【正文】 地區(qū)空氣鉆井得到廣泛的應(yīng)用美國(guó)能源部要求到2005年用空氣或氣體鉆井技術(shù)的油井要達(dá)到30以上美國(guó)年鉆井33000口左右也就是說(shuō)到2005年將有10000口以上的油井采用空氣或氣體鉆井技術(shù)近年來(lái)空氣鉆井在我國(guó)也得到了一定程度的應(yīng)用并取得了良好的效果例如玉門(mén)青西油田的隆9井一開(kāi)后所鉆遇的地層均為逆掩推覆體地層由于逆掩推覆體老地層傾角大最大達(dá)到70o裂縫發(fā)育斜跳慢是制約該井機(jī)械鉆速的主要因素平均機(jī)械鉆速約為058米小時(shí)左右機(jī)械鉆速很低為了尋求硬地層井段提高機(jī)械鉆速的新方法降低勘探開(kāi)發(fā)綜合成本加快隆9井推覆體井段鉆井速度決定在2970至3300m井段采用空氣 霧化 鉆井枝術(shù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)取得成功機(jī)械鉆速達(dá)到348116米小時(shí)左右為原鉆速的620倍另外在長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田四川油田的正壩1井淺二井長(zhǎng)慶油田的陜242井蘇3518井等等都曾采用過(guò)空氣或氣體鉆井的方式均取得了良好的效果事實(shí)證明采用空氣或氣體鉆井可大幅度地提高機(jī)械鉆速保護(hù)產(chǎn)層同時(shí)在空氣鉆井工具上我國(guó)也取得了突破性的進(jìn)展2001年我集團(tuán)公司國(guó)際工程公司在伊朗承包了欠平衡鉆井項(xiàng)目根據(jù)有關(guān)方面所設(shè)計(jì)的工程施工方案需要空氣或泡沫作為介質(zhì)驅(qū)動(dòng)螺桿鉆具進(jìn)行鉆井作業(yè)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鉆井所和北京石油機(jī)械廠聯(lián)合組成課題組承擔(dān)了集團(tuán)公司科技發(fā)展部下達(dá)的伊朗欠平衡鉆井空氣螺桿鉆具研制項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)用空氣及泡沫作為鉆井介質(zhì)的新型螺桿鉆具K7LZ244樣機(jī)并形成產(chǎn)品以解決伊朗欠平衡鉆井項(xiàng)目的急需并為國(guó)內(nèi)今后的欠平衡鉆井及空氣鉆井提供一種實(shí)用工具經(jīng)過(guò)雙方人員的共同努力樣機(jī)研制獲得成功并已在伊朗項(xiàng)目中使用獲得較滿意的效果22 國(guó)內(nèi)外關(guān)于空氣鉆井理論研究與參數(shù)計(jì)算的發(fā)展與現(xiàn)狀空氣或氣體鉆井的理論研究第一個(gè)具有里程碑式的人物是DJ Martin他于1952年發(fā)表的題為《Use of Air or Gas as a Circulating Fluid in RotaryDrilling–Volumetric Requirements》的論文首次提出用數(shù)學(xué)的方法來(lái)預(yù)估干空氣鉆井所需的氣量盡管當(dāng)時(shí)他沒(méi)有考慮環(huán)空巖屑的影響但是他啟發(fā)了人們使用數(shù)學(xué)的方法來(lái)解決空氣鉆井的若干問(wèn)題1957年P(guān)HILLIPSl給出了第一個(gè)實(shí)用的計(jì)算公式在這個(gè)公式里Angel把所需流量與氣體的密度井眼的大小深度鉆柱的尺寸以及機(jī)械鉆速關(guān)聯(lián)起來(lái)該公式的影響極其深遠(yuǎn)此后所推導(dǎo)的包含各種考慮因素的公式皆是在該公式基礎(chǔ)上的修正或引用比如1980年Ikoko和Williams就是把該公式與砂巖石灰?guī)r和頁(yè)巖的顆粒運(yùn)移速度以及環(huán)空摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)1984年W C Lyons總結(jié)了當(dāng)時(shí)的各項(xiàng)公式提出計(jì)算空壓機(jī)和增壓器所需功率的七個(gè)步驟并與當(dāng)年出版了第一版的《Airand Gas Drilling Maunal》90年代早期欠平衡鉆井成為當(dāng)時(shí)油氣井鉆井和完井工程的一項(xiàng)重要技術(shù)同時(shí)空氣與氣體鉆井技術(shù)的潛在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益受到高度關(guān)注促使他和同事于2001年再版《Air and Gas Drilling Maunal》 近兩年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多把注意力放在環(huán)空攜屑的研究上例如Y Masuda研究了泥漿鉆井中彎曲井段環(huán)空攜屑的規(guī)律并給出了控制方程 Liu HuiXing等研究了在實(shí)驗(yàn)室條件下環(huán)空攜屑的各種情況并推導(dǎo)了攜屑數(shù)學(xué)模型但其結(jié)果只停留在實(shí)驗(yàn)室階段未經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆檢驗(yàn)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鉆井所碩士研究生龐保平的碩士論文《空氣鉆井流體壓力計(jì)算與空氣螺桿馬達(dá)的初步研究》對(duì)空氣鉆井沿程壓力分布規(guī)律及空氣螺桿馬達(dá)的設(shè)計(jì)也做出了有益的探討23 空氣鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)比較空氣鉆井作為欠平衡鉆井的一種特殊形式具有自己顯著的特點(diǎn)應(yīng)用范圍亦有一定的限制下面簡(jiǎn)要介紹一下哪些情況較適合空氣鉆井以及其局限性 一 空氣鉆井尤其適合用于下述情況1地層巖石堅(jiān)硬2井壁穩(wěn)定性強(qiáng)3較少的地層流體侵入4具有中低孔隙壓力的地層5缺水干旱地區(qū)6對(duì)水基或油基鉆井液敏感的地層 二 空氣鉆井的局限性1對(duì)地層流體的侵入控制力不強(qiáng)2鉆頭的適用范圍窄由于空氣對(duì)鉆頭的冷卻作用不強(qiáng)使得耐高溫性能不強(qiáng)的金剛石類(lèi)鉆頭較少應(yīng)用于空氣鉆井中因此在空氣鉆井中大多使用牙輪鉆頭3軟地層不適用于空氣與氣體鉆井通常情況下軟地層產(chǎn)生的巖屑尺寸較大不利于在較大井深情況下氣體攜屑4井底著火當(dāng)井底烴類(lèi)氣體與空氣混合達(dá)到一定比例后就有可能發(fā)生燃燒[3]24 空氣鉆井設(shè)備介紹空氣鉆井中所用設(shè)備和井場(chǎng)布置明顯有別于傳統(tǒng)鉆井方式現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹一下主要設(shè)備的功能及其井場(chǎng)布置原則 一 空氣鉆井井場(chǎng)布置圖 圖21 空氣鉆井井場(chǎng)布置圖下面簡(jiǎn)單介紹一下圖2111倍排出管線的控制閥用于控制井口回壓也可用于配合試井測(cè)試巖屑捕獲器用于獲得井口處的巖屑樣本氣體探測(cè)器用于檢測(cè)烴類(lèi)氣體便于鉆工采取安全措施減塵器用于向排管內(nèi)的氣固混合物噴水減少粉塵污染燃燒池用于沉降巖屑和燃燒井底產(chǎn)生的烴類(lèi)氣體引火器將從排管中帶出來(lái)的井底產(chǎn)生的烴類(lèi)混合氣體點(diǎn)燃保證安全鉆進(jìn) 二 井口設(shè)備圖22 井口設(shè)備布置圖旋轉(zhuǎn)頭它分為旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)兩部分旋轉(zhuǎn)部分可以和鉆柱一起旋轉(zhuǎn)非旋轉(zhuǎn)部分和同密封裝置配合使從環(huán)空中出來(lái)的含巖屑的氣流流向排出管線保證鉆井平臺(tái)和人員的安全防噴器組合空氣鉆井中主要使用兩種防噴器一種為環(huán)形防噴器 或旋轉(zhuǎn)防噴器 它靠液動(dòng)作用使膠芯擠向井口中心直到抱緊鉆具或全封閉井口從而實(shí)現(xiàn)其封井的目的另一種為閘板防噴器要求半封全封齊全[4]25氣體鉆井所必需的條件井眼條件氣體鉆井所必需的條件包括以下幾方面◇ 能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不同情況時(shí)井下流動(dòng)條件下的氣體鉆井模型即能夠預(yù)測(cè)各種井深下的井徑擴(kuò)大氣體侵入液體侵入氣體從鉆柱內(nèi)分流至環(huán)空◇ 便于調(diào)節(jié)空氣流量鉆柱幾何尺寸井眼幾何尺寸◇ 井下空氣分流器能夠在最合適的井深將一定量的氣體分流至環(huán)空能夠更有效地利用分流氣體的能量通常情況下采用合適的模型和井眼幾何尺寸能夠獲得令人滿意的經(jīng)濟(jì)效益不過(guò)在大多數(shù)情況下有必要在底部鉆具組合之上分流一部分氣體能夠利用通常不再受摩擦影響的能量是有益的在地面和井下都能發(fā)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)第3章 空氣鉆井的一些關(guān)鍵技術(shù)31 空氣鉆井與鉆具腐蝕 腐蝕物質(zhì)與腐蝕形式1 腐蝕物質(zhì)空氣鉆井腐蝕鉆具的主要介質(zhì)是空壓機(jī)注入的空氣其次是地層鹽水和硫化氫在注入的空氣中含有21％的氧氣和不到1％的二氧化碳氧氣在水中溶解度約10mg／L二氧化碳在空氣中含量雖小但它在水中形成碳酸不但自身腐蝕鉆具而且在酸性狀態(tài)下加劇氧化和電化學(xué)腐蝕雖然井史中介紹地層可能含有硫化氫但空氣鉆井時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到硫化氫氣體所以它的腐蝕并不嚴(yán)重空氣鉆井過(guò)程中真正腐蝕鉆具的物質(zhì)是地層水地層水的pH值小于7造成酸性腐蝕地層水為氧和二氧化碳的腐蝕提供了條件干燥的氧氣和二氧化碳是不腐蝕金屬的只有在潮濕的環(huán)境下腐蝕才會(huì)發(fā)生地層水不僅提供了潮濕環(huán)境而且含有電解質(zhì)具有導(dǎo)電性更有甚者它還顯酸性加劇腐蝕是氧和二氧化碳腐蝕的土壤和溫床2 腐蝕物質(zhì) 氧二氧化碳和鹽水腐蝕鉆具的主要形式是坑點(diǎn)腐蝕和失重腐蝕這種腐蝕易引起鉆具疲勞穿孔斷裂導(dǎo)致鉆具壽命縮短和井下嚴(yán)重事故發(fā)生 3 腐蝕機(jī)理氧氣的腐蝕2Fe15O2H2O→2FeO OH →Fe2O3↓H2O二氧化碳腐蝕FeCO2H2O FeCO3↓H2↑硫化氫腐蝕xFeyH2S Fe xSy↓yH2↑酸性鹽水腐蝕Fe2H FeH2↑流速環(huán)空流速越快沖蝕與腐蝕越嚴(yán)重 防治措施空氣鉆井離不開(kāi)空氣要清除空氣中的氧氣也是不可能的由于空氣鉆井的氣柱壓力很低不讓地層流體進(jìn)入井眼也是不可能的必須根據(jù)井下情況采取合理措施揚(yáng)長(zhǎng)避短既要發(fā)揮空氣鉆井的優(yōu)勢(shì)提高機(jī)械鉆速縮短鉆井周期又要盡可能地減輕腐蝕保護(hù)鉆具延長(zhǎng)使用壽命提高經(jīng)濟(jì)效益因此空氣鉆井時(shí)應(yīng)采取以下工藝措施1 干地層使用純空氣鉆井由腐蝕機(jī)理可知空氣 氧氣和二氧化碳 對(duì)鉆具產(chǎn)生腐蝕必須有水存在在干燥環(huán)境下空氣不腐蝕鉆具所以當(dāng)?shù)貙硬怀鏊畷r(shí)可以進(jìn)行干空氣鉆井2低壓水層使用干泡沫鉆井當(dāng)?shù)貙映鏊笱鹾投趸紝?duì)鉆具的腐蝕作用開(kāi)始發(fā)生而且由于地層出水必須增加30％～40％空氣排量進(jìn)行霧化鉆井因氣柱壓力增高氧在水中的溶解度增大氧對(duì)鉆具的腐蝕加劇在這種情況下必須采用干泡沫鉆井即通過(guò)泵入75～379L／min的加有緩蝕劑的高pH高發(fā)泡劑濃度的發(fā)泡液保護(hù)鉆具捕集水流將鉆屑和水流帶至地面3 在高壓水層使用泡沫鉆井當(dāng)?shù)貙映鏊枯^大含鹽量較高時(shí)干泡沫鉆井無(wú)法作業(yè)必須采用泡沫鉆井這樣既可降低空氣排量和環(huán)空返速減少鉆具沖蝕又可用泡沫將空氣包