(jīng)室內(nèi)測試,PKQC180型泡沫錘的性能參數(shù)如表1所示。3現(xiàn)場試驗井位為驗證泡沫錘在氣體和泡沫介質(zhì)條件下的適應性,2012年8月在松遼盆地深層下白堊統(tǒng)泉頭組、登婁庫組開展現(xiàn)場試驗,試驗井位為肇深17井。3.1氣體鉆頭鉆井提速試驗松遼盆地深層登婁庫組、營城組、沙河子組、侏羅系上統(tǒng)火石嶺組主要巖性為大段雜色、灰色砂礫巖夾黑色泥巖和少量煤層,以及大面積分布的層狀中酸性火山噴發(fā)巖,夾少量砂礫巖和凝灰?guī)r,成巖性好,研磨性強,巖石硬度高,常規(guī)鉆井機械鉆速低于1.5m/h。為此開展了氣體鉆井試驗,機械鉆速提高5倍以上,牙輪鉆頭進尺增加2~3倍,采用空氣錘鉆井相比氣體牙輪提速1倍以上。但氣體牙輪鉆井提速幅度有限且存在井斜問題,采用空氣錘提速可克服井斜問題卻常因鉆遇出水地層需轉換鉆井工藝而被迫終止鉆進。為此,新一輪欠平衡現(xiàn)場試驗考慮開展泡沫錘提速試驗,增加沖擊鉆進井段,同時檢驗泡沫錘的輸出功率以及防井下液體倒灌能力。3.2泉頭組一部分出水層定性判識試驗井段為泉頭組一段至登婁庫組三段,主要巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。第二次開鉆鉆至泉頭組一段井深2750m,第三次開鉆先采用?215.9mm牙輪鉆頭進行氣舉和循環(huán)干燥,并鉆進新地層10m后再下入泡沫錘,鉆具組合為:PKQC180-216+430×410接頭+?178mm強制性箭型止回閥2只+?178mm鉆鋌+?210mm方接頭+?178mm鉆鋌+?210mm方接頭+411×4A10接頭+?165mm鉆鋌+411×4A10接頭+?127mm鉆桿。根據(jù)松遼盆地徐深氣田外圍的出水層定性判識標準預測第1個水層為泉頭組一段2769.8~2770.8m,出水量約8.3m3/h(表2)。實際泡沫錘下鉆到底后,即2760m時循環(huán)清潔井底出現(xiàn)返出氣體潮濕,判斷水層提前溝通,但循環(huán)4h后,返出氣體干燥?，F(xiàn)場決定采用純氣體鉆進,鉆進參數(shù)與空氣錘相當,轉速25r/min,鉆壓10kN,氣量140m3/min,扭矩5kN·m,立壓5.1MPa,鉆時不低于3~5min/m。鉆至2800.35m預測的第2個水層提前到達(表2),現(xiàn)場返出氣體潮濕。扭矩波動較大,劃眼并循環(huán)1.5h后返出,繼續(xù)采用氣體鉆井,鉆時3~7min/m,與空氣錘相當。鉆至2900m(2870m進入登婁庫組四段),扭矩開始發(fā)生波動,預計鉆達第3個水層(表2)。2914m接立柱后恢復鉆進時返出氣體潮濕,判斷接換立柱時井下已經(jīng)出水。循環(huán)30min后粉塵返出,現(xiàn)場繼續(xù)采用氣體鉆井,鉆時3~15min/m。鉆至3178.5m(3030m進入登婁庫組三段),返出氣體潮濕,觀察口伴有小細流,鉆遇前期未預測到的第四個水層。循環(huán)干燥8h后觀察口小細流無改善,現(xiàn)場決定轉為霧化泡沫鉆進,注液量為0.8L/s,泡沫錘開始在泡沫介質(zhì)下工作,鉆壓10~40kN,轉速25r/min,扭矩2~16kN·m,氣量120m3/min,液量0.8L/s,立壓3MPa,鉆時相比氣體條件下增加,為7~20min/m。鉆至3192.58m后井壁失穩(wěn),短起鉆具時發(fā)現(xiàn)遇卡,現(xiàn)場決定轉化為常規(guī)鉆井液鉆進,并大力活動鉆具解卡。泡沫錘起出后評價檢測未發(fā)現(xiàn)氣室含有巖屑、未發(fā)現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象。3.3氣體、空氣錘鉆井本次試驗井段:2760~3192.58m,共432.58m,純鉆時間40.53h,機械鉆速10.67m/h。其中氣體鉆井井段2760~3178.5m,共418.5m,純鉆37.36h,機械鉆速11.2m/h;霧化鉆井井段3178.5~3192.58m,共14.08m,純鉆3.17h,機械鉆速4.44m/h。受井壁失穩(wěn)影響,泡沫錘在霧化泡沫介質(zhì)中鉆進井段較短,鉆速沒有發(fā)揮明顯優(yōu)勢,但相比常規(guī)鉆井機械鉆速提高2倍;氣體鉆井機械鉆速相比常規(guī)鉆井提高6.5倍,相比氣體牙輪鉆井機械鉆速提高1倍。泡沫錘在氣體介質(zhì)中相比空氣錘輸出功率未降低。試驗共鉆遇4個水層,鉆進過程中未發(fā)生流體、巖屑倒灌現(xiàn)象,氣室內(nèi)部未受污染,尤其是在鉆遇第3、第4個水層時,泡沫錘曾在井下停止流體循環(huán)未出現(xiàn)氣缸污染而失效現(xiàn)象,防倒灌裝置在井下工作可靠。4防止井下液體倒灌的能力1)針對空氣錘在出水地層適應性差的問