空气泡沫钻井技术在川东北地区的应用.docx
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空气泡沫钻井技术在川东北地区的应用
空气泡沫钻井技术在川东北地区的应用
前言
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。
川东北地质构造为陆相、海陆相交互和海相沉积。
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，须家河组石英砂岩硬度达8级，可钻性差，漏层多，中下部地层破碎，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。
下部深层碳酸盐岩气藏普遍存在多产层、多套压力系统、高压、高含硫、裂缝和溶洞发育，漏失严重，钻井风险大。
不仅机械钻速低、钻井周期长，而且极易发生断钻具等井下复杂事故，严重制约了天然气勘探开发进程。
空气泡沫钻井技术为大幅度提高川东北上部地层机械钻速提供了有效的钻探手段，进一步拓宽了技术服务领域。
目前川东北工区共有胜利石油管理局钻井工艺研究院、中原石油勘探局管具工程处、四川石油管理局钻采工艺技术研究院空气钻井公司以及威德福公司等6家气体钻井施工服务单位，具备同时进行12口空气钻井的施工能力。
自去年1月21日开始应用气体钻井技术以来，已相继在普光气田及周边、元坝及通南巴河坝等构造上成功应用，截至今年4月30日，已成功应用40口井，气体钻井进尺82079米，占工区钻井总进尺的40.91%。
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。
一、空气泡沫钻井工艺技术流程
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。
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
二、空气泡沫钻井设备
空气钻井和泡沫钻井对设备配置要求有所不同，但主体配置基本相同，都必须配置空压机和增压机，并要求设备在正常工作状态下能够连续运转，根据井下工艺技术要求选择不同的设备，但空气钻井设备总体要具有100m3/min以上的供气量。
目前四川钻采工艺技术研究院空气钻井公司用于空气、泡沫气体钻井的主要设备为:
①FY400型增压机2台，排气量为80Nm'/min，最高压力为17MPa，由成都天然气压缩机厂制造。
②XRVS976型空压机6台，排气量为27m3/min，最高压力为2.5MPa，阿特拉斯制造.③T100-3雾化泵二台。
④旋转头1台（要有备用），最高工作压力为4.5MPa，由四川石油局广汉钻采设备制造厂制造。
⑤高低压管汇各一套。
四川钻采院空气钻井公司在普光、元坝、清溪区块等提供气体钻井服务设备基本相同，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。
三、泡沫基液的基本性能
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:
①具有很强的抗盐（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。
四、空气泡沫钻井施工
4.1空气泡沫钻井施工工序
空气泡沫钻井与常规的泥浆钻井有所区别，它是直接用空气加泡沫作为钻井循环介质，满足钻井工程作业需要的一种钻井方式。
空气泡沫钻井主要施工工序如下：
4.1.1设备的安装及试压
空气泡沫钻井要严格的按照《空气钻井技术规范》安装，特别要保证井口旋转控制头安装试压合格，旋转头胶芯及时更换确保井口密封，H2S等易燃气体不从井口溢出。
4.1.2钻具组合
空气泡沫钻井与常规钻井液钻井所要求的钻具组合基本相似。
钻头不在安装喷嘴，为了防止回流堵塞钻头水眼，下钻时必须在钻头上部安装一只箭型止回阀，同时在井口附近的钻具上安装一只活瓣式止回阀，以避免接单根时钻柱内大量空气喷到钻台上。
4.1.3气举排液
空气泡沫钻井前，井筒内如果有钻井液，需要把钻井液举升到地面来。
气举排液分为充气排液和分段排液两种，一般多采用分段排液，根据增压机的工作压力确定气举井段的长度（一般600m－900m）。
4.1.4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。
4.1.5试钻
空气泡沫钻井正式钻井前，控制机械钻速进行试钻，观察泡沫携砂情况，并调整气量大小及泡沫含量。
4.1.6空气泡沫钻进
钻井时，要求送钻均匀，并注意立管压力及井下情况，发现立压突然升高、扭矩变化、憋跳严重、上提遇卡等异常情况出现时，应立即停钻，活动钻具，循环观察，及时处理。
4.1.7接单根及起钻
由于空气泡沫悬浮岩屑能力很低，起钻或接单根前必须进行充分循环，将井下钻屑或其它沉积物带到地面。
循环时间长短取决于钻井情况。
4.2工艺要求
4.2.1钻具与钻头
4.2.1.1转盘钻井时，宜选用六方钻杆，方钻杆上下都应装旋塞。
4.2.1.2应采用18°斜台阶钻杆，入井钻具达到API规定的一级钻杆标准。
4.2.1.3定期检查钻具本体、丝扣、台肩及接头的磨损情况，并定期进行探伤。
4.2.1.4在钻柱底部（钻头之上）应接一只止回阀。
4.2.1.5每次下完钻在钻杆顶部（井口附近）接一只旋塞加一只止回阀。
4.2.1.6每钻进200m－300m接一只旋塞加一只止回阀。
4.2.1.7旋转钻井宜使用减震器。
4.2.2井控要求
4.2.2.1在防喷器组合之上安装旋转控制头或旋转防喷器。
4.2.2.2储备钻井液应不少于井眼容积的2倍，钻井液密度按预测的地层压力确定。
4.2.2.3地层有天然气产出时的处理。
4.2.2.3.1应通过排屑管线或节流管线导流，一般不宜关井。
4.2.2.3.2如果排屑管线刺漏，应先关闭半封闸板封井器，并通过节流管汇导流然后再修排屑管。
4.2.2.3.3通过节流管汇导流时，应走中间直通管路而不通过节流阀。
4.2.2.3.4需要压井时宜采用大排量和不控制井口回压的方法压井。
4.2.3钻井方式转换原则
4.2.3.1出水量大于8m3/h，泡沫钻井应转换成常规钻井液钻井方式。
4.2.3.2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。
4.2.3.3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。
4.2.3.4井壁失稳，阻卡严重，应转换成常规钻井液钻井。
4.3空气泡沫钻井技术在川东北地区的现场应用
4.3.1大湾3井空气泡沫钻井施工
4.3.1.1大湾3井概况
根据中国石油化工集团公司南方分公司安排，大湾3井被列为中国石油化工集团公司以气体钻井新技术解决沙溪庙、千佛崖组和自流井组井段钻速低、钻井周期长的重点工程试验井，达到缩短建井周期，降低钻井综合作业成本，安全快速钻穿陆相地层，加快天然气资源的勘探开发速度的目的。
由于该井在一开井段设计为纯空气钻井，一开钻进至井深70.95米（进尺：
13.64米）后地层出水，钻时变慢，钻头泥包，转换为空气泡沫钻井。
（1）构造位置:
四川盆地川东断褶带大湾——雷音铺背斜带大湾构造
（2）地理位置：
四川省宣汉县普光镇灯笼村12组
（3）地面海拔：
429m
4.3.1.2空气泡沫钻井井段：
70.95～740.41m进尺：
669.46m
地层：
上沙溪庙组，岩性主要为棕、棕紫色、绿灰色岩屑长石石英砂岩，上部夹紫红色泥岩与粉砂质泥岩，泥岩通常含钙质团块。
底部泥岩或砂岩与下伏下沙溪庙组顶部深灰、灰黑色叶肢介页岩整合接触。
4.3.1.3钻具组合：
（1）Ф444．5mm钻头+Ф279.4mm钻铤×3根+单流阀+Ф228.6mm随钻震击器+Ф228.6mm钻铤×4根+Ф139.7mm钻杆+方保+下旋塞+方钻杆
（2）Ф444.5mm钻头+Ф279.4mm钻铤×3根+单流阀+Ф228.6mm双向减震器+Ф228.6mm钻铤×7根+Ф203.2mm钻铤×5根+Ф177.8mm钻铤×5根++Ф139.7mm钻杆+止回阀+Ф139.7mm钻杆+方保+下旋塞+方钻杆
4.3.1.4钻井参数及时效分析
钻压:
50～80KN转速:
70rpm
气量:
54～110m3/min立压:
0.9~1.7MPa
纯钻时间：
254.65h平均机械钻速：
2.63m/h
由于该井在高陡构造、大倾角和片理发育的地层中施工，防斜打直难度大，一般的做法是采取塔式钻具组合防斜，钟摆钻具组合防斜纠斜。
但对于这口井井身质量要求严格，水平位移在井深2000m时不超过20m。
而在井深329m时，井斜1.4°，相当于水平位移8.04m。
从这口井来说，采取低钻压吊打比较成功，却牺牲了机械钻速。
出现井斜增大主要是因为地层因素，而钻压没有太大影响。
从测斜数据可以看出在329m之后的钻进中，虽然钻压加到了140KN，但在测深491.5m时，井斜只有0.1°。
4.3.1.5测斜情况
表4-1大湾3井泡沫钻井段测斜记录
序号
测深（m）
井斜（°）
测斜方式
测斜时间
1
113.76
0.4
单点测斜
07.4.3
2
160
0.4
单点测斜
07.4.4
3
276.2
1.2
单点测斜
07.4.6
4
311
1.2
单点测斜
07.4.6
5
329
1.4
单点测斜
07.4.7
6
348.48
1.1
单点测斜
07.4.8
7
395.5
0.7
单点测斜
07.4.9
8
496.51
0.1
单点测斜
07.4.10
4.3.1.6钻头使用
表4-2大湾3井泡沫钻井钻头使用情况统计
序
号
规格型号（mm）
钻达
层位
井段
（m）
进尺
（m）
纯钻
（h）
机械钻速
（m/h）
磨损情况
1
444.5×ST537GK
沙溪庙
70.95-117.03
46.08
40:
00
1.15
轴承基本完好，外径磨小2mm，牙齿完好
2
444.5×ST537GK
沙溪庙
117.03-310.74
193.71
57:
20
3.37
轴承基本完好，外径磨小1.7mm，牙齿完好
3
444.5×ST537GK
沙溪庙
310.74-424.74
114
72:
45
1.57
轴承基本完好，外径磨小2.3mm，牙齿完好
4
444.5×ST537GK
沙溪庙
424.74-630.54
205.80
39:
40
5.19
轴承基本完好，外径磨小2mm，牙齿掉13颗
5
444.5×ST537GK
沙溪庙
630.54-740.41
109.87
45:
25
2.41
轴承基本完好，外径磨小2mm，牙齿完好
地层硬度高对钻头的磨损比较严重，钻头使用寿命短。
钻压低进尺少，钻压高了会引起跳钻现象发生且可能造成井斜增大。
因此在高研磨性地层中，应选择牙齿齿形、刚度和保径效果好的钻头。
延长钻头使用寿命，减少起下钻时间。
4.3.1.7应用效果
大湾3井是因为地层出水后由纯空气钻井转换为空气泡沫钻井的，机械钻速比纯空气要慢10－20％，由于井斜的影响控制了钻进钻压，机械钻速不是很理想，但还是比临井泥浆钻井要快5-8倍，除了获得较快的机械钻速的同时还确保了井身质量的达标，这是泥浆钻井无法达到的效果。
4.3.2清溪2井泡沫钻井施工
4.3.2.1清溪2井概况
清溪2井位于四川省宣汉县清溪镇白鹤村6组，构造上处于四川盆地川东断褶带清溪场构造西北翼。
设计井深：
4775m，以嘉陵江组、飞仙关组为目的层，兼探陆相层系。
完钻层位：
飞三段。
完钻原则：
进入飞仙关组三段100m无储层、无油气显示完钻。
一开设计为空气钻井，由204.2米（导管深度）钻进至254.64米，由于地层出水转换为空气泡沫钻井。
4.3.2.2空气泡沫钻井井段：
253.64～1311.74m进尺：
1058.10m
地层：
上沙溪庙组，岩性主要为棕、棕紫色、绿灰色岩屑长石石英砂岩，上部夹紫红色泥岩与粉砂质泥岩，泥岩通常含钙质团块。
底部泥岩或砂岩与下伏下沙溪庙组顶部深灰、灰黑色叶肢介页岩整合接触。
4.3.2.3钻具组合：
Φ444.5mmST517GK+浮阀+Φ230mm减震器+Φ279mmDC×3根+Φ228.6mmDC×3根+Φ203.2mm×6根+Φ139.7mmDP×6根+Φ127mmDP+旋塞+回压阀+Φ127mmDP+方保+旋塞+方钻杆
4.3.2.4钻井参数及时效分析
钻压：
120～150KN转速：
60~65rpm
气量：
70～90m3/min立压：
1.8～2.0Mpa
Φ444.5mm井眼空气泡沫钻井井段：
253.64～1311.74m，总进尺1058.10m，纯钻225.3h，平均机械钻速4.70m/h。
4.3.2.5测斜情况
表4-3清溪2井泡沫钻井段测斜记录
序号
测深（m）
井斜（°）
日期
1
80.00
0.50
2007.05.14
2
166.00
0.75
2007.05.17
3
317.54
0.75
2007.05.31
4
695.00
1.00
2007.06.04
5
1259.32
2.70
2007.06.12
4.3.2.6钻头使用
表4-4清溪2井泡沫钻井钻头使用情况统计
序
号
规格型号
（mm）
井段
（m）
进尺
（m）
钻达
层位
纯钻
（h）
机械钻速
（m/h）
磨损情况
1
444.5×
ST517GK
253.64～479.47
225.83
上沙溪庙
51.2
4.41
钻头外径磨小3mm，牙齿轻微磨损，轴承基本完好，新度90%
2
444.5×
ST517GK
479.47～829.68
350.21
上沙溪庙
90.1
3.89
钻头径磨小4mm，牙齿磨损严重有断裂齿，轴承无松动，新度75%
3
444.5×
ST537GK
829.68～1311.74
482.06
上沙溪庙
84
5.74
钻头外径磨小3mm，牙齿磨损⅔，轴承无松动，新度80%
地层硬度高，尤其砂岩地层对钻头的外径磨损比较严重，钻头使用寿命与所钻地层岩性有很大关系。
因此在高研磨性地层中，应选择牙齿齿形、刚度特别是保径齿要好的钻头，延长钻头使用寿命，减少起下钻时间。
4.3.2.7应用效果
清溪2井从井深253.64米开始泡沫钻进，钻到井深1311.74米，钻进进尺1058.10米，共计12天19小时，创造了空气泡沫钻井在该地区的最深进尺。
纯钻225.3h，平均机械钻速5.74m/h，是转换泥浆钻井后机械钻速（0.57m/h）的10倍，当然小钻压钻进保证了井身质量控制在允许范围之内。
五、空气泡沫钻井的技术要点
5.1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。
5.2井斜控制
空气泡沫钻井井斜控制难度非常大，井斜控制技术在国外尚未有较深入的研究，我国在气体钻井控制井斜方法上，主要是采用轻压吊打等牺牲机械钻速的方法。
我们分析，造成井斜的原因除了地质因素外主要有：
①空气泡沫钻井工具造斜规律不清楚，空气锤、空气螺杆等工具还未使用于泡沫钻井。
②在井斜存在的情况下，钻具靠在下井壁上，造成下井壁的空气流动速度减慢，下井壁的钻屑无法及时被带走，将钻头“垫”向上井壁，造成井斜越来越大。
③高流速气体冲刷井壁，井径扩大严重，稳定器不起作用。
5.3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。
清溪2井井口、转盘、大钩偏离8cm，造成了更换旋转控制头胶芯频繁，共使用胶芯7只。
5.4泡沫钻井后续工艺技术
空气泡沫钻井完钻后，后续工艺显得尤为重要，直接影响下部井段的安全钻井，最简单也是最有效的方法是下入套管封隔。
如需要在同一裸眼段进行气体钻井和常规钻井时，必须应严格控制钻井液滤失量和防塌护壁能力。
转换成常规钻井后必须坚持划眼和通井，直至井眼畅通无阻才能恢复钻进。
六、空气泡沫钻井的优势及应用前景
6.1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。
6.1.1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；
6.1.2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；
6.1.3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；
6.1.4失水小有效防止泥页岩吸水膨胀引起的缩颈和坍塌；
6.1.5用空气泡沫钻井可有效防止井下燃爆；
6.1.6钻头寿命长，比泥浆可提高寿命20%-30%；
6.1.7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
6.2.1对井壁支撑力较小，钻井周期过长易引起井壁垮塌；
6.2.2化学剂成本高；
6.2.3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%）。
6.3适合空气泡沫钻井的地层
6.3.1适用于长页岩井段；
6.3.2坚硬稳定的地层；
6.3.3水敏性低压地层；
6.3.4硬石灰岩层，硬石膏层；
6.3.5易漏失地层；
6.3.6裂缝大、碳酸盐溶洞压力又很低，泥浆严重漏失的地层；
6.3.7低压（原生性）或低压易漏地层；
6.3.8裂缝型（开度大于100m）储层或裂缝型渗透通道的产层；
6.3.9高渗（1000毫达西以上）且胶结良好的结晶砂岩和碳酸岩；
6.3.10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；
6.3.11开发中后期低压枯竭地层。
6.4不适合气体、充气、泡沫钻井的地层
6.4.1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；
6.4.2高压油气层；
6.4.3破碎或松软地层；
6.5空气泡沫钻井成功关键
6.5.1准确收取地层剖面和岩性特征的数据
6.4.1.1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；
6.4.1.2地层油、气、水压力及空隙压力系数和坍塌压力系数；
6.4.1.3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；
6.4.2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；
6.4.3参数优选，根据不同的井眼及其扩大率选择合理的钻井参数；
6.4.4设备配置，达到充分携屑能力，并留有余量；
6.4.5如果用空气，要做好井下燃爆的预防。
七、认识与建议
7.1空气泡沫钻井对出水地层适应性差，应结合井身结构、地层优选等手段尽量避开水层。
7.2空气泡沫钻井技术应用前的论证和区域、井位的选择、储层特征分析、设备配套等至关重要，直接影响到气体钻井施工的成败及其优势的发挥。
7.3空气泡沫钻井在小钻压下能有效地提高机械钻速，为难钻地层提高钻井速度提供了一条有效的新途径。
7.4空气泡沫钻井能否使用空气锤、空气螺杆等气体钻井工具有待于进一步研究和现场试验。
7.5在没有新的井身质量控制方法之前，高陡构造泡沫钻井控制井斜与提高钻速矛盾突出，目前只能采取轻压吊打等牺牲机械钻速的方法来解决。
7.6空气泡沫钻井技术对储层伤害小，非常有利于提高低压、低渗储层的油气层发现和成倍的增加单井产量。
7.7空气泡沫钻井技术可进一步与水平井、大斜度井、套管开窗侧钻井等技术结合，在裂缝性储层、稠油油藏、浅层气、煤层气及老井等的勘探开发中推广应用。
7.8空气泡沫钻井成本较高，主要表现在进口的气体发生设备和井口压力控制等气体钻井专用设备上，应进一步将其国产化、产业化，以利于气体钻井的进一步推广应用。
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