简述空气钻井技术研究与应用

摘要空气钻井技术在普光气田现场应用取得成功，解决了裂缝性地层漏失严重、地层可钻性差等钻井问题，机械钻速成倍提高，使得该地区的钻井技术水平有了质的飞跃。本文介绍了空气钻井、空气锤钻井、空气雾化钻井等空气钻井技术在普光的现场应用情况，对气液转换和打开气层防爆问题，提出了明确的要求。对在其他地区进一步推广应用具有一定的指导意义。
论文关键词：空气钻井,漏失,应用,效果,裂缝性地层

　　前言

　　普光气田陆、海相地层复杂，深处的碳酸盐岩裂缝性气藏普遍存在多产层、多压力系统、高压、高含硫以及高陡构造，而且地层可钻性低、井眼稳定性差。喷、卡、漏、塌、斜、硬、毒（H2S）等复杂情况相对集中，断钻具、套管磨损等钻井难题多，造成钻井施工投入高，机械钻速和生产时效很低，周期长、难度大、风险大。采用空气钻井技术、空气雾化钻井技术和氮气钻井技术，极大的提高了钻井速度，解决了钻井周期长的难题，安全快速钻穿陆相地层，钻井工艺上取得了重大飞跃。

　　1 空气钻井技术

　　1.1 空气钻井工艺流程

　　空气钻井工艺是以空气为工作对象,用空压机对空气先进行初级加压,然后经过增压机增压后打入井中,最后完成携带岩屑的任务,具体流程见图1和图2。

　　

　　图1 空气钻井工艺流程图

　　

　　图2 空气钻井循环方式图

　　表1 空气钻井主要设备一览表

　　

　　1.2 空气钻井工艺

　　空气钻井对钻具要求较高，开钻前必须使用一级钻具、钻铤，每趟钻必须对钻铤、接头、内防喷工具进行仔细的探伤，剔除不合格部件。

　　空气钻井与常规钻井液钻井所要求的钻具组合基本相似，在钻头上安装一只止回阀，在靠近井口的钻具上安装一只止回阀，方钻杆安装上下旋塞。空气钻井实钻钻具组合见表2。

　　表2 实钻钻具组合

　　

　　牙轮钻头钻井参数:钻压：60～80 kN，转盘转速：60r/min，气量：120～150 m3/min，立压：1.8MPa。空气锤钻井参数:钻压：10～20kN，转盘转速：30～35 r/min，气量：120～160 m3/min，立压：1.9～2.0 MPa。

　　空气雾化钻井钻具组合及参数为：

　　牙轮钻头钻具组合：φ444.5mm钻头+浮阀(730×730)+φ228mm减震器+Φ228mm钻铤×3根+Φ203mm钻铤×6根+Φ159mm随钻震击器+Φ178mm钻铤×6根+Φ127mm加重钻杆×6根+Φ139.7mmDP

　　钻井参数：钻压80-120KN，转速60-70r/min,气量120～180m3/mim,泵压2MPa

　　空气锤钻具组合：φ444.5mm空气锤钻头+浮阀(730×730)+Φ228mm钻铤×3根+Φ203mm钻铤×6根+Φ159mm随钻震击器+Φ178mm钻铤×6根+Φ127mm加重钻杆×6根+Φ139.7mmDP

　　钻井参数：钻压20-30KN，转速20r/min,气量133m3/mim,泵压2MPa。

　　1.3 空气钻井转换为钻井液钻井的原则

　　当井下出现情况之一（或一种以上情况）时，必须立即将空气钻井改为常规钻井(纯钻井液):地层出水大于5m3/h(地面表现为见液滴)；井斜大于井身质量要求且纠斜效果差；返出流体中含H2S；扭矩、摩阻突然增大或起下钻困难影响钻井安全；钻达设计层段或设计井深。

　　2 空气钻井技术措施

　　空气钻井与钻井液钻井有所区别，它是直接用大气中的空气作为循环介质来冷却钻头和携带岩屑，满足钻井工程需要的一种特殊钻井方法。在做好各种应急预案、操作程序的基础上，重点采取以下技术措施：

　　①空气钻井前应先用钻井液钻完水泥塞，再用空气举出井筒内的钻井液，并吹干井筒，继续用牙轮钻头小钻压空气钻进，约5～10m后，处理清洁井眼起钻换空气锤钻进。

　　②钻头不装喷嘴。空气锤钻进，若钻遇水层及时更换为牙轮钻头钻进。

　　③空气正式钻进前，控制机械钻速进行试钻，摸索各种参数的合理匹配。以立管压力2MPa，扭矩30kN·m为基准判断井下钻进情况。当钻速较快或存在放空现象时，控制钻时在5分钟以上。

　　④起钻或接单根前必须进行充分循环，将井下钻屑或其它沉积物带到地面。循环至钻屑含量明显降低了，才能开始起钻或接单根作业。

　　⑤每2趟钻进钻具及辅助工具进行探伤检查，尽可能减少钻具事故。根据发生的钻具问题及时调整钻具结构。根据不同情况分别采取循环、增大注气量等措施。

　　3 应用及效果

　　3.1 空气钻井技术应用

　　普光102-3井进入须家河组后，采用牙轮钻头空气钻井。从井深3309m开始，钻至井深4040.02m结束，安全快速钻穿须家河组高压气层，共钻穿须家河高压气层11层55m，气测全烃最高达20.38％。在钻穿须家河组地层过程中，每次起下钻后，排沙口均有起火现象，火焰最长持续15min。

　　3.2 空气雾化钻井技术应用

　　普光102-3井一开使用牙轮钻头空气钻进，至40.62m时，地层出水量增大，转为空气雾化钻井，钻至井深703m一开完钻。空气雾化钻井井段40.62～703m，进尺662.38m。共使用φ444.5mm钻头4只（牙轮钻头2只、空气锤钻头2只）。循环干净井筒起钻转换钻井液。下光钻杆距井底60m开始注入密度1.15g/cm3钻井液113m3返出地面。

　　3.3 效果分析

　　普光102-3井一开采用空气雾化钻井，转换钻井液过程中未发生井漏、井塌等复杂情况。而邻井普光102-2井的一开应用钻井液钻井中，曾漏失钻井液1400m3，共花费了41天的时间，而且井斜较大。

　　普光102-3井二开应用空气钻井技术钻至井深4040.02m，空气钻进及钻井液钻进施工中未发生井漏等复杂情况。转换钻井液，继续钻进至4073m中完。二开空气钻进累计进尺3337.02m，纯钻进时间339.08h，平均机械钻速9.84m/h。使用钻头空气锤钻头4只（含1只旧空气锤），牙轮钻头4只。其中空气锤钻头钻进井段为704m～2748m、3118m～3309m，进尺2222m，平均机械钻速15.59m/h。第一只空气锤进尺1409m，机械钻速17.5m/h。

　　须家河组钻进共使用牙轮钻头3只，进尺731.02m，平均机械钻速5.03m/h，其中第一只HJT537GK钻头钻进井段3309m～3781.97m，进尺472.97m，机械钻速6.03m/h，创普光地区牙轮钻头钻须家河组最高纪录。

　　普光102-2井钻至井深3514～3515m，钻遇须家河组高压气层，进行循环压井，将钻井液密度由1.44 g/cm3逐步提至1.74 g/cm3。井深3559m发生井漏，钻井液只进不出，注入堵漏剂40m3。

　　普光102-3井与普光102-2井实钻情况对比见表3和表4。

　　表3 普光102-3井与普光102-2井钻须家河情况对比

　　

　　表4 普光102-3井与普光102-2井二开施工情况对比

　　

　　从上表综合对比数据可看出：普光102-3井应用空气钻井技术钻须家河组地层的机械钻速是普光102-2井的6.3倍；普光102-3井二开全部应用空气钻井技术，其钻速是普光102-2井的5倍。应用空气钻速大幅度提高，同时还避免了裂缝性地层的井漏造成钻井液大量漏失等事故，钻井成效非常显著。

　　4 空气与钻井液转换技术

　　空气钻井是解决机械钻速慢，避免钻井液大量漏失等复杂情况，缩短钻井周期的有效途径，但气液转换时井壁稳定问题是空气钻井需要解决的关键技术之一。

　　4.1 钻井液体系及其性能要求

　　气液转换应使用强抑制防塌钻井液体系，做到强抑制、强封堵，控制失水，提高钻井液的润滑性、悬浮性能，替换钻井液时减小对井壁的冲刷。对转换后的钻井液性能提出以下要求：

　　①提高顶替钻井液的防塌抑制性，防止泥页岩地层吸水膨胀垮塌；

　　②补充适当防漏堵漏材料，加强对地层的封堵能力，使用钻井液密度设计上限。增强顶替浆及滤饼的润滑性，快速形成优质泥饼，达到井壁稳定的力学平衡要求；

　　③改善顶替浆的流变性能，提高钻井液的携岩能力；选中合适顶替排量，减少泥浆对井壁的冲刷。

　　4.2 钻井液转换过程

　　普光102-3井钻进至4040.02m，停止空气钻井，起钻转换钻井液，共泵入360m3钻井液，井下未发生漏失和井壁坍塌等复杂情况。

　　①光钻杆钻具下至距井底200m，空气循环将井内天然气排出，通过点火口点燃，直至天然气完全排出。

　　②单泵（排量28l/s）向井内泵替20m3钻井液停泵。

　　③替入80m3含有大量堵漏剂的钻井液做为领浆，继续泵入堵漏剂含量低的钻井液40 m3后，起出500m钻具，分段替换钻井液。

　　5 井下天然气燃爆的预防

　　空气中含有20%的氧气，空气钻井钻遇气层时，如果甲烷气体在空气中的含量达到5%～15%，遇明火或被压缩使温度达到爆炸的临界点时，就会发生燃爆。当地层出水时，会因为泥环的形成导致循环不畅，造成压力升高，当温度达到气体的燃烧点时就会产生井下燃爆。气体浓度始终保持低于3%，井下就不会发生起火燃爆事故。

　　6 结论与建议

　　1、空气钻井技术解决了钻井液钻井时井漏问题，解决硬地层大尺寸井眼段的钻井速度慢的问题。能极大的提高钻井速度，缩短钻井周期。

　　2、使用空气锤钻进，钻压小，可有效控制井斜，保证井身质量。

　　3、空气钻井工艺技术能够解决常规钻井中废钻井液排放处理难题，消除了污水处理后排放对环境污染。

　　4、空气钻井过程中，要及时进行钻具探伤和倒换钻具，减少钻具事故的发生。

　　5、应用空气钻天然气层井段过程中，特别要注意预防天然气遇明火易发生燃爆问题。