气基流体空气钻井技术大学论文.docx

气基流体空气钻井技术大学论文.docx

《气基流体空气钻井技术大学论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气基流体空气钻井技术大学论文.docx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

气基流体空气钻井技术大学论文

石油工程钻井论文

题目：

气基流体空气钻井技术

专业：

石油工程

摘要

过去，对气基流体（空气、雾化液等）作为气体钻井循环流体缺乏深入的理论研究和现场应用经验。

为适应新的气基流体钻井方式及钻井工艺技术的进步，开展了气基流体空气的应用技术的研究。

空气作为循环流体，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼，如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。

介绍了气基流体空气的携岩机理、空气量的计算方法、空气循环系统以及气基流体空气、雾液在现场的应用效果、空气钻井国内外应用现状、优缺点及所用的设备.并阐述了空气钻井的一些关键技术,如钻具腐蚀问题、钻遇水层问题、固井等,最后介绍了空气钻井技术的改进技术[1].

关键词:

气体钻井;气基流体;空气钻井;携岩机理;钻具腐蚀;钻遇水层固井

目录

前言.........................................................3

第1章气基流体空气钻井的基本概念和循环系统.....................4

1.1基本概念..................................................4

1.2空气量的大小与井眼净化的关系4

1.2.1空气携岩机理..........................................4

1.2.2钻屑形状与下沉速度的关系..............................5

1.2.3空气注入量的确定......................................6

1.3气基流体（空气／雾液）的循环系统8

第2章空气钻井技术的国内外研究现状10

2.1空气钻井在国内外应用现状10

2.2国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状11

2.3空气钻井的优缺点比较12

2.4空气钻井设备介绍13

2.5气体钻井所必需的条件井眼条件..............................13

第3章空气钻井的关键技术与实例简..............................16

3.1空气钻井与钻具腐蚀16

3.1.1腐蚀物质与腐蚀形式...................................16

3.1.2防治措施.............................................17

3.2空气钻井地层出水限定值18

3.2.1地层出水对空气钻井的影...............................18

3.2.2地层出水后空气钻井方法...............................19

3.3空气钻固井技术实例22

3.3.1平落006—5井空井固井初..............................22

3.3.2主要技术难点.........................................23

3.3.3空井固井施工技术.....................................25

3.3.4现场施工技术.........................................26

3.3.5固井技术总结.........................................27

第4章气体钻井技术的改进28

4.1控制气体体系的压力28

4.2控制压力钻井的目标29

4.2.1液压系统.............................................29

4.2.2气压系统.............................................29

4.2.3气体流体钻井——误解.................................30

4.2.4没有适当控制井眼压力所造成的问题.....................30

4.3井下空气分流器（DHAD）31

4.4压力试验结果32

4.5建议33

结论34

参考文献35

致谢36

前言

气体钻井技术就是以气体为主要循环介质的欠平衡钻井技术,主要有纯气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井液钻井[1]。

气体钻井在国外应用已相当广泛，主要用于加快钻速，发现和保护气层，在低压破碎地层用气体钻井可以解决长段井漏问题。

气体钻井首次使用是在19世纪中期，美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。

此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井（包括煤层气）的钻探和开发上，特别是在阿巴拉契亚山脉地区新墨西哥圣胡安盆地西得克萨斯等油田和钻井液易漏失的洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用[2]，截至2000年，美国约30%的钻井和完井作业采用该技术，最深井5791.2m[2]。

第1章气基流体空气钻井的基本概念和循环系统

1.1基本概念

气基流体空气钻井是利用大气中的空气或雾化空气流体作为钻井的循环介质，通过特殊的气体钻井配套设备（空压机、增压机、空气锤、旋转防喷器及连接管汇等）将空气注入井下再携岩返至地面来进行钻井的一种工艺技术。

气基流体空气是由空气、干燥剂、防腐剂以及其它添加剂按一定的比例混合组成。

干空气和充空气、空气泡沫流体钻井是可使地层压力小于1.0的地层实现欠平衡钻进的钻井技术，是目前使用较多的一种气体型流体。

1.2空气量的大小与井眼净化的关系

气基流体空气钻井中使用的循环流体是空气，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼。

如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。

因而在空气钻井作业中，空气注入量（空气流速）是安全钻井的关键因素。

1.2.1空气携岩机理

在空气钻井中，循环的空气对钻屑施加一个与钻屑重力方向相反的举升力，当举升力大于重力时，钻屑就沿井眼向上移动，相反钻屑就会沉降。

由于钻屑自身重力不受空气流的影响，因而空气使钻屑向上运动有一个临界速度，当空气在环空中的流动速度超过临界速度时，钻屑就向上运动。

如果钻屑的自由沉降速度为Vt，空气沿井眼环空向上的流速为Vf，那么钻屑向上的运动速度Vc可由下式表示：

Vc=Vf-Vt（1-1）

由公式（1-1）可知，钻屑的自由下沉速度越大，运移钻屑所需的空气流速越大。

钻屑的自由下沉速度与钻屑直径、密度、形状和流体密度等因素有关。

研究发现，球形微粒的自由下沉速度为：

（1-2）

在公示（1-2）中：

dc为钻屑直径，mm；Cd为阻力系数；ρc为钻屑密度，g／cm3；ρf为流体密度，g／cm3。

1.2.2钻屑形状与下沉速度的关系

携带岩屑的阻力系数与雷诺数有关，可由钻屑在流体中的运动速度确定。

研究发现，在空气钻井中，环空中的空气一般为紊流，这时钻屑的阻力系数与流动速度无关，为一定值。

但阻力系数受钻屑形状的影响，扁平状钻屑的阻力系数为1.4，角状及次圆状钻屑的阻力系数为0.8。

结合气体状态方程，可推导出扁平状钻屑的自由下沉速度为：

（1-3）

次圆角状钻屑的自由下沉速度为：

（1-4）

式中：

T为井底温度，K；P为井底压力，MPa。

钻屑的自由下沉速度主要由钻屑直径、形状、井底温度和压力决定。

但没有考虑钻屑之间或钻屑与井壁之间的相互作用，而这些作用会引起钻屑下沉速度的降低。

从公式（1-3）、公式（1-4）可以看出，钻屑的自由下沉速度随钻屑直径的增加而加大，钻屑尺寸越大，要带出钻屑所需的空气流速就越大。

同时，携带圆球形钻屑所需空气量比扁平状钻屑所需空气量大。

1.2.3空气注人量的确定

为了有效携带钻屑，需要预测地面空气注入速度，而其与井眼大小、井深、机械钻速等有关。

国外研究了多种预测方法，其中多数方法用于现场时都遇到一个共同问题，这就是难以提供钻屑的形状和尺寸。

同时还需要知道井眼的几何形状，因为在井径扩大处，环空空气流速会明显下降，携带钻屑的效果也会下降。

Angel提出了一种方法，该方法假设空气冲击每粒钻屑的动能与空气在标准状态下给予钻屑的动能是相同的。

目前该方法已广泛成为预测空气注入量的基础。

利用Angel软件，以某井为例，计算了311.2mm井眼与127mm钻杆环空、井深为500m、机械钻速为8m／h、球形钻屑直径为3mm时空气注入量与注入压力、岩屑含量和岩屑运移速度的关系，分别如图1-1、图1-2和图1-3所示。

图1-3岩屑运移速度与空气注入量的关系

图1-1表明，随空气注入量增加，注入压力降低，最终趋于一个比较恒定的值；图1-2表明，岩屑含量随空气注入量的增加而下降，当空气注入量达到一定值后，岩屑含量变化趋势减缓；图1-3表明，空气注入量增加，岩屑在环空的运移速度增加，当空气注入量达到一定值后，运移速度呈显著上升趋势。

空气钻井时，对于444.5mm、311.2mm、215.9mm不同尺寸的井眼，一般情况下的注气量分别为180～210、110～15O、8O～120m3／min。

1.3气基流体（空气／雾液）的循环系统

空气钻井的流程大致是：

空气-空压机-增压机-方钻杆-钻具-钻头-环空-井口-排砂管-排砂池。

在空气钻井作业中，需要将压缩机系统的压缩空气输送到钻机的立管管汇，因此就需要连接较大直径（76～101.6mm）的钢管或软管。

这些连接管线的额定压力值应与增压机的最大压力相匹配或更高。

此外，在这些连接管线中应安装相应的单流阀、安全阀和球阀，以保护压缩机和便于泄压。

在气体输入的主管线上要连接一根旁通管线（泄压管线），方便在接单根或需要时泄压。

旁通管线可以直接导流到排砂管线。

另外在旁通管线与立管之间也需安装一条泄压管线，用以在接单根前放掉立管和钻具内的压缩空气，以便压缩机在接单根期间保持运转。

旁通管线和泄压管线的直径一般为50.8mm[3]。

第2章空气钻井简介

2.1空气钻井在国内外应用现状

空气钻井是欠平衡钻井的一个重要分支，与传统钻井液钻井相比具有明显的特征。

空气钻井是指以空气作为循环介质进行欠平衡钻井，它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。

空气钻井在美国及加拿大应用较为广泛。

据文献记载空气钻井首次使用是在十九世纪中期，有文字记载的是1953年美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。

此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井（包括煤层气）的钻探和开发上。

到70年代末，估计有10%的深井钻井和完井作业采用了空气与气体钻井技术。

截止到2000年，据美国能源部统计30%左右的石油、天然气钻井和完井作业采用了该技术，最深井已钻达19000英尺，特别是在美国东部阿巴拉契亚山脉地区、新墨西哥州的圣.胡安盆地以及西得克萨斯的某些油田和那些钻井液易漏失的地区如洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用。

美国能源部要求，到2005年用空气或气体钻井技术的油井要达到30%以上，美国年钻井33000口左右，也就是说到2005年将有10000口以上的油井采用空气或气体钻井技术。

近年来空气钻井在我国也得到了一定程度的应用并取得了良好的效果。

例如，玉门青西油田的隆9井一开后，所钻遇的地层均为逆掩推覆体地层，由于逆掩推覆体老地层倾角大，最大达到70o。

裂缝发育，斜、跳、慢是制约该井机械钻速的主要因素，平均机械钻速约为0.58米/小时左右，机械钻速很低。

为了寻求硬地层井段提高机械钻速的新方法，降低勘探开发综合成本，加快隆9井推覆体井段钻井速度决定在2970至3300m井段采用空气（雾化）钻井枝术结果实验取得成功，机械钻速达到3.48-11.6米/小时左右，为原钻速的6-20倍。

另外在长庆油田苏里格气田、四川油田的正坝1井、浅二井、长庆油田的陕242井、苏35-18井等等都曾采用过空气或气体钻井的方式，均取得了良好的效果。

事实证明采用空气或气体钻井可大幅度地提高机械钻速，保护产层。

同时在空气钻井工具上，我国也取得了突破性的进展。

2001年，我集团公司国际工程公司在伊朗承包了欠平衡钻井项目，根据有关方面所设计的工程施工方案，需要空气或泡沫作为介质驱动螺杆钻具进行钻井作业。

中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂联合组成课题组，承担了集团公司科技发展部下达的“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”项目，旨在开发用空气及泡沫作为钻井介质的新型螺杆钻具K7LZ244样机并形成产品，以解决伊朗欠平衡钻井项目的急需，并为国内今后的欠平衡钻井及空气钻井提供一种实用工具。

经过双方人员的共同努力，样机研制获得成功，并已在伊朗项目中使用，获得较满意的效果。

2.2国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状

空气或气体钻井的理论研究第一个具有里程碑式的人物是D.JMartin，他于1952年发表的题为《UseofAirorGasasaCirculatingFluidinRotaryDrilling–VolumetricRequirements》的论文，首次提出用数学的方法来预估干空气钻井所需的气量。

尽管当时他没有考虑环空岩屑的影响，但是他启发了人们使用数学的方法来解决空气钻井的若干问题。

1957年，PHILLIPS公司的R.R.Angel给出了第一个实用的计算公式，在这个公式里，Angel把所需流量与气体的密度，井眼的大小、深度，钻柱的尺寸以及机械钻速关联起来。

该公式的影响极其深远，此后所推导的包含各种考虑因素的公式皆是在该公式基础上的修正或引用。

比如:

1980年，Ikoko和Williams就是把该公式与砂岩、石灰岩和页岩的颗粒运移速度以及环空摩擦系数关联起来。

1984年，W.C.Lyons总结了当时的各项公式，提出计算空压机和增压器所需功率的七个步骤，并与当年出版了第一版的《AirandGasDrillingMaunal》。

90年代早期，欠平衡钻井成为当时油气井钻井和完井工程的一项重要技术，同时空气与气体钻井技术的潜在经济效益和环保效益受到高度关注，促使他和同事于2001年再版《AirandGasDrillingMaunal》。

近两年来国内外学者多把注意力放在环空携屑的研究上，例如Y.Masuda研究了泥浆钻井中弯曲井段环空携屑的规律并给出了控制方程;LiuHuiXing等研究了在实验室条件下环空携屑的各种情况并推导了携屑数学模型，但其结果只停留在实验室阶段，未经现场实钻检验。

中国石油勘探开发研究院钻井所硕士研究生庞保平的硕士论文《空气钻井流体压力计算与空气螺杆马达的初步研究》，对空气钻井沿程压力分布规律及空气螺杆马达的设计也做出了有益的探讨。

2.3空气钻井的优缺点比较

空气钻井作为欠平衡钻井的一种特殊形式，具有自己显著的特点，应用范围亦有一定的限制。

下面简要介绍一下哪些情况较适合空气钻井以及其局限性。

（一）空气钻井尤其适合用于下述情况

1、地层岩石坚硬

2、井壁稳定性强

3、较少的地层流体侵入

4、具有中低孔隙压力的地层

5、缺水干旱地区

6、对水基或油基钻井液敏感的地层

（二）空气钻井的局限性

1、对地层流体的侵入控制力不强。

2、钻头的适用范围窄。

由于空气对钻头的冷却作用不强，使得耐高温性能不强的金刚石类钻头较少应用于空气钻井中，因此在空气钻井中大多使用牙轮钻头。

3、软地层不适用于空气与气体钻井。

通常情况下软地层产生的岩屑尺寸较大，不利于在较大井深情况下气体携屑。

4、井底着火。

当井底烃类气体与空气混合达到一定比例后，就有可能发生燃烧[3]。

2.4空气钻井设备介绍

空气钻井中所用设备和井场布置明显有别于传统钻井方式，现简要介绍一下

主要设备的功能及其井场布置原则。

（一）、空气钻井井场布置图

图2-1空气钻井井场布置图

下面简单介绍一下图2.1各部分设备的功能:

空压机:

空气钻井中最主要的设备，高压气体产生的源泉。

增压机:

提高压缩空气的压力等级，以补偿当空气钻进时使用小尺寸喷嘴或井下动力钻具造成的过大的压力损耗。

增压机控制阀:

由于控制增压机移出或接入空气循环系统。

流管中的安全阀:

当流管中气体压力过高时，通过开启安全阀释放过高的压力。

液体注入泵:

由于地层大量出水而需将空气钻井转为雾化或泡沫钻井时，用来向空气中加入水或起泡剂;或向空气螺杆马达注入润滑剂时使用。

固体注入泵:

当地层出现少量水时，可向井筒内注入干燥剂，有利于气体携屑。

压力计、温度计、流量计:

用来监测流管中气体状态.

泥浆罐:

储备泥浆，用于特殊情况下，由空气钻井转为常规泥浆钻井时使用.

压力释放管线:

用于释放空气流动系统中过高的压力。

常用于起下钻、接单根或其它需要开口操作的场合。

空气吸湿器:

干空气钻井时要求空气进入井筒前除去水分。

当空气较湿润时，经过空压机压缩后，空气中可能有水分析出，因此使用空气吸湿器除去水分。

排出管线:

从环空中出来的气固混合物通过排出管线排离钻台，其内截面一般应为井口环空截面的1.1倍。

排出管线的控制阀:

用于控制井口回压，也可用于配合试井测试.

岩屑捕获器:

用于获得井口处的岩屑样本。

气体探测器:

用于检测烃类气体，便于钻工采取安全措施。

减尘器:

用于向排管内的气固混合物喷水，减少粉尘污染。

燃烧池:

用于沉降岩屑和燃烧井底产生的烃类气体。

引火器:

将从排管中带出来的井底产生的烃类混合气体点燃，保证安全钻进。

（二）、井口设备

图2-2井口设备布置图

旋转头:

它分为旋转与非旋转两部分。

旋转部分可以和钻柱一起旋转。

非旋转部分和同密封装置配合，使从环空中出来的含岩屑的气流流向排出管线，保证钻井平台和人员的安全。

防喷器组合：

空气钻井中主要使用两种防喷器。

一种为环形防喷器（或旋转防喷器），它靠液动作用使胶芯挤向井口中心，直到抱紧钻具或全封闭井口，从而实现其封井的目的。

另一种为闸板防喷器，要求半封、全封齐全[4]。

2.5气体钻井所必需的条件井眼条件

气体钻井所必需的条件包括以下几方面：

◇能够准确预测现场不同情况时井下流动条件下的气体钻井模型，即能够预测各种井深下的井径扩大、气体侵入、液体侵入、气体从钻柱内分流至环空；

◇便于调节空气流量、钻柱几何尺寸、井眼几何尺寸；

◇井下空气分流器能够在最合适的井深将一定量的气体分流至环空，能够更有效地利用分流气体的能量。

通常情况下，采用合适的模型和井眼几何尺寸能够获得令人满意的经济效益。

不过在大多数情况下，有必要在底部钻具组合之上分流一部分气体。

能够利用通常不再受摩擦影响的能量是有益的，在地面和井下都能发现其优势。

第3章空气钻井的一些关键技术

3.1空气钻井与钻具腐蚀

3.1.1腐蚀物质与腐蚀形式

1）.腐蚀物质

空气钻井腐蚀钻具的主要介质是空压机注入的空气，其次是地层盐水和硫化氢。

在注入的空气中含有21％的氧气和不到1％的二氧化碳。

氧气在水中溶解度约10mg／L，二氧化碳在空气中含量虽小，但它在水中形成碳酸，不但自身腐蚀钻具，而且在酸性状态下，加剧氧化和电化学腐蚀。

虽然井史中介绍，地层可能含有硫化氢，但空气钻井时没有检测到硫化氢气体，所以它的腐蚀并不严重。

空气钻井过程中，真正腐蚀钻具的物质是地层水，地层水的pH值小于7，造成酸性腐蚀；地层水为氧和二氧化碳的腐蚀提供了条件，干燥的氧气和二氧化碳是不腐蚀金属的，只有在潮湿的环境下，腐蚀才会发生。

地层水不仅提供了潮湿环境，而且含有电解质，具有导电性，更有甚者，它还显酸性，加剧腐蚀，是氧和二氧化碳腐蚀的土壤和温床。

2）.腐蚀物质

氧、二氧化碳和盐水腐蚀钻具的主要形式是坑点腐蚀和失重腐蚀，这种腐蚀易引起钻具疲劳、穿孔、断裂，导致钻具寿命缩短和井下严重事故发生。

3）.腐蚀机理

氧气的腐蚀

2Fe+1.5O2+H2O→2FeO（OH）→Fe2O3↓+H2O

二氧化碳腐蚀

Fe+CO2+H2O=FeCO3↓+H2↑

硫化氢腐蚀

xFe+yH2S=（Fe）xSy↓+yH2↑

酸性盐水腐蚀

Fe+2H+=Fe+++H2↑

流速：

环空流速越快、冲蚀与腐蚀越严重。

3.1.2防治措施

空气钻井离不开空气，要清除空气中的氧气也是不可能的。

由于空气钻井的气柱压力很低，不让地层流体进入井眼也是不可能的。

必须根据井下情况采取合理措施，扬长避短。

既要发挥空气钻井的优势，提高机械钻速，缩短钻井周期，又要尽可能地减轻腐蚀，保护钻具，延长使用寿命，提高经济效益。

因此，空气钻井时，应采取以下工艺措施。

1）.干地层使用纯空气钻井

由腐蚀机理可知：

空气（氧气和二氧化碳）对钻具产生腐蚀，必须有水存在。

在干燥环境下，空气不腐蚀钻具，所以，当地层不出水时，可以进行干空气钻井。

2）低压水层使用干泡沫钻井

当地层出水后，氧和二氧化碳对钻具的腐蚀作用开始发生。

而且，由于地层出水，必须增加30％～40％空气排量进行雾化钻井。

因气柱压力增高，氧在水中的溶解度增大，氧对钻具的腐蚀加剧。

在这种情况下，必须采用干泡沫钻井。

即通过泵入7.5～37.9L／min的加有缓蚀剂的高pH、高发泡剂浓度的发泡液，保护钻具，捕集水流，将钻屑和水流带至地面。

3）.在高压水层使用泡沫钻井

当地层出水量较大，含盐量较高时，干泡沫钻井无法作业，必须采用泡沫钻井。

这样既可降低空气排量和环空返速，减少钻具冲蚀，又可用泡沫将空气包裹起来，减少空气与钻具接触的机会。

同时，通过高pH值和缓蚀剂的协同作用，减轻钻具腐蚀。

3.2空气钻井地层出水限定值

采用空气钻井时，经常会遇到地层出水的情况，大多认为在出水量达到5m3／h就应该转化成雾化钻井或其它方式钻井，更有甚者认为出水量大于2m3／h时就应该转化[5]。

事实上不同的地层岩石特性不同，对于地层出水的限制也应该不同，所以应根据裸眼井段的地层岩性、井壁稳定性、裸眼井段是否有漏失层等条件而定。

空气钻井中遇到地层出水时就要转化为雾化钻井或泡沫钻井，国外推荐在地层出水大于2m3／h时就要转化，国内采用空气钻井时通常的做法是地层出水大于5m3／h，转化为雾化钻井，现场施工措施中有时还要求更严，当地层出水大于3m3／h就要求转化为其它的钻井方式。

这一规定没有考虑地层岩性和物性，对某些地层来说这一要求过严，因而在一定程度上会影响到空气钻井的应用范围，本文就对这一问题进行探讨。

3.2.1地层出水对空气钻井的影响

（1）引起卡钻。

地层出水引起岩屑吸水，岩屑就会水化膨胀，当地层出水较多时，岩屑容易粘糊成团，在井眼的周围形成泥环，从而引起卡钻。

（2）井下着火。

井下着火是空气钻井的一大缺点。

空气钻井作业时，若有地层水进入井眼，使钻屑变湿形成泥环，井内流动受阻，井下压力迅速上升，泥环以下的气体温度升高，这时，即使天然气等烃类物质进入井眼的流速很低，也可能会迅速形成可燃的混合物。

一旦混合物达到燃烧范围，混合气体压缩本身就可能会引起燃烧。

另外，钻柱与井壁的摩擦、钻头在钻硬地层时会产生火花也会把井下昆合气体点燃。

（3）空气量增加，作业费用增加。

空气钻井时，当地层出水后，不但要把岩屑带出井眼，同时还要把地层水带出井眼。

在相同条件下，地层出水与地层不出水相比，就需要更多的空气量[5]。

3.2.2地层出水后空气钻井方法

1）.裸眼井段无漏失层

此种情况较简单，只需要考虑地层的岩性、井壁稳定性。

为了了解不同岩石吸水膨胀性能，对四川角61—1B井从蓬莱组～大三，麻18井云岩做了室内吸水膨胀实验。

实验是按照中华人民共和国石油天然气行业标准参考文献进行的[6]。

页岩膨胀实验是让页岩岩屑直接与水接触，测定岩屑