含水漏失層段的氣體鉆井技術

摘 要

摘要：鉆井過程中，出現(xiàn)井漏特別是惡性井漏后，將給鉆井工程帶來一系列的難題。對于采用常規(guī)的鉆井液堵漏方法不能解決的惡性井漏，應用氣體鉆井來鉆穿漏失井段，可以避免在易漏失井段
摘要：鉆井過程中，出現(xiàn)井漏特別是惡性井漏后，將給鉆井工程帶來一系列的難題。對于采用常規(guī)的鉆井液堵漏方法不能解決的惡性井漏，應用氣體鉆井來鉆穿漏失井段，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)對氣體鉆井影響的基礎上，通過地層巖石吸水膨脹室內(nèi)實驗，分析了漏失層特性參數(shù)與氣體鉆井的關系，提出采用氣體鉆井來鉆過漏失層或漏、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)生不僅會給鉆井工程帶來不便和損失，如耗費鉆井時間、損失鉆井液[1]、堵漏材料，引起卡鉆、井噴、井塌等一系列復雜情況，甚至導致井眼報廢，而且還會對產(chǎn)層造成損害、干擾錄井工作等。在堵漏過程中，對于有漏失層又有水層或漏、水共層的惡性井漏，應用氣體鉆井、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，如果固相組分大于0.04，則井眼凈化能力差，鉆屑會出現(xiàn)聚沉效應。當氣體鉆井鉆遇水層，鉆屑會出現(xiàn)吸水膨脹，在同等鉆速條件下，也會增加環(huán)空固相體積濃度。此時必須重新調(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氣體鉆井的影響，為此我們作了巖石室內(nèi)吸水膨脹實驗。
1 地層巖石吸水膨脹室內(nèi)實驗
測定引用標準：依據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準泥頁巖理化性能試驗方法(SY/T 5613—2000)。
泥頁巖樣品制備：按照《泥頁巖理化性能試驗方法》標準中3.2泥頁巖樣品的制備中3.2.2款制備巖樣，備用。泥頁巖樣品吸水膨脹性測定：膨脹性測定(實驗記錄見表1)。
 
頁巖膨脹實驗是讓頁巖巖心直接與水接觸，測定其巖心在不同時間的線膨脹百分數(shù)。頁巖吸水膨脹百分數(shù)的測定是在限制條件下，只允許巖心在一個方向膨脹。各種頁巖的膨脹性強弱，可用相同條件下測定的2h和16h的線膨脹百分數(shù)來進行比較。
結果計算：按如下公式分別計算2h、16h的線膨脹百分數(shù)：
Vt=(Ht/H)×100    (1)
式中：Vt為時間t時頁巖的線膨脹百分數(shù)；Ht為時間t時的線膨脹量，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系
對于單一漏失層(無水層或其他流體)，且上部裸眼段無水層(或其他流體)，在氣體鉆井中只需氣一固兩相流動在井底的壓力(pb)小于漏失壓力(pL)即可鉆過漏失層：
pb≤pL    (2)
這種情況以漏失壓力作為約束條件，設計鉆速(vm)和最小攜帶巖屑氣體注入排量(Qgo)具體設計由式(3)確定混相密度(rm)：
 
式中：Sg為注入氣體的相對密度；p為計算井深處的壓力，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為標準狀態(tài)下注入氣體體積流量，m3/min；db為鉆頭尺寸，m；Ss為霧化水相對密度；vm為機械鉆速，m/h；C為與采用單位有關的常數(shù)。
這類漏失層也可根據(jù)漏失壓力的量級，采用泡沫流體、充氣流體進行漏失層的鉆井。
對于漏失層、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漏層。但這個壓力(密度)窗口太小很難控制，而且這種地層水的絕對壓力都很低(即漏失壓力很大)。因此，在用氣體進行堵漏鉆井中，地層水一般將進入井筒。當?shù)貙映鏊啃∮诘扔?m3/h(0.033m3/min)時，氣液比很大，井筒雖有氣、液、固三相流動，但氣體相分數(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，但此時必須將地層出水量等量化成鉆速進入混相密度：
 
式中：Sf為地層水相對密度；Qf為地層水體積流量，m3/min；E為與采用單位有關的常數(shù)；其余符號同上。
當?shù)貙映鏊縌f＞2m3/h后，必須考慮鉆屑吸水膨脹的問題。鉆屑吸水膨脹增大固相分數(shù)見表1。因此，必須控制鉆速，保持環(huán)空固相濃度Cp≤0.04。
此時相當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時才能維持鉆井，此時的鉆井設計轉換為充氣流體規(guī)律的設計。
3 漏層以上裸眼段水層壓力，出水量與氣體鉆井的關系
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)設計注入氣體體積流速(Qgo1)，若在該流量及鉆速(vm1)情況在井深A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設計的井底有效壓力pmE＞pL，可將鉆速(vm1)降低一個微量(△vm)，在地面壓縮機允許流量和壓力條件下，注入氣體量從△Qgo增大一個微量(△Qgo)直到環(huán)空氣液比達到滿足pmE＜pL在這種條件下，保持連續(xù)的鉆井作業(yè)可能鉆過漏失井段。這也可能是一種極限性的施工作業(yè)，此時環(huán)空氣液兩相流動形態(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)(接單根過程)，環(huán)空形成的段塞會聚集下沉，當重入氣體會在井底產(chǎn)生過高的壓力而出現(xiàn)漏失。無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(防止水進入水敏性地層)。理論分析可知額定的空氣壓縮機流量、壓力都對應一個滿足漏失壓力為pL的允許最大地層出水量(Qfmax)。
4 結論
1) 通過巖石室內(nèi)吸水膨脹實驗，分析了漏失層特性參數(shù)與氣體鉆井的關系，為復雜惡性漏失井段選取欠平衡鉆井方式提供了依據(jù)。
2) 無論漏失層、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形態(tài)為環(huán)霧流，這樣可以有效地防止水進入水敏性地層。
參考文獻
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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)及開發(fā)工程”國家重點實驗室 西南石油大學；2.中國石化南方勘探分公司；3.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院)