含水漏失層段的氣體鉆井技術(shù)

摘 要

摘要：鉆井過(guò)程中，出現(xiàn)井漏特別是惡性井漏后，將給鉆井工程帶來(lái)一系列的難題。對(duì)于采用常規(guī)的鉆井液堵漏方法不能解決的惡性井漏，應(yīng)用氣體鉆井來(lái)鉆穿漏失井段，可以避免在易漏失井段
摘要：鉆井過(guò)程中，出現(xiàn)井漏特別是惡性井漏后，將給鉆井工程帶來(lái)一系列的難題。對(duì)于采用常規(guī)的鉆井液堵漏方法不能解決的惡性井漏，應(yīng)用氣體鉆井來(lái)鉆穿漏失井段，可以避免在易漏失井段出現(xiàn)的漏失。在考慮漏失層特性參數(shù)對(duì)氣體鉆井影響的基礎(chǔ)上，通過(guò)地層巖石吸水膨脹室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析了漏失層特性參數(shù)與氣體鉆井的關(guān)系，提出采用氣體鉆井來(lái)鉆過(guò)漏失層或漏、水共層井段，解決了既有漏失層又有含水層或漏、水共層的井段的鉆井難題。為鉆遇復(fù)雜惡性漏失層井段選取欠平衡鉆井方式提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：深井；氣體鉆井；井漏；壓力；欠平衡鉆井；地層出水量
0 引言
井漏的發(fā)生不僅會(huì)給鉆井工程帶來(lái)不便和損失，如耗費(fèi)鉆井時(shí)間、損失鉆井液[1]、堵漏材料，引起卡鉆、井噴、井塌等一系列復(fù)雜情況，甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢，而且還會(huì)對(duì)產(chǎn)層造成損害、干擾錄井工作等。在堵漏過(guò)程中，對(duì)于有漏失層又有水層或漏、水共層的惡性井漏，應(yīng)用氣體鉆井、泡沫流體鉆井或充氣流體鉆井可以鉆穿漏失井段。采用氣體鉆井鉆穿漏失層時(shí)，如果固相組分大于0.04，則井眼凈化能力差，鉆屑會(huì)出現(xiàn)聚沉效應(yīng)。當(dāng)氣體鉆井鉆遇水層，鉆屑會(huì)出現(xiàn)吸水膨脹，在同等鉆速條件下，也會(huì)增加環(huán)空固相體積濃度。此時(shí)必須重新調(diào)整滿足環(huán)空固相濃度Cp≤0.04的鉆速。為了分析地層巖石吸水對(duì)氣體鉆井的影響，為此我們作了巖石室內(nèi)吸水膨脹實(shí)驗(yàn)。
1 地層巖石吸水膨脹室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
測(cè)定引用標(biāo)準(zhǔn)：依據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法(SY/T 5613—2000)。
泥頁(yè)巖樣品制備：按照《泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中3.2泥頁(yè)巖樣品的制備中3.2.2款制備巖樣，備用。泥頁(yè)巖樣品吸水膨脹性測(cè)定：膨脹性測(cè)定(實(shí)驗(yàn)記錄見(jiàn)表1)。
 
頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)是讓頁(yè)巖巖心直接與水接觸，測(cè)定其巖心在不同時(shí)間的線膨脹百分?jǐn)?shù)。頁(yè)巖吸水膨脹百分?jǐn)?shù)的測(cè)定是在限制條件下，只允許巖心在一個(gè)方向膨脹。各種頁(yè)巖的膨脹性強(qiáng)弱，可用相同條件下測(cè)定的2h和16h的線膨脹百分?jǐn)?shù)來(lái)進(jìn)行比較。
結(jié)果計(jì)算：按如下公式分別計(jì)算2h、16h的線膨脹百分?jǐn)?shù)：
Vt=(Ht/H)×100    (1)
式中：Vt為時(shí)間t時(shí)頁(yè)巖的線膨脹百分?jǐn)?shù)；Ht為時(shí)間t時(shí)的線膨脹量，mm；H為巖心的原始厚度，mm。
2 漏失壓力、地層出入量與氣體鉆井的關(guān)系
對(duì)于單一漏失層(無(wú)水層或其他流體)，且上部裸眼段無(wú)水層(或其他流體)，在氣體鉆井中只需氣一固兩相流動(dòng)在井底的壓力(pb)小于漏失壓力(pL)即可鉆過(guò)漏失層：
pb≤pL    (2)
這種情況以漏失壓力作為約束條件，設(shè)計(jì)鉆速(vm)和最小攜帶巖屑?xì)怏w注入排量(Qgo)具體設(shè)計(jì)由式(3)確定混相密度(rm)：
 
式中：Sg為注入氣體的相對(duì)密度；p為計(jì)算井深處的壓力，MPa；G為地溫梯度，℃/m；Ts為大氣環(huán)境條件下溫度，℃；H為井深，m；Qg0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下注入氣體體積流量，m3/min；db為鉆頭尺寸，m；Ss為霧化水相對(duì)密度；vm為機(jī)械鉆速，m/h；C為與采用單位有關(guān)的常數(shù)。
這類(lèi)漏失層也可根據(jù)漏失壓力的量級(jí)，采用泡沫流體、充氣流體進(jìn)行漏失層的鉆井。
對(duì)于漏失層、水層共層的惡性漏失井段[2～5]，一般情況漏失壓力等于水層壓力，這種情況理論上講只要循環(huán)流體在井底產(chǎn)生的有效靜液柱壓力(pmE)小于漏失層壓力即可鉆過(guò)漏層。但這個(gè)壓力(密度)窗口太小很難控制，而且這種地層水的絕對(duì)壓力都很低(即漏失壓力很大)。因此，在用氣體進(jìn)行堵漏鉆井中，地層水一般將進(jìn)入井筒。當(dāng)?shù)貙映鏊啃∮诘扔?m3/h(0.033m3/min)時(shí)，氣液比很大，井筒雖有氣、液、固三相流動(dòng)，但氣體相分?jǐn)?shù)也在0.95以上，可視作純氣體鉆井處理，可以不考慮巖石吸水膨脹增加的環(huán)空巖屑濃度比，但此時(shí)必須將地層出水量等量化成鉆速進(jìn)入混相密度：
 
式中：Sf為地層水相對(duì)密度；Qf為地層水體積流量，m3/min；E為與采用單位有關(guān)的常數(shù)；其余符號(hào)同上。
當(dāng)?shù)貙映鏊縌f＞2m3/h后，必須考慮鉆屑吸水膨脹的問(wèn)題。鉆屑吸水膨脹增大固相分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。因此，必須控制鉆速，保持環(huán)空固相濃度Cp≤0.04。
此時(shí)相當(dāng)于氣液混合器在井底的充氣流體鉆井，只有在氣液比滿足環(huán)空混相流體在井底形成的有效液柱壓力pmE≤pL時(shí)才能維持鉆井，此時(shí)的鉆井設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為充氣流體規(guī)律的設(shè)計(jì)。
3 漏層以上裸眼段水層壓力，出水量與氣體鉆井的關(guān)系
若在漏層A上部井段有壓力為pwc、出水量(Qf)的水層，若水層壓力pwc＜pL，則鉆遇水層過(guò)程中，水層可能先漏失。在這種情況下是否可采用空氣鉆井鉆過(guò)漏失層，主要取決于漏失壓力(pL)的大小和井深B處地層出水量(Qf)。即：
1) 按最小攜帶巖屑速度(巖屑體積流量+地層出水量(Qf)折算體積流量)設(shè)計(jì)注入氣體體積流速(Qgo1)，若在該流量及鉆速(vm1)情況在井深A(yù)處產(chǎn)生的有效液柱壓力pmE＜pL則可用該注氣量(Qgo1)和鉆速(vm1)及Qf條件下鉆穿漏失壓力為pL的井段。
2) 若按Qgo1和vm1設(shè)計(jì)的井底有效壓力pmE＞pL，可將鉆速(vm1)降低一個(gè)微量(△vm)，在地面壓縮機(jī)允許流量和壓力條件下，注入氣體量從△Qgo增大一個(gè)微量(△Qgo)直到環(huán)空氣液比達(dá)到滿足pmE＜pL在這種條件下，保持連續(xù)的鉆井作業(yè)可能鉆過(guò)漏失井段。這也可能是一種極限性的施工作業(yè)，此時(shí)環(huán)空氣液兩相流動(dòng)形態(tài)可能并不是單一的環(huán)霧流，也可能出現(xiàn)泡狀流、段塞流。一旦停止循環(huán)(接單根過(guò)程)，環(huán)空形成的段塞會(huì)聚集下沉，當(dāng)重入氣體會(huì)在井底產(chǎn)生過(guò)高的壓力而出現(xiàn)漏失。無(wú)論是漏失層與水層同層，還是漏失層與水層不同層，只要采用氣體(或充氣)鉆過(guò)漏失層中遇到地層出水，從井壁穩(wěn)定的角度，最好保持環(huán)空氣液兩相流的形態(tài)為環(huán)霧流(防止水進(jìn)入水敏性地層)。理論分析可知額定的空氣壓縮機(jī)流量、壓力都對(duì)應(yīng)一個(gè)滿足漏失壓力為pL的允許最大地層出水量(Qfmax)。
4 結(jié)論
1) 通過(guò)巖石室內(nèi)吸水膨脹實(shí)驗(yàn)，分析了漏失層特性參數(shù)與氣體鉆井的關(guān)系，為復(fù)雜惡性漏失井段選取欠平衡鉆井方式提供了依據(jù)。
2) 無(wú)論漏失層、水層同層，還是漏失層、水層分層，只要采用氣體(或充氣)鉆過(guò)漏失層中遇到地層水，從井壁穩(wěn)定的角度，最好保持環(huán)空氣液兩相流的流動(dòng)形態(tài)為環(huán)霧流，這樣可以有效地防止水進(jìn)入水敏性地層。
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(本文作者：袁騏驥1 徐鵬1 李真祥2 謝志3 1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)；2.中國(guó)石化南方勘探分公司；3.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院)