水平井氣體鉆井關鍵技術分析

摘要：目前氣體鉆井技術已在國內外得到廣泛的應用，能夠有效提高鉆井機械鉆速，減少地層漏失，保護油氣儲層等。為了擴大氣體鉆井技術的應用范圍，提高致密砂巖、泥頁巖等非常規低滲透油氣藏的開發效益，將氣體鉆井應用于水平井的開發成為發展的方向。本文調研分析了國內外氣體鉆水平井實例，總結了現有設備的不足，分析了氣體鉆水平井的技術難題，為國內開展相關研究提供了借鑒。

關鍵詞：氣體鉆井；井眼軌跡；隨鉆測量；井下工具

引言

氣體鉆井技術能夠有效提高鉆井機械鉆速，減少地層漏失，保護油氣儲層等。近年來，隨著油氣勘探開發技術的進步，氣體鉆井技術在國內外的應用越來越廣泛。為了提高低滲透油氣藏開發效益，將氣體鉆井應用于水平井鉆井成為未來發展的方向。

自1986年以來國外先后使用氣體鉆井成功鉆成多口水平井，很好地解決了常規鉆進過程中存在的問題，但仍存在著一些問題，主要包括：氣體鉆水平井井眼軌跡控制、隨鉆測量技術、大井斜條件下井眼清潔等。本文針對以上問題，調研分析相關的新技術和新方法，為氣體鉆井在水平井中的應用提供了參考。

1 氣體鉆井地層造斜特性分析

氣體鉆井的循環介質為氣體，井底壓力很小，井底巖石的受力狀態等與常規鉆井不同，這就使得其地層造斜特性與常規鉆井存在很大差異。國內外學者采用多種研究方法分析了氣體鉆井條件下地層的造斜特性，認為：

1）與常規鉆井液鉆井相比，氣體鉆井井底存在的負壓差，放大了傾斜地層上傾和下傾兩側巖石應力的不對稱性，使地層各向異性指數明顯增大，地層的造斜特性增強；

2）相同鉆具組合條件下，氣體鉆井的鉆具降斜力比常規鉆井時有所增加，但增加幅度小于地層造斜力的增加幅度。在相同的地層、相同的鉆具組合條件下，氣體鉆井比常規鉆井更容易發生井斜[1-3]。

2氣體鉆井井眼眼軌跡控制技術

氣體鉆水平井過程中，井筒內的震動容易造成工具故障，因此必須要選擇合適的導向減震系統。

Smith公司研制了可導向氣體鉆井系統，能實現氣體鉆水平井過程中的軌跡控制。該系統包括能不受鉆柱轉動影響的沖擊鉆具（即空氣錘/馬達組合）、井底總成（包括彎接頭、穩定器）和遙測工具。該系統有一個獨特的旋轉機構，能在活塞的兩次沖擊之間4o～5o，迫使活塞轉動，而活塞與鉆頭連接，所以帶動鉆頭呈分度式轉動，并對井眼進行定向控制。

2.1 空氣錘

空氣錘是氣體鉆井中常用的一種破巖工具，其采用沖擊破巖的鉆井方式，與傳統的鉆井方式相比，可以大大提高硬質、研磨性地層的機械鉆速，提高低壓易漏地層的鉆井效率。定向鉆井過程中使用較多的是氣體馬達驅動式空氣錘。

氣體螺桿馬達驅動式空氣錘定向鉆井過程中主要使用常規空氣錘，其解決了自回轉式空氣錘鉆井過程中鉆壓不易控制和空氣錘回轉扭矩增加而引起的輸出功率低的問題，可以保證較高的機械鉆速。但是氣體螺桿馬達驅動式空氣錘定向鉆井技術需要采用低速空氣螺桿鉆具，常規氣體螺桿馬達的轉速較高，達到 80-150r/min，而空氣錘的適用轉速為30-50r/min；同時高轉速增強了空氣錘鉆頭與巖石的剪切力，容易導致鉆頭過早磨損，因此在使用空氣錘時盡量選擇低轉速的氣體螺桿。

圖1 氣體螺桿馬達驅動式空氣錘定向鉆具組合

1-空氣錘；2-空氣錘上接頭；3-彎殼氣體馬達；

4-減震器；5-螺旋穩定器；6-鉆鋌及隨鉆測量裝置。

美國Appalachian 盆地Berea砂巖儲層研磨性強，含有質量分數近80% 的石英質，非側限抗壓強度達到137.8MPa，2009 年以前使用傳統鉆井模式鉆探水平井，機械鉆速低。2009 年后，EQT 公司在該地層使用氣體螺桿馬達驅動式空氣錘定向鉆井技術，共鉆探了37口井，單井鉆探成本可節約30%，應用結果表明，該技術具有較好的適應性，機械鉆速可提高至30 m/h[4-5]。

2.2 氣體螺桿鉆具

氣體螺桿鉆具是用氣體、泡沫等可壓縮流體鉆 及各類特殊工藝井的必需工具，其結構包括：可調彎接頭、馬達、萬向節外殼/總成和軸承總成。

國外從1960年就開始進行氣體螺桿現場測試，Bake Hughes等多家石油公司擁有自己的氣體螺桿產品。其中Bake Hughes具有從最大外徑為?241.3 mm到最小外徑為?79.4 mm等尺寸最為齊全的氣體螺桿馬達系列產品。

國內方面，氣體螺桿鉆具的研究還處于起步階段。2002年，中國石油天然氣集團公司立項研制氣體螺桿鉆具，8月，由北京石油機械廠生產的試驗樣機在蘇里格氣田進行了天然氣驅動螺桿鉆具鉆直井試驗，并獲得初步成功。

2004年7月，中國石油西南油氣田公司在白淺111-H水平井使用K7LZ120×7.0型氣體螺桿鉆具進行氣相欠平衡鉆井，由柴油機尾氣驅動氣體螺桿鉆具帶PDC鉆頭進行鉆進，后因試驗中的尾氣發生裝置出現技術問題而停止，累計進尺僅為23 m。2004年11月，窿14井首次進行了氣體螺桿配合PDC鉆頭的復合鉆井技術試驗，平均機械鉆速到達7.19 m/h。

3 隨鉆測量技術

常規MWD工具是利用鉆井液脈沖將信息從井底傳到地面，而氣體是可壓縮的，無法有效地產生脈沖，因此，在氣體鉆水平井過程中，只能使用電磁波為傳輸載體的EMWD（ELWD）測量系統，進行隨鉆測量、數據傳輸以及實時控制井眼軌跡。EMWD系統的傳輸速度為普通鉆井液脈沖系統的4倍以上，且氣體鉆井鉆進速度較快，因而能大幅度提高水平井的鉆井效率。但氣體鉆井需要提高EMWD工具的抗震性能，近年來，國外多家公司針對以上不足進行了研究。Weatherford公司研制出了Trend-Set電磁隨鉆測量系統，用于解決氣體鉆井中遇到的高沖擊和振動力，并且該工具在井眼的不同井段可以進行鉆井液脈沖測量；該系統電磁波傳送最大井深為3292m，比其它任何電磁MWD都深。

4 配套工藝與技術

4.1 井眼凈化

與常規鉆井類似，氣體鉆水平井也存在井眼清潔的問題。在井斜大于50°時，水平井井段偏心環空存在流速上高下低、分布不均勻的現象，不利于攜巖。而且某些情況下，增大氣量提高大角度井眼偏心環空下步流道的攜巖效果是有限的，可使用減摩接頭、變徑短節、扶正器等抬升鉆柱的方法。

4.2 降阻減摩技術

氣體鉆井過程中井眼摩阻系數一般為0.45，而鉆井液鉆進井眼摩阻系數是0.2-0.35。當鉤載降為0，鉆桿就無法依靠自身重量下到井底，這就限制了氣體鉆水平井水平段的鉆進長度。

常規鉆井過程中，摩阻系數可以由鉆井液潤滑劑來控制，而現在還沒有加入氣體中的降阻劑。霧或泡沫可以增加潤滑性能，但隨著井眼的清潔又會弱化這個效果。

4.3 鉆井參數優化

氣體鉆井過程中只需施加很小的鉆壓就可以進行鉆井作業，但鉆具在氣體中對鉆壓的敏感性更強，因此，為了保證安全鉆進，應在工具脫離井底前，關閉空壓機泄壓，直到立管壓力等于環空壓力為止。

氣體鉆進過程中為了保證攜巖的效果，氣量一定要充足，將正常鉆井時使用的鉆井液排量按一定的系數換算成氣體排量的公式為1 L/min（鉆井液）=30～33 L/min（空氣）。當巖性為泥頁巖、泥質膠結砂巖時，應將計算出的氣量擴大30%～50%；若為碳酸鹽巖、變質巖、火成巖等硬脆地層，擴大70%～100%。同時，氣體鉆井過程中需要穩定的、連續不斷的高壓氣流作為鉆井的動力，必須在鉆井過程中實時監測壓縮氣體的壓力。

結論與建議

（1）氣體鉆井能夠有效提高鉆井機械鉆速，減少地層漏失，保護油氣儲層等，隨著技術的進步，將氣體鉆井應用于水平井鉆井成為未來發展的方向。

（2）氣體鉆水平井仍存在著一些技術瓶頸，如缺乏有效的隨鉆測量工具和導向系統；水平段摩阻限制了氣體鉆水平段的長度；水平井段攜巖效果差，造成巖石重復破碎等。需加強氣體鉆水平井相關配套工具和工藝的研發。

參考文獻：

[1] Martin Culen.Successful Integration of Electronic MWD-LWD Technology Extends UBD Operation Envelope into Severely Depleted Fields.SPE/IADC92617.

[2] Zhou L，Ahmed.R.M，Miska.S.Z.Experimental Study and Modeling of Cuttings Transport with Aerated Mud in Horizontal Wellbore at Simulated Downhole Conditions[J].SPE90038.

[3] Boyun Guo，Miska.S.Z，Volume Requirements for Directional Air Drilling [J].SPE27510.

[4] Shale L.Development of Air Drilling Motor Holds Promise for Specialized Directional Drilling Applications [J].SPE22564.

[5] 孟英峰，練章華.氣體鉆水平井的攜巖CFD數值模擬研究[J].天然氣工業，2005（7）.