新疆輪臺126井混合氣相流態鉆井技術應用

魯立強

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司，北京100101）

新疆輪臺126井混合氣相流態鉆井技術應用

魯立強*

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司，北京100101）

某鉆井公司在某油田126井地層產水速度最高70m3/h的情況下，成功在?311.2mm井眼3900～5000m礫石層井段實施混合流態鉆井技術。突破了霧化鉆井或者泡沫鉆井技術對于施工條件（地層產水量、注氣量、井深、地層流體溫度對于基液性能的影響程度等）的限制，克服了增壓機壓力級別不能滿足實施深井充氣鉆井技術的難題，實現了合理利用環空混合流態鉆井技術進行施工。

混合氣相流態鉆井；霧化鉆井；泡沫鉆井；充氣鉆井

近年來，氣體鉆井技術在國內發展迅速，應用規模、領域逐漸擴大，工藝體系逐漸完善。一度困擾氣體鉆井技術的問題主要是地層出水，現已可通過霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井技術起到一定程度緩解。由于以上幾種鉆井工藝均是井眼環空中僅有單一流態存在，在實際施工過程中存在一定的問題。

在新疆輪臺126井3900～5000m井段鉆遇水層，常規的單一流態鉆井工藝無法實施，在通過技術可行性分析論證的基礎上，嘗試使用多種混合氣相流態鉆井技術進行鉆井，安全順利地完成了該層段的施工，取得了良好的效果。

1　工程設計

輪臺126井位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構造帶，該井為預探井，井型為直井，設計井深6230m（垂深），設計為四開井，井身結構如圖1所示。

圖1　井身結構設計圖

該井目的層為白堊系巴什基奇克組，完鉆層位是白堊系巴西改組，完鉆原則為進入巴西改組50m無油氣顯示完鉆。鉆探目的：確定氣藏類型及含氣規模，為后續探明儲量作準備，搞清白堊系巴什基奇克組儲層縱橫向變化情況，為構造建模、速度場研究及圈閉精細描述提供參考依據。

根據鉆井情況及地震資料預測，126井自上而下將鉆揭的地層有新近系庫車組（N2k）、康村組（N1-2k）、吉迪克組（N1j），古近系蘇維依組（E2-3s）、庫姆格列木群（E1-2Km）、中生界白堊系巴什基奇克組（K1bs）、巴西蓋組（K1bx），其中該井在白堊系巴什基奇克組（K1bs）可能缺失第一巖性段，白堊系中上統在庫車坳陷整體缺失，如表1所示。新近系庫車組（N2k）厚約3860m，上部巖性為灰色礫巖與褐色泥巖略等厚互層，中下部為厚層狀褐灰色含礫砂巖、中細砂巖、細砂巖與略等厚的褐色、灰褐色、黃褐色泥巖、粉砂質泥巖互層。康村組（N1-2k）在3860～5000m層段，厚約1140m，巖性特征為中厚—巨厚層狀褐色泥巖與薄—厚層狀淺灰、灰白色粉砂巖和泥質粉砂巖呈不等厚—略等厚互層。

表1　輪臺126井地層巖性表

2　霧化鉆井施工難點

輪臺126井設計在3900～5000m的?311.2mm井眼段實施霧化鉆井，目的是提高礫石層段機械鉆速，縮短鉆井周期。表2為本井霧化鉆井參數模擬情況，井深超過4000m、地層產水速度超過12m3/h后，現場設備額定供氣量將無法實現井眼環空全部霧狀流態（氣相氣體含量低于97%），井筒會出現段塞流。

表2　霧化鉆井參數模擬表

本井氣舉過程中即發現地層產水，霧化鉆進至井深4200m后，地層產水速度逐漸增大至60m3/h，且為密度1.17g/cm3的鹽水。霧化鉆井存在下列難點：

（1）氣舉時間長，壓力波動大。如圖2所示，第一次下鉆氣舉歷時24h，最高立管壓力13.7MPa。

（2）接單根后，重新建立循環需要較長時間，期間立管壓力波動大，峰值接近14MPa，從開始注氣到恢復鉆進需要3h左右，如圖3所示，同時霧化鉆進過程中出口連續性較差，頻繁出現斷流。

這種情況下，霧化鉆井純鉆時效極低，無法充分展現其提速優勢，同時地面供氣設備長時間接近額定功率運行，不能保證氣源的穩定和連續。如果執行原霧化鉆井施工設計，必須立即結束霧化鉆井替入鉆井液，導致前期為實施霧化鉆井而投入的大量時間和資金都將為零。

圖2　工藝氣舉圖

圖3　霧化鉆進接單根后建立循環壓力變化圖

3　混合氣相流態鉆井技術分析

霧化鉆井要求施工過程中井眼環空最低氣體體積含量超過97%，氣相為連續相。國內主要運用在上部地層的大尺寸井眼段，霧化鉆井最深不超過2000m。由于其具有環空低液相體積含量、高返速的特點，因此傳統理論認為霧化鉆井不適用于井眼較深、地層產水速度超過3m3/h的情況。

泡沫鉆井實施中要求井底的最低氣體體積含量超過55%，井口的最低氣體體積含量低于97%，環空中氣相為分散相、液相為連續相。通過氣泡之間的相互作用夾持液滴和巖屑，在較低返速下有良好的攜帶能力。缺點是在隨著地層產水速度增加，或者由于含鹽量、井下溫度增加，泡沫穩定性易受影響。

充氣鉆井是指鉆井時將一定量的可壓縮氣體通過充氣設備注入到液相鉆井液中作為循環介質的鉆井工藝，常用注入氣體主要是空氣和氮氣。其優點在于可將鉆井液密度降低至0.8以下，并可在比較大的范圍內快速調節，以此達到治理井漏、提速、發現和保護儲層的目的，但是目前國內充氣鉆井的井深一般在3000m以內，因為超過此井深后，實現充氣需要的注入壓力較高，增壓設備普遍達不到要求，且提速效果不明顯。

根據126井實鉆情況分析，無法采用傳統的霧化鉆井、泡沫鉆井或者充氣鉆井之一的單一鉆井方式實現對本井?311.2mm井眼礫石段提速的目的，現有的氣體鉆井工藝必須進一步改進、完善。經過討論研究和分析認為，126井實施氣體鉆井的關鍵不是強制建立環空全段霧化狀的單一流態，而是建立環空相對穩定的流態，即特定井段的流態穩定，不易發生流型轉變。如立管壓力穩定、出口返出連續，即可認為環空處于相對穩定的流態。

首先給定一個初始注氣量、注液量，結合環境壓力、溫度等參數，按照霧化鉆井模型由出口向井底計算不同井深流動參數；當氣相體積含量低于97%后，轉為泡沫鉆井模型繼續向井底計算；當氣相體積含量低于55%后，再轉為充氣鉆井模型，然后結合實際的循環立管壓力值，對注氣量、注液量進行修正，重新循環計算，最終當計算立管壓力與實際循環壓力相當時，選擇此時注氣量、注液量作為施工參數。按照前述分析，此時環空中任意位置的流態均不宜發生轉變，如圖4所示（注氣量300m3/min，注液量10L/s，地層產水速度69m3/h）。由于此時環空中霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井3種狀態同時存在，因此將按此參數施工的氣體鉆井工藝稱為“混合氣相流態鉆井”。

圖4　126井井筒流態分布情況

4　混合氣相流態鉆井技術實施情況

現場通過不斷調整泥漿泵排量、注氣量循環，最終確定注氣量330～360m3/min、泥漿泵泵沖30spm以上，立管壓力波動微弱，且出口連續返出，如圖5所示。

圖5　變排量循環確定最佳施工參數圖

按照以上參數實施混合氣相流態鉆井工藝，獲得了良好的攜砂巖能力，并取得較高的機械鉆速，同時解決了接單根后建立循環時間長、施工期間壓力波動大、設備負荷高的問題，如圖6所示，接單根后10min即可建立循環開始鉆進，立管壓力控制在9MPa以內。

圖6　混合氣相流態鉆進接單根后建立循環壓力變化圖

隨后換鉆頭下鉆氣舉時沿用混合流態氣體鉆進時的施工參數也取得了良好的效果，氣舉時間縮短至7h，如圖7所示，對比圖1，立管壓力相對平穩。

輪臺126井混合充氣鉆井作業13d，總進尺1100m，平均機械鉆速6.60m/h，實現了礫石層段提速的目的。更為重要的是，創新使用氣體混合流態鉆井技術，在產水速度超過60m3/h，峰值70m3/h的情況下，安全順利地完成了3900～5000m井段的充氣鉆井作業。

圖7　混合氣相流態鉆井氣舉參數圖

5　結論及建議

（1）使用氣液兩相作為循環介質進行充氣鉆井的關鍵是在滿足攜巖、攜水能力的前提下，確保環空中特定井段的流態穩定，不易發生流型轉變，不必追求從井底到井口保持同一流型；

（2）混合氣相流態氣體鉆井技術是目前在深井、高地層產水速度條件下實施充氣鉆井最有效的方法；

（3）126井進行混合氣相流態鉆井的施工參數在傳統的充氣鉆井設計軟件中無法模擬計算，既說明了目前充氣鉆井專業軟件的局限性，同時也說明了混合氣相流態同存理論的復雜性，建議深入多相流的研究，為今后深井充氣鉆井設計提供可靠的理論依據。

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TE24

B

1004-5716（2016）08-0049-04

2015-08-05

2015-08-11

魯立強（1980-），男（漢族），山東鄆城人，工程師，現從事欠平衡鉆井技術研究與項目管理等工作。