空 气 泡 沫 钻 井 技 术.docx
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空气泡沫钻井技术
空气/泡沫钻井技术
西部钻探集团克拉玛依钻井工艺研究院
1空气、泡沫钻井技术介绍
空气钻井就是采用以气体为循环介质的钻井技术的总称。
泡沫钻井则是指用泡沫液与气体的混合物做为循环介质所进行的钻井作业。
从类型上分，依据气液比的不同，气基流体钻井可划分为：
•空气钻井99％～100％（气体所占比例）
•氮气钻井
•天然气钻井
•雾化钻井96％～99％
•泡沫钻井55％～99％
从钻井方式角度讲，空气、泡沫钻井属于气基流体钻井分类，但从相态角度划分则不完全相同。
其中，空气钻井属于单相流钻井方式，泡沫钻井则属于多相流钻井方式。
雾化钻井循环介质相态处于两者之间。
从工程的角度，气液混合流动相对单相流要相对复杂的多，这就导致泡沫钻井相对于空气钻井要更具有挑战性。
美国早于五十年代初即开始空气、泡沫钻井试验。
气基流体欠平衡钻井技术一出现，就以它的高钻速和低成本吸引了石油钻井界。
五十年代至六十年代在北美形成了发展高潮，具备了应用规模。
专用的大功率空压机、雾化泵、井下空气锤、空气钻井专用钻头、井口旋转头等主要设备和工具都在这段时间得到发展和完善。
一般而言，空气、泡沫钻井的流程可用下图来表示：
图1空气、泡沫钻井流程图
在八十年代之前，空气钻井的应用目的主要是提高经济效益和克服某些钻井中的特殊困难。
空气钻井的经济效益主要体现在高钻速（约为泥浆钻井钻速的4至10倍）、低的钻头消耗量（约节约30％～50％的钻头消耗量）、低的钻井液成本。
再加之完善的设备租赁制度和技术服务系统，使得人们可以在本公司不具备空气钻井设备和技术力量的条件下，投入较少的费用便可完成空气钻井施工。
八十年代之前空气钻井应用的另一个重要领域是解决某些特殊的钻井困难，如：
严重井漏、严重水敏性泥页岩、极地永冻带钻井、沙漠缺水区钻井、地热资源钻井等等，这些条件下用常规泥浆钻井往往难以成功或成本太高。
八十年代之前人们采用空气钻井主要用于非储层井段，目的是提高经济效益或克服具体的钻井困难。
由于空气钻开油气层时存在井下燃爆的危险，因此当时不主张用空气钻井去钻储集层；一般钻至储层顶部时就转换为常规泥浆钻井。
到了九十年代初，国际上应用空气钻井的目的开始发生转变：
人们不只是为了经济效益和克服具体钻井困难而采用空气钻井，而是更多地利用空气钻井对地层最小伤害的优点，将其与水平井技术相结合，为勘探、开发服务。
在美国商业化应用的空气钻井井下动力钻具、应用于水平井钻井的空气锤、专用于低压钻井系列（如空气、雾、充气液、泡沫等）的随钻测量技术（电磁MWD），适用于海上和绿色环保要求的全密闭式空气钻井系统、现场制氮装置、及一些特殊测井、完井方法也相继出现。
美国能源部又专门组织了示范性发展项目，将低压钻井、完井、测井、增产做为一个整体系列技术进行规划和发展。
在美国的页岩气藏和致密砂岩气藏开发中，用常规泥浆钻了上千口垂直井，平均产量只有0.3MMFD；而用空气钻垂直井产量提高了3倍，空气钻水平井产量提高了10倍以上。
目前，空气钻水平井，管外封隔器裸眼完井，必要时采用分段的泡沫加砂压裂，已成为美国致密气开发的首选组合技术。
2空气、泡沫钻井技术的优点
◆提高机械钻速
图2为L.W.Cooper等人用印第安纳石灰岩作的微钻速试验曲线，从图中可以看出压差对钻速的影响极大。
由于空气/泡沫的密度极低，井内液柱压力达到最低值，使井底形成一个很大的负压，钻头在负压下旋转导致岩石爆裂、破碎，从而最大限度地提高了地层的可钻性。
空气/泡沫钻井的机械钻速是常规钻井液的5～10倍。
图2典型岩心压差与钻速对比图
◆减少油层损害
使用空气/空气泡沫钻井可以对油气层直接的连续测试，获取油气层的原始产能数据，也可获得“干净”岩心，避免产层损害。
◆延长钻头寿命
空气钻井要求气体在环空返速必须达到15m/s（3000ft/min）以上，使钻屑完全快速地脱离钻头的切削部件，避免了重复切削，保证了井眼清洁；另外，空气钻井钻头的冷却比泥浆钻井好，延长了钻头寿命。
◆降低井漏和压差卡钻的风险
在低压地层，使用空气/泡沫作为循环介质可降低井漏的危害，免除堵漏损失，基本不会造成压差卡钻。
◆有利于防斜打快
由于井底岩石在负压情况下被“推”向井内，因此岩石“破碎”所需的钻压较小，一般为常规钻井的1/3即可。
此钻压既满足了空气钻井的快速钻井需要又满足了常规钻井的“轻压吊打”纠斜的要求，容易钻成垂直井眼。
◆成本低
由于空气或天然气来源充足，且机械钻速快，大大缩短了钻井时间，已被世界公认为是一种降低钻井成本的好方法。
空气钻井的这些特点，使得空气钻井做为有力的勘探手段用于勘探目的；做为有力的开发手段用以开发目的。
由此可见，空气雾化钻井基本上是作为勘探、开发部门的有效技术进行应用；空气雾化钻井试验大多都是紧密配合油田勘探开发和原油增储上产的需要进行的，并且为油田勘探布局规划、开发方案调整提供了极有价值的参考资料和决策依据，产生了明显的间接经济效益。
3空气、泡沫钻井技术的局限性
•对地层压力的控制能力降低。
因此气体钻井作业一般限于那些储层孔隙压力较低的地区
•空气钻井局限于那些地层岩石较老且致密的区块
•对付大量地层水侵入环空的能力是有限的
•在钻进过程中，钻头外径会明显地因磨损而变小
•由于环空中含砂气流的冲刷作用，钻杆的磨损会加剧
•在钻井期间，井内的流体几乎不可能对钻柱提供缓冲作用
4空气、泡沫配套钻井工艺
◆干空气钻井
空气（包括天然气、氮气）钻井主要应用于坚硬干燥的地层，即地层中无水或无碳氢化合物等流体流出的地层；也适用于无水干燥的地热气产层。
空气钻井技术的关键是保证携岩所需要最小气量的计算。
根据Agnle提出的空气钻井携岩最小动能理论：
＝
（1）
Q
（2）
式中
a=
，（3）
b=
（4）
Dh=井径.Ft.Dp=钻杆外径.Ft.e=2.71828,自然对数
G=环空温度梯度,R/Ft.h=井深,Ft.K=钻速Ft./Hr.
Ps=地面读出的环空压力,psiQ=需要的循环排量,标准Ft.3/Min（60℉,14.7psi）
S=天然气对空气的比重,无量纲Ts出口温度,R
Tav=井内环空平均温度,RVs=标准密度下的速度,Ft./Min.
根据以上公式计算所得不同井径、井深空气钻井所需最小气量统计如表1：
井径
in.
钻杆尺寸
in.
井深（Ft.）及需要的空气量（标准立方英尺/分－SCFM）
1000
2000
4000
6000
8000
10000
12000
4-3/4
2-7/8
430
500
650
790
930
1070
1200
6-1/4
2-7/8
790
850
970
1150
1420
1700
1800
3-1/2
710
790
930
1030
1280
1420
1650
6-3/4
3-1/2
850
1000
1200
1420
1650
1850
2100
7-3/8
3-1/2
1070
1150
1300
1550
1800
1950
2150
7-7/8
3-1/2
1300
1400
1650
1900
2120
2400
2700
4-1/2
1100
1200
1500
1800
2100
2350
2650
8-3/4
3-1/2
1600
1750
2000
2280
2600
2800
3000
4-1/2
1450
1650
1850
2140
2400
2600
2850
5
1350
1500
1700
2000
2200
2400
2700
9-7/8
4-1/2
1950
2100
2400
2700
3200
3500
4000
5
1900
2000
2300
2600
3000
3300
3600
5-1/2
1700
1950
2150
2400
2600
2850
3100
12-1/4
4-1/2
3100
3350
3700
4200
4500
4900
5400
5-1/2
3000
3100
3350
3900
4300
4700
5000
6-5/8
2600
2800
3000
3400
3700
4150
4500
17-1/2
4-1/2
6600
6850
7550
8100
8700
9250
9800
5-1/2
6450
6700
7400
8000
8550
9100
9650
6-5/8
6150
6600
7150
7700
8400
8950
9500
◆雾化钻井
空气钻井中如遇少量地层出水可采用雾化钻井技术。
其钻井过程要要保证注入的水、发泡剂和空气泵入井内后，使气体达到露点饱和，以达到携岩的目标。
由于注入液体以及地层出水的原因，一般而言，雾化钻井需要的气体量要高于同井眼尺寸、井深条件下的20%-40%以上。
◆泡沫钻井
泡沫钻井是利用致密、连续、均匀的泡沫流体作为循环介质的钻井技术，其密度可在0.06～0.72g/cm3之间任意调整。
它一般适用于地层压力系数低于1.0的油气层。
当空气因地层原因无法实施延伸钻进时，可转为稳定泡沫或硬胶泡沫钻井。
稳定泡沫和硬胶泡沫不仅可以大大减少空气量，还因其携屑能力是一般钻井液的10倍而更具优越性。
空气泡沫在下述情况下是最好的循环介质：
⑴钻直径很大的井眼需要的空气量极大，使纯空气钻井很不经济，如在26″的井眼，硬胶泡沫则只需11～17m3/min.（400～600SCFM）的空气量。
⑵硬胶泡沫能有效地防止水敏性地层和胶结差的地层坍塌。
调整泡沫剂和聚合物的比例可以将硬胶泡沫的失水降到很低甚至可以为零，因此，对胶结差的地层和水敏性地层，如风化砂岩、水敏性泥页岩、砾石或砾岩，硬胶泡沫有极强的稳定能力。
⑶可防止空气钻井因钻遇油层而引发的火灾。
⑷钻低压或枯竭油气层以及胶结疏松的产层。
硬胶泡沫密度只有2～6PCF（0.032-0.096g/cm3）,即使在井内被压缩状态下，其静液柱压力也极低而且滤失量可以为零，所以可避免漏失和对产层的损害。
图3是雾化与泡沫流体的主要区别，在本图中，通过原理的方式揭示了雾化、泡沫的结构特征。
泡沫钻井，连续相是液，分散相是气体；而雾化、空气钻井，连续相是气体，分散相是液。
图3：
泡沫液与雾化液的主要区别
5国内典型空气钻井技术应用
◆夏1023井空气雾化钻井
1989年新疆局在夏子街油田钻成了我国第一口真正意义上的空气雾化钻井X1023井，X1023井用空气雾化做循环介质钻至井深1512.04m时，返出大量天然气，排出口压力9.215MPa，测试产气量为38391m3/d。
这两口空气雾化钻井为夏子街油田的高效开发提供了宝贵的地质油藏资料。
第一，在夏子街油田发现了能量很大的气顶，X1016井日产气10～15×104m3/d。
而在以前的钻井、测井中从未发现过达到日产1×104m3/d的气。
夏子街油田初期认为的溶解气驱或低能量气顶驱观点发生了变化。
第二，这两口井证实了夏子街油田的真实产能，指出了储层伤害的严重性，为1991年该油田开始系统的实施储层保护技术提供了决策依据。
◆82026井空气、雾化钻井
82026井是空气雾化钻井试验最深的井，目的层位于二迭系佳木河上亚组，设计井深2470m，试验目的是了解掌握二迭系佳木河上亚组产能。
在2318.58～2379.43m之间雾化钻井一直有活跃的油气显示。
但上部单流阀被堵后中断了循环，而在解除过程中又造成下部单流阀失效。
在此段时间发生了井下失火，提钻后发现最后一柱钻铤弯曲。
停钻16小时后替出原油约70m3，重新下钻钻进到2389.52m时，又发生了下部第一根钻铤从靠近钻头的接处齐根断裂，落鱼0.98m，后灌入泥浆打捞失败，侧钻至2362.62m之后采用雾化钻井打到2487.63m，返出一定量的地层水，但油气显示较事故发生前明显减弱，可见灌入泥浆处理事故，对储层造成了明显伤害。
◆吐哈油田牛102泡沫水平井
类型：
泡沫水平井
井深：
1677.37～2077.37m
井型：
预探井
井眼尺寸：
Φ215.9mm
牛102井位于牛圈湖构造带牛圈湖背斜南高点西北翼，距马1井西北582m处，该井是一口评价井，钻探目的是探明中侏罗统西三窑组（J2X）油气储量。
该井采用常规水平井钻井技术，造斜至A点下入φ244.5mm套管中完。
水平段φ215.9mm井眼使用稳定泡沫完成，实现了对该井水平段的欠平衡保护。
欠平衡水平井钻井在牛102井的成功应用为三塘湖油田的评价和认识储层提供了一次全新的技术，为三塘湖油田牛圈湖构造储层特征提供了第一手宝贵的资料，也提高和丰富了我国油气层保护的技术水平和手段。
◆伊朗大尺寸空气、泡沫钻井
伊朗油气田TBK构造位于伊朗南部FARS省，该区块地层采用常规钻井技术因漏失严重二无法进行，为节约费用及提高钻井速度，该区块普遍采用气基流体钻井技术。
TBK2井泡沫钻井分两段进行（二开、四开）。
二开采用26"井眼，施工井段447m～825m；四开采用121/4"井眼，施工井段1003m～2106m，平均机械钻速为7.35m/h。
TBK2井泡沫钻井技术的成功应用，是我们在大尺寸、地层存在多种复杂因素的条件下实施泡沫钻井技术的又一阶段性成果，其中许多成功经验值得总结。
◆滴16井泡沫钻井
滴16井位于准噶尔盆地陆梁隆起滴南凸起加勒构造带中部滴16井设计钻揭目的层---石炭系地层具有孔隙压力较低（压力系数在1.0左右），已钻邻井采用常规钻井技术在石炭系地层裂缝发育段钻井过程中漏失现象较为普遍。
同时，准噶尔盆地石炭系基底地层具有机械钻速普遍不高的特点。
钻前通过借鉴邻井电测资料，展开井壁稳定性分析，得出已钻井钻揭的石炭系地层坍塌压力具有如下规律：
石炭系地层顶部坍塌压力系数在0.6~1.0之间；石炭系地层中下部坍塌压力系数较低，在0.2~0.6之间。
图4滴16井邻井坍塌-破裂压力梯度分析
根据这一情况，对井身结构方案进行了适当调整，即由原井身结构要求的技术套管下至石炭系顶界调整为，技术套管下深以封隔石炭系风化壳地层为原则。
图5滴16井调整后井身结构图
实钻该井采用硬胶泡沫钻井液体系，气量75m3/min，液量300L/min泡沫钻井控制参数。
滴16井三开泡沫钻井，取得了最高机械钻速20m/hr，平均机械钻速9.65m/hr，相对邻井滴12井2.7倍，滴15井4.9倍的机械钻速指标。
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