高慶東

（大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部， 黑龍江 大慶 163413）

空氣鉆井技術(shù)誕生于上世紀(jì)50年代，并在上世紀(jì)80年代開始在美國和加拿大興起。目前，美國和加拿大的空氣鉆井?dāng)?shù)量約占鉆井總數(shù)的20%。在上世紀(jì)80年代之前就使用了空氣注入技術(shù)，該技術(shù)主要用于防止?jié)B漏和提高滲透率，但未得到廣泛推廣。在80年代旋轉(zhuǎn)防噴器等欠平衡鉆井設(shè)備發(fā)展成熟后，空氣鉆井在美國和加拿大得到了廣泛應(yīng)用。從80年代末到90年代初，北美利用氣體流體欠平衡鉆井技術(shù)鉆探和開發(fā)油氣藏，發(fā)現(xiàn)油氣藏并保護(hù)油氣藏。美國?？松驹谑ダ锟擞吞镢@了24口井，空氣鉆井效率比泥漿鉆井高15倍。在德克薩斯州西南部一個(gè)古老的氣田中，壓力系數(shù)為0.272，生產(chǎn)層采用穩(wěn)定的泡沫鉆探，產(chǎn)氣量高達(dá)70800m3/d，是泥漿鉆井產(chǎn)量的6～8倍。加拿大艾伯塔省的卡姆羅斯水庫已使用空氣鉆井技術(shù)鉆成水平井。其產(chǎn)量是該地區(qū)垂直井的2.5至6倍。上世紀(jì)后期，美國和加拿大的空氣鉆井技術(shù)已成熟，井?dāng)?shù)逐年增加?？諝忏@井已被廣泛應(yīng)用于新墨西哥州圣胡安盆地及美國東部的阿巴拉契亞山脈和洛基山脈等鉆井液泄漏區(qū)域。近年來，空氣鉆井技術(shù)在KED地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，主要使用的是威德福的空氣鉆井設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用過程中加入了霧化器，為空氣鉆井的升級版泡沫/霧化鉆井。

1 空氣鉆井技術(shù)流程

空氣鉆井是一種欠平衡壓力鉆井，其循環(huán)介質(zhì)是壓縮空氣[1-3]。由于空氣大大降低了井筒流體的靜壓，因此可以提高鉆進(jìn)速度[1-4]?？諝忏@井技術(shù)的流程：空氣壓縮機(jī)將氣體壓縮到初級350psi（2.4MPa），減少通過散熱器和分離器，然后進(jìn)入渦輪增壓器以壓縮空氣直到滿足鉆井施工所需的壓力。散熱器用來冷卻空氣，分離器去除水分，加壓的空氣通過地面主管道泵到立管和井底。鉆井過程中，同時(shí)利用壓縮空氣來完成冷卻鉆頭的任務(wù)，攜帶巖屑，碎屑從環(huán)空通過排水管道到達(dá)地面分離器（D-tank）至沉砂池。分離器管匯上有排砂管道，使用砂屑取樣器在排砂管道上獲取砂樣，并用除塵器除去鉆屑中的灰塵，參見圖1空氣鉆井技術(shù)流程。

圖1 空氣鉆井工藝流程

2 空氣鉆井技術(shù)在KED項(xiàng)目中的應(yīng)用

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

井號：P k-5；井別：評價(jià)井、開發(fā)井；井型：大斜度定向井；設(shè)計(jì)井深：3250m（靶點(diǎn)垂深2652m）；空氣鉆井設(shè)計(jì)：二開井段：130～1365m，空氣鉆井。

表1 井深結(jié)構(gòu)表

表2 鉆遇地層設(shè)計(jì)地層剖面

表3 地層壓力預(yù)測表表

2.2 空氣鉆井設(shè)備及工具

空氣鉆井設(shè)備包括：空壓機(jī)4臺，增壓機(jī)2臺，旋轉(zhuǎn)控制頭1套，排屑管匯1套，地面供氣管匯1套，設(shè)備滿足4400SCFM空氣的供氣能力。本井采用的空氣鉆井技術(shù)所需設(shè)備和配套裝置見表4。

表4 空氣鉆井設(shè)備及工具表

井口裝置主要由套管頭＋四通＋2FZ54-14閘板防噴器＋FH54-14環(huán)形防噴器＋SLXFD旋轉(zhuǎn)控制頭組成。

本次在實(shí)際使用中，直接使用空氣，但含有霧化設(shè)備，設(shè)備示意如圖2：

圖2 空氣鉆井設(shè)備示意圖

2.3 鉆井參數(shù)

表5 空氣鉆井參數(shù)記錄

3 應(yīng)用空氣鉆井的優(yōu)勢分析

3.1 能夠保證生產(chǎn)所需的進(jìn)尺速度

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，使用空氣鉆井的同時(shí)能夠把地層水通過泡沫攜帶至地面，從井深606m開始，由于廢水池的儲量已滿，甲方?jīng)Q定用泵吸入上層的清水，打入井中，使用清水和泡沫交替的鉆井方式。實(shí)際應(yīng)用的情況正好能對空氣鉆井和常規(guī)的鉆進(jìn)做一個(gè)對比，從表格中不難看出，在轉(zhuǎn)速，鉆壓都一樣的情況下，使用空氣鉆井時(shí)的平均進(jìn)尺大部分都在10m/hr以上，瞬時(shí)進(jìn)尺有時(shí)達(dá)到36m/hr，高于后期使用清水的鉆井階段，進(jìn)尺普遍都低于10m/hr。這證明了空氣鉆井能夠提高巖石破碎效率，提高進(jìn)尺，滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。

3.2 使用空氣鉆井能夠有效攜帶巖屑

以下是在不同井深，在不使用鉆井液的情況下，不同空氣注入排量鉆井時(shí)，巖屑下落速度（Slip.Vel）和環(huán)空流體上返速度（Ann.Vel）的對比。

圖3 190m時(shí)巖屑下落速度和環(huán)空流體上返速度的對比

圖4 742m時(shí)巖屑下落速度和環(huán)空流體上返速度的對比

圖5 1305m時(shí)巖屑下落速度和環(huán)空流體上返速度的對比

在以上曲線圖中，虛線表示巖屑的下落速度（Slip.Vel），實(shí)線表示環(huán)空流體的上返速度（Ann.Vel）。不難看出環(huán)空流體的上返速度在三個(gè)不同的井深，在1000scfm和2000scfm的注入排量下，都明顯高于巖屑的下滑速度，巖屑都能順利被攜帶至地面，及時(shí)清理井筒，保證環(huán)空暢通。并且在地面有分離器，可以在分離器處取得砂樣，這樣在有效攜帶巖屑，清理井底的同時(shí)，更為錄井工作提供了跟蹤和分析地層信息的基礎(chǔ)。

3.3 在鉆進(jìn)過程中利用空氣循環(huán)形成負(fù)壓提高巖石破碎效率

以下是不同深度時(shí)利用空氣鉆井產(chǎn)生的當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)對比圖。

圖6 190m時(shí)空氣鉆井產(chǎn)生的當(dāng)量循環(huán)密度

圖7 742m時(shí)空氣鉆井產(chǎn)生的當(dāng)量循環(huán)密度

圖8 1305m時(shí)空氣鉆井產(chǎn)生的當(dāng)量循環(huán)密度

圖中用不同的顏色標(biāo)識了在不同的空氣注入排量和泡沫注入排量時(shí)的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）隨著井深變化的情況?？梢钥闯?，在17-1/2”井眼的鉆進(jìn)段（130m-1365m），當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）始終處于1.5ppg以下，明顯小于地層孔隙壓力當(dāng)量密度（8.74-9.16ppg）。這樣在井底的圍巖上就形成了負(fù)壓，地層孔隙壓力對圍巖產(chǎn)生推力，幫助破碎巖石，有效提升了鉆頭破碎巖石的效果，提高了鉆進(jìn)速度。

4 認(rèn)識與建議

在對實(shí)際應(yīng)用情況和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，對空氣鉆井技術(shù)可得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）能提高鉆井速度，縮短井工期。主要從兩方面體現(xiàn)了這一優(yōu)勢：一方面井筒壓力小，由于巖石處于采用空氣循環(huán)形成負(fù)壓中，地層孔隙壓力可以形成對圍巖的向外推力，有利于井底巖石的破壞；另一方面，打入地層的泡沫/空氣，可以有效地?cái)y帶井底的巖屑，增加鉆頭切割效果，可以避免重復(fù)切割，提高鉆孔速度并延長鉆頭的使用壽命，從而提高鉆井速度，縮短工期。

（2）避免鉆井工程中的井漏效應(yīng)。鉆井液對地層造成的壓力較大，會造成漏失現(xiàn)象，甚至是不能返回地面。在常規(guī)水基泥漿鉆進(jìn)過程中，當(dāng)井內(nèi)鉆井液的液柱壓力等于地層壓力時(shí)，不會發(fā)生井漏。但當(dāng)鉆遇裂縫發(fā)育或巖溶洞內(nèi)時(shí)，易發(fā)生惡性井漏，會造成額外的經(jīng)濟(jì)損失，延長鉆井周期?？諝忏@井井筒壓力低，在循環(huán)介質(zhì)作用下形成負(fù)壓，流體不能進(jìn)入地層，因此可以避免井漏現(xiàn)象。目前，使用空氣鉆井已成為避免滲漏形成的主要技術(shù)手段。

（3）可減少鉆井液對淺層水源的破壞。由于我們采用的是空氣鉆井，不會把鉆井液壓入地層，進(jìn)而對地層造成污染，并且還可利用地層中的地層水就地取材，有效地保護(hù)環(huán)境。

（4）利用空氣鉆井還可以有效解決因粘著現(xiàn)象引起的水敏地層，并能揭示有效儲層。

◆參考文獻(xiàn)

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