常規鉆具充氣反循環鉆井技術研究與試驗

李文哲，代 鋒，李鄭濤，傅 棟，高德偉，張小林

1四川長寧天然氣開發有限責任公司 2四川中頁利華新能源科技有限公司3西南石油大學(成都)石油與天然氣工程學院

0 引言

四川長寧頁巖氣資源豐富，是中國石油頁巖氣建產核心區域之一[1- 3]。該區地表地形復雜，地下水資源豐富，表層孔隙、裂縫、溶洞發育，壓力系數低，表層鉆井井漏問題嚴重[4- 5]。據統計，僅2019年1～8月，長寧區塊頁巖氣表層(飛仙關組及以上地層)鉆井井漏96井次，累計漏失清水27.62×104m3，累計損失時間達202.3 d，嚴重影響鉆井提速，限制了頁巖氣的高效勘探開發，同時也面臨巨大的環保壓力。目前該區通常采用空氣鉆井和清水強鉆，解決表層鉆井井漏問題，但空氣鉆井在出水地層鉆進存在一定的局限性，清水強鉆卡鉆風險高[6- 7]。

針對長寧頁巖氣表層鉆井嚴重井漏復雜問題，目前尚無較好的解決辦法。雙壁鉆桿氣舉反循環鉆井技術是一種有效的低壓、負壓鉆井技術，與正循環鉆井技術相比，具有攜屑效率高、消除環空壓耗、降低井底壓力、減少井漏等優點[8- 9]，在處理地層大量出水、嚴重井漏問題方面具有獨特優勢，已成熟應用于水井、地熱井、瓦斯排放井等鉆井領域[10-12]。但該技術需要專門配套氣水龍頭、雙壁鉆桿、氣水混合器等工具，工藝復雜，成本較高。本文針對長寧表層嚴重井漏問題，結合工程實際，在雙壁鉆桿氣舉反循環鉆井技術基礎上，設計了一種常規鉆具充氣反循環鉆井新工藝，在N216-X井進行了現場試驗，以解決長寧頁巖氣表層鉆井嚴重井漏復雜問題。這是對充氣反循環鉆井技術應用于頁巖氣鉆井領域的探索，也為解決其他低壓易漏地層鉆井難題提供了一種新的技術措施。

1 技術原理

1.1 工藝流程

在雙壁鉆桿氣舉反循環鉆井技術基礎上，去掉氣水龍頭、雙壁鉆桿、氣水混合器等工具，增加旋轉防噴器、氣舉閥，設計了一種常規鉆具充氣反循環鉆井新工藝，工藝流程如圖1所示。新工藝在啟動過程中，通過旋轉防噴器封閉井口，先開空壓機注氣，氣體通過鉆井四通注入井口環空，隨著注氣壓力的增大，氣體沿環空向下流動至氣舉閥位置，當氣舉閥位置的外、內壓差增大至氣舉閥開啟壓力時，氣舉閥側孔打開，環空氣體經側孔進入鉆柱內，頂替氣舉閥以上鉆柱內鉆井液，待出口有氣液返出后，小排量開泵，逐漸增大排量至設計值。氣、液混合低密度流體注入井筒環空，繼續頂替氣舉閥以上鉆柱內鉆井液，隨著氣舉閥以上的鉆柱內鉆井液密度降低，井底壓力降低。注氣壓力繼續增大，氣舉閥位置的環空壓力也繼續增大，當氣舉閥位置的外、內壓差增大至氣舉閥閉合壓力時，氣舉閥側孔關閉，低密度混合流體沿環空繼續下行，至井底經反循環鉆頭水眼進入鉆柱內，攜帶巖屑上返出井口，形成反循環鉆進。

圖1 常規鉆具充氣反循環鉆井工藝流程圖

1.2 配套設備

常規鉆具充氣反循環鉆井工藝設備主要包括反循環鉆頭、開側孔雙母接頭、氣舉閥、鉆柱旋塞、空壓機、增壓機、旋轉防噴器、排砂管線等。其中，反循環鉆頭通過三牙輪鉆頭改造加工而成，如圖2所示。反循環鉆頭設計特點：原三牙輪鉆頭水眼堵死，中心開一80 mm水眼，在牙輪周圍加焊擋板。在反循環時，擋板迫使氣液低密度流體從更接近井底的位置流過，提高井底攜屑效果，同時防止超大塊巖屑從牙輪側面縫隙進入鉆柱內，堵塞鉆柱水眼。

圖2 反循環專用鉆頭

氣舉閥通過短接頭改造而成，在本體側壁上集中分布四個直徑7 mm側孔，氣舉閥設計特點如圖3所示。圖中，pA表示氣舉閥外壓力，pB表示氣舉閥內壓力，pX表示氣舉閥外、內壓力差，p2、p1表示氣舉閥開啟壓力上下限。氣舉反循環鉆井啟動時，pX逐漸增大，當pX增大至大于p1時氣舉閥側孔開啟，氣體或氣液混合低密度流體經氣舉閥側孔進入鉆柱內，頂替氣舉閥上部鉆柱內鉆井液，降低井底壓力當量密度。隨著pX繼續增大，當pX增大至大于等于p2時，氣舉閥側孔關閉，氣液低密度混合流體沿環空流向井底，經鉆頭水眼進入鉆柱內，攜帶巖屑返出井口。

圖3 氣舉閥結構示意圖

開側孔雙母接頭在本體側壁上均勻分布有3個直徑10 mm側孔，在鉆頭水眼堵塞時起短路作用，防止憋壓導致鉆具飛出造成事故?？諌簷C提供壓縮空氣，增壓機在空壓機注氣壓力不足時提供更高的注氣壓力。旋轉防噴器在充氣反循環鉆進時封閉井口，并提供一定的井控能力。

1.3 工藝優勢

新工藝通過旋轉防噴器封閉井口，由環空充氣，井口使用普通鉆桿，具備以下優點：

(1)能明顯降低井底壓力當量密度，減少漏失。

(2)巖屑由鉆桿內返出，避免巖屑沖蝕井壁。

(3)鉆桿內過流面積較環空小，鉆井液流速快，攜巖效果好。

(4)所需排量小、注氣量小，節約設備投入。

(5)使用常規鉆具，降低技術成本。

(6)井口安裝旋轉防噴器后，具備一定的井控能力。

為驗證常規鉆具充氣反循環鉆井技術工藝設計和裝備配套的可行性，在長寧216井區X井進行了現場試驗。

2 現場試驗

2.1 作業難點分析

N216-X井是四川長寧公司部署在長寧頁巖氣216井區的一口開發井，設計井深4 141 m，目的層為龍馬溪組。該井所在平臺布置6口水平井，井口最小間距5 m，平臺所在山區為典型的喀斯特地貌，周圍出露嘉陵江組厚層灰巖、薄層灰巖，表層裂縫、溶洞發育，壓力系數低(1.0)，在鉆井過程中存在較大的井漏風險。距離平臺2.6 km處有一溶洞，周邊共有18處水源，供周圍多戶居民飲用。

2.2 基礎數據

(1)井段。井眼尺寸?406.4 mm,試驗井段為二開120～360 m。

(2)鉆具組合。?406.4 mm反循環鉆頭+?228.6 mm開側孔雙母接頭+?228.6 mm無磁鉆鋌×1根+?400 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌×1根+?203 mm無磁鉆鋌1根+?203.2 mm鉆鋌×6根+?177.8 mm氣舉閥+?177.8 mm鉆鋌×3根+?127 mm鉆桿。

2.3 現場應用情況

2.3.1 施工參數

N216-X井二開常規鉆具充氣反循環鉆井施工參數:鉆壓100～200 kN,轉速60～80 r/min,扭矩3～5 kN·m,鉆井液排量12～18 L/s,泵壓1.0～2.0 MPa,注氣量18～25 m3/min,注氣壓力1.0～2.0 MPa。

2.3.2 作業過程

本次試驗從二開開始鉆進，按鉆具組合下鉆至120 m，接上頂驅，先開空壓機反循環注氣，注氣量20 m3/min，待出口有氣液返出后，再緩慢開泵，注入清水，逐漸增大排量至12 L/s，順利建立反循環，轉盤轉速60 r/min，鉆壓100 kN，開始鉆進，每鉆進30 m進行一次測斜。

接立柱過程需要注意：接立柱前循環一個遲到時間，盡量排干凈鉆柱內巖屑，防止停止循環時巖屑沉降堵塞鉆柱水眼；停止循環應先停氣，待出口無氣泡返出后，再緩慢停泵；卸扣前注氣、注液管線泄壓，關閉鉆柱旋塞，迅速接上立柱后，打開鉆柱旋塞；重建反循環步驟與啟動步驟相同，過程中密切注意壓力變化，防止巖屑未排干凈等原因導致的水眼堵塞形成憋壓，造成鉆具飛出等憋壓傷人事故。

充氣反循環鉆井過程中，返出的巖屑多為云巖、灰巖巖塊，巖屑直徑普遍比常規正循環鉆井技術產生的巖屑大，部分直徑超過3 cm。

在鉆進至井深234 m進行接立柱作業后，發現液位不在井口，大排量(40 L/s)灌滿后進行純鉆井液反循環，測漏速為36 m3/h。隨后停泵，按常規鉆具充氣反循環鉆井啟動操作規程，先開空壓機注氣，注氣量25 m3/min，待井口返出后再緩慢開泵，提高排量至15 L/s，順利重建了反循環，繼續鉆進，加密泥漿池液面監測，發現液面穩定，不再發生明顯鉆井液漏失，成功鉆穿漏層。

本次試驗共入井兩只反循環鉆頭，第一只反循環鉆頭從120 m鉆至274 m，累計進尺154 m，純鉆時間72 h，第二只鉆頭從274 m鉆進至361 m，累計進尺87 m，純鉆時間36.5 h。試驗共完成進尺241 m，平均機械鉆速2.22 m/h。

2.3.3 應用效果

充氣反循環鉆進至234 m處發生井漏后，以注氣量25 m3/min、清水排量15 L/s，順利重建反循環，此時井底壓力約為1.5 MPa，當量密度為0.64，繼續鉆進不再發生明顯井漏，成功鉆穿漏層，與鄰井同井段井漏地層相比，較常規鉆井技術井漏減少83.6%。

充氣反循環鉆井過程中井內返出的巖屑直徑明顯偏大，可以有效減少巖屑在井底的重復切削，提高鉆頭使用壽命，下套管前通井一次到底，井底幾乎無沉砂，成井質量高，套管下入順利，較常規正循環鉆井技術攜屑能力強，攜屑效率達到99%。

2.3.4 存在問題

常規鉆具充氣反循環鉆井技術能明顯減少鉆井漏失，且攜屑效果好，但由于自身工藝技術特點，也存在一些問題：鉆柱內充氣，該工藝無法使用MWD等隨鉆測量工具；鉆柱內多相流上返，無法使用螺桿等井下動力鉆具。以上問題制約了該技術的大范圍應用，有待進一步研究。

3 結論

(1)在N216-X井成功進行了常規鉆具充氣反循環鉆井現場試驗，累計進尺241 m，與鄰井同井段井漏地層相比，較常規鉆井技術井漏減少83.6%。該技術為解決長寧頁巖氣表層嚴重井漏問題提供了一種新的技術措施，對其他低壓易漏地層鉆井難題處理具有重要借鑒意義。

(2)常規鉆具充氣反循環鉆井技術鉆柱內上返速度快，攜屑效果好，返出巖屑粒徑普遍偏大，減少巖屑井底重復切削，提高鉆頭使用壽命。井底幾乎無沉砂，成井質量高，為后期下套管作業順利進行提供了技術保障。

(3)與正循環鉆井技術相比，常規鉆具充氣反循環鉆井技術所需鉆井液排量小，與氣體鉆井相比，所需注氣量小，僅需配備2臺空壓機、1臺增壓機，噪音小、成本低，為該技術推廣應用創造有利條件。