泡沫钻井技术在26寸井眼的成功应用.docx
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泡沫钻井技术在26寸井眼的成功应用
空气泡沫钻井技术在元坝10井26寸大井眼中成功应用
张庆华张涛
前言
元坝区块是中国石油化工股份有限公司的重点勘探区域，元坝地区是中国石化天然气增储上产的重点区域，也是川气东送建设工程的重要资源接替阵地。
中原西南钻井公司于2006年进入元坝区块进行钻井施工。
中原西南钻进公司积极响应石化集团提速，在新一轮元坝区块钻井施工中采用新工艺、新技术，加快了钻井速度。
元坝区块的地质情况较为复杂，该区块陆相地层井段长、埋藏深、可钻性差、稳定性差；这些地质特点都给钻井施工带来了相当大的困难。
其中上部陆相地层为高陡构造，砂、泥、页岩互层频繁，硬度大，研磨性强，碎，井眼稳定性差，钻井中时常发生井漏，井漏后往往诱发井塌，并且漏失井段长，极易造成井下复杂，处理难度大。
地层特点是砂泥岩软硬交错变化大，砂岩石英含量高，且胶结致密、硬度大、研磨性强，地层可钻性低，元坝地区岩石可钻性级别多大于5级，部分井存在浅层水和发育裂缝。
空气钻井钻遇严重出水地层后，井底岩屑无法顺利返出，导致空气钻井无法实施。
空气泡沫钻井技术在川东北的成功应用，不仅大大提高了机械钻速，缩短了陆相地层的钻井周期，有效解决了该工区“硬”、“斜’、“漏”三大技术难题，并且有效的避免了井下燃爆，为欠平衡钻井技术广泛应用拓展了新的空间。
然而，采用空气钻井时，经常会遇到地层出水的情况，严重制约了空气钻井的应用。
由于地层出水，会把空气钻井形成的粉尘凝结，糊在井壁上，造成扭矩增加、局部过热、井壁岩石出现裂缝，吸水膨胀后造成井壁坍塌或者卡钻，一旦出现这种情况，大多认为在出水量达到5m3/h就应该转化成雾化钻井或空气泡沫钻井。
空气泡沫钻井工艺技术流程：
是以泡沫基液为工作对象，用空压机对空气先进行初级加压，然后经过增压机增压后的气体再与雾化泵泵出泡沫基液混合，经立管三通进入钻具，泡沫通过钻头时对钻头进行冷却，再通过井口的旋转头（旋转密封），泡沫和钻屑进入排砂管线，最后到岩屑池，完成携带岩屑和消除粉尘的任务，泡沫自然破泡后基液回收到上水池进行再利用。
中原油田钻井研究院配合在元坝10井第二层导管施工中采用泡沫钻井技术成功钻至702米，解决了元坝区块陆相髙陡构造大井眼的提速问题，也是中原油田泡沫钻井技术首次在26寸井眼成功使用。
关键词：
新工艺提速陆相髙陡构造泡沫钻井大井眼
张庆华：
1989年毕业于中原石油学校，现在中原西南钻井公司技术发展部，钻井工程师。
一元坝10井概述
元坝10井地理位于四川省苍溪县，构造属川东北巴中低缓构造带北斜坡元坝区块，是南方分公司部署的一口预探井。
设计井深7150米。
目的层：
以上二叠统长兴组、下三叠统飞仙关组为主要目的层，兼探自流井组大安寨段、须家河组及雷口坡组。
第一层导管Φ914mm钻头钻至井深30.39米，下入Φ720mm套管29.2米。
二设备的安装及试压
1设备、仪器、仪表安装时，必须作到平、整、稳、全、牢、灵、通,不漏油、气、水、电
2井口校正
井口偏斜可能造成①旋转控制头内胶芯造成偏磨，严重时可能密封失效，气体泡沫窜上钻台，导致钻井失败；②不压井起下钻装置校正困难，上下卡瓦难以卡紧等不利用气体钻井的因素。
2安装排砂管线要求平直，要尽量少用弯头，排砂管线通径应大于200mm,排砂管线弯头两侧和出口处应用Ø20㎜地角螺栓和水泥与砂石加以固定，长度大于10米的悬空段中间加支撑架。
3在排砂管线安全和操作方便的地方安装砂样取样器。
4为了旋转总成拆装操作安全，在旋转防喷器壳体法兰高度处周围安装操作平台。
5设备和管线安装好后,高压供气管线必须试压15MPa合格后才能投入使用
6旋转防喷器、井口闸板防喷器、节流压井管汇按规定试压合格。
元坝10井空气泡沫钻井井口装置示意图
元坝10井泡沫钻井工艺技术总体流程
泡沫钻井工艺技术是以泡沫为工作对象,用空压机对空气先进行初级加压,然后经过增压机再增压后的气体再与泡沫基液混合后入井,最后完成携带岩屑和消除粉尘的任务。
泡沫钻井施工作业工艺流程图如下：
空气→空压机→增压机→雾化泵（基液与气体混合）→立管→钻具→钻头→环空→井口→排砂管→岩屑池→破泡后基液→上水池
元坝10井泡沫钻井工艺流程图
元坝10井空气泡沫钻井施工方案
1、基液准备
空气泡沫钻井是指钻井时将大量的气体（如空气和氮气）分散在少量含起泡剂（表面活性剂）的液体中作为循环介质的工艺，液体是外相（连续相），气体是内相（非连续相），其产生粘度的机理是气泡间的相互作用。
泡沫钻井时，泡沫基液性能的好坏直接影响到泡沫钻井的成败，井下流体和所钻岩性的化学性质发生变化时，其相应的泡沫基液性能要求也就不一样，一般泡沫流体要求其热稳定性能好、抗盐性强、低腐蚀性、稳定的流变特性。
根据川东北所钻井的井下特性，结合现场应用，形成了一套适合该区域地层的泡沫基液配方。
泡沫基液具有足够的热稳定性，能达到下述要求:
2有很强的抗盐（Cl-大于50g/L）、抗钙（Ca2＋，大于50g/L）的能力。
②良好的高温热稳定性（120℃条件下泡沫稳定16h），
③具有低腐蚀性。
④稳定的流变特性。
⑤抑制地层泥页岩的水化膨胀。
2、推荐泡沫钻井参数：
空气排量：
80-150m3/min；
泡沫基液排量：
200-500L/min；
消泡所需风量：
35-60m3/min。
3、泡沫准备：
（1）设备：
雾化泵2台或泥浆泵1台（排量可满足200-500L/min的需要），40~60m3配液罐3个，排量80m3/h潜水泵3台；根据井深的不同增加排量或增加空压机的台数，以满足深井及不同井径携砂的需要。
（2）泥浆池有足够的空间容纳泡沫；
（3）井队准备雾化泵或泥浆泵与储罐连接的相关设施；
（4）钻井院备齐泡沫剂药品，负责基液的配制；
（5）如果地层出水量较小或不出水，污水回收利用困难，井队应准备足够的清水用于泡沫基液的配制。
3、泡沫基液配方及注入量：
（1）基液配方：
起泡剂0.3-0.5%、增粘剂0.1-0.15%、稳泡剂0.01~0.03%、抑制剂0.5%-1.2%、井壁稳定剂0.1-0.4%
（2）实施泡沫钻井时，泡沫基液起始排量为200L/min，配方和排量根据钻遇地层、出水量、携砂、钻时情况及时进行调整。
4、泡沫措施
（1）依据钻进返砂情况及时补充和调整处理剂的量，保持泡沫液的性能稳定，满足携岩要求。
（2）依据地层出水情况及时调整井壁保护剂及泡沫剂加量，保证井壁稳定，如果出水量较大，提高泡沫基液的浓度、适当降低基液排量。
如果出水量较小或未出水，降低泡沫基液的浓度、适当提高基液排量。
（3）在红色泥岩段钻进时，出砂口钻屑颗粒少、泥多、粘性大，必须抑制钻屑中的泥质成分的水化，防止钻屑抱团后形成泥环；进入泥岩段前必须加足防塌剂，钻进过程中抑制剂的含量应保持在0.5~1.0%以上，防止该段井壁发生掉块、缩径及泥包钻具。
（4）钻进中必须随时观察返出泡沫流动的状态和均匀性，适时调整泡沫基液的性能。
（5）施工时严格控制好泵排量及充气量，以便调整合理的气液比，使之满足钻井要求。
。
吹干井筒
气举排液结束后，使用压缩机吹干井筒内的钻井液。
元坝10井空气泡沫钻井施工
元坝10井是位于四川省苍溪县川东北巴中低缓构造带北斜坡元坝区块的一口预探井。
导眼钻头直径为660.4mm，套管设计下深700m。
11月27日开始采用泥浆钻进，12月3日钻进至井深34m，安装井口，准备导眼钻进。
2009年12月5日8:
00时采用空气钻进行举液、干燥井眼，至22:
30时排沙口排出气体潮湿，钻头下放不到底，判断井底仍有部分泥浆不能举出，决定转为空气泡沫钻井。
12月6日0:
42开始泡沫钻进，气量105m3/min，泡沫基液排量180L/min，排砂口排出大量泥糊状泥浆、泡沫混合物，判断泡沫举液成功，至1:
15排砂口排出致密泡沫，返砂正常，开始正常钻进。
至井深127m，钻遇红泥岩地层，排砂口泡沫量急剧减少，长时间内只有气体喷出，取样口泡沫质量较差，砂量减少。
将泡沫基液排量增加至200mL/min，并适当调整泡沫配方，提高基液粘度，循环5min后，排砂口返出致密泡沫，携岩正常。
钻至井深232m，将空气排量增加至145m3/min，基液排量增加到220mL/min，以提高携岩效果；钻至井深522m，井壁出现轻微掉块，取样口取出岩屑红泥岩、砂岩混杂，并出现蹩钻、跳钻等现象。
将泡沫配方进一步调整，并将空气排量增至175m3/min，泡沫基液排量增至320～340mL/min，携岩效果较好，钻时加快。
12月13日11:
00顺利钻至井深703m后开始循环，持续30min后，砂量减少，11:
30停止循环导眼完成。
HX-350型消泡器接在排砂管出口，供风量35m3/min，消泡效果显著，致密的泡沫经过消泡器后呈流态喷出，消泡后的泡沫基液达到了回收再利用目的。
整个泡沫钻井过程共配置泡沫基液2630m3，其中仅在泡沫钻井起始阶段使用清水400m3，其余全部使用回收的泡沫基液，因此大大减少了发泡剂、稳泡剂及井壁稳定剂等处理剂的消耗，并减少了后续的污水处理量，大幅度降低了钻井成本，并减轻了环保压力。
井深排量对应表：
日期
井深
m
钻压
t
基液量
L/min
空气排量m3/min
12月6日8：
00
34
2
120
105
12月7日8：
00
80
12
180
120
12月11日7：
00
466
12
220
140
12月11日23:
00
534
34
330
140
12月12日7:
00
566
34
330
140
12月13日8：
00
691.4
34
330
140
导管泡沫钻进
钻具结构：
Φ660.4mmBit+730×830（浮阀）+Φ279mmDC×3根+Φ228mmDC×3根+Φ203mmDC×6根+Φ127mm钻杆+410×411回压凡尔+下旋塞+方钻杆；
钻井参数：
钻压：
12-18t，钻速：
65rpm，基液排量：
120-330L/min；空气排量：
105-140m3/min。
所钻地层：
剑门关组。
该井于2009年12月6日1:
00使用泡沫钻井技术进行第二层导眼（Ф660.4mm）施工，2009年12月13日11:
30钻完导管进尺，完钻井深702.63m，进尺672.24m，纯钻时间149h，使用钻头一只，型号为SKT515GT。
机械钻速为4.51m/h，
4空气泡沫钻技术措施
（1）正式泡沫钻进前，按设计钻井参数进行试钻，确认供气设备和其它工作一切正常后才能进行正式钻进。
（2）正式泡沫钻进时，各项钻井参数应根据井深和井下情况合理匹配，以确保快速安全钻进。
（3）钻进时，要求送钻均匀，遇到立压和扭矩突然变化、憋跳严重、上提遇卡等井下异常现象时，应立即停钻，活动钻具，循环观察，分析原因，及时处理。
）专人巡视排砂口、取样口，观察并记录返砂情况，每15min观察一次，30min记录一次，若有异常情况立即通报。
泡沫钻进中每钻进100M～150M加一组止回阀（回压凡尔下加下旋塞）。
11 接单杆
2（4）单根打完后提离井底0.5米循环，要保证循环时间，将井底的钻屑循环干净，循环至排砂管无明显钻屑撞击声，防止沉砂卡钻，活动钻具无异常后接单根。
（9）接单根前应先停雾化泵，使用干空气吹扫井筒1~3min，避免钻台出现喷泡沫现象。
。
36）接单根前应先停气，再停雾化泵，接完单根先开雾化泵，再开气。
以保证泡沫液相连续
1钻完一根单杆应充分循环后，将方钻杆提出转盘面后,钻台发出停止供气信号，开泄压阀,将钻具内的空气放掉后,再进行接单杆作业；接完单根,钻台发出供气信号，关泄压阀,开始向井内注入泡沫基液和压缩空气,待出口返出泡沫正常后再缓慢下放钻具，恢复正常泡沫钻进。
32 起钻
1起钻前根据井下情况进行充分的循环，保证将井下岩屑带到地面。
2钻具堵塞起钻时，卸回压凡尔和下旋塞时，应先关下旋塞,再卸回压凡尔,然后接方钻杆,开下旋塞,再开泄压阀,将钻具内的空气放完,卸方钻杆,恢复正常起钻作业。
3卸下的钻具回压凡尔和下旋塞应单独存放，起钻完后由技术员检查，如果完好,可下井继续使用,否则不能下井使用。
4起钻过程中刹把操作人员应平稳操作,密切注意指重表悬重变化，上提遇卡不超过100KN，如遇阻卡井段应进行倒划眼，严禁将钻具硬提卡死。
33 下钻
1下钻过程中刹把操作人员应平稳操作，严格控制下放速度，尤其是进入裸眼段以后，下放遇阻不超过50KN，如遇阻，应坚持一划.二冲.三通过的原责,严禁将钻具压死。
2下钻到底后，接好下旋塞、单流阀和方钻杆，按设计的注气参数连续向井内注入泡沫基液和空气，等排砂管线出口返出泡沫正常后才能进行正常的泡沫钻进作业。
（10）应根据消泡器出口泡沫状态，适时调整消泡器供风量，以提高消泡效率
钻井设计应加密易斜井段的单点测斜，测斜时则按照起钻作业要求，进行起钻作业，卸掉回压凡尔和下旋塞后，再下钻到井底，进行单点测斜。
5解决难题
1、大井眼的携岩问题
元坝10井导眼为660.4mm井眼，如果选用纯空气和常规泥浆体系，携带岩屑较为困难，需要较大的排量，对设备要求较高。
采用空气泡沫钻井技术，通过配方调整和参数优化，空气排量仅需105～175m3/min，泡沫基液排量220～340mL/min，携岩效果较好，有效解决了大尺寸井眼的携岩问题。
2、井壁稳定问题
元坝10井导眼段地层为剑门关组，岩性以棕红色泥岩和青灰色砂岩互层为主，泥质含量高，存在一定程度的水化不稳定因素。
根据邻井资料，井深240m～270m处存在不稳定地层，易坍塌掉块。
3、消泡问题
泡沫完成携带任务返到泥浆池后，由于稳定性较好，泡沫大量堆积在泥浆池，长时间不破裂，需要较大的泥浆池来盛放堆积的泡沫，否则既影响现场的正常作业，又给环保带来了压力。
6空气泡沫钻井方式转换原则
1出水量大于8m3/h，泡沫钻井应转换成常规钻井液钻井方式。
2地层出水量可根据岩屑取样口处的滴水情况、返出岩屑的润湿程度和井下产生泥环导致的立管压力及钻进扭矩变化迹象判断。
3井下返出的流体中硫化氢浓度超过15mg/m3时，应终止空气钻井，转换成常规钻井液钻井。
3井壁失稳，阻卡严重，应转换成常规钻井液钻井。
（1）如果全烃含量快速上升，气测全烃含量大于3%，立即停止泡沫钻进，将钻具起至套管内，用储备的泥浆注入井筒，重建井内压力平衡后，将钻具下至井底，恢复常规钻进；
（2）如果监测设备发现H2S气体，应立即停止泡沫钻进，用储备的泥浆注入井筒，恢复常规钻进；
（3）出现立压上升、钻盘扭矩增大等异常现象，如判断为地层坍塌，应立即停止泡沫钻进，将钻具起至套管内，用储备的泥浆注入井筒，重建井内压力平衡后，将钻具下至井底，恢复常规钻进；
（4）地层含水量达、泥浆池无足够空间容纳含泡污水时，应停止泡沫钻井，用储备的泥浆注入井筒，恢复常规钻进。
7预防措施
地层出水处理
空气泡沫钻井时地层出水会导致裸眼的泥页岩水化膨胀，造成井眼缩径或高速气流冲刷井壁，造成井壁坍塌；岩屑水化后很容易形成泥饼环，堵塞环空通道。
地层出水目前尚无有效的对策，主要采取以下方法来对付：
（1）增大注气排量，同时增大发泡胶液注入量，保证泡沫携砂需求；
（2）测准出水地层，打水泥塞堵水。
清溪2井从泡沫钻井开始地层出水，日出水约20－30方，随着井深的增加，出水量逐渐增大，每次下钻到底均要进行长时间的举水作业。
岩屑粘附在钻具、井壁和套管壁上，形成厚实的泥饼环，起钻时在套管内大段遇阻；裸眼段泥页岩水化膨胀井眼缩径，井壁坍塌掉块等。
该井地层出水采取的主要对策有：
①及时在注入的空气过程中增大注入泡沫胶液，提高泡沫含量提高携带能力。
②优化泡沫胶液配方，提高泡沫质量，并在其中加入粘土抑制剂，抑制地层中的泥页岩水化膨胀，防止井眼缩径和井壁坍塌。
③及时进行短拉，破坏已形成的泥饼环和缩径井眼。
当地层出水速度影响到井内泡沫携带岩屑时，应立即停止泡沫钻井，用纯空气尽量吹出井内的液体，用储备的泥浆注入井筒，恢复常规钻进。
8认识建议
1元坝10井使用完泡沫钻后，单扶通井起下钻顺利，井底沉沙4米。
2泡沫钻后期出现轻微掉块现象，钻井过程中井壁较为稳定，起下钻顺利，未出现划眼等复杂情况。
井壁稳定剂和防塌剂的有效浓度及配方有待优化。
3泡沫钻钻井过程中，转盘时常憋停，上下活动后或循环5-10分钟后就好转，判断井内沙子不能及时完全携带出来。
4泡沫钻钻井过程中，泡沫基液与空气的混合比例易受到设备的影响，达不到科学性配比，影响井下安全和机械钻速。
5泡沫钻钻井过程中，液相泡沫不连续，是不能连续携砂，造成井下憋钻的原因之一。
（1）元坝10井泡沫钻进应用表明，针对川东北地层特点研究的泡沫配方具有较强的携带和防塌性能，可满足川东北上部地层空气钻井钻遇水层以及大尺寸井眼携水、携岩的泡沫钻井需求；根据地层岩性、钻时等情况，及时调整基液配方和钻井参数，在元坝10井导眼钻进中，携岩较好，井壁稳定，起下钻顺利，取得了良好的应用效果。
（2）红色泥岩对泡沫稳定性有较大的影响，必须加大防塌剂的含量，抑制钻屑中泥质成分的水化速度，防止该段井壁发生掉块、缩径等情况，同时合理调整泡沫钻井参数，维持泡沫气液比在合理的范围内。
（3）气液比对泡沫质量和携岩效果有较大的影响，因此在大尺寸井眼泡沫钻井中，在调整空气排量的同时，应相应调整泡沫基液的排量，并根据排砂口返砂情况，实时调整泡沫气液比。
（4）HX-350型消泡器在元坝10井取得了良好的应用效果，实现了泡沫基液的循环利用，大大降低了泥浆池的容积要求，减轻了基液配置负担，并大幅度降低了材料的消耗，对泡沫钻井技术的大面积推广应用具有重要意义。
1空气泡沫钻井优点
泡沫钻井当量密度可达到0.3-0.8，在地层压力系数高于0.3的地层可用泡沫实现欠平衡钻井。
空气泡沫钻井技术是低密度流体钻井技术之一。
由于气体、泡沫的密度低，因此对地层的回压小，可有效保护油气层，对流体敏感的产层损害最小，在一些低压储层，原先使用常规钻井液钻井见不到油气的地层，使用气体钻井发现了工业性油流和天然气；
空气泡沫钻井时，气（液）柱静压力低于常规钻井液的流体静压力。
由于井内气（液）柱压力对地层孔隙压力小，降低了压持效应。
因此能大幅度提高钻井速度；
用空气泡沫钻井还能在溶洞性或裂缝性地层和漏失性地层钻进，解决钻井液的漏失问题；
失水小有效防止泥页岩吸水膨胀引起的缩颈和坍塌；
用空气泡沫钻井可有效防止井下燃爆；
钻头寿命长，比泥浆可提高寿命20%-30%；
由于负压作用，井底的岩石破碎所需的钻压小，可以轻压吊打达到防斜打快的目的。
6.2空气泡沫钻井的缺点
对井壁支撑力较小，钻井周期过长易引起井壁垮塌；
化学剂成本高；
回收或重复利用成本高（目前四川局可循环泡沫回收率只能达到60-70%）。
.3适合空气泡沫钻井的地层
适用于长页岩井段；
坚硬稳定的地层；
水敏性低压地层；
硬石灰岩层，硬石膏层；
易漏失地层；
裂缝大、碳酸盐溶洞压力又很低，泥浆严重漏失的地层；
低压（原生性）或低压易漏地层；
裂缝型（开度大于100m）储层或裂缝型渗透通道的产层；
高渗（1000毫达西以上）且胶结良好的结晶砂岩和碳酸岩；
与钻井液滤液严重不相容的地层（乳化、沉淀），低束缚水或低含油饱和度的脱水地层；
开发中后期低压枯竭地层。
不适合气体、充气、泡沫钻井的地层
井壁稳定性差，需要足够泥浆密度才能控制井塌的地层，含大量H2S或CO2的产层；
高压油气层；
破碎或松软地层；
空气泡沫钻井成功关键
准确收取地层剖面和岩性特征的数据
地层沉积环境及理化特性，包括地层分类、粘土矿物类型、岩性化学组分及矿化度等；
地层油、气、水压力及空隙压力系数和坍塌压力系数；
地层倾角、岩性特征、断层与断裂，裂缝与空隙、胶结物、溶洞及不整合面；
做好设计，尽量选择坚硬地层，对可能出现的问题做好准备方案；
参数优选，根据不同的井眼及其扩大率选择合理的钻井参数；
设备配置，达到充分携屑能力，并留有余量；
如果用空气，要做好井下燃爆的预防。
9结束语
10参考文献
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