强化充气钻井技术现状与应用

强化充气钻井技术现状与应用

张海滨

中原石油工程钻井二公司 河南省濮阳市457000

摘要：近年来，我国对油气资源的需求不断增加，充气钻井技术也越来越先进。不同程度面临地层压力衰竭与下降，因此造成地层坍塌密度降低，钻井过程中呈现出窄压力、甚至负压钻井液密度窗口，并由此产生漏喷同层、井壁垮塌等一系列钻井问题。充气控压钻井（MPD）作为一种新的钻井技术，能够降低甚至避免诸类钻井问题。本文首先对影响井底压力的主要参数分析，其次探讨强化充气钻井工艺技术，从而提高钻井效率，降低作业成本。

关键词：低压储层;裂缝性油气藏;强化充气

引言

为了配合注水区块异常高压的安全钻井，研发了低压旋转防喷器和地面控制系统。通过井口控压，确保在钻井作业中井口处于可控状态，一旦发生地层出水，利用井口节流控制迅速平衡井筒压力，实现安全施工。此设备工艺经过多年的现场实践和完善，逐渐形成了一套注水区控压循环控压钻井技术。

1影响井底压力的主要参数分析

在充气控压钻井过程中，如果地层产气或高汽油比的凝析油气藏，这些地层产出流体随着环空向上流动过程中，压力逐渐降低，当压力低于泡点压力时，小气泡便从环空钻井液中析出、聚并、长大、滑脱，对井口压力的控制及安全携岩极为不利，钻前要充分根据邻井资料进行评价；该类流体的侵入可以根据平面径向流模型来描述。从平面径向流方程可以看出，影响井底流体产量的可控因素是井底流压，井底流压受井口回压的直接影响；通过井口回压可快速传递到井底，改变井底流压，控制井底流体向钻井液入侵；进一步控制井筒合理的流型，避免井口环雾流的出现，满足安全携岩要求。

2强化充气钻井工艺技术

2.1套管充气控压钻井设计的关键参数

套管充气控压钻井设计的重点是营造一种防止气体滑脱、流动稳定的两相流状态，获得平稳的井底压力。斯伦贝谢公司开发了瞬态两相流模拟软件(UbitTS)和稳态两相流分析软件，为技术的成功应用提供了分析手段。其中，UbitTS模拟软件采用OLGA多相瞬态流动力学建模引擎，适用于任何气液比的欠平衡动态辅助设计。套管充气控压钻井设计的关键参数有初始临界注气量、注气压力、混气点位置、泵送氮气“微环空”、喷射短节总流道面积以及达到设计当量循环密度所需的氮气体积等。通过将估算的初始临界注气量输入UbitTS软件，模拟计算出临界注气量和稳定流动所需时间，最后将临界注气量输入稳态两相流分析软件，得到套管充气控压钻井安全作业窗口。注气压力的取值依据是能够举动环空中的钻井液液柱。混气点井深和井斜对临界注气量有直接影响，为找到最佳混气点位置，通常要模拟几种方案。模拟结果发现，为最大限度提高注氮有效性，设计时应将混气点尽可能接近完钻井深。瞬态流动模拟结果表明，理论上混气孔总流道面积小于同心环空截面积的1%时，井内才是完全稳定的流动状态，而实际上这样小的混气孔易出现孔眼堵塞;世界各地的应用研究发现，为避免出现混气孔固体堵塞，最适合的配置是混气孔总流道面积约为70%同心环空截面积。套管充气控压钻井欠压值设计还需考虑有天然气产出和无天然气产出两种情况。有天然气产出时应在套管鞋、产层段中部和完钻井深等3处分别进行模拟，依据采油指数PI推算井控能力，以确定合理的充气量与最高回压控制值，同时考虑欠压值对井壁稳定的影响。

2.2虚拟存储技术

在石油钻井过程中，由于技术起步时间较晚，为了存储钻井过程中产生的各类信息与数据，最初是使用纸质笔记本进行记录与汇总。但是纸质材料的缺点有目共睹，不仅容易丢失，而且检索、管理的难度也大幅增加，影响作业效率。比如，在设备出现故障后，值班人员要对比设备运行的前后数据，才可判断出故障型式，有针对性地了解问题的产生原因，从而为维修工作提供依据。但是，纸质记录查询困难，所以会延长设备故障处理时间，无疑会对整个石油作业的效率产生影响，不利于油气资源产量的增加，同时也会存在安全隐患。因此，可在虚拟存储技术的帮助下完成数据库搭建，并将云空间设置在云服务器中，在数据库中录入相关施工数据，并针对设备运行参数进行整理，存储到云存储空间中，方便后期资料查询与检索。在应用虚拟存储技术时，注意遵循数据存储与查询流程，加快处理器的运行速度，缩短数据检索的时间。

2.3预控压钻井技术

预控压钻井技术是指熟悉了解作业井的地质情况并精确掌握其密度窗口，在可能发生的溢流风险点前，提前实施井口控压技术。它要经过精确计算做到即能压稳又不压裂地层，此项技术多用于平台丛式井的后期井位。预控压钻井技术的应用，不仅可以降低了溢流的风险，而且对降低泥浆密度，提高机械钻速也起一定的作用。

2.4井壁稳定技术

在煤层中钻进时，由于煤层割理发育、机械强度低、易碎易跨，欠压值不宜过大，水平井节流管汇控制的井口套压值最好为零，以防止出现井壁失稳。钻井液除需使用合理密度外，应具有良好的润滑性、抑制性、携岩性和防塌性能。研究实验表明，绒囊钻井液低密度(0．85g/cm

3)高效封堵稳定体系可以通过黏结地层并改变岩石力学特性，有助于稳定井壁。同时配套相应的工程技术措施:钻进中每打完一柱泵入1m3高黏钻井液，加强净化设备的使用，控制含砂量小于等于0．1%，以保障井眼清洁;造斜点以下地层和煤层段全部采用滑动钻井，减少煤层井壁受到钻具干扰;尽量不用螺旋稳定器或采用欠尺寸螺旋稳定器，以减少对煤层井壁碰撞;快速钻完煤层水平段。

2.5地质导向钻井技术

在地质导向钻井技术应用过程中，需要由操作系统自动采集、测量地层参数，并对井眼轨迹进行绘制，保证井眼轨迹符合钻井工作要求。作为一项自动化钻井技术，地质导向钻井技术需要搭配许多设备，例如随钻测井仪、闭环钻井调控台以及传感器等。在钻井过程中，随钻测井仪与传感器一同工作，负责对油气层的电阻率、渗透率与钻头工作状态等数据进行采集，并将采集到的数据上传到闭环钻井调控台，由其负责对数据进行分析与处理，并根据信息数据的分析结果，自动完成相关控制指令的下达，确保钻井工作可以有序进行，降低钻井事故发生几率。在原油储量有限，或者倾斜度高的钻井现场，地质导向钻井技术具备很强的应用潜力，可以显著提升钻井工作质量。

2.6预控压钻井技术

预控压钻井技术是指熟悉了解作业井的地质情况并精确掌握其密度窗口，在可能发生的溢流风险点前，提前实施井口控压技术。它要经过精确计算做到即能压稳又不压裂地层，此项技术多用于平台丛式井的后期井位。

结语

综上所述，强化充气钻井技术在水平井中具备经济性、全过程压力控制平稳的优势，因此，在安全钻井与提高单井产量上更具优势，在低压、破碎、易失稳储层的钻井中具有广泛的应用前景。储层段采用同心套管充氮气技术具有欠平衡和控压钻井的双重优势，尤其是在裂缝性、含硫碳酸盐储层中能够有效避免地层流体进入井筒，使氮气钻储层技术实现了向含硫气层控压钻井和水平井钻井的重大突破。强化充气钻井不但可用于储层控压钻井，还可以很好地应用于浅层水的控压钻井，使得水层钻井既不污染水源，又能减少地层水带出地面引起的处理费用。

参考文献

［1］窦亮彬，李根生，沈忠厚，等．环空充气钻井工艺设计及参数分析［J］．石油机械，2013，41(2):14-19．

［2］张义，鲜保安，赵庆波，等．煤层气欠平衡钻井环空注气工艺优化［J］．石油勘探与开发，2009，36(3):398-402．

［3］李志斌．DFS-M85煤层气井欠平衡钻进技术研究［D］．西安:西安科技大学，2016．