[作者简介]李贵宾(19682),男,1991年江汉石油学院毕业,高级工程师,硕士生,主要从事钻完井技术研究工作。

氮气欠平衡钻井技术的研究与应用

　　李贵宾　(长江大学研究生学院,湖北荆州434023;中国石油渤海钻探第三钻井公司,

天津300280)

　　万爱连,郭江辉　(中国石油渤海钻探第三钻井公司,天津300280)

[摘要]氮气欠平衡钻井(UBD )技术适应于低压低渗透、裂缝油气藏、衰竭、边际油气藏或是曾经发生

钻井液漏失和压差卡钻等需要钻穿复杂层的地区。它具有保护油气层、提高单井产量、提高钻井速度、减少钻井事故及井下复杂情况等优点。介绍了氮气欠平衡钻井的关键设备与主要工艺流程,以玉门油田鸭940井为例,介绍了其实钻井身结构、氮气欠平衡钻井的施工过程及所用的井口装置、钻具组合。给出了氮气欠平衡钻井注入参数的设计。最后介绍了氮气欠平衡钻井技术所采用的新工艺,包括混油气举降解携砂钻进技术、裂缝油藏负压悬挂贯眼完井技术和全过程油层保护技术。

[关键词]氮气钻井;欠平衡;钻具组合;机械钻速[中图分类号]TE249

[文献标识码]A 　　[文章编号]100029752(2010)0120284204

玉门油田鸭940井位于老君庙油田志留系潜山顶部566断块西北部,地层为浅变质岩,是一个以千枚岩为主要储层的变质岩潜山。储层平均孔隙度为2134%,空气渗透率极小,具有低孔、低渗、原油密度高、粘度大、油层压力低、地层温度低等特点。之前该油田在志留系地层钻探了5口常规油井,但地层可钻性差,机械钻速低,油层污染严重,故采用氮气欠平衡钻井技术。氮气欠平衡钻井技术是以氮气为主要循环介质的欠平衡钻井技术[1],与空气钻井技术相比,最大的优势在于钻遇气层后不会发生井下爆燃。

鸭940井是一口三开生产井,采用了氮气欠平衡钻井技术。其平均机械钻速达到4145m/h ,为邻井的3～5倍,在该井钻进过程中,共发现3套油气层,油气层发现率为100%并最终获得日产15t 的高产油流。对这种成功的钻井工艺技术,笔者依次从工艺流程、施工过程、井口装置,参数设计等关键环节进行了研究和介绍,以便为后续研究提供参考借鉴。

1　氮气欠平衡钻井的关键设备与主要工艺流程

1)关键设备　氮气欠平衡钻井所需要的设备主要有井口旋转防喷器、欠平衡钻井的节流管汇、地

面空压机、制氮车或液氮供应车等。

2)氮气欠平衡钻井工艺流程　首先将氮气增压后通过立管三通注入钻具,氮气通过钻头时会对钻头进行冷却,同时完成携带岩屑的任务。然后氮气和岩屑通过井口进入排砂管线,排砂管线上安装一个岩屑取样器便于取样,最后到岩屑池。

2　氮气欠平衡钻井技术实施研究与应用

211　实钻井身结构

以鸭940井为例进行研究和说明氮气欠平衡钻井技术的实施过程和特点。鸭940井井深2919m ,采用的是三开井身结构。一开井眼为 558mm ,二开井眼为 241mm ,三开井眼为 15214mm ,采用的是筛管防砂完井方式。三开段采用了氮气欠平衡钻井技术。其井身结构如下图1所示。

・

482・石油天然气学报(江汉石油学院学报)　

2010年2月　第32卷　第1期Journal of Oil and G as T echnology (J 1J PI )　Feb 12010　Vol 132　No 11

　　图1　鸭940井井身结构图

212　施工过程

施工过程分为:钻前准备、钻水泥塞、系统试压和钻进施工。

1)钻前准备　施工前须注意 17718mm 技术套管引鞋要采用水泥制作,而且安装旋转控制头后校正井口和井架,要求天车、转盘、井口三点一线误差小于10mm ,否则不得开钻。

2)钻水泥塞　在所有的设备安装完毕、

调试合格后,采用常规钻具组合下钻,钻水泥塞。

3)系统试压　输气管线连接完毕后,即用制氮车进行试压。

4)钻进施工　将循环气体转换为氮气,排量调节至90～100m 3/min ,启动转盘使转速达到70r/min ,加20～30kN 钻压钻进,钻进的同时开启自动点火装置,根据携带情况调节氮气的注入量,在排出口设有专人坐

岗,监视喷势的大小、油、气、水以及钻屑

的返出情况,并随时向施工总指挥汇报。213　井口装置

根据该区块地层压力情况、邻井钻探情况和欠平衡技术标准,对氮气欠平衡钻井井口装置进行设计,结果如图2所示

。

图2　氮气欠平衡钻井工艺流程图

井口装置主要有:欠平衡钻井使用的旋转控制头,F H35235环形防喷器和2F H35235闸板防喷器,套管头和制氮气车,液氮泵车,加热炉和分离器等。其中,液氮泵车主要由牵引卡车、动力系统、高压

・

582・第32卷第1期李贵宾等:氮气欠平衡钻井技术的研究与应用　

液氮泵系统、液氮蒸发系统、液氮储罐和操作台构成,能够进行液氮储运、泵注及转换工作。工作原理为:液氮从储罐流经各阀体、滤清器进入液氮泵,增压后排出低温高压液氮,由蒸发器加热变为常温高压氮气后用于施工。与普通井口装置相比氮气欠平衡钻井井口装置对井口压力的控制能力和整体密封性更强。214　钻具组合

典型钻具组合为: 15214mm 钻头+ 120mm 浮阀1只+ 120mm 单流阀1只+ 120mm 钻铤+ mm 斜坡加重钻杆+ mm 斜坡钻杆+ 120mm 下旋塞1只+ 121mm 单流阀1只+ mm 斜坡钻杆+ 120mm 下旋塞1只+ 108mm 六棱方钻杆+上旋塞。(氮气欠平衡钻井旋转控制头型号:WILL IAMS 27100EP )。

钻井参数:钻压20～80kN ,转速60～70r/min ,氮气排量为60～80m 3/min 。215　注入参数设计

通过计算,气液比在45∶1时,钻井液注入量915L/s ,环空当量密度为0165～0180g/cm 3;当气液比上升为71∶1时,钻井液注入量915L/s ,井底环空当量密度是0155～0160g/cm 3,这个密度范围使得欠平衡钻井时携岩条件得到满足。

经软件模拟计算得知,当钻井液排量为918L/s ,氮气排量为38m 3/min 时,能满足携岩要求。充气钻井液在不同井深的模拟状态参数如表1所示。

表1　氮气欠平衡钻井注入参数设计

井深

/m

钻具内压力

/MPa 环空压力

/MPa 液相返速

/m ・s -1气相返速

/m ・s -1固相返速

/m ・s -1液相含量

/V %气相含量/V %固相含量/V %环空当量密度

/g ・cm -31500101137168114611461131551324417201062014921700101099140112311231107591234016201076015261800

918

9190

1119

1119

1103

62111

36151

01076

01550

研究分析得出结论:保持钻具内压力恒定,试验点随着井深增加,固、液、气三相返速降低,在1000m 时下降到118m/s 左右,环空当量密度逐渐升高。216　复合钻井技术

氮气欠平衡钻井由于井口的旋转防喷器,转速受到一定[2],机械钻速也因此受到。通过现场试验,尝试在钻具组合中加入井下动力螺杆钻具以提高机械转速。经过试验,机械钻速提高明显,钻速由原来的2m/h ,提高到8m/h ,提高了4倍。复合钻井技术取得了良好的效果。217　储层保护与压力控制技术

由于充氮气欠平衡钻进过程中井底处于负压状态,地层压力能完全释放,地层中的流体自由地流向井筒并且由于井底处于负压状态从而使储层得到有效的保护。因此,在氮气钻井和完井过程中,如果有任何环节进行压井作业,即液柱压力高于地层压力,则井筒中的有害液相也将会很容易地进入地层,造成地层受到污染和伤害,使氮气欠平衡钻井失去保护储层的意义。因此,如何在整个氮气欠平衡钻井和完井过程中,维持井底始终处于负压状态是此项技术的关键技术之一。

目前国内实现全过程欠平衡钻井的主要手段有两种,一是在技术套管内安装套管阀,利用套管阀的开关,实现在起下钻和下入完井管串时处于负压状态;二是利用不压井起下钻装置,实现整个作业处于负压状态[3]。

3　采用的新工艺、新技术

311　混油气举降解携砂钻进技术

钻至2729m 进入油层后,稠油直接进入井筒,钻进中岩屑被原油粘附并在井壁附着堆积,泵压从正常钻进时的8M Pa 升高到13～16MPa ,气举循环不出岩屑,上提钻具有遇阻遇卡现象,无法正常钻

・682・　石油天然气学报(江汉石油学院学报)2010年2月

进。经采用在氮气中混入适量柴油,降解井壁原油与岩屑形成的油饼环,氮气气举循环成功。气举循环一次耗时90～110min ,泵压在13～16M Pa ,氮气排量为90～120m 3/min ,每次气举循环消耗柴油3m 3。其后稠油越出越多,则每钻20m 打入2～3m 3柴油,保证了后期钻进的顺畅。312　裂缝油藏负压悬挂贯眼完井技术

实施氮气欠平衡钻井的目的是最大限度地发现、保护油气层和提高机械钻速,若采用传统的完井方法,压井、固井作业会对产层造成巨大伤害。针对鸭940井低渗高粘特性,确定的完井方式为筛管不固井完井。该井成功应用原油压井后下入筛管完井的方式,打破了以往气体钻井依靠不压井装置和套管阀下套管的被动局面,简化了完井工艺流程,也节约了钻井成本。313　全过程油层保护技术

鸭940井油层压力偏低(压力系数0194),通过使用氮气欠平衡钻井,井眼液柱压力几乎为零。地层流体在没有液柱压力的情况下得到释放,在钻至2726～2729m 时气测值明显上升,紧接着排砂口见到原油喷出,点火成功。

使用氮气作为循环介质,实现了油层零污染。该井在完井过程中使用无水原油压井,保证下入套管时完全不伤害油层。完井后一次下入生产管柱,氮气气举诱喷后若无自喷能力可直接下杆式泵投产[4]。在钻井、完井、投产的全过程进行油层保护是该井实现高产的重要保证。

4　结　　论

1)使用氮气钻井,钻速得到较大提高,较常规泥浆钻井提高了5～10倍。由于氮气欠平衡钻井井

筒压力低,钻头切削效率高,进尺快,大幅度降低了单井钻头数量,缩短了建井周期。

2)氮气欠平衡钻井,井筒压力低,避免了泥浆钻井液对地层的浸泡,利于发现和保护目的层段所有的大小油气层位。

3)氮气钻井有利于保护环境。采用氮气钻井减少了完井后处理钻井液的程序,节约了钻井液费用和减少了化工产品对环境造成的污染。

4)氮气钻井的缺点:对设备要求高,成本相对较高;不适合稳定性差的地层,容易发生井壁坍塌,造成井下复杂。

[参考文献]

[1]刘先刚1欠平衡空气钻井井场设备[J ]1国外石油机械,1997,8(3):10～12129(2):18～201[2]许爱1气体钻井技术及现场应用[J ]1石油钻探技术,2006,34(4):16～191

[3]刘伟,李丽,胥宏图1氮气欠平衡钻井技术在定向探井中的应用[J ]1石油钻采工艺,2007,29(2):18～201[4]罗昭素,郭永恒,郎应虎,等1空气欠平衡钻井技术在徐深21井的应用[J ]1石油钻采工艺,2006,28(5):16～181

[编辑]　萧　雨

・

782・第32卷第1期李贵宾等:氮气欠平衡钻井技术的研究与应用　下载本文