氣基流體鉆井裝備配套技術

劉偉陳若銘楊剛孫亞平宗澤斌程爽

1.西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術研究院；2.中國石油天然氣管道局設計院

氣基流體鉆井裝備配套技術

劉偉1陳若銘1楊剛1孫亞平1宗澤斌1程爽2

1.西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術研究院；2.中國石油天然氣管道局設計院

引用格式：劉偉，陳若銘，楊剛，孫亞平，宗澤斌，程爽. 氣基流體鉆井裝備配套技術［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）：432-437.

氣基流體鉆井在提高機械鉆速、防漏止漏、發現及保護油氣藏等方面的應用越來越廣。實踐表明，性能優良、應用可靠、配套科學的設備、裝置及工具是氣基流體鉆井順利實施的基礎。對該項技術所需的鉆井動力設備及裝置、井口控制設備及裝置、相關入井工具的性能、原理、特點及現場應用要求進行了探討及介紹。對空氣鉆井、氮氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井及充氣鉆井液鉆井現場所需的設備、裝置及儀器的擺放安置、規劃布局、配套要求等分別進行了闡述及分析。最后，對氣基流體鉆井裝備配套的發展提出了認識及建議。

氣基流體鉆井；裝備配套；動力設備；井口控制設備；入井工具

氣基流體鉆井是應用純氣體或氣液混合物作為循環介質的鉆井技術，包括空氣鉆井、氮氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井及充氣鉆井液鉆井等［1-2］。該項技術最初是針對堅硬難鉆地層和漏失嚴重地層而嘗試使用的一項鉆井技術，后來在油氣層保護中亦得到了較好應用，被公認為是縮短鉆井周期、降低鉆井成本和解放油氣層的一項實用技術?，F已廣泛應用于低壓、枯竭、水敏、低滲、可鉆性差及易漏失地層。另外，氣基流體鉆井還可應用于氣舉、洗井和油氣增產作業中。

氣基流體鉆井技術的實施必須依托性能優良的設備來支撐，其配套裝備由動力設備及裝置、井口控制設備及裝置、配套入井工具三部分組成。目前，氣基流體鉆井動力設備還未完全實現國產化，發動機等主要配件還需依賴進口。西部鉆探鉆井工程技術研究院分別于1987年、2004年、2012年相繼購置多套氣基流體鉆井裝備，在設備、管匯、工具、儀器及儀表的配套應用方面均取得了長足進展，設備保障能力大幅度提升。

1　氣基流體鉆井動力設備及裝置Power equipment and auxiliary facilities for gas-based fluid drilling

1.1壓縮機

Compressor

壓縮機類型分連續流式和間歇流式2種。連續流式壓縮機主要包括離心式和軸流式，其工作原理為高速旋轉的葉輪將氣體甩到邊緣，再經導向葉片減速，從而獲得較高壓力，其特征是壓縮機出口處壓力增加，則氣體排量將減少。間歇流式壓縮機工作原理為通過機械部件的相對移動，縮小密封性能良好的腔室，從而實現氣體增壓，其特征是出口端的壓力變動不會顯著改變氣體排量，壓力加大則功率加大。氣基流體鉆井中，常用的氣體動力設備是空壓機和增壓機，二者通常均選用間歇流式壓縮機。

（1）空壓機一般選用間歇流式的螺桿壓縮機，其工作原理為2個互為公母轉子的螺旋狀軸（螺桿）在殼體內相互嚙合，相對彼此高速反向旋轉，不斷形成密閉且不斷縮小的腔室而產生高壓氣體。其最高輸出壓力一般在2.4 MPa左右。性能優良的空壓機均配備有冷卻系統，輸出氣體溫度可降至合適范圍（54～66 ℃）。排量和有效功率是其性能的重要衡量指標。

（2）增壓機是一種間歇流式（容積式）壓縮機，其功能是將空壓機輸出的具有一定壓力、流量的氣體進行進一步增壓。鉆井用氣體增壓機一般選用間歇流式的往復式壓縮機，同不可壓縮液體常用的往復泵一樣，也分單作用式和雙作用式，其最高輸出壓力比螺桿式高，可達40 MPa以上。往復式壓縮機分潤滑型和非潤滑型2種。潤滑型壓縮機是通過吸入含有潤滑油的氣流，或利用油泵將潤滑油注入到活塞襯套中，從而實現對氣缸內運作的活塞提供潤滑的目的。非潤滑型壓縮機的每個活塞圓周都有活塞環和耐磨帶，可不用潤滑。

1.2膜制氮設備

Membrane-separation nitrogen-producing device

膜制氮設備由微粒過濾器、烴過濾器、水過濾器及空心纖維膜濾器組成，可從壓縮空氣中直接制取氣態氮。壓縮空氣被注入膜制氮設備后，經上述過濾器可去除空氣中的灰塵、水及壓縮機潤滑油等污染物，最后進入到空心纖維膜濾器。該裝置由眾多直徑很小的空心纖維（特殊材質聚合物）組成。在空氣沿空心纖維向前流動時，由于膜對氣體的吸附效果不同，氧氣分子和水蒸氣分子通過纖維管壁擴散的速度比氮氣分子快得多，從而被先排放至大氣中。而氮氣的擴散速度相對較慢，可被集中收集利用。

膜制氮工藝簡單，供氣連續，是一種經濟方便的制氮方式。但該設備的特性易受溫度和壓力影響，不同設備所需的最佳工作壓力和工作溫度不同，所獲取的氮氣純度也不同，目前可控制的純度范圍一般在92%～99.9%。

1.3固相及液相注入裝置

Solid and liquid injection devices

泡沫及霧化鉆井作業中，需向井筒內注入氣體和基液，有時還需加入定量的防腐劑和緩蝕劑，這就需要應用基液泵，是一種往復式的柱塞泵。氣基流體鉆井對基液泵的要求是排量控制精度高、抗腐蝕能力強、可長時間在高壓力條件下工作等。

氣基流體鉆井作業中，如地層鹽水侵入井筒，則可根據實際情況注入定量固相干燥劑，以維持鉆井作業的順利進行。如鉆柱與井壁間的摩擦較大，危及鉆具安全時，則需視情況加入固相潤滑劑。上述情況下均需應用固相注入裝置。

1.4泡沫生成裝置

Foam-generating facility

泡沫生成裝置的作用是促使氣體和基液充分混合、接觸，以便形成結構及性能相對穩定的鉆井用泡沫。該裝置一般安裝于氣液混合物即將進入立管的高壓管線上，按其構造可分為孔隙式、渦輪式、同心管式和螺旋式?，F場常用的是孔隙式，如圖1所示。

1.5氣體流量計

Gas flowmeter

氣體流量計用于計量注入井筒內的氣體流量。其類型主要有差壓式、渦輪式、腰輪式、超聲波式及旋進式等。施工人員可根據井身結構、鉆具組合、注入氣體性質、基液性能、地面海拔等參數，計算出所需氣體流量及注入壓力范圍，再據此配置相應類型及級別的氣體流量計。當2種級別的流量計均可滿足氣體流量范圍時，可優選小量程流量計，以提高測量精度。

圖1　孔隙式泡沫發生器結構示意圖Fig.1 Structure of pore-type foam generator

氣基流體鉆井通常使用差壓式氣體流量計，其工作原理為計量兩段不同管徑的氣體壓力、溫度，再結合已知的孔板直徑、氣體類型等參數計算出氣體排量。這種流量計具有穩定性好、測量精度高等優點。使用關鍵是應及時排除變速裝置承壓室的積水。

1.6動力端輔助裝置

Auxiliary device on power end

包括管匯及閥件，用于引導氣液流體進入立管?？諌簷C和膜制氮設備出口接低壓管線，增壓器和基液泵出口接高壓管線。所有動力設備管線出口端還應接單流閥、閘閥。低壓管匯、高壓管匯還應分別接泄壓閥、安全閥、壓力表、溫度計等。

所有管匯應盡量平置于同一水平面上［3-4］，軟管線接頭處應安裝安全鏈并固定牢靠，硬管線接頭處、長管線中間處還應配墊枕木。作業期間，所有管線嚴禁敲砸搬運，且全部管匯區應設為警戒區。

2　井口控制設備及相關裝置Wellhead controller and related devices

2.1旋轉控制頭

Rotary control head

氣基流體鉆井中，旋轉控制頭的主要作用是導流，即將環空混合流體（氣相、液相及固相）導入外排管線。當油氣侵入井眼時，亦可起到井控防噴作用。

旋轉控制頭按工作壓力級別可分為低壓式（5 MPa以下）、中壓式（5～10.5 MPa）和高壓式（10.5 MPa以上）。按密封方式可分為主動式和被動式。被動密封式旋轉控制頭通過膠芯與入井工具之間的過盈配合來實現封閉，井口套壓有助于密封。其優勢有：構造簡易，安裝便捷，維護方便、使用可靠。其缺點有：需配合應用六方鉆桿、對鉆具尺寸要求較高。主動式是通過液壓油迫使膠芯緊靠鉆具來實現密封，可替代環形防噴器。其優勢有：可密封不同尺寸的入井工具，不必同六方鉆桿配合應用。相對于被動式，其缺點有：構造復雜、拆安繁瑣，需空井眼換膠芯等。

氣基流體鉆井作業中，環空井筒壓力通常較低，可應用低壓式旋轉控制頭。但需向井筒施加回壓，或地層流體進入井眼，或應用反循環方式鉆井時，井口套壓較高，這時可選用高壓力級別的旋轉控制頭。WILLIAMS7100型旋轉控制頭如圖2所示。

圖2　Williams旋轉控制頭結構示意圖Fig.2 Structure of Williams rotary control head

2.2欠平衡用節流管匯

Choke manifold for underbalanced drilling operation

氣基流體鉆井過程中，環空混合物一般經排砂管線排出，但如實施充氣鉆井液鉆井、泡沫鉆井，或地層油氣侵入井筒時，可視情況將環空混合物導入欠平衡用節流管匯進行處置，用于控制井口回壓及混合物返出流量等。

相比較于常規節流管匯，欠平衡用節流管匯需經防H2S處理，具備雙液控節流閥，且兩側管徑較大，通徑大于100 mm。氣基流體鉆井作業中還需配備節流管匯操控臺，可通過井隊氣源提供的動力來調節液控節流閥閥位，以實現定量施加回壓，控制井筒壓力分布狀況的目的。

2.3液氣分離器

Liquid-gas separator

當應用充氣鉆井液方式鉆井，或地層天然氣侵入鉆井液時，均需進行地面脫氣，以確保泥漿泵上水效率，維持井筒壓力穩定，這就需要應用液器分離器。

液氣分離器主要有開底式和封底式2種。開底式無底，下半部潛入鉆井液中。封底式有底，如圖3所示，其工作原理為：當帶壓的液、氣、固三相混合物沿管線從分離器上部進入后，容積瞬間放大，混合物中的大氣泡會首先脹裂，繼而滑脫聚集，向上運移，并從分離器頂部管線排出。含小氣泡的高密度混合物因重力作用走向下游，在折流板處數次翻滾后，小氣泡亦可再次實現分離。液相可從中部出口返出，固相可從底部出口定時排出。分離器的工作壓力等于游離氣體在出氣管線處的摩擦阻力，如該阻力大于分離器內部靜液柱壓力，將出現“短路”，即未分離的混氣鉆井液也將從出液口返出，表明分離器處理能力不足。在這種情況下，在設計上可增大分離器整體尺寸，在操作中，可通過控制井口回壓或調整出液口U型管高度應對。

圖3　封底式液氣分離器示意圖Fig.3 Structure of liquid-gas separator with bottom enclosed

2.4撇油系統

Oil skimming system

撇油系統一般由撇油罐和儲油罐構成。撇油罐的功能是將井筒返出的原油從鉆井液中脫離出來；儲油罐的功能是將脫離的原油進行儲存。撇油罐的工作原理為：在罐體內設置流體通道，盡量延伸混合液（原油和鉆井液）的流動路徑，增加運移時間，利用不同物質性能和密度的差異，促使地層原油盡可能多的脫離出來。為加強原油脫離效率，可視情況添加破乳劑。

2.5排放系統

Discharging system

排放系統通常由排氣管線、排砂管線、取樣器、防回火接頭和遠程點火裝置組成。

氣基流體鉆井作業中，純氣體鉆井、氮氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井的環空混合物可導入排砂管線。充氣鉆井液的環空混合物可引入液氣分離器，分離出的氣體導入排氣管線。上述2種管線的通徑均應大于上游管線內徑，且管線布局均應處于下風口。排砂管線為防止巖屑顆粒的沖擊損壞，應在轉彎處加厚，或加鉛板，或增設氣流緩沖空間。取樣器安置于排砂管線中上端部位，其功用為收集地層巖屑，以供地質分析用。防回火接頭安裝于排氣管線下游端，其功用為避免出口端點燃的天然氣火焰反竄入近井口管線中，以規避井口燃爆風險。遠程點火裝置一般由電能遠程點火器和柴油霧化點火裝置組成。電能遠程點火器如圖4所示，其工作原理為：電能或太陽能發出的電流接通激發器，產生高壓脈沖電流，促使點火電容高壓放電，形成火花，可點燃霧化柴油。

3　相關入井工具Related bottom-hole assembly

3.1鉆頭

Drill bit

圖4　電能自動點火裝置示意圖Fig.4 Automatic electric igniter

氣基流體鉆井作業中，鉆頭外排齒易磨損變短，其耗損量主要決定于鉆頭的保徑設計和所鉆地層的特性。鉆頭破巖一般以純滾動沖擊為主，應優選軸承粗、牙齒大、保徑性能優的鉆頭，建議優選鑲尺或硬質合金齒鉆頭。小井眼鉆井中，可應用單牙輪鉆頭。純氣體鉆井作業中，鉆頭一般不宜安裝噴嘴，且應封住位于最優保徑功用牙輪之間的水眼，以強化破巖翻轉效果。純氣體鉆井，如選用PDC鉆頭，則應采用大排量氣體循環，并保持氣流通暢，避免地層垮塌及地層出水所造成的環空封堵。氣基流體鉆井用鉆頭的切削構造類同于普通鉆頭，區別主要在于軸承冷卻和流體通道的布局設計。

3.2井下三閥

Down-hole valves

氣基流體用井下三閥為回壓閥、旋塞閥和旁通閥。實鉆中，回壓閥和旋塞閥是鉆具組合的必備入井工具，而旁通閥可根據需要使用。

回壓閥按結構可分為箭形、球形、蝶形和投入式4種。常用的為箭形回壓閥，如圖5所示。

圖5　箭型止回閥結構示意圖Fig.5 Structure of arrow-type check valve

其工作原理為：當閥體下部壓力高于上部壓力時，閥芯上移，當閥芯與閥座接觸后，即可實現鉆柱內空間封閉?；貕洪y作用有：（1）避免鉆具內部出現井涌；（2）避免環空巖屑堵塞鉆頭水眼；（3）接鉆具時，防止環空流體自鉆柱內溢出；（4）弱化井下天然氣燃爆規模。旋塞閥是一種球閥，通常接于鉆柱頂部，是一種重要的內防噴工具。不僅要承受鉆具的動、靜載荷，還要受到閥內流體的侵蝕。當閥體下部壓力較高而關閉時，旋塞閥還要承受較高的軸向流體（氣體或液體）壓力。旁通閥一般連接于鉆具中的近鉆頭位置，其工作原理為：小排量泵送配套圓球至旁通閥密封環處，提高泵壓至推薦值，閥體內銷釘被擠斷，密封環向下移動，閥體側孔開啟。在氣基流體鉆井中，如中途測試及鉆頭水眼堵塞時，旁通閥可提供新的流體通道。

4　氣基流體鉆井配套設備地面布置Surface allocation of auxiliary devices for gas-based fluid drilling

圖6為氣基流體鉆井施工中常用的設備、裝置及儀器配套布置圖。

圖6　氣基流體鉆井配套裝備地面布置圖Fig.6 Surface allocation of auxiliary devices for gas-based fluid drilling

圖6所列的設備及裝置較為全面，可進行空氣鉆井、氮氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井液鉆井等，其施工特點及適用條件各不相同。隨著循環流體中氣相比例的增加，機械鉆速將顯著提高，防漏止漏能力明顯增強，油氣藏發現、保護及評價的優勢亦會凸顯（井底壓力降低）。但也應看到，在氣相比例增加的同時，預防及抵抗井控風險的能力，抗衡力學因素造成井壁失穩的能力，應對地層出水造成復雜的能力卻均在下降。鉆井實施過程中，亦可根據實際情況進行工藝方式轉換，以確保鉆探作業順利開展。

氣基流體鉆井中，如實鉆情況或鉆井方式不同，則所需要的動力設備及數量也不相同［5］。如：鉆遇天然氣儲層，可視情況選用純氮氣鉆井方式，以規避井下燃爆風險；井淺壓力低可不用增壓機；純氣體鉆井可不用基液泵，但所需壓縮機數量增多；鉆具摩擦因數較高或井眼潮濕時，可通過固體注入泵注入潤滑劑或干燥劑。另外，井口控制設備及返出通道也不同，如：氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井施工中，環空返出混合物可先進入旋轉控制頭側孔，再經排砂管線排出；充氣鉆井液施工中，返出混合物應依次經欠平衡用節流管匯、液氣分離器、出液管線及排氣管線排出。井筒壓力過高時，返出混合物可經井隊用節流管匯及放噴管線直接排出。

5　認識及建議Conclusions and recommendations

（1）氣基流體鉆井作業中，排砂管線和排氣管線方向應為順風或側風方向，否則應予以調整或布設防火墻；井場高處顯眼位置應設風向標，且鉆臺上下應各安裝1臺防爆排風扇；地質取樣口、排砂管線出口及鉆臺上下處均應安裝可燃氣體和H2S檢測儀；鉆臺面以下、井場及排砂管線出口應安裝照明設備；地面注氣管匯、泄壓管匯處為危險地帶，應設立警戒線及警示標識；井場內應預先設置搶險人員集結地和疏散口。

（2）隨著國家新環保法的出臺，企業必須在環境保護、污染防治等方面有所擔當。研制了氣體鉆井巖屑處理裝置，以規避氣基流體鉆井中，巖屑粉塵彌漫于大氣所造成的環境污染及設備危害。目前該設備已完成廠房運轉測試，即將投入現場應用。

（3）氣基流體鉆井作業中，設備是基礎，技術是關鍵。國內氣基流體鉆井在部分設備及裝置上尚有差距，應繼續加強優良可靠配套裝備的研發力度。

［1］ 張曉東，汪凱，王延民， 陶赟，蔡光林，何石.庫車坳陷X井致密砂巖儲層氮氣鉆井實踐與認識［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）： 24-26. ZHANG Xiaodong， WANG Kai， WANG Yanmin， TAO Yun， CAI Guanglin， HE Shi.Practice and understanding on nitrogen drilling of tight sandstone reservoir in Kuqa Depression Well X［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2015， 37（2）: 24-26.

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（修改稿收到日期 2016-06-23）

〔編輯 薛改珍〕

Supporting technology for equiment of drilling with gas-based fluid

LIU Wei1， CHEN Ruoming1， YANG Gang1， SUN Yaping1， ZONG Zebin1， CHENG Shuang2
1. Drilling Engineering Technology Research Institute of West Drilling Engineering Company Limited， CNPC， Karamay， Xinjiang 834000， China；2. Design Institute of China Petroleum Pipeline Bureau， Langfang， Hebei 065000， China

Gas-based fluid drilling is used more and more widely in enhancing ROP， preventing and eliminating lost circulation， and finding and protecting hydrocarbon reservoirs. On-site applications show facilities， equipment and tools of good performances， in high reliability and rational combinations are necessary for smooth implementation of gas-based fluid drilling. In this paper， performance，principles， specific features and on-site application requirements of necessary power equipment， wellhead controller， relevant bottomhole assemblies and auxiliary facilities required by the drilling operation are discussed and presented. In addition， position， planning，configuration and matching requirements on equipment and facilities needed for air drilling， nitrogen drilling， mist drilling， foam drilling and aerated drilling operations have been elucidated. Finally， understandings and recommendations on necessary facilities of gas-based fluid drilling have been put forward.

drilling with gas-based fluid； matching facility； power equipment； wellhead controller； bottom-hole assembly

TE249

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0432- 06

10.13639/j.odpt.2016.04.005

LIU Wei， CHEN Ruoming， YANG Gang， SUN Yaping， ZONG Zebin， CHENG Shuang. Supporting technology for equiment of drilling with gas-based fluid［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 432-437.

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“新疆和吐哈油田油氣持續上產勘探開發關鍵技術研究”的子課題“復雜油氣藏優快鉆井技術研究”（編號：2012E-34-13）

劉偉（1972-），2008年畢業于北京石油大學石油與天然氣工程專業，獲工程碩士學位。現從事鉆井專業相關項目的科研及現場技術服務工作，高級工程師。通訊地址：（834000）新疆克拉瑪依市克拉瑪依區鴻雁路80號鉆井工程技術研究院欠平衡所。電話： 0990-6882260，18709901718。