溫 杰，李金和，羅 整

(1西南石油大學(xué) 2中國(guó)石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院 3中石油欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地)

一、概況

氣體鉆井是以氣體為循環(huán)介質(zhì)的一種鉆井方式，與常規(guī)鉆井相比，在保護(hù)油氣產(chǎn)層、提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期以及處理井漏事故等方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，為鉆井技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和方向，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)研究并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用[1-2]，在川渝、新疆塔里木、青海等地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用中取得了顯著的效果。

川東地區(qū)地層漏失嚴(yán)重，目前通過(guò)氣體鉆井、霧化/泡沫鉆井、充氣鉆井等技術(shù)防漏治漏取得了一定的成績(jī)，但一些特殊工況仍然沒(méi)有很好的技術(shù)手段來(lái)處理。例如罐003-X1井，井漏失返且地層大量出水，雖然采用充氣強(qiáng)鉆技術(shù)取得了進(jìn)尺，但是未能建立正常循環(huán)，井下始終存在安全隱患；或者是井漏失返且漏水不漏砂的情況，因此必須建立循環(huán)才能在確保井下安全的情況下維持鉆進(jìn)，目前沒(méi)有辦法解決這類(lèi)問(wèn)題。

鑒于反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在地礦、水文水井鉆探、工程勘察、基礎(chǔ)工程施工等領(lǐng)域的成熟應(yīng)用[3]，特在油氣鉆井工程開(kāi)展雙層鉆具氣體鉆井技術(shù)研究，形成針對(duì)水層、漏層同存的鉆井配套技術(shù)，進(jìn)一步拓寬氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用范圍。

二、雙壁鉆具反循環(huán)工藝原理

反循環(huán)鉆井方法較多，有空氣管懸吊在單壁鉆具中氣舉法、泵吸法、雙壁鉆具空氣反循環(huán)法、雙壁鉆具氣舉法等。使用的鉆具有單層鉆具、雙層鉆具、風(fēng)管并列式法蘭連接鉆具等。采用的鉆頭有改造的牙輪、刮刀、氣動(dòng)潛孔錘鉆頭等[4]。

其中雙層鉆具氣體鉆井技術(shù)是反循環(huán)鉆井技術(shù)的一種，也稱(chēng)氣體全井反循環(huán)鉆井技術(shù)，氣體全井反循環(huán)鉆井即氣體由雙壁鉆具與潛孔錘及反循環(huán)鉆頭到達(dá)井底，攜帶巖屑由鉆柱中心通道返至地面的反循環(huán)鉆井系統(tǒng)。由于采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的貫通式潛孔錘，所以有時(shí)又統(tǒng)稱(chēng)為貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆井。

雙層鉆具氣體鉆井工藝原理如圖1所示，壓縮空氣從進(jìn)氣管4進(jìn)入雙壁水龍頭2，經(jīng)雙壁鉆具5內(nèi)外管的環(huán)形空隙流至井底，經(jīng)反循環(huán)鉆頭6并攜帶巖屑從雙壁鉆具5中心管返至雙壁水龍頭2，再經(jīng)鵝頸管3和排砂管1排至地面。

三、雙壁鉆具反循環(huán)工藝特點(diǎn)

雙層鉆具反循環(huán)氣體鉆井技術(shù)融合了潛孔錘鉆井技術(shù)、氣體鉆井技術(shù)和反循環(huán)鉆井技術(shù)這三種鉆井技術(shù)的方法，將這三種技術(shù)同時(shí)其運(yùn)用到油氣藏勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，能夠同時(shí)發(fā)揮這三種鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，比單一鉆進(jìn)方法有更多的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 雙層鉆具氣體鉆井工藝原理示意圖

1排砂管 2雙壁水龍頭 3鵝頸管 4進(jìn)氣管 5雙壁鉆具 6反循環(huán)鉆頭

1.所需氣量小，可節(jié)約注氣設(shè)備投入

鉆井時(shí)，巖屑從鉆具內(nèi)眼返出，由于內(nèi)眼截面積遠(yuǎn)小于環(huán)空截面積，與正循環(huán)空氣鉆井相比，達(dá)到攜巖返速所需空氣量小，配套的空壓機(jī)及增壓機(jī)數(shù)量少，可節(jié)約資金投入，特別在大井眼鉆進(jìn)井段尤為明顯。

2.巖樣不受污染、代表性強(qiáng)，且所鉆井眼的質(zhì)量好

由于巖屑和壓縮氣體通過(guò)鉆具內(nèi)部循環(huán)至地面，巖樣遲到時(shí)間短，避免了正循環(huán)鉆井中巖屑和壓縮氣體通過(guò)鉆具和井眼間環(huán)空循環(huán)時(shí)，巖樣易損失和受污染的情況。同時(shí)也避免了氣體在攜帶巖屑的上返過(guò)程中對(duì)已鉆井壁帶來(lái)的沖蝕，能夠有效地避免在復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)程中井壁擾動(dòng)性垮塌的發(fā)生，提高鉆孔質(zhì)量。

3.處理地層出水的能力強(qiáng)

地層出水一直以來(lái)是制約氣體鉆井發(fā)展的一大瓶頸，在鉆進(jìn)過(guò)程中，如果所鉆地層出水量達(dá)到足以使所鉆巖屑粘結(jié)成團(tuán)，成團(tuán)巖屑將在環(huán)空聚集、沉降、形成巖橋，導(dǎo)致環(huán)空巖屑堆積，如不及時(shí)有效處理，最終導(dǎo)致卡鉆事故，威脅井下安全。

大量的研究結(jié)果表明，井底及環(huán)空凈化不充分是影響鉆井速度、引起井下事故發(fā)生的重要因素。在常規(guī)的氣體鉆井過(guò)程中，對(duì)井底及環(huán)空凈化問(wèn)題的研究主要涉及在井底射流流場(chǎng)分析及射流對(duì)井底巖屑的作用機(jī)理。然而，對(duì)于反循環(huán)氣體鉆井來(lái)說(shuō)，該方面的研究成果相對(duì)較少[5]。

雙層鉆具氣體鉆進(jìn)時(shí)破碎產(chǎn)生的新巖屑沿鉆具內(nèi)壁通道向上返出，由于鉆具內(nèi)壁中心通道過(guò)流斷面較小，上返氣體流速較高，理論上排出巖屑、凈化井眼效果好，處理地層出水能力強(qiáng)。

4.能夠有效避免和減少?lài)?yán)重漏失，且有利于保護(hù)儲(chǔ)層

鉆井時(shí)，采用具有強(qiáng)力抽汲能力的專(zhuān)用反循環(huán)鉆頭，氣體和巖屑不會(huì)進(jìn)入環(huán)空，因此在裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)時(shí)，能夠避免和減少?lài)?yán)重漏失；低壓或欠壓儲(chǔ)層常被常規(guī)鉆井液鉆井、泡沫鉆井、高壓空氣鉆井損害，而采用雙壁鉆具氣體鉆井，環(huán)空無(wú)氣體和巖屑，巖屑不會(huì)進(jìn)入地層，對(duì)低壓、低滲透儲(chǔ)層無(wú)污染、零傷害，有利于保護(hù)儲(chǔ)層。

四、雙壁鉆具反循環(huán)適應(yīng)條件分析

目前國(guó)內(nèi)貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆井技術(shù)還未用于油氣鉆井工程，而國(guó)外已在最近十幾年開(kāi)始了相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

結(jié)合調(diào)研資料，對(duì)雙層鉆具氣體鉆井技術(shù)適應(yīng)條件進(jìn)行了以下分析：

1.井深條件

在國(guó)內(nèi)外用于地質(zhì)勘探、水文水井等工程的鉆孔最深不過(guò)400 m，這主要受到鉆孔目的、鉆機(jī)能力、空壓機(jī)能力等因素的限制。據(jù)2007年資料查得，國(guó)外加拿大PressSolLtd公司采用RCCD技術(shù)，由于采用的雙壁鉆具鋼級(jí)強(qiáng)度不夠，最大實(shí)鉆井深為853 m，鉆深能力為3 000 m，但采用P110電動(dòng)鉆具后可鉆中深井。2008年川慶鉆采院技術(shù)人員對(duì)雙壁鉆具反循環(huán)空氣鉆井的循環(huán)參數(shù)進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，得出了不同井深、不同注氣量與注入壓力的關(guān)系，如表1和2所示。

表1 ?444.5 mm井眼井深2 000 m時(shí)注氣量與立壓的對(duì)照表

表2 ?311.2 mm井眼注氣量35 m3/min 時(shí)井深與立壓的對(duì)照表

據(jù)上述資料分析，國(guó)內(nèi)外貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆井在地質(zhì)勘探、水文水井等工程所鉆井深深度不超過(guò)400 m；國(guó)外采用RCCD鉆井技術(shù)后，在油氣鉆井工程中，最大實(shí)鉆井深為853 m；另外隨著井深的增加，注入氣量與壓力也隨之增大，這對(duì)注入設(shè)備壓力、雙壁鉆具性能以及鉆井安全性要求更高。因此在配套裝備不完善的條件下進(jìn)行雙層鉆具氣體鉆井時(shí)，建議首先在1 000 m井深內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.井型條件

在油氣鉆井工程中，井型主要為直井和斜井。其中直井是最為普遍，而斜井中摩阻大，井下復(fù)雜多，處理事故較為困難，因此正循環(huán)氣體鉆井通常在直井中應(yīng)用。另外雙層鉆具氣體鉆井配套使用的是雙壁鉆具和貫通式潛孔錘，雙壁鉆具性能比單壁鉆具性能差，配套使用潛孔錘時(shí)處理井下卡鉆事故極為困難，因此該項(xiàng)技術(shù)最適用于直井。

3.地層條件

3.1 適合水敏性地層

雙層鉆具氣體鉆進(jìn)時(shí)破碎產(chǎn)生的新巖屑沿鉆具內(nèi)壁通道向上返出，由于鉆具內(nèi)壁中心通道過(guò)流斷面較小，上返氣體流速較高，排出巖屑、凈化井眼效果好，處理地層出水能力強(qiáng)，因此適合出水地層，但適合多大的出水量，還需現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn)。

3.2 適合坍塌、漏失地層

鉆井時(shí)，采用具有強(qiáng)力抽汲能力的專(zhuān)用反循環(huán)鉆頭，氣體和巖屑不會(huì)進(jìn)入環(huán)空，而在雙壁鉆具中形成閉路循環(huán)系統(tǒng)，因此在裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)時(shí)，能夠避免和減少?lài)?yán)重漏失。同時(shí)氣流在雙壁鉆具內(nèi)管攜帶巖屑上返時(shí)對(duì)井壁不會(huì)帶來(lái)沖蝕，能夠有效避免復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)程中井壁擾動(dòng)性垮塌發(fā)生。同時(shí)即便易垮塌、掉塊、破碎等復(fù)雜地層，井眼可以在不下套管的情況下持續(xù)鉆進(jìn)，因?yàn)殡p壁鉆具的外管就起到了跟管鉆進(jìn)套管的作用，只要鉆具到達(dá)井底，即可建立正常循環(huán)。由此可得出，適合于垮塌、漏失地層。

4.適合低壓、低滲透氣層

在低壓低滲氣層采用常規(guī)鉆井液、泡沫或空氣鉆井，可能使這些地層會(huì)受到損害，用鉆井液鉆井時(shí)甚至可能不會(huì)有油氣顯示。而采用雙壁鉆具氣體鉆井，環(huán)空無(wú)氣體和巖屑，巖屑不會(huì)進(jìn)入地層，對(duì)低壓、低滲透氣層無(wú)污染、零傷害，有利于保護(hù)氣層。

國(guó)外應(yīng)用情況：加拿大K2能源公司于2002年開(kāi)始試驗(yàn)空氣反循環(huán)鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)低壓氣藏和淺層氣藏。在美國(guó)北蒙大拿州Blackfeet印第安人保留地的Bow Island 地層，應(yīng)用RCCD成功鉆成天然氣試驗(yàn)井，該地層屬低壓地層(估計(jì)地層壓力為1.03 MPa)。兩口對(duì)比試驗(yàn)井分別位于用泥漿和空氣鉆成而沒(méi)有油氣顯示的井旁，在沒(méi)有增產(chǎn)措施的情況下，采用?50.8 mm油管抽汲，日產(chǎn)天然氣分別為4 389.104 m3和2 746.73 m3。次年，K2能源公司利用RCCD技術(shù)又成功實(shí)施16口井(其中11口井在Bow Island，另外5口井在Thrust Belt)。另外，2009年的資料表明，RC Energy公司也已采用連續(xù)管頂驅(qū)鉆機(jī)配合RCCD技術(shù)成功完成了40余口淺層氣井的施工，均有天然氣顯示，井深100～905 m(鉆深能力3 000 m)不等，均為低壓、低滲透地層(滲透率為1～10 mD)。

綜上分析得到的適用條件是在工藝特點(diǎn)和國(guó)外試驗(yàn)井的基礎(chǔ)上得到的，國(guó)內(nèi)尚未在油氣鉆井工程中應(yīng)用雙層鉆具鉆井技術(shù)，因此適用條件還需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行深入研究。

五、結(jié)論

(1)使用雙壁鉆具反循環(huán)氣體鉆井技術(shù)能減小井壁污染，甚至無(wú)污染，有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲(chǔ)層。

(2)使用雙壁鉆具反循環(huán)氣體鉆井技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)含有低壓層、漏失層、低滲層區(qū)塊開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，加快國(guó)內(nèi)氣體鉆井技術(shù)的發(fā)展。

[1]肖新磊.空氣鉆井技術(shù)在元壩地區(qū)的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2012，38(4)：35-37.

[2]羅增，林元華，明傳中，等.基于Walker模型的空氣鉆井鉆柱疲勞壽命算法[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(4)：57-60.

[3]潘衛(wèi)國(guó)，王益山，劉東勤.反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)[C].第四屆石油鉆井院所長(zhǎng)會(huì)議論文集.石油工業(yè)出版社，2004，12：362-366.

[4]金麗娜.反循環(huán)鉆井合理注氣參數(shù)的研究[D].大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文，2008.

[5]Belavadi M N, Chukwu G A. Experimental study of the parameters affecting Cutting Transportation in A Vertical Wellbore Annulus[C]. SPE 27880:319-325.