气体钻井技术,川庆钻探工程有限公司钻采工艺技术研究院,2009.6,邓虎,一、气体钻井发展及技术现状 二、风险及操作注意事项 三、国内气体钻井应用情况 四、存在的问题及下步计划,报告提纲,气体钻井技术1953年起源于美国，是以气体、气液混合流体作为循环介质代替钻井液的钻井技术。,注入泥浆,注入气体、气液混合流体,一、气体钻井发展及技术现状,气体钻井技术的优点：,极大降低对产层的损害，提高勘探开发效益 消除井漏对钻井作业的影响 可获得更高的钻进速度，降低钻井作业的总成本（井越深，其效果越明显） 可提高钻头使用寿命 工作条件和环境变得更为清洁,一、气体钻井发展及技术现状,局限于井壁稳定的层段，不稳定地层易造成卡钻。 对付地层大量出水、出油能力有限。 井控风险更大。,气体钻井的局限性：,国外技术的总体发展状况,气体钻井发源、发展于美国，经历了两个发展阶段。1950年至1990年，空气钻井用于不含油气的非储层的钻井提速、防漏治漏等。该阶段空气钻井的进尺比例占总进尺的16左右（美国能源部1986年）。1990年至今，由于“难动用油气资源”勘探开发的需要，发展了惰性气体钻井技术，尤其是与特殊轨道井相结合的气体钻井技术。该阶段气体钻井的进尺占总进尺的30以上（美国能源部2005年）。,一、气体钻井发展及技术现状,目前，在欧美等发达国家，气体钻井已是常规钻井技术中的一个重要组成部分，是用于提速增效、对付井下复杂、提高勘探发现率、提高单井原始产能的首选技术。与气体钻井应用发展的两个阶段相对应，美国气体钻井技术的发展有明显的“两阶段”痕迹。,一、气体钻井发展及技术现状,第一阶段（19501990年）应用于非储层的提速、增效，进尺占总钻井进尺的16（美国能源部）,大功率空气压缩机、增压机等核心装备研制 空气锤、空气钻井系列牙轮钻头等工具研制 空气钻井的理论体系、专用软件配套工艺研究,该阶段主要成果,一、气体钻井发展及技术现状,基于上述三方面的技术配套，形成了相对成熟完善的非油气储层、直井的空气钻井技术。此时的空气钻井不提倡、甚至立法禁止钻开油气层，其原因是空气与地层油气混和后的井下燃爆问题。对于事先未知的偶遇性油气层，美国发展了井下灭火阀 一旦发生井下着火，温度高使灭火阀一次性关闭，断氧灭火，然后起钻转换钻井方式。,一、气体钻井发展及技术现状,同时，针对井壁稳定、地层出水等难题，国外还发展了基于测井资料分析井壁稳定、出水预测的公司专有技术，并未形成商业化软件。针对地层出水，也发展了包括雾化、泡沫、充气钻井在内的技术系列，以及一些堵水、固结松散地层的公司专有技术。为了研究气体钻井井筒流动规律，美国Tulsa大学、斯坦福大学、宾西法尼亚大学以及挪威的国家实验室，都建立了模拟流动试验架，进行了试验研究与理论研究，在此基础上形成了气体钻井流动的理论体系。,一、气体钻井发展及技术现状,美国能源部与公司共同投资TULSA大学1700万美元研究气体钻井井筒流动。81/2”井筒可任意倾斜、41/2”钻杆可旋转。美国SHELL公司也投资斯坦福大学类似装置。,一、气体钻井发展及技术现状,第二阶段（1990现在）由于大量的低压低渗油气资源、致密气藏等难动用油气资源开发的需要，拓展到储层提高勘探发现率、开发产能和采收率。目前成为主流钻井技术中的重要组成部分，进尺占总钻井进尺的30（美国能源部）。,该阶段主要成果,1992年加拿大卡尔加里大学研究了含氧气体与可燃气体混合在井下的燃爆规律。 液氮蒸发气混合、柴油机尾气、膜分离现场制氮等技术。 气体钻水平井技术，空气螺杆、电磁波随钻测量技术。 气体钻井配套工艺技术的改进和完善，气体钻井逐渐与分支井、盘管钻井相结合等。,一、气体钻井发展及技术现状,美国能源部则将气体钻井与分支井、盘管钻井相结合的技术列为二十一世纪“钻得更深、钻得更快、钻得更清洁、钻得更便宜”的最有潜力技术之一。,一、气体钻井发展及技术现状,气体钻井技术在国内起步晚，四川在上世纪5070年代开始零星尝试，80年代末新疆局进口了我国第一套空气钻井设备，开始了空气钻井的现场试验。通过十多年的探索，到2000年以后有了较快发展，2005年以后四川盆地气体钻井的迅速发展，气体钻井显现了革命性技术进步的特点，展现了该技术的巨大潜力。但目前国内总体上处于试验推广阶段。,研制了旋转防喷器、不压井装置等装备 试验了空气锤、空气螺杆等井下工具 开展了空气钻井的理论体系和工艺技术研究,国内技术的总体发展状况,一、气体钻井发展及技术现状,干气体钻井技术（空气、氮气、天然气） 雾化钻井技术 泡沫钻井技术 充气钻井技术,干气,雾化,泡沫,充气,国内初步发展形成了4类气体钻井技术。,一、气体钻井发展及技术现状,循环介质 密度范围（g/cm3）,干气（空气、氮气、天然气等） 0.00120.012 雾化液 0.012 0.036 泡沫 0.0360.48 充气液 0.480.84,一、气体钻井发展及技术现状,一、气体钻井发展及技术现状,国内外气体现状对比,一、气体钻井发展及技术现状,常规气体钻井技术已接近国外水平：威德福在普光311.2mm井段气体钻井平均机械钻速14.1m/h，四川在龙岗311.2mm井段气体钻井平均机械钻速17.05m/h。,机械钻速（m/h）,一、气体钻井发展及技术现状,四川气体钻井是从上世纪5070年代起步的，由于技术和设备的原因，最初的零星尝试除了收获许多教训外，成功的例子较少。90年代后期，为解决南兴24、兴1井、威38、七坝1井等的严重井漏，采用压风机进行空气钻井，取得了一定成效。此后，随着勘探开发的需要，在治理井漏获得成功的基础上逐步将应用范围拓展到及时发现和保护油气层及钻井提速等方面。,四川气体钻井发展及技术现状,一、气体钻井发展及技术现状,发现和保护油气层,提高钻井速度,治理井漏复杂,发现和保护油气层,治理井漏复杂,空气/泡沫/充气,治理井漏复杂,一、气体钻井发展及技术现状,特别是2005年以来随着气体钻井设备的升级和换代，气体钻井技术取得了巨大的发展，大大拓宽了气体钻井的应用范围，同时气体钻井专业化队伍的组建也加快了气体钻井技术发展，使得气体钻井技术逐渐走向成熟。经过多年的科技攻关和现场实践，四川油气田气体钻井技术已越来越成熟，建立了专业化气体钻井公司，业务范围已包括空气、氮气、雾化、泡沫、充气钻井及泡沫、充气修井等多个方面，形成了一系列气体钻井配套技术和配套设备。,一、气体钻井发展及技术现状,气体钻井系列技术,气体钻井适应性评价技术 气体钻井工程设计技术 干空气、氮气、天然气钻井技术 泡沫、雾化及充气钻井技术 井下燃爆监测和控制技术 气体钻井防斜技术 空气锤钻井技术 气体钻井后介质转换技术 干井下套管固井技术 气体钻井取心技术 气体钻水平井技术,一、气体钻井发展及技术现状,1 气体钻井地层适应性评价技术,系统开展了气体钻井的必要性、可行性的评价研究，基本建立了一套用于气体钻井选区、选层、选井的地质适应性评价技术。,地层油气水分布评价 井壁稳定性评价技术,一、气体钻井发展及技术现状,地层油气水分布评价,地质水文资料分析：地表湖泊、河流等水域的分布、 目标区域地层走向、地层断层分布及走向等； 利用测井资料预测油气水层，间接定量。 通过邻井钻井、测试等资料分析：根据邻井钻井中的显示情况、邻构造产层试油试气情况、产出情况进行综合分析。,一、气体钻井发展及技术现状,井壁稳定性评价技术,利用泥浆钻井条件下的测井资料，通过去水化反演技术获得气体钻井条件下井周岩石力学参数及应力状态，进而评价气体钻井井壁稳定性。,一、气体钻井发展及技术现状,气体钻井井壁稳定性分析,一、气体钻井发展及技术现状,沿最小主应力的轻微剥落。,基本结论：该井虽然会发生沿最小主应力方向的轻微剥落，但局限在一定范围内，破坏区很小。因此该井上部地层实施气体钻井时，井壁稳定性不存在大的问题。,一、气体钻井发展及技术现状,气体钻井井壁稳定性分析,七北101实钻井径曲线,一、气体钻井发展及技术现状,气体钻井井壁稳定性分析,2 气体钻井工程设计技术,以多相流理论研究为基础，形成了包括井身结构、气体钻井方式及参数、地面装备配置、钻井安全、环境保护等内容的优化设计技术，并开发了气体钻井工程设计及分析软件。,一、气体钻井发展及技术现状,最优注气排量与井身结构、钻具结构、井内温度、岩屑尺寸、井底流压、井口套压、岩屑密度、机械钻速等有关。另外气体类型、压缩性等自身性质也对最优排量有一定的影响。,最优注气排量,较低的井底压力,合适的岩屑浓度,气体注入排量,关键气体钻井注气量设计,一、气体钻井发展及技术现状,2 气体钻井工程设计技术,钻杆内,气体钻井井筒流动数学模型,一、气体钻井发展及技术现状,质量守恒：,动量守恒：,能量守恒：,状态方程：,环空,气相,固相,气相,固相,气体钻井井筒流动数学模型,一、气体钻井发展及技术现状,以七北101井实钻的井身结构、钻具组合、311.2mm井段空气钻井为例进行计算，钻头井深2056m、井口压力为0.1MPa、地表温度25、岩屑颗粒直径2.54mm。,一、气体钻井发展及技术现状,311.2mm井段空气钻井注气量,一、气体钻井发展及技术现状,311.2mm井段空气钻井注气量,关键点岩屑浓度随注气量变化曲线,一、气体钻井发展及技术现状,152.4mm井眼扩径与注气量关系,气体钻井设计时，还需根据地层岩性情况，考虑井径扩大对注气量的影响。,2 气体钻井工程设计技术,一、气体钻井发展及技术现状,152.4mm井眼扩径与注气量关系,2 气体钻井工程设计技术,一、气体钻井发展及技术现状,3 干空气、氮气、天然气钻井技术,其中空气钻井主要用于非产层（其原因在于空气钻产层存在井下燃爆的危险）；而氮气钻井、天然气钻井和尾气钻井主要用于产层。,空气钻井流程图,一、气体钻井发展及技术现状,3 干空气、氮气、天然气钻井技术,其中空气钻井主要用于非产层（其原因在于空气钻产层存在井下燃爆的危险）；而氮气钻井、天然气钻井和尾气钻井主要用于产层。,一、气体钻井发展及技术现状,氮气钻井流程图,3 干空气、氮气、天然气钻井技术,其中空气钻井主要用于非产层（其原因在于空气钻产层存在井下燃爆的危险）；而氮气钻井、天然气钻井和尾气钻井主要用于产层。,一、气体钻井发展及技术现状,天然气钻井流程图,4 泡沫、雾化及充气钻井技术,气体钻井遇地层出水时，为了有效携带地层水、防止井眼泥包，发展了雾化、泡沫、充气液钻井技术。,雾化钻井用于地层少量出水（小于2m3/h，具体与地层岩性相关）且井壁稳定的地层； 泡沫钻井用于地层出水量较大（大于2m3/h，小于10m3/h ）且井壁稳定的地层； 充气钻井用于地层出水量较大且井壁稳定的地层；,雾化,泡沫,充气,一、气体钻井发展及技术现状,当少量地层流体（油或水）侵入使干气体钻井系统无效时，通常实施雾化钻井。 雾化钻井是吸收的水量正好足够使气体饱和，从而将地层侵入井内的水以水滴的形式带出井眼。,少量液滴在气体中的分散体系为雾，一般的含水量为0.1%4%，气体占96 99.9%（体积比）。雾是一种过渡体系，含水量增多就变成泡沫。 化学组分与泡沫类似，含有气、水及发泡剂，它系气液两相流体。,一、气体钻井发展及技术现状,泡沫分类： （1）稳定泡沫 （2）硬胶泡沫,稳定泡沫性能参数（1）泡沫质量：即气体体积与泡沫总体积之比。泡沫质量是影响泡沫的流动性、举升能力和稳定性的主要因素，最佳泡沫质量为0.750.98。井口与井底温度、压力不同，泡沫质量在井底可以达到50左右，而到井筒上部可以达到80%以上。（2）发泡体积：其中最主要的是起泡剂的起泡能力。（3）半衰期：反映泡沫稳定性。即泡沫体积减小到最初体积的一半的时间。,