空气钻井技术
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充气泥浆
微泡沫
泥浆
(4)延长钻头使用寿命
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(5)保证井眼清洁
气体钻井中钻屑爆裂粉碎能快速带出井筒。
Increasing Cutting Carrying Capacity Decreasing Velocity Requirements
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(6)有利于防斜 破岩所需的钻压小,有利于防斜打快。
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4、空气钻井的优越性
(1)提高机械钻速
与常规钻井相比,可提高钻速3-10倍, 在气体钻井中,地层孔隙压力在负压差 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。而泥浆钻井时,井筒中高 的过平衡正压差产生由井内指向地层的 压力,阻碍钻头对地层的破碎和已破碎 岩体脱离井底。
(1)深部地层钻速太低 (2)复杂地层、深井井斜突出 (3)钻大尺寸井眼钻速低 空气钻井可有效解决上述问题
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2、空气钻井的概念
空气钻井是指钻井中以压缩空气或含有压 缩空气的气液混合物作为洗井介质,或用压 缩空气既作为破岩工具的动力又兼作洗井介 质的钻井技术。它是欠平衡钻井的一种形 式。
如果需要进行泡沫钻井时,采用化学剂泵将液体 发泡剂、缓蚀剂和水注入高压气体管路,这些化 学药剂与气体混合后形成泡沫。这类泵通常排量 很小,额定压力较高。
6、排屑管
废气及钻屑通过排屑 管至燃烧池,推荐管线长 度 ≥ 90m , 其 横 截 面 面 积 与环空截面而积相等。管 线排出端应与风向垂直, 且外伸超过燃烧池壁1.8 m。排屑管线应该沿全长 安全地固定在地面,排屑 管上应安装取样器、天然 气检测器、点火装置。
Low Pressure Booster
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High Pressure Booster
将空气压缩 机的空气由 2.5MPa进一 步增压到 10MPa以上
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3、制氮设备
Skid-Mounted Nitrogen Producing Unit (NPU)
空气钻井钻产层或钻 遇一些含气的层段,可能 发生井下着火爆炸事故, 为保证施工安全,需要采 用氮气钻井,膜分离制氮 系统的作用就是将空气压 缩机输送来的空气分离后 产生氮气 。
空气钻井技术
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主要内容
一、概述 二、空气钻井工艺过程 三、空气钻井主要设备 四、空气钻井最小注气量计算
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一、概述
1.常规钻井所面临的问题
在常规钻井过程中经常遇到加钻压困难、井斜及钻速 低等问题,这些问题制约了钻井速度的提高,影响了勘 探开发的效益。归纳起来问题主要有以下几点:
到80、90年代,由于转 动式空压机使用当中存在着 缺陷(维修费用不低,漏气 使得钻深井时不能提供足够 的循环压力),往复式空压 机重新得到广泛应用。
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油田空压机的使用情况
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2、空气增压机(Booster)
用以提高压缩空气的压力等级,以补偿当空气钻进时使用小尺寸喷嘴 或井下动力钻具时造成的过大压力损耗。分为两种,一种是低压(Low Pressure Booster),一种是高压(High Pressure Booster)。
(7)降低成本 能大幅度提高机械钻速,缩短钻井周期,降低
成本。 (8)有利于环境保护
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5、空气钻井的缺点和局限性 (1)对地层压力的控制能力低
气体钻井作业一般限于那些储层孔隙压力较低 的地区。 (2)气体钻井局限于地层岩石较老且致密的地层 因为井眼内几乎不存在流体压力来支撑井壁并 防止其坍塌。
COMPRESSOR
容积式(positivedisplacement)
转动式 (rotary)
往复式 (reciprocating)
连续流(continuous-flow)
抽气式(ejector)
动力式 (dynamic)
滑动式(slidingvane)
水力活塞式(Liquidpiston)
螺杆式(Helicallobe)
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二、空气钻井工艺过程
空气钻井井场图
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钻井泵 循环罐
空气钻井工艺流程图
空气
立管 钻柱内
钻头 环空
基液回收
常规钻井液钻井 空气钻井
增压机
井口 污水池
空压机 冷凝器
排砂管线
首先,空压机对空气进行 初级加压,降温、除水后经 过增压机增压将高压气体通 过立管三通压入钻具。
Membrane Hollow Polymer Fiber
Membrane Hollow Polymer Fiber
4、雾化泵
当气体钻井地层出水 的时,要将气体钻井转 化为气体雾化钻井,需 要用一个泵把一定量的 化学剂按比例随高压气 体中注入井内,将地层 水雾化成“小水滴”的 形式带出井眼。
5、化学剂泵和化学剂罐
(1)空气锤分类 按排气方式的不同,可分为中心排气式和旁侧排气 式。
按配气装置的不同,可分为阀式和无阀式。
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(2)空气锤的结构
右图为无阀式空气锤示意图 1-上接头 2-逆止塞 3-密封垫 4-外壳 5-环空气道 6-下排气眼 7-空气锤下气道 8-下腔 9-限位阀 10-钻头 11-外壳接头 12-塞座 13-弹簧 14-节流塞 15-配气尾杆 16-上腔 17-空气锤下气道 18-上排气眼 19-中排气眼 20-上气槽 21-活塞 22-下气槽 23-缸体 24-钻头尾管 25-弹簧圈 26-花键接头
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1953年空气钻井技术第一次用于钻井施工,在美国 Utah州用空气钻了第一口井,空气钻井经过发展目前在 美国得到了广泛的应用,也取得了良好的效果。
加拿大也广泛地应用空气钻井技术钻上部地层,提 高机械钻速,缩短钻井周期,降低钻井成本。
另外德国、法国、英国、西班牙、匈牙利、哥伦比 亚、俄罗斯、突尼斯、澳大利亚、阿根廷等国家都进行 了空气钻井的研究与应用。
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7、空气钻井技术国内外现状 气体钻井始于20世纪50年代,稍后出现了雾
化钻井、充气钻井和泡沫钻井,起初是用来钻坚 硬地层,主要目的是为了提高钻速、延长钻头寿 命、降低钻井成本。
国外气体钻井井下工具的研究水平较高,有 专用的空气螺杆、空气锤、与空气锤配套使用的 钻头。20世纪90年代,随着EM-MWD、空气钻井马 达的问世以及各种设备的不断完善,空气钻井技 术的应用变得越来越广泛。
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Hale Waihona Puke (3)工作原理2010/12/18
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压缩空气到达上接头1,推开逆止塞2, 进入空气锤外壳4与缸体23之间的环空气道 5,然后经缸体的下排气眼6和活塞下气槽 22及活塞下气道7进入空气锤下腔8,推动 活塞21上行。当活塞下端与钻头10的尾管 24脱开时,下腔内的压缩空气经尾管及钻 头的通孔排往孔底。此时,活塞上气槽20 对准缸体的中排气眼19,压缩空气经活塞 上气道17进入空气锤上腔16。由于处于上 腔内的配气尾杆15已经进入活塞上端中心 通孔,将上腔封闭,上腔内压力迅速上 升。当活塞行至上死点后即开始高速下 行,冲击钻头上端。在活塞冲击钻头之 前,尾杆与活塞脱离,上腔内的压缩空气 经活塞中心通孔泄向孔底。在活塞冲击钻 头时,活塞下气槽又与缸体下排气眼对 准,压缩空气重新进入空气锤下腔,此过 程周而复始,实现对钻头以一定频率的连 续冲击。
空气通过钻头时对钻头 进行冷却,同时清洗井底, 携带岩屑返回井口。接着进 入排砂管线,最后到岩屑 池。
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三、空气钻井主要设备
空气钻井的主要设备有:空压机、增压机、防喷器 组合、空气锤、钻头、各种管汇、控制阀、注入泵、以 及泥浆罐(储备泥浆,用于特殊情况下,由空气钻井转 为常规泥浆钻井时使用 )、压力计、温度计、流量计 等等。
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左图是普光地区以前采用常规钻井的钻井曲线,右 图是威德福使用空气钻井在普光地区所钻的所有井的钻 井曲线,可以看出钻井速度明显高于常规钻井速度。
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钻井流体对地层伤害的严重程度依次为
空气和天然 气稳定泡沫 硬胶泡沫 充气泥浆 微泡沫 泥浆
(3)减少井的漏失
钻井流体对井漏的影响程度依次为 空气和天然 气稳定泡沫 硬胶泡沫
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(1)、旋转防喷器(Rotating BOP)
旋转防喷器在起下钻时必须对环空进行有效密封,而且钻柱尺寸变 化时密封良好。各生产厂家中,Williams的旋转防喷器产品应用最为广 泛。
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Precision RBOP 旋转分流器
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Shaffer PCWD 旋转分流器 38
7、连接及控制管汇
从各单体气源汇集在一 起至立管之间的管汇为气体集 流管及由一个三通阀或两个标 准阀等组成的管汇组,以便操 作者随时控制气体流。
8、防喷器组合(BOP)
空气钻井中主要使用 两种防喷器:一种为环形 防喷器(或旋转防喷器), 它靠液动作用使胶芯挤向 井口中心,直到抱紧钻具 或全封闭井口,从而实现 其封井的目的;另一种为 闸板防喷器,要求半封、 全封齐全。
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我国气体钻井开始得较晚,玉门油田、四 川油田早期曾采用过空气钻井,因地层出水、 井眼不稳定等原因不得不中止了这种工艺的使 用。此外,地矿系统曾在山东、河南和宁夏用 空气钻井进行过黄金矿产勘探,取得了较好的 效果。
近几年我国空气钻井技术发展迅速,特别 在西部地区应用越来越广。
·螺杆式(Helical Lobe(Screw) Rotary)
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50和60年代,空气钻井 中普遍使用的是往复式空压 机。到了70年代,转动式空 压机开始得到广泛使用,其 主要原因是与往复式空压机 相比价格便宜,可靠性好, 维修费用低。但增压机全部 是往复式的,主要原因是它 能够提供较高的压力。
(2)、闸板防喷器(Ram Preventer)
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8、空气锤及配套钻头 空气锤钻井迄今为止已有50 多年的历史,早期用于
建筑业,随后扩展到采矿、石厂开挖、钻凿水井及地基钻 孔。三十年代中期开始发展起来的空气锤,经过不断改进 和完善,已经在一些发达国家广泛应用。在上个世纪五十 年代末已经开始用于深井钻进。
(3)受限于地层出水 (4)钻柱的磨损会加剧
环空中含砂气流的冲刷作用。
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(5)加剧钻柱的振动 空气流体对钻柱的振动几乎没有阻尼作用。
(6)潜在的风险 井下着火和爆炸 井壁稳定性问题
(7)MWD 无法使用 (8)常规的井下马达不能使用
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6、空气钻井的适用范围 ①不出水和出水量较少的坚硬地层; ②严重漏失的地层; ③地层压力低且分布规律清楚的地层; ④自然环境严重缺水地区; ⑤老油气田的加密井; ⑥煤层气开采。
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3.空气钻井的发展历程
空气钻井技术在美国和加拿大应用较为广泛。首 次使用是1953年在美国犹它州钻了几口核实验井,此 后,该技术广泛应用于世界各地油气井(包括煤层气)的 钻探和开发上。到70年代末,已有10%的深井钻井和完 井作业采用了空气与气体钻井技术。我国50年代开始在 四川、玉门等地应用空气钻井技术,见到良好效果。近 年来空气钻井已得到了广泛应用,成为一项重要的欠平 衡钻井技术。
混流式(Mixedflow)
离心式(Centrifugal)
直管波瓣式(Straightlobe)
轴流式(Axialflow)
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由于容积式空压机能够提供较高的压力,所以在油气钻井中使 用较为普遍。主要有以下三种:
·往复式(Reciprocating Piston)
·滑片式(Sliding Vane Rotary)
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1、空气压缩机(Air Compressor)
作用是将常压空气升 压至设备的额定压力,产 生带有一定压力(一般为 2.5MPa 以 下 ) 的 低 压 空 气,作为气雾钻井的空气 气 源 , 额 定 排 量 3045m3/min。
空气压缩机分为两种基本类型:容积式空气压缩机 (Positive-Displacement)和连续流空气压缩机(ContinuousFlow)。其细分如下: