楊海平 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北潛江433121)

涪陵焦石壩含硫地層泡沫鉆井試驗

楊海平 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北潛江433121)

借鑒鉆井液除硫方法,首次提出在含硫地層使用防硫泡沫鉆井的設想。研究防硫泡沫配方及配伍性,改進防硫泡沫施工工藝,強化地面硫化氫的監(jiān)測和防硫措施,并制定應急預案。在涪陵焦石壩成功試驗3口井,安全鉆穿含硫地層,地面未檢測到硫化氫,拓寬了氣體鉆井技術的應用領域。

涪陵;硫化氫;泡沫鉆井;氣體鉆井

頁巖氣勘探開發(fā)是技術密集型產業(yè),投資大、周期長,商業(yè)開發(fā)必須走低成本戰(zhàn)略。美國頁巖氣采用“叢式井+井工廠”鉆井模式,使用氣體鉆井、旋轉導向鉆井等先進技術,鉆井速度得到極大提高,Woodford頁巖氣田垂深2500m、水平段1300m左右的頁巖氣水平井,平均鉆井周期僅27d,為頁巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)奠定了基礎。涪陵焦石壩是中國第一個頁巖氣產能建設示范區(qū),已探明頁巖氣田面積160km2,地表為海相嘉陵江組,山高谷深,溝壑縱橫,溶洞發(fā)育,地表嚴重缺水。鉆井施工面臨地層硬、溶洞多、大井眼井段長、含硫淺層裂縫氣、生產用水遠程供給等不利因素,采用常規(guī)鉆井方式,機械鉆速慢,復雜時間多。目前完井30余口,平均鉆井周期82d,鉆井周期長、費用高,影響了焦石壩頁巖氣勘探開發(fā)步伐,是目前鉆井技術工作急需解決的重點和難點。由于焦石壩二疊系含硫化氫,不能使用常規(guī)空氣鉆井和泡沫鉆井來提速,借鑒含硫地層鉆井液的除硫方法,提出了使用防硫泡沫鉆井的設想,通過試驗優(yōu)選出高效除硫泡沫配方,現(xiàn)場成功試驗3口井,安全鉆穿含硫地層,排砂管未檢測到硫化氫,實現(xiàn)了安全提速的目的,拓寬了氣體鉆井技術的應用領域。

1 工程概況

焦石壩地層從上到下分別為三疊系、二疊系、石炭系、志留系,目的層為龍馬溪組。以JY1HF井為例,井身結構數(shù)據(jù)見表1,氣體鉆井時在長興組監(jiān)測到硫化氫,轉換鉆井液鉆井。

表1 JY1HF井身結構數(shù)據(jù)

2 防硫泡沫鉆井液

2.1 配方優(yōu)選原則

含硫地層鉆井,鉆井液中應加入一定量的堿式碳酸鋅(Zn(OH)2ZnCO3)作為除硫劑,鉆井液p H值應不低于11[1],鉆井液液柱壓力應略大于地層壓力,防止硫化氫以流體方式進入井筒;對以鉆屑、氣液置換及氣體擴散等方式進入鉆井液的少量硫化氫,則通過與鉆井液所含的除硫劑起化學反應被清除。借鑒防硫鉆井液所優(yōu)選的防硫泡沫液配方,鉆井過程中井筒內泡沫所含的除硫劑應能及時與進入井筒的硫化氫充分化學反應,確保排砂管內硫化氫質量濃度不超過10mg/L。

2.2 除硫劑加量

堿式碳酸鋅與硫化氫反應的方程式為:Zn(OH)2+ZnCO3+2H2S→2ZnS↓+CO2↑+3H2O。

JY1HF井二開采用空氣鉆井,空氣排量150m3/min。從井深761m開始,排砂管內持續(xù)監(jiān)測到硫化氫(標況下密度1.518kg/m3)質量濃度為2.0～3.0mg/L;至井深773m時,硫化氫質量濃度上升至5.2mg/L(密度79mg/m3)。計算地層硫化氫產量7.8L/min,質量流量11.85g/min。實際施工過程中,排砂管內硫化氫質量濃度不應超過危險臨界質量濃度100mg/L[2],即地層硫化氫質量流量不超過22.77g/min。根據(jù)硫化氫的質量濃度,可計算堿式碳酸鋅的消耗量。

2.3 防硫泡沫配方及配伍性研究

泡沫鉆井因地層出水量、巖性、溫度等差異,泡沫液需及時維護,保持泡沫液的發(fā)泡量和穩(wěn)定性,保證泡沫的攜帶、防塌等性能。泡沫基液配方:水+1%起泡劑WD-1+0.1%穩(wěn)泡劑HWP+1%抑制劑CMC +氫氧化鈉 (配方中的百分數(shù)為質量分數(shù),下同)。

將100mL泡沫基液在攪拌器中高速(10000r/min)攪拌1min,形成的泡沫體積反映了泡沫基液的發(fā)泡能力,再從中析出50m L液體的時間反映了泡沫的穩(wěn)定程度,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。發(fā)泡能力隨p H值的增大而增大。p H值相同時,隨著除硫劑質量分數(shù)的增加,發(fā)泡能力增強。試驗說明泡沫基液與除硫劑配伍性好。

表2 除硫劑與泡沫配伍試驗結果

3 防硫泡沫施工工藝

3.1 工藝流程

防硫泡沫鉆井施工工藝與常規(guī)泡沫鉆井的相同?？諌簷C輸出壓縮空氣,經增壓機增壓后,與泥漿泵輸出的泡沫液混合,通過地面管匯、立管、水龍帶、水龍頭進入鉆具水眼,再經鉆頭進入井眼環(huán)空,返出地面后,由排砂管進入污水池(見圖1)。

圖1 防硫泡沫鉆井施工工藝流程

3.2 泡沫液配制及維護

?311.2mm井眼常規(guī)泡沫鉆井,井深不超過1000m,出水量不超過5m3/h的情況下,空氣排量100～130m3/min,泡沫注入量0.6～0.7m3/min。

配制泡沫液時,除硫劑加量應根據(jù)設計泡沫液注入排量來確定,一般配制70m3。泡沫液在污水池沉淀后,回收至循環(huán)罐繼續(xù)使用。根據(jù)返出泡沫的p H值,補充除硫劑和氫氧化鈉,并及時進行維護,確保發(fā)泡量和穩(wěn)定性。

3.3 安全措施

防硫泡沫鉆井除執(zhí)行含硫地層鉆井相關技術安全規(guī)定以外,還應落實下列措施:①設備及安裝標準。旋轉防噴器的橡膠件應是防硫的,空氣鉆設備應安裝主噴管,天車、轉盤、井口三垂線偏差應不超過10mm,排砂管線應按規(guī)定試壓。②鉆具組合。鉆頭不安裝噴嘴,近鉆頭接2只單流閥,確保鉆具內單流閥密封可靠。③硫化氫監(jiān)測。除按含硫地層鉆井配備硫化氫監(jiān)測儀器和空呼器設施外,排砂管出口5m范圍內安裝不少于2個固定式硫化氫監(jiān)測儀探頭,排砂管安裝獨立的硫化氫監(jiān)測裝置。④地面除硫措施。鉆臺、循環(huán)罐、機房、井口、排砂管出口處應分別布置排風扇,及時吹散井口周圍有毒氣體。接單根或停鉆整改過程中,應使用主噴管,防止硫化氫在井口周圍聚集;鉆井過程中及時測量泡沫液p H值,發(fā)現(xiàn)p H值下降,應及時補充除硫劑和氫氧化鈉,保持泡沫液p H值不低于11,并根據(jù)管內硫化氫質量濃度調整氣體泡沫的氣液比,硫化氫質量濃度高時應適當提高泡沫注入量;若遇長時間停鉆或不能循環(huán),需要對井筒內的硫化氫氣體進行有效控制,以低注氣量往井筒內打一段泡沫基液或者從井口吊灌。

3.4 防硫泡沫鉆井終止條件

滿足下列條件之一的,轉換鉆井液鉆井。①地層出水量大,井下安全無法保證;②污水池不能容納產出的地層水和返出的泡沫;③燃爆監(jiān)測全烴含量連續(xù)大于3%,或井下連續(xù)發(fā)生2次燃爆;④井壁失穩(wěn),阻卡嚴重。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 JY9-2HF井防硫泡沫鉆井

一開?444.5mm鉆頭,所鉆井段38.22～782.03m,所鉆地層為飛仙關組、長興組、龍?zhí)督M,空氣排量150m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫劑質量分數(shù)1.5%,泡沫基液p H值12～13。鉆進至井深600m,泡沫p H值由入口的12～13下降至9～10(見表3),間斷補充氫氧化鈉和除硫劑,保持入口p H值不低于12,泡沫鉆進中未監(jiān)測到殘余硫化氫,鉆進井深782.03m中完。

4.2 JY8-2HF井防硫泡沫鉆井

二開?444.5mm鉆頭,所鉆井段270.68～712.89m,所鉆地層為飛仙關組、長興組,空氣排量150m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫劑質量分數(shù)1.5%,泡沫基液p H值13。鉆進至井深646m,泡沫p H值由入口的13下降至9～12(見表4),間斷補充氫氧化鈉和除硫劑,保持入口p H值不低于13,泡沫鉆進中排砂管內未監(jiān)測到硫化氫。鉆至井深712.89m,轉換鉆井液鉆井。

4.3 JY9-1HF井防硫泡沫鉆井

一開?444.5mm鉆頭,所鉆井段355.74～1159.00m,所鉆地層為飛仙關組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組(上部),空氣排量150～180m3/min,泡沫注入量2.6m3/min,除硫劑質量分數(shù)1.5%,泡沫基液p H值12～13。鉆進至井深607m,泡沫p H值由入口的12下降至9～10(見表5),間斷補充氫氧化鈉和除硫劑,保持入口p H值不低于12,泡沫鉆進中未監(jiān)測到殘余硫化氫,鉆進井深782.03m中完。

表3 JY9-2HF井p H值監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 JY8-2HF井p H值監(jiān)測數(shù)據(jù)

表5 JY9-1HF井p H值監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結論

1)堿式碳酸鋅(Zn(OH)2ZnCO3)與泡沫基液配伍性好。

2)防硫泡沫鉆井施工工藝與常規(guī)泡沫鉆井的相同。除執(zhí)行含硫地層鉆井相關技術安全規(guī)定以外,還制定了一系列安全措施,強化了地面硫化氫的監(jiān)測和除硫措施。

3)焦石壩3口井試驗獲得成功,安全鉆穿長興組、龍?zhí)督M和茅口組上部,說明低含硫地層泡沫鉆井是可行的。

[1]QSH 0013—2007,川東北復雜壓力條件下鉆井推薦作法[S].

[2]SY/T 6137—2005,含硫化氫的油氣生產和天然氣處理裝置作業(yè)的推薦作法[S].

[編輯] 帥群

TE254

A

1000-9752(2014)12- 0143-03

2014-09-01

楊海平(1967-),男,1989年西南石油學院畢業(yè),高級工程師,現(xiàn)主要從事鉆井工程技術研究與管理工作。