氮气欠平衡安全钻井技术探讨

氮气欠平衡安全钻井技术探讨

陈立坡

中原石油工程有限公司钻井一公司50707钻井队河南濮阳457100

摘要：充氮气欠平衡压力钻井是在钻井过程中，向钻井液中充入氮气，使钻井液液柱压力低于产层地层压力，通过地面设备有效控制，将流入井眼内的产层流体循环到地面，并进行有效分离。该技术适用于钻进地层压力系数0.80一1.05的地层，在低压、低渗透、低压易漏、裂缝油气藏以及过度开采衰竭油藏的开发中具有其它钻井技术不可比拟的优越性。

关键词：氮气；欠平衡安钻井；技术探讨

一、氮气欠平衡钻井井控技术

1井口装置设计

氮气钻井过程中井口不会承受太高的压力，但根据模拟计算，井口的氮气流量大，一般大于100m3／min。根据油藏深浅，选择合适的闸板防喷器和旋转防喷器，还考虑在钻井整个过程中有高性能旋转防喷器承受一定压力，建立环空与钻台问的屏障，将井筒返出流体导离钻台的设备。另外，为了完成不压井起下钻、下油管、安装采油树等工序，还需要井13装置中安装油管头，安装次序需要做较严格的要求。

2井口装置选择

（1）旋转防喷器选择。旋转防喷器主动密封和被动密封有两种形式。虽然进行氮气钻井时，井口始终处于长开状态，旋转防喷器承受的压力不会太高，但由于氮气钻井是在储层中钻进，为及时处理突发事件，应选择密封压力级别大于10.5MPa／21MPa的旋转防喷器。此外，由于被动密封的旋转防喷器主要靠胶芯弹性自由收缩密封和井压助封，在用于气体钻井中存在一个较大的缺陷，即当钻杆接头通过旋转防喷器胶芯时，胶芯倍瞬间撑大，接头通过胶芯后，胶芯需要一定时间才能恢复原形起密封作用，此时，将会有一股气流顺着钻杆冲向钻台，存在较大的风险隐患。主动密封的旋转防喷器主要是通过液压油给胶芯施加压力使胶芯抱紧钻具，施加的压力可以自由调节，当需要过钻具接头时，可将施加的压力上调，使胶芯再钻具接头过后迅速恢复密封状态。因此，推荐选用主动密封的旋转防喷器而不推荐使用被动密封的旋转防喷器。

（2）常规封井器选择。常规封井器的选择应根据《石油天然气钻井井控安全技术标准》，进行选择闸板防喷器和环形防喷器组合。

3工艺流程设计

此工艺流程的主要优点是卸压管线多，一旦发生井口压力迅速上升，可同时开通6条卸压管线与外界相通，管线出口的总面积大于技术套管的总面积，确保将上升的井口压力卸掉，确保安全所有的防喷管线和排砂管线均设自动点火装置。

二、工程实例应用

本文系统介绍了充氮气欠平衡钻井的主要设备及工艺技术，并以某井为例，介绍了其现场应用情况。

1充氮气欠平衡钻井主要设备

1.1井口控制系统

套管头+FZ35-35单闸板防喷器+钻井四通+2FZ35-35双闸板防喷器+FH35-35环形防喷器+Williams7100型旋转控制头。

1.2地面处理设备

液气分离器；Φ177.8mm排气管线75m；节流管汇；压井管汇；液动阀；司钻控制台；真空除气器2台；三级净化固控设备；循环罐；钻井液储备罐；自动点火装置；防回火装置。

1.3制氮充氮设备

NPU一800车载式现场制氮设备1台；井场液氮储备罐l台；液氮泵、汽化器各2个；运输液氮车辆（包括槽罐）2台。详见表1。

表1氮气钻井专用设备

1.4其它工具

六边形方钻杆；方钻杆上、下旋塞；单向阀及投入式止回阀；斜坡钻杆；除气加重装置等。

2充氮气欠平衡钻井主要工艺技术

2.1充氮气钻井液当量密度的确定

井底压力Pd是设计充氮气钻井液密度的主要依据，地层孔隙压力Pp一般由地质部门提供，但在欠平衡施工前都需要通过试油静压、钻杆测试压力或RFT（MFT）测试压力进行校正。负压差△P=Pp—Pd（一般为0.5一5.0MPa），循环压耗Pa随着井眼大小和井深变化而不同。当量钻井液密度由下式确定：

ρm=102（Pp一△P一Pa）/H

式中，ρm为当量钻井液密度，kg/L；H为垂深，m。

2.2充氮气钻井液类型选择

充氮气欠平衡压力钻井主要使用清水和无固相防塌钻井液，对于不易破碎的灰岩地层可以采用清水钻进。而在实际施工中，要求充氮气钻井液在一定排量下具有较好携带岩屑和保持井眼稳定的性能，因此，胜利油田多采用无固相润滑防塌钻井液，密度1.02-1.05kg/L。

2.3充氮t的确定

根据充氮气钻井液的当量密度、泵的排量（满足携砂要求）和钻井液基浆密度，利用美国Maurer工程公司Mudlire软件可以计算出每小时的充气量和环空返速。

3氮气钻井现场应用

氮气钻井的钻压低、压持效应小，氮气能较好的清洁井底，减少了重复切削，延长了钻头寿命。氮气钻井钻头选型与常规钻井钻头选型基本一致，选择轴承密封好的钻头能取得好的效果。钻头：选用江汉产HJT737三牙轮钻头（不安装水眼）。

欠平衡钻井的钻具组合需要在钻头附近加装一个浮阀，目的是防止泄放钻具内压力时气体倒流导致岩屑堵塞钻头水眼，另外在实施氮气钻井前，在连接方钻杆的钻杆顶部装一只单流阀，一只旋塞，目的是缩短接单根时间，以免接单根时间过长造成井下复杂，气体钻井过程中一般每钻进100-200m左右加装一只单流阀。

钻具组合：Φ215.9mmHJT737牙轮钻头+430*410接头+回压阀+Φ158mm钻铤*6根+Φ127mm钻杆+回压阀+下旋塞+六方钻杆+上璇塞

结束语

氮气排量需要专门的软件进行优化，来确定本井需要的最有氮气排量。

在氮气钻井中。严格控制机械钻速，防止岩屑粘附在井壁造成卡钻事故。

进一步完善欠平衡设备配套问题，排砂管线与液气分离器连接、液气分离器与撇油罐、振动筛连接可进一步优化，减少施工操作安全、井控安全的风险。

参考文献：

[1]陈方远，等。稠油油藏氮气欠平衡钻完井技术研究与应用[J].钻采工艺，2010，33

[2]周英操，翟洪军，等。欠平衡钻井技术与应用[M].北京：石油工业出版社。2003