气体钻井工艺技术研究

摘 要：文章对气体钻井技术的发展状况进行梳理，阐释气体钻井技术的分类，如：空气钻井、氮气钻井、天然气钻井和柴油机尾气钻井。分析气体钻井工艺流程。提出气体钻井的优势与局限性，优势方面主要有：提高钻井速度，缩短钻井周期；消除井漏对一钻井的影响；克服水敏性页岩坍塌；减轻或消除钻井流体对油气层的伤害，能随钻评价产层。局限性方面主要为井壁稳定问题和井壁稳定问题。

关键词：气体钻井 工艺技术 油气勘探

一、引言

我国对气体钻井技术进行系统的研究和应用始于20世纪80年代末。1989年新疆石油管理局钻采研究院从国外引进了第一套移动式专用空气钻井设备，其供气能力为75m3/min。新疆石油管理局利用该设备实施了空气雾化和空气泡沫钻井工艺。随着欠平衡钻井技术在我国的兴起，20世纪末本世纪初，四川、长庆、辽河、胜利、吐哈等油气田也相继开展了气基流体欠平衡钻井技术的应用。

二、气体钻井技术的分类

1.空气钻井

空气是气体钻井中使用较多的循环介质，主要用于非储层段钻进。钻进时，空气压缩机从大气中吸入空气，经过增压以及冷凝析水后入井，由于空气可以直接从周围环境中提取，所以该项技术的成本相对较低。但是，如果钻进过程中遇到可燃气体，则井下有发生燃爆的危险，因此，在钻进时需要密切监视返出物中烃类含量的变化。典型的空气钻井地面管汇，

2.氮气钻井

在钻井过程中，氮气既可以单独作为循环介质，也可以与其他流体一起入井。氮气优于空气的地方在于氮气与烃类混合时不会燃烧，因此氮气钻井可有效地避免井下燃爆。钻井过程中氮气的来源一般有低温供氮和膜分离制氮两种。由于低温供氮方法所能提供的氮气较少，因此很少用于长井段氮气钻井作业，在现场主要用于压裂作业。膜分离制氮装置能够在现场制氮，可满足连续钻进的要求，但制氮设备价格较为昂贵，相应地会增加钻井成本，因此，一般用于钻穿产层段。

3.天然气钻井

由于天然气钻井入井流体与地层产出的烃类之间不发生反应，因此在井下没有燃爆的危险。但是，如果井口有天然气泄漏，同样有可能发生危险。因此，也需要做好井口设备的密封工作。在排屑管线的出口，返出的天然气需要点火燃烧。天然气钻井受气源井位置的限制。如果气源井压力过高，则需要考虑在气源管线上的节流以及节流后冰堵的影响。

4.柴油机尾气钻井

柴油机尾气钻井又称为废气钻井，是利用柴油机的燃烧气作为循环介质的一种钻井技术。气体在经过一定的冷凝、净化除尘后，经增压机增压后入井。由于尾气为柴油在燃烧后的产物，以二氧化碳居多，氧气的含量很少。因此，可以有效地避免钻遇储层时井下着火现象发生。

三、气体钻井工艺流程

1.气体钻井井口地面控制分流系统

1.1 设计原则

气体钻井尤其是天然气钻井是一项高风险的钻井技术，在常规钻井中是控地层流体进入井筒，而气体钻井则是允许地层进入井筒。因此在气体钻井中对入井筒的流体在井口及地面进行有效控制是极其重要的问题。气体钻井井口、面控制分流装置、管汇选择必须满足以下原则侧：

①满足设计井口压力；

②预估的储层流体流量：

③己在油田使用证明、安全、可靠。

1.2 井场布局

空气钻井中所用设备和井场布置明显有别于传统钻井方式，现简要介绍一井场布置和井口装置示意图

图3.1气体钻井井场布置图

2.气体钻井工艺技术流程设计

2.1 设计原则

气体钻井是一项高风险作业，是自始至终的流体控制过程。气体钻井中必须遵循以下基本原则：

①满足井壁稳定；

②地层出水量（油）必须满足小于气体最大携屑能力；

③天然气、惰性气体钻井时H2s含量20mgm/3；

④在满足以上基本原则条件下，对用于钻开储层的天然气或氮气钻井均可用于碳酸岩储层和碎屑岩储层，并都可采用先期裸眼完井方式。

2.2 气体钻井工艺技术流程设计

气体钻井工艺技术设计流程按如下程序：

（l）储层特性数据

.岩性

.储层地层压力

.渗透率

.孔隙率

.地层水流量

.温度

.储层中潜在敏感物

（2）完井方式选择

（3）气体类型

.氮气

.天然气

.空气

.柴油机尾气

（4）井口、地面控制、分流系统设计

.BOP组合级别

.旋转控制头

.节流管汇

.分离器压力、流量

.燃烧坑

（5）钻柱设计

.钻柱组合

.钻柱强度

（6）气举设计

（7）气体流动力学参数设计

.注气量

.注气压力

.井底压力

.钻头内压力

（8）机械破碎参数设计

.钻头选型

.钻压

.转速

（9）井控、安全设计

四、气体钻井的优势与局限性

1. 气体钻井的优点

气体钻井技术的优点在于能够降低钻井成本，提高单井产量，具体表现在以下几个方面。

1.1 提高钻井速度，缩短钻井周期

在气体钻井中，地层孔隙压力会在负压差条件下产生向井内的“推力”，该“推力”有促使井底岩石破碎（或崩离井底）的趋势。该现象的实质是原始地层孔隙压力向井内气体压力过渡的“压降梯度”，类似于单井径向流中的“压降漏斗”。对于有可动流体的层位，该压降梯度由流体在多孔介质中的流动阻力所产生；对于有束缚流体的层位，该压降梯度则由液固界面张力和流体粘度所产生。该流动阻力产生的流固祸合应力使井底处岩石有脱离的趋势。

1.2 消除井漏对一钻井的影响

井漏是指在钻井过程中循环介质不返出地面，而是消失进入地层的现象。过平衡钻井中，井内液柱压力高于地层压力，钻井液会向地层发生轻微渗漏，如果钻遇高渗层或裂缝或熔洞型地层时，可能会造成大量钻井液流入地层，造成严重井漏或恶性不返，这不仅延长了钻井周期，而且会因钻井液的大量消失而造成更大的经济损失。气体钻井井内压力远低于地层压力，循环流体进入地层的作用力没有了，因此可以完全避免发生井漏。

1.3 克服水敏性页岩坍塌

水基流体钻井中，如果钻遇水敏性页岩，循环介质中的水相与页岩发生物理化学作用，使页岩强度降低，造成井壁坍塌。如果采用气体钻井，由于工作流体中无水基成分，钻进中不会对井壁的岩石强度造成影响，因此不会引起井壁的水化坍塌。

1.4 减轻或消除钻井流体对油气层的伤害，能随钻评价产层

由于气体钻井循环介质中不含水基流体，因此可以彻底地消除正压差伤害和水相圈闭对储层的伤害，而且钻井过程中由于地层流体流入使立管压力、出口返速等可观测参数发生改变，因此可以通过直接计量分析返出的地层流体来实现对产层的随钻评价。

2.气体钻井的局限性

任何技术都有其一定的局限性，气体钻井技术也一样。除了以上的优势之外，气体钻井也有其技术和经济上的局限性。气体钻井的局限性主要表现在井壁稳定问题、地层出水问题以及井下燃爆问题上。

2.1 井壁稳定问题

常规过平衡钻井时，钻井液会在井内产生相应的液柱压力，井内的这种液柱压力在一定程度上起到了支撑井壁的作用。气体钻井中这种支撑作用失去了，井壁周围岩石是否稳定取决于地应力的状态、岩石强度、实际地层压力和井眼的几何形状等。对于大部分地层，采用气体钻井不会发生井壁失稳的问题，但是在某些高应力区（如断层、破碎带、超深井等）和弱岩地层（如低胶结强度松散砂岩、破碎性岩石、流变性岩石），则可能诱发井壁的力学失稳。

2.2 地层出水问题

2.2.1易形成泥环卡钻

在钻井过程中，如果压风机提供的气量不足难以将井底产生的岩屑全部携带出井筒，岩屑就会在“节点”处发生堆积，并且部分岩屑会向井底回落，造成钻头的重复破碎，降低钻井效率。

2.2.2易发生井壁坍塌

如果裸眼段地层中含有一定量的水敏性泥页岩，则在遭遇地层水后，泥页岩会发生水化膨胀其强度也会降低。由于气体钻井缺乏对井壁的支撑和稳定作用，井底周围的地层会发生坍塌，引起井径扩大。井径扩大将会带来井眼净化和井斜问题。

六、结语

总之，气体钻井对于保护低渗透油气藏来说具有比传统钻井方式明显的优势。同时气体钻并还具有大幅提高钻井速度、降低钻井成本、环境污染小等其它特点。正因为气体钻井具有如此多的技术和经济上的优势，因此它在我国有着越来越广泛的应用前景。

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