李寧張勇賈建超王帥賀越騰董宏政

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北062552)

空氣鉆井在山西煤層氣開發(fā)的應用

李寧張勇賈建超王帥賀越騰董宏政

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北062552)

山西晉城煤層氣資源豐富，是我國重要的產(chǎn)氣基地。在煤層氣開采的過程中經(jīng)常遇到惡性漏失復雜，導致泥漿有進無出，開采受阻，成本增加，難度加大。為了解決此難題，將空氣鉆井技術運用到煤層氣開采中。結(jié)果表明采用空氣鉆井技術施工后不但解決了現(xiàn)場的漏失復雜，相比常規(guī)鉆井堵漏節(jié)約了堵漏材料成本，縮短了施工周期。

煤層氣 空氣鉆井 惡性漏失

目前空氣鉆井技術憑借它以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，具有鉆速高，成本低，環(huán)保性好等鉆井液所不具備的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應用于嚴重漏失、地層堅硬機械鉆速慢地層及低壓低滲儲層。

在山西晉城煤層氣地區(qū)鄭試76平1平臺上進行的1井施工中，由于一開在山體中鉆進，經(jīng)常會遇到由于山體裂縫引起的惡性漏失導致泥漿有進無出，采用常規(guī)堵漏方法無法解決，至此增加了生產(chǎn)成本，延長了施工周期。并且泥漿會沿山體裂縫流入河流，引起環(huán)境污染。對于此類復雜，采用常規(guī)正常鉆井液從根本上是難以解決。該井一開進尺70m，采用常規(guī)堵漏共花費457h，泥漿漏失300m3。在同一平臺進行的2號井一開采用空氣鉆井方式鉆進，進尺240m，純鉆時間34.48h，一開施工周期40.2h，該井機械鉆速6.96m/h。對比可以看出一開進尺增加170m，施工效率提高11.3倍，施工過程中無漏失現(xiàn)象?？諝忏@井作為一種特殊的欠平衡鉆井技術，憑借其低密、低壓、環(huán)保的優(yōu)勢可以成功解決此類難題。大幅降低了漏失復雜損失，加快了工程進度，提高了油氣勘探開發(fā)的效率。

1空氣鉆井施工設備

空氣鉆井技術是以空氣作為循環(huán)介質(zhì)的一種特殊的鉆井方式。流程如圖1所示，由空氣壓縮機將大氣中的空氣收集并壓縮輸送到管匯及立管中，通過鉆具經(jīng)過鉆頭輸送到井底，將井底破碎的巖屑由環(huán)空攜帶出井筒，經(jīng)過井口旋轉(zhuǎn)控制頭流向排沙管線，再由噴淋裝置除塵后流入泥漿池。

圖1 空氣鉆井現(xiàn)場示意圖

1.1空氣壓縮機

采用壽力DLQ900XHH－1150XH空氣壓縮機，單臺空氣流量為30m3/min，注氣壓力0～2.4MPa。由于單臺空氣壓縮機的輸出氣量不能滿足現(xiàn)場施工需求，根據(jù)井眼尺寸、深度、出水情況計算，采用4臺空壓機，120m3/min氣量可以滿足現(xiàn)場施工。

1.2空氣管匯及閥門

在施工過程中需要將空氣壓縮機收集并壓縮的氣體通過壓力管匯輸送到立管，管匯連接如圖2所示該井使用管匯為5MPa壓力軟管(空壓機最大壓力為2.1MPa)及15MPa硬管連接至立管。在管匯上配置注油器、單流閥及低壓球閥。注油器是通過氣流將潤滑油帶入到鉆具內(nèi)潤滑空氣沖擊器使用。在接鉆具時需要將泄壓閥門打開，將管匯及鉆具中的壓力釋放掉才可以進行單根松扣工作。

圖2 注氣管匯閥門示意圖

1.3井口空氣旋轉(zhuǎn)控制頭

采用四川鉆采院產(chǎn)XK35－10.5/21旋轉(zhuǎn)控制頭，無論是空氣鉆井還是常規(guī)鉆井從井筒出來的介質(zhì)都會帶有速度與壓力，為了確保生產(chǎn)安全和順利，防止巖屑粉塵從井口噴出，井口需要安裝旋轉(zhuǎn)控制頭。

1.4排沙管線

空氣鉆井時，需要將井內(nèi)的氣體通過排沙管線排入到沉沙坑，排沙管線大小要適當，如果太大將會導致氣體速度到達排沙管線后立刻下降，留在管線內(nèi)，如果出現(xiàn)出水狀況，巖屑夾雜水分將無法從排沙管線內(nèi)排除。如果管線過小會增加空壓機輸出負荷，空壓機輸出壓力升高當升至2.4MPa時，空壓機會停止氣體輸出，進行自循環(huán)保護，導致生產(chǎn)無法運行?，F(xiàn)場采用6寸管線作為排沙管線。

在排沙管線上為了防止粉塵在大氣中彌散，安裝了降塵裝置。降塵裝置如圖3所示，該裝置將水管線的水通過圍繞管線一周的水道噴射眼均勻的噴入到排沙管線中，將干燥的粉塵濕潤后排放到大氣中。

圖3 噴淋裝置示意圖

1.5空氣沖擊器

當進行表層鉆進時，由于鉆壓施加困難，所以采用常規(guī)牙輪鉆頭鉆進進尺慢。

根據(jù)鉆頭與巖石作用方式的不同，破巖分為旋轉(zhuǎn)破巖、沖擊破巖、沖旋破巖、旋沖破巖。帶空氣錘的空氣鉆井是在空氣旋轉(zhuǎn)破巖的基礎上，利用空氣錘的高頻沖擊提高破巖效率的一種沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術，它兼容了空氣鉆井和沖旋鉆井的優(yōu)點。井底巖石主要是在鉆壓、沖擊力和旋轉(zhuǎn)剪切力的共同作用下產(chǎn)生破碎。

2空氣鉆井施工參數(shù)

合適的注氣量、鉆壓、轉(zhuǎn)速在能夠保證工程順利進行的同時還能夠加快施工進度。

2.1空氣鉆井氣量優(yōu)選

在空氣鉆井時，井筒環(huán)空流動氣體為氣－固兩相流，當?shù)貙映鏊蔷妥優(yōu)榱藲猓蹋喝?。氣量?yōu)選的主要依據(jù)是能夠帶動環(huán)空巖屑返出井口，在空氣鉆井中環(huán)空巖屑能否正常返出主要取決于環(huán)空氣體返速，根據(jù)1957年Angel對空氣鉆井的研究，他認為環(huán)空氣體與巖屑為一元等溫流動，且滿足攜巖要求的最小環(huán)空氣體流速不小于15.2m/s。經(jīng)軟件分析得知，環(huán)空氣體返速主要取決于井口注入氣量，此外還與井深、環(huán)空截面積有一定關系。

2.1.1環(huán)空氣體返速與井口注入氣量的關系

環(huán)空氣體返速與井口注入氣量的關系如圖4所示，井深一定，地面設備注入氣量越大，環(huán)空氣體返速越大。

圖4 環(huán)空返速與氣量曲線圖

2.1.2環(huán)空氣體、巖屑返速與環(huán)空截面的關系

環(huán)空氣體、巖屑返速與環(huán)空截面的關系如圖5所示，當井深、注入氣量一定，環(huán)空氣體返速與環(huán)空截面呈曲線關系。

圖5 環(huán)空返速與環(huán)空截面積曲線關系圖

圖中曲線代表環(huán)空氣體返速?？梢钥闯?，在鉆鋌與鉆桿接頭處，環(huán)空氣體返速突然降低，得出環(huán)空氣體返速在鉆鋌與鉆桿連接處會出現(xiàn)最小返速。2.1.3環(huán)空氣體返速與井深關系

環(huán)空氣體返速與井深關系如圖6所示，注入氣量一定，環(huán)空氣體返速隨井深增加而減小。

圖6 環(huán)空氣體返速與井深關系曲線圖

據(jù)此計算對于311.2mm井眼，500m井深，127mm鉆具，巖屑密度2.4g/com3，巖屑直徑5mm，鉆速10m/h，采用120m3/min氣量就可以滿足施工需求。不同氣量的氣體返速如圖7所示。

圖7 多種氣量氣體返速圖

2.2地層出水氣量優(yōu)選

在施工時還要考慮到地層出水情況，當?shù)貙映霈F(xiàn)出水后會引起巖屑吸水膨脹，當?shù)貙映鏊^多時，巖屑容易膠結(jié)成團狀，在井眼周圍形成泥環(huán)，從而引起卡鉆事故，此時就需要根據(jù)出水情況判斷是否可以繼續(xù)施工下去。國外推薦的地層出水量大于2m3/h時需要轉(zhuǎn)換成充氣鉆井，在國內(nèi)通常是出水量大于5m3/h才轉(zhuǎn)換為充氣鉆井。

氣量確定依據(jù):311.2mm井眼，鉆井液排量3m3/min，鉆井液密度1.01g/cm3。

(1)井底壓力當量系數(shù)計算

充氣可以降低液柱壓力，從而避免鉆井液漏失。注氣量與井底壓力系數(shù)關系如表1所示。

表1 注氣量與井底壓力當量系數(shù)

(2)氣量大小對鉆井液上返速度影響

充氣可以提高環(huán)空鉆井液返速，有利于提高鉆井液的攜巖;并且充氣量越大環(huán)空鉆井液返速越大。

優(yōu)選結(jié)果:采用60m3/min氣量，立壓4～4.5MPa之間。

2.3鉆壓與轉(zhuǎn)速

氣體鉆井中，鉆壓的主要作用是壓持鉆頭齒與巖石緊密接觸防止跳鉆，是空氣錘產(chǎn)生的應力波能夠高效的傳送到巖石中去。鉆壓太大加速了牙齒的磨損與掉落，降低了鉆頭的使用壽命;鉆壓太小，不能保持鉆頭牙齒和地層巖石的緊密接觸，影響沖擊功的傳遞，從而降低鉆速。

轉(zhuǎn)速的作用是為了回轉(zhuǎn)鉆頭改變牙齒與巖石的接觸位置，擴大巖石的破碎效率。轉(zhuǎn)速太高會減小鉆頭的使用壽命;轉(zhuǎn)速太低，會造成對巖屑的重復切削，影響施工效率，降低鉆速。施工參數(shù)如表2所示。

表2 表層空氣鉆井施工參數(shù)

2.4鉆具組合

第一趟鉆:D444.5mm空氣錘+127mmWDp× 1根

第二趟鉆:D311.2mm空氣錘+127mmWDp× 9根

第三趟鉆:D311.2mm牙輪鉆頭+ D165mmNDc×1根+D165.1mmDc×5根+ 127mmWDp

通井鉆具組合:D311.2mm牙輪鉆頭+ D165mmNDc×1根+D165.1mmDc×1根+ D308mmF+D165.1mmDc×3根+127mmWDp

3現(xiàn)場施工

將空氣壓縮機通過管匯連接，連接至立管。開啟4臺空氣壓縮機，將空氣以120m3/min的氣量注入到井內(nèi)進行鉆進，首先為了封固地表黃土層，第一趟鉆，由于開始采用方鉆桿從地表鉆進，鉆壓施加困難，所以采用444.5mm空氣錘進行鉆進，鉆壓控制在1～2t，轉(zhuǎn)速40r/min，鉆進到11m后起鉆，下入339mm導管并安裝旋轉(zhuǎn)控制頭及排沙管線。第二趟鉆下入311.2mm空氣錘進行下部地層鉆進，鉆壓3～4t，轉(zhuǎn)入40r/min，當鉆進至82m會鉆遇出水層，該水層出水量2m3/h，井口返出巖屑被濕潤形成泥團，但是可以返出井口，出水情況可以滿足空氣鉆井繼續(xù)施工。第三趟鉆由于地層出水后巖屑粉塵膠結(jié)后容易在鉆頭位置形成泥包，地層泥巖遇水后吸水膨脹，為了預防卡鉆，鉆進至水層后起鉆更換311.2mm牙輪鉆頭繼續(xù)進行空氣鉆井施工(空氣錘不具備倒劃眼處理發(fā)雜能力)，鉆壓控制在8～10t，轉(zhuǎn)入60r/min，直至完成一開進尺。打完進尺后鉆具組合中加入308mm扶正器進行通井作業(yè)，鉆壓1t，轉(zhuǎn)速60r/min。通井完畢后起出導管拆掉旋轉(zhuǎn)控制頭下入244.5mm套管完井，然后采用干井固井方法固井。

4認識及建議

(1)利用空氣鉆井可以應對該平臺井的表層惡性漏失復雜，降低了施工風險并節(jié)約了施工周期。

(2)在井深82m處鉆遇出水層，通過完井停氣起鉆觀察鉆具上的水跡計算地層出水量在2m3/ h，能夠滿足空氣鉆井的繼續(xù)施工。

(3)鉆遇出水層后，為了避免井下復雜的發(fā)生，需要控制機械鉆速邊鉆邊觀察，當發(fā)現(xiàn)扭矩增大，氣壓無明顯上升方可繼續(xù)鉆進。

(4)現(xiàn)場采用311.2mm空氣錘進行鉆進平均機械鉆速為9.08m/h，改為311.2mm牙輪后平均機械鉆速為6.46m/h。通過對比可以看出空氣錘的工作要高于牙輪鉆頭1.4倍。

(5)由于干井下套管，井壁無泥漿潤滑;山體地層傾角較大，下部地層采用牙輪鉆進無法保證井斜;在地層出水處的泥巖會吸水膨脹導致井徑不規(guī)則這三方面原因?qū)е绿坠芟氯肜щy。

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［3］蔣宏偉，邢樹斌，王克雄，等.空氣鉆井最小注氣量和地層出水量關系研究［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2008，27(2):106－109．

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(責任編輯劉馨)

Application of Air Drilling in CBM Development in Shanxi

LINin，ZHANG Yong，JIA Jianchao，WANG Shuai，HE Yueteng，DONG Hongzheng
(Engineering Technology Institute，Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Hebei062552)

Jincheng of Shanxi Province has abundant CBM resources，and is an important gas production base．During the CBM production process，severe leakageswhich are complicated occur frequently，causing the slurry fail to outflow after injection，and consequently interfere the gas production，increase the production cost and enhance the difficulty in production．To apply the air drilling technology in CBM developmentwill help to resolve this problems，and the practice shows that after applying this technology，the severe leakages has been well resolved and the it also safe the cost for plugging materials compared with conventional drilling，and cut the construction period．

CBM;air drilling;severe leakage

李寧，男，現(xiàn)長期從事欠平衡技術鉆井研究工作。