氣體鉆井井筒常見復雜及技術對策探討

劉應民，楊 剛，劉永偉，初 毅

（中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

氣體鉆井井筒常見復雜及技術對策探討

劉應民*，楊 剛，劉永偉，初 毅

（中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

氣體鉆井是利用氣體代替鉆井液作為循環流動介質進行的鉆井作業，氣體鉆井的優點有機械鉆速高、有效保護和發現油氣層、防止井漏和粘附卡鉆等，同時，因其具有密度低、粘度低、環空流速高、對井筒施加的壓力低等特性，實施過程中易出現鉆具阻卡、地層流體侵入等復雜；通過淺析氣體鉆井井筒常見復雜發生的原因，提出了相應的技術對策。

氣體鉆井；鉆具阻卡；地層出水；氣液轉換

氣體鉆井包括純空氣、惰性氣體和柴油機尾氣鉆井，屬欠平衡鉆井的分支，主要應用于低壓低滲地層的勘探開發；氣體鉆井實施前，通常要根據目標井區域地質資料、鄰井實鉆工程及地質資料對其實施可行性進行評估，評估的內容主要包括鉆井井段井壁穩定性分析、地層油氣水及有害氣體分布、井筒氣液轉換安全性等，而可行性評價重點參考的是鄰井常規鉆井的鉆完井、測錄井資料，因氣體鉆井密度低、粘度低、環空流速高、對井筒施加的壓力低等特性有別于常規鉆井，故通過可行性評價具備實施氣體鉆井條件的井，在實鉆過程中也易遭遇鉆具阻卡、地層流體侵入等井筒風險，因此根據實鉆動態及時分析判斷井筒狀況并做出相應的技術對策，才能有效解決井筒復雜，杜絕事故的發生，提高氣體鉆井的成功率。

1 有關鉆具阻卡的問題

除井口落物掉入井筒形成鉆具硬阻卡外，導致氣體鉆井鉆具阻卡甚至卡死的原因大致可以分為井眼圍巖單純力學失穩、地層出水及鉆井氣量或循環時間不足3類，此3類鉆具阻卡發生的原因及地面參數變化各有差異，及時準確地分析判斷阻卡原因，并采取相應的技術對策，是有效控制、處理鉆具阻卡，防止發生卡鉆事故的關鍵。

1.1 井眼圍巖力學失穩

地層鉆開后，巖石的力學平衡狀態被打破，最大水平地應力、最小水平地應力將以外載的方式與上覆地層壓力和氣柱壓力共同作用于井眼圍巖而重新應力集中，由于地層中2個水平地應力大小不等及氣柱壓力很低的原因，隨著時間的推移，井眼將縮徑并逐步變為一個橢圓形；從宏觀上看鉆揭的裸眼井段，當井眼圍巖應力集中過程中，在地層巖石膠結較差的破碎帶、層間接觸面及巖石強度相對較低的鹽膏巖等地層會產生剪切破壞，導致井壁掉塊，甚至井眼局部垮塌的風險，造成井眼異常擴徑；氣體鉆井時，地面表現為上提鉆具遇卡、下放鉆具遇阻且下放不到底、立壓波動上升、轉盤扭矩增加及返出流體束撞擊排砂管線的聲音間歇性減弱或中斷，嚴重者可致鉆具卡死。

1.2 地層出水

氣體鉆井地層少量出水時，水沿井壁含泥質成分的微裂縫，尤其是泥頁巖的微裂縫侵入，并由于毛管力的存在產生滲析作用，使井眼圍巖吸水膨脹，造成地層的孔隙壓力增大，致使井眼圍巖的應力分布改變，從而降低了井壁巖石的強度，導致坍塌應力上升，隨著泥質掉塊的增加，井眼局部擴大，泥質成分將與水及巖屑混合形成泥餅環，造成泥包鉆具，影響環空通暢，導致攜巖困難；地面表現為活動鉆具阻卡、立壓升高、轉盤扭矩增大，返出流體束不連續甚至斷流，可見霧狀、液滴等現象，若不及時處置，易造成卡鉆事故。地層大流量出水時，由于井壁沒有泥餅的保護，侵入的地層水直接浸泡井眼圍巖，易導致井壁垮塌卡鉆，地面最明顯的表現是立壓快速升高、扭矩異常增大、排砂口突然失返。

1.3 氣量或循環時間不足

氣體鉆井過程中，由于井眼圍巖重新應力集中及高返速環空流體對井壁的沖刷作用，鉆揭的裸眼井段將不可避免地出現井壁掉塊現象，鉆進時形成的大顆粒巖屑與井壁掉塊回落至井底重復破碎后上返，將使環空巖屑濃度縱向上分布不均；若氣量不足，或劃眼接單根前循環不充分，巖屑將回落至井底或大尺寸鉆具與井壁接觸處堆積，形成沉砂或橋塞卡鉆的風險；氣體鉆井時，地面表現為，相同地層巖性和參數條件下，機械鉆速降低、立壓連續波動、返出流體束含砂量不穩定，接單根上提鉆具懸重上升、下放不到底等現象。

1.4 鉆具阻卡的預防處置措施

氣體鉆井施工前，根據實施步驟要求首先進行可行性評價，參考區域地質資料與鄰井鉆完井資料對擬鉆井井段的井眼穩定性、地層水存在可能性及產量進行初步評估，針對風險高的井段，形成鉆具阻卡的預防處置措施，并在實鉆過程中及時發現異常，準確判斷原因并采取相應的技術對策，避免發生卡鉆事故。

（1）實施氣體鉆井時，建議使用牙輪鉆頭，采用光鉆鋌或特制扶正器鉆具組合，低壓吊打，合理控制鉆進速度，以方便預防和處理鉆具阻卡；當鉆具發生阻卡時，應立即停止鉆進，保持注氣循環、上下活動鉆具，根據上述地面反映情況，準確判斷阻卡原因。

（2）若為單純的井眼圍巖力學失穩，則增大注氣量循環，如果增大注氣量能滿足安全鉆井要求，則繼續進行氣體鉆井；若增大注氣量不能滿足安全鉆井的要求，則立即停止氣體鉆井，關閉進氣閘閥，將鉆柱起至技術套管內靜置2h以上。靜置后下鉆探明井眼狀況，下放鉆具遇阻，則增大氣量注氣劃眼，劃眼采取“進一退二”的原則，防止卡鉆；若能安全探至井底，則保持循環30min以上繼續實施鉆進作業，鉆進過程始終堅持“進一退二”的原則；若探底作業證明井筒狀況不能滿足氣體安全鉆井的要求，則終止氣體鉆井，轉換為常規泥漿鉆井。

（3）若地層出水量小導致環空攜巖困難，則增大注氣量上下活動鉆具，循環觀察；若泥餅環已導致環空阻卡，返出流體束流量減小，則上下活動鉆具并震擊鉆柱，必要時可采取環空憋壓的方式迫使環空通暢；處理正常后，若判斷地層水產量小于5m3/h，則轉換為霧化鉆井，霧化鉆井時應在注入流體中適量加入抑制劑與穩定劑，以提升井眼穩定性；若地層出水量大于5m3/h，則轉換為常規泥漿鉆井。

（4）高機械鉆速、井壁正常掉塊形成環空巖屑濃度增加而導致鉆具阻卡時，應適量增大注氣量鉆進，降低鉆進速度，接單根前充分循環劃眼，防止井底沉砂。

2 地層氣體侵入及對策

由于氣體鉆井對井筒施加的壓力低，鉆揭的地層中一旦含有天然氣、硫化氫等氣體時，將立即侵入井筒混入返出流體中。空氣鉆井條件下，天然氣與空氣混合后濃度介于5%～15%易發生井下燃爆事故；硫化氫等有毒有害氣體返出地面后，會導致人生傷害和環境污染事件的發生。

預防處置地層氣體侵入的對策：

（1）采用防爆的綜合錄井儀，綜合錄井儀配備有能連續檢測全烴含量、烴組分的氣相色譜儀和二氧化碳儀；安裝氣體鉆燃爆氣體監控儀，提供CH4、CO、CO2、H2S、SO2、O2、H2等氣體監測，為井下燃爆監控提供有力數據支持。

（2）空氣鉆井時，當1%≤全烴≤3%，注氣壓力沒有變化，立即停止鉆進，上提方鉆桿，在返出口試點火，并加大注氣量循環觀察。如果全烴含量短暫升高后迅速降低，可恢復空氣鉆進；如果全烴含量降到1%以下，實施控制鉆時鉆進；如果全烴含量在20min內持續超過3%，則轉為惰性氣體鉆井（如氮氣鉆進）；如果地層出氣量影響惰性氣體鉆井安全作業時，則轉為泥漿鉆進；若全烴含量迅速上升至燃爆極限，則實施關井作業，并會同各方商議下步處理方案。

（3）按油田井控細則及氣體鉆井技術規范要求，配置安裝足夠的固定式H2S檢測儀，現場24h連續監測硫化氫濃度，監測儀探頭置于現場硫化氫易泄漏區域，且在H2S易聚集區域安裝排風扇；同時現場每班每人都要配帶便攜式硫化氫監測儀，用來監測工作區域硫化氫的泄漏和濃度變化。當檢測到H2S濃度大于10ppm時，立即啟動應急預案，作業人員迅速佩戴防護裝備，保持注氣循環觀察，在返出口點長明火，若濃度下降則繼續實施氣體鉆井，并加密對H2S的跟蹤檢測；若H2S濃度大于20ppm時，則立即關井，終止氣體鉆井作業，轉換為常規泥漿鉆井。

3 氣液轉換條件及措施

氣體鉆井轉換為常規泥漿鉆井的原則為：①地層出水量大于5m3/h。②空氣鉆井返出氣體中全烴含量連續超過3%，且井下連續發生2次燃爆。③純空氣轉換為惰性氣體鉆井后，天然氣產出量影響鉆井安全。④返出氣流中H2S含量持續超過20ppm。⑤扭矩、摩阻突然增大或起下鉆困難影響鉆井安全。⑥井斜大于井眼軌跡對井斜要求且糾斜效果差。⑦鉆完進尺，需轉換為常規泥漿介質進行完井作業。 井筒置換為泥漿的首要目標是壓力平衡和井眼穩定，應根據實鉆地層情況，調整合理的泥漿密度和性能，并確定是否在置換泥漿中加入堵漏劑等材料，在井下情況允許的條件下，可先起鉆，后下入光鉆桿進行鉆井液的置換。

（1）置換泥漿必須具有強抑制性、較好的封堵能力和良好的流變性。要求泥漿失水量應盡量低，嚴格控制膨潤土和固相的含量，以利于形成薄而韌的泥餅，達到維護井壁穩定的目的；視地層可能漏失的機理和程度，加入適量的封堵粒子或堵漏材料。

（2）在泥漿體系密度及相關性能與地層配伍的情況下，采取直接注入法實施氣液轉換。將鉆具置于上層套管鞋以下10m左右，以設計排量的50%從鉆桿內注入泥漿，以盡可能消除溫度效應及大排量下激動壓力帶來的井壁失穩問題，泥漿充滿裸眼井段后，以正常排量注入井筒直至返出地面，靜置觀察，判斷是否有井漏或溢流。

（3）下牙輪鉆頭探底，嚴格控制下鉆速度，以利于判斷井眼穩定性，如遇鉆具阻卡，應及時開泵劃眼。

4 認識及建議

（1）通過可行性評價確定氣體鉆井實施井段存在的風險，并制定針對性的指導措施，同時實施過程及時發現異常并采取相適應的技術對策，均是保證氣體鉆井成功，避免發生鉆井事故的重要法寶。

（2）為減少鉆具阻卡，加強井筒遭遇復雜后的處理能力，本文提出了在氣體鉆進時使用牙輪鉆頭、光鉆鋌或特制扶正器的鉆具組合，以及氣液轉換后用牙輪鉆頭探底的對策。

（3）氣體鉆井在巖屑錄井、氣體采集、巖性確定、工程異常預報等方面與泥漿鉆井有很大差別，為達到氣體鉆井準確判斷地層巖性、地層油氣水及有毒有害氣體分布及含量的目的，建議加大氣體鉆井一體化錄井的研究與應用。

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TE224

B

1004-5716(2016)12-0012-03

2016-02-16

2016-02-17

劉應民（1982-），男（漢族），四川敘永人，工程師，現從事欠平衡鉆井系列技術研究與推廣工作。