鄭 鋒，李 霖，郗鳳亮，柳 鶴，王 磊，房 旭，關 敬

(1.渤海鉆探工程技術研究院，天津 300280； 2.渤海鉆探第一鉆井分公司，天津 300280； 3.渤海鉆探鉆井技術服務分公司，天津 300280； 4.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100083)

青海油田油砂山構造屬于柴達木盆地西部坳陷區(qū)茫崖坳陷亞區(qū)獅子溝—油砂山二級構造帶，構造被一系列正斷層及少數逆斷層復雜化[1]，地層孔縫發(fā)育、壓力系數低，常規(guī)泥漿鉆井過程中漏失頻繁，甚至發(fā)生惡性井漏，前期完鉆的60口井中13口發(fā)生了井漏失返，平均堵漏周期6.32 d，且常規(guī)泥漿鉆井機械鉆速低，嚴重影響了鉆井周期。針對常規(guī)泥漿鉆井技術在油砂山油田的不足，結合該區(qū)塊鉆井井壁穩(wěn)定性強的特點，進行了4口井充氣鉆井試驗。前期3口試驗井治漏和提速效果明顯，但采用的常規(guī)泥漿脈沖MWD進行隨鉆參數測量時效果不佳，影響了正常鉆井施工，第4口試驗井應用EM-MWD系統(tǒng)，取得良好效果。本文分析了充氣鉆井技術原理及其在油砂山油田的應用效果，對常規(guī)泥漿MWD測量困難的問題給出了解決方案并進行實踐，對該區(qū)塊鉆井施工具有重要借鑒意義。

1 充氣鉆井技術分析

1.1 工藝原理

充氣鉆井以常規(guī)泥漿或清水作為基液，將一定量的氣體連續(xù)注入基液內，使其呈均勻氣泡狀分散于基液中，有效降低了鉆井液密度，是一種特殊的欠平衡鉆井技術[2-3]。充氣鉆井技術適用于地層壓力系數低，井壁穩(wěn)定性強的地層，具有提高機械鉆速、預防井漏和保護油氣層的作用[4-7]。

充氣鉆井工藝流程如圖1所示，空氣經空壓機、增壓機后形成高壓氣流，高壓氣流通過注氣管線與鉆井液一并從立管注入井下，將井下巖屑攜出井口，鉆井液返回循環(huán)罐。相比于常規(guī)鉆井，充氣鉆井需要配備的專用設備包括：空壓機、增壓機、泄壓閥及旋轉控制頭等(見圖2)。

圖1 充氣鉆井工藝流程

圖2 充氣鉆井現(xiàn)場設備

1.2 施工程序

1.2.1 試壓與試運行

充氣鉆井設備安裝完成后，需對設備、注氣管線、閥門、旋轉控制裝置進行試壓，試壓合格后方可開鉆。

1.2.2 鉆進

按照設計氣液排量試鉆進，觀察返砂、鉆速、鉆盤扭矩等情況，如無異常，開始正常鉆進。

1.2.3 接單根

每鉆完一個單根，需要上下活動鉆具，觀察是否有阻卡現(xiàn)象，正常后方可起鉆。起鉆前停止注氣，打開注氣管線上的泄壓閥卸掉管線壓力，停泵，打開泥漿泵回水，立壓降為零后開始接單根。

1.2.4 起鉆

空氣不具備懸浮巖屑能力，起鉆前需進行充分循環(huán)，觀察返屑含量明顯降低后方可起鉆。起鉆前停止注氣，將井內空氣循環(huán)排放干凈后開始起鉆。

1.3 應急程序

1.3.1 井壁失穩(wěn)

若出現(xiàn)井壁掉塊，先循環(huán)觀察，若繼續(xù)有掉塊，應加大注液量，直至轉為常規(guī)鉆井。

1.3.2 地層出油、氣

如鉆遇油氣層，停止鉆進，停止注氣，先轉為常規(guī)鉆井程序，排出受侵鉆井液。在條件允許的條件下，逐步恢復適合的氣液比進行鉆進。

1.4 充氣鉆井注氣量計算

充氣鉆井中，需要根據井眼尺寸、鉆井液密度及地層壓力等因素，對注入氣液排量進行計算，優(yōu)選合適的氣液比，以滿足巖屑返出要求。依據編制的軟件計算不同氣液排量下環(huán)空壓耗、井底ECD及立壓，如油砂山Y-1井二開鉆井時，井深350 m，井眼直徑215.9 mm，鉆井液密度1.08 g/cm3，鉆井液排量14 L/s時，不同注氣量的計算結果如圖3所示。實際施工中，還需要考慮海拔、環(huán)境溫度及濕度對設備排量的影響，把設備的實際排量折算成標況下的排量[8]。

圖3 Y-1井井深350 m充氣量設計曲線

2 充氣鉆井試驗

2.1 試驗井概況

充氣鉆井在油砂山油田井漏區(qū)塊已完成4口井的試驗應用，前期3口試驗井井深405～452 m，采用泥漿脈沖MWD進行測量，試驗井段均為二開井段，施工參數如表1所示。

表1 充氣鉆井試驗井段施工參數

試驗井段鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm(1.25°)單彎馬達+?165 mm浮閥+MWD短節(jié)+?165 mm無磁鉆鋌+?158.8 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿。

鉆井液為兩性離子聚合物體系，密度1.08 g/cm3。

2.2 試驗應用效果分析

2.2.1 充氣鉆井節(jié)約了堵漏時間

該區(qū)塊2016年施工井平均井深424 m，二開平均處理井漏時間6.32 d。充氣鉆井試驗井平均井深434.7 m，應用充氣鉆井強鉆漏層，無需在鉆井過程處理井漏，大幅縮短了鉆井周期，且有效避免了漏失引起的卡鉆等井下復雜的發(fā)生。

2.2.2 充氣鉆井減少了漏失量

充氣鉆井以氣液兩相流體為循環(huán)介質，鉆井過程地層所受液柱壓力低，避免地層破裂微裂縫漏失，同時能減少斷層或孔縫發(fā)育地層漏失量。試驗區(qū)塊二開常規(guī)鉆井鉆井液平均漏失量1309 m3，試驗井鉆井液平均漏失量為630.7 m3，減少了51.8%(表2)。

表2 充氣鉆井試驗井二開漏失量

2.2.3 定向測量耗時長、漏失量大

泥漿脈沖MWD在充氣鉆進中無法實時采集有效數據，定向測量前需停止注氣并灌液，為MWD傳遞信號提供條件，這就延長了充氣鉆井施工時間，增大了鉆井液漏失量。由表3可見，試驗井定向測量時間平均占總施工時間的15.0%，定向測量漏失量占總漏失的35.6%。

2.2.4 充氣鉆井機械鉆速提高

試驗井二開充氣鉆井平均機械鉆速43.31 m/h，相比于二開常規(guī)鉆井平均機械鉆速21.4 m/h，機械鉆速提高1倍，提速效果明顯(表4)。

表3 充氣鉆井試驗井定向測量時間和漏失量

表4 充氣鉆井試驗井二開機械鉆速

其中，Y-1井為第1口試驗井，在井深309 m之前，采用30～40 kN鉆壓充氣鉆進，平均機械鉆速63.3 m/h，井深309 m之后，因定向儀器無信號，采用10～20 kN鉆壓吊打，機械鉆速明顯下降，平均機械鉆速28.8 m/h，最高機械鉆速只有37.7 m/h；Y-3井充氣鉆進至337 m，因測斜困難，為防止井斜增長，采取降低鉆井液排量、輕壓吊打的方式完成后續(xù)進尺，該段施工平均機械鉆速28.51 m/h。綜合分析，若定向測量儀器正常發(fā)揮作用，試驗井段平均機械鉆速應更高。

3 EM-MWD系統(tǒng)在充氣鉆井中的應用

3.1 EM-MWD系統(tǒng)簡介

泥漿脈沖MWD借助于鉆井液壓力脈沖或連續(xù)壓力波傳輸信息，對鉆井液的含砂量和含氣量有嚴格要求，在充氣鉆井時，泥漿脈沖通道難以解決信息的有效傳輸問題[9]。電磁波隨鉆測量系統(tǒng)(EM-MWD)通過井底儀器發(fā)射電磁波進入地層來傳輸井下數據，無需使用液相鉆井液，適合充氣鉆井使用。

系統(tǒng)結構：電磁波隨鉆測量系統(tǒng)由井下和地面部分組成，井下部分包括電池單元、調制與發(fā)射電路、傳感器總成和絕緣電極等(圖4)。地面部分包括地面接收機、接收天線、司鉆顯示器和信號處理與分析軟件[10-11]。

技術原理：井下測量儀器由絕緣短節(jié)分為兩個電極，其中一個電極通過鉆柱傳導至井架基座，另一個電極是靠近井架一定距離的接收天線。井下傳感器采集到的數據經轉換、編碼、壓縮后，以電磁波的形式發(fā)射出去，電磁波經地層傳輸，由地表專用天線接收，監(jiān)測專用天線和鉆桿之間的電壓即可獲得有用信號，信號經地面處理得到井下測量數據[10-12]。

圖4 EM-MWD井下系統(tǒng)

3.2 試驗應用情況

Y-4井為油砂山油田施工的一口二開直井，完鉆井深702 m，該井二開井段采用充氣鉆井，并試驗應用EM-MWD系統(tǒng)代替常規(guī)泥漿脈沖MWD。Y-4井選用和前期3口試驗井相同的鉆具結構，試驗井段88～702 m，具體施工參數：鉆井液排量14～20 L/s，空氣排量30～60 m3/min，鉆壓20～30 kN，轉速50+螺桿r/min。

前期試驗的Y-1、Y-2、Y-3井采用泥漿脈沖MWD，3口井平均定向測量耗時184 min，占充氣鉆井施工總時間的15%，平均漏失鉆井液230 m3。Y-4井采用EM-MWD系統(tǒng)，接單根時即可采集井斜和方位數據，無需額外靜止等待時間，保證了鉆井施工的連續(xù)進行，避免了定向測量時泥漿漏失，該井定向測量的時間和漏失量均為0。

Y-4井充氣鉆井施工時間634 min，施工過程中EM-MWD實時采集井下測量數據，數據傳輸穩(wěn)定。為驗證EM-MWD系統(tǒng)測量的準確性，將測量井斜、方位和完鉆測斜數據進行了比對，如圖5所示，試驗中EM-MWD測量誤差較小，數據準確可靠，能很好滿足現(xiàn)場需求。

圖5 EM-MWD測量井斜、方位與電測數據的對比

Y-4井和前期3口試驗井鉆井施工參數相近，但井深明顯增加，全井漏失鉆井液492 m3，機械鉆速53.85 m/h，各項指標均表現(xiàn)優(yōu)異。綜合分析，充氣鉆井技術應用于油砂山油田，4口試驗井平均節(jié)約堵漏時間6.32 d，平均漏失量減少54.5%，機械鉆速提高1.1倍。

4 結論

(1)充氣鉆井應用于油砂山油田，節(jié)約了單井堵漏時間，平均鉆井周期縮短6.32 d，并能明顯減小鉆井液漏失量、大幅提高機械鉆速，試驗井平均鉆井液漏失量減少54.5%，機械鉆速提高1.1倍。

(2)泥漿脈沖MWD在充氣鉆井過程中，定向測量困難，耗時較長并大幅增加了鉆井液漏失量；EM-MWD系統(tǒng)能在充氣鉆井過程中實時傳輸穩(wěn)定準確的井下測量信息，比泥漿脈沖MWD儀器具有明顯應用優(yōu)勢。

(3)充氣鉆井和EM-MWD技術的應用，可有效解決油砂山油田井漏區(qū)域鉆井難題，為該區(qū)塊優(yōu)快鉆井新技術的研究及推廣應用積累了施工經驗。

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