哈山101井火成岩地层气体钻井提速技术优化及应用

40西部探矿工程2019年第4期哈山101井火成岩地层气体钻井提速技术优化及应用
韩玉华”,于海叶，曹强，朱焕刚，赵洪山
(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017)
摘要：介绍了新疆火成岩气体钻井提速技术情况,通过优化空气锤KQC275型雾化钻井参数，形成了火成岩雾化+空气锤钻井技术，实现哈山101井二开气体雾化空气锤钻进进尺427.69m,平均机械钻速3.94m/h在地层出水情况下，试验自行研制的连续循环阀系统，共钻进了49.28m,旁通、主路转换过程中立压变化不超过O.()5MPa,实现接单根时节省循环、重建循环等辅助时间2()余分钟.指出为解决空气锤KQC180型在雾化钻井时压力异常升高、空气锤不工作等异常情况需进行的优化和下步研制的重点方向分析了雾化钻井条件下钻遇含气破碎带后的地面气测数据及钻井参数的变化，给出了判断井下可能着火燃烧的理由，提出了石油行业/企业标准修订的有益建议，为今后准噹尔盆地火成岩地层气体钻井提速提供了借鉴、积累了经验
关键词：火成岩地层；雾化空气锤钻井；连续循环阀系统;雾化钻井；井下燃烧
中图分类号:TE242.6文献标识码：A文章编号：1004-5716(2()19)()4-()()4()-04
近几年，中石化新疆的哈山地区呈现岀大规模立体含油格局，勘探取得新突破。

完钻的哈山1、哈浅6、哈浅3、哈深斜1、哈深2等井含油层厚度分别为860m、722m、478m、136m、30m。

通过钻探发现圈闭12个,面积310km2.圈闭资源量2x10先以上。

该区发育六期推覆体.推覆体原油来源于准原地叠加系统风城组怪源岩、油源断层控制油气宏观分布.推覆体I、11、皿、IV最为有利叫本着评价外来推覆系统，预探前缘冲断带，寻找富集区的部署思路,布置了重点评价井哈山101井。

设计井深4500m,采用三开制井身结构：0444.5mmx202m(0339.7mmx2()lm)+0311.2mmx 24222m(02420mmx2420m)+0215.9mm x4500m 钻遇地层自上而下依次为片垩系、侏罗系、石炭系及二叠系佳木河组＞地质预计石炭系主要以火成岩为主.岩性为绿灰色玄武岩，灰色火山角砾岩、安山岩，灰色凝灰岩、夹凝灰质砂岩;佳木河组主要为深灰色、灰色火山角砾岩及深灰色凝灰岩、安山岩。

本地区钻探前期概况:火成岩硬度高达2504.23〜2905.45MPa,可钻性级值普遍不小于8级，可钻性差，抗压强度最高333MPa,研磨性强,塑性系数为1.10〜1.33,属于硬脆性岩石叫邻井“空气/泡沫+牙轮钻技术”、“空气+空气锤钻井技术”，相比钻井液钻井提高了机械钻速1.7-11.3倍S本井重点对雾化空气锤钻井参数进行了优化;在二开钻遇地层出水时试验了气体钻井连续循环阀系统，实现了提速提效的目的;分析了三开多处钻遇微量出水、出油,KQC180型空气锤在雾化钻进条件下立压异常、锤头不正常工作的原因;二开雾化钻井后期井下可能发生了着火燃烧，暴露出了气体钻井配套技术中的不足和标准规范需要完善的地方，为下一步技术的配套完善指明了方向。

1空气锤雾化钻井参数优选
新疆火成岩地层存在含水层数量、深度和出水量不确定的问题，为了在地层少量出水时继续发挥空气锤的防斜打快优势以哈深2井三开为例，对不同出水量时的环空气液两相流进行了分析,得岀井底泡沫质量小于0.6,会导致泡沫破裂成为气液固三相，见图1在此基础上，对哈山101井地层少量出水时的井内流动进行模拟优化,优化出的雾化钻井参数，见图2和表1,即确保了空气锤正常工作又满足携岩要求。

哈山101井在地面监测到井下出水时，通过增大注气量、注入微量泡沫基液:排量0.25〜l.OL/s,调整泡沫基液浓度：1%〜4%,根据返出雾化液的连续性、携岩情
*收稿日期:2018-09-19修回日期:2018-09-19
基金项目：国家科技重大令项"大型油气ED及煤层气开发"之子课题"复杂地层钻井提速提效关键工具与装备研发"，编号：2()16ZX05021003-004部分研究成果。

第一作者简介:韩玉华(1982-),男(汉族).山东昌乐人.T.程师.现从事井筒用力控制相关的科研和技术服务T 作
2019年第4期
西部探矿工程
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图1 以哈深2井三开注气量165m'/min,注 液量0.3L/S 为例计算的井内气液浓度分布
况调整基液注入排量或基液浓度，最终形成了“雾化+
空气锤钻井技术”。

二开空气锤雾化钻井进尺
427.69m ,平均机械钻速3.94m/h ,分别较牙轮雾化钻进
进尺提高9.39倍，平均机械钻速提高1.74倍：2连续循环阀系统2.1系统概况
气体钻井连续循环技术可以避免因循环中断造成 的掉块、沉砂卡钻等井下复杂.提高气体钻井地层出水 下的时效性和安全性，有效延长气体钻井进尺系统
主要有地面控制管汇和连续循环阀组成.控制管汇由
气体钻井立管管汇改动即可，见图3；连续循环阀是一
个具有旁通口的两位三通阀短节,在每个单根/立柱的
顶端安装连续循环阀，在接单根时通过此三通阀接头 和控制管汇配合可实现气体循环通道在主通路、旁通 路间的切换，进而能够保持接单根过程中气体的连续
0.005 0.010 0.015 0.020 0.025
0.030
环空体积百分数剖面
体积分数(％)
环空速度剖面 速度(m/s)
图2 哈山101井井深45()0m 时，地层出水lm7h,注气量130m'/min 、注液量0.5L/S 井筒的岩屑返速和浓度
表1 KQC275型空气锤雾化钻井参数
序号
地层出水量钻井耗风量注液量工作风压推荐钻压推荐转速
(m 1)方式(Nm7min)
(L/s)(MPa)(kN)(r/min)
10空气90〜1000 2.0〜3.020〜3025〜4020〜10
雾化100〜1300〜0.5
2.5 〜
3.5
20〜3025 〜40
3
10〜20雾化
130〜1600.5〜0.75 3.0-5.020〜3025〜40420〜30雾化
160〜180
0.75〜1.0
3.5〜6.0
20〜30
25〜40
循环状态。

基本参数:主通径55mm ，旁通径55mm,外 径178mm,长度830mm,联接类型NC50,额定工作压
力 35MPa 0
2.2连续循环阀试验情况
二开雾化钻进至井深2116.0m 开始试验连续循环
阀，地层出水量约1.33m :7h,钻进参数:气量130Nm ：7min , 液量0.5L/S,钻压10〜20kN,转速25r/min,立压
2.8MPa 。

岩性:浅灰色凝灰岩，灰色凝灰岩 共使用连
续循环阀5只，完成了 5次接单根连续循环作业，使用
井段为2116.30〜2165.58m,使用连续循环阀钻进进尺
49.28m :使用连续循环阀后接单根时间较常规接单根
时间增加2.5min 左右,可节约因排砂、排液、卸压、压力
恢复等所需的循环时间约25min 在旁路循环和主路 循环切换过程中，系统运行平稳，压力波动不超过
0.05MPa(为0.02〜0.05MPa),实现了接单根作业的气
液连续循环,为下一步的现场推广应用积累了经验，
3存在问题
3.1
三开空气锤雾化钻进立管压力异常
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西部探矿工程
2019年第4期
去立管
排砂管线
图3 哈山101井气体钻井连续循环阀地面管汇示意图立管压力异常都发生了 3次，钻具组合：0217mm
KQC180 空气锤 F+430x4A10+单流阀+0158.8mm
钻铤xl 根+0158.8mm 无磁钻铤xl 根+0158.8mm
钻铤xl6根+4Allx41O+0127mm 加重钻杆xl5根+
0127mm 钻杆，水眼:32mmx2。

第一次:空气锤广雾化
试钻井,井深2596.58~2598.20m,钻进参数：注气量
130Nm7min,注液量0.50L/s o 立压由3.1MPa 上涨至
5.1MPa,多次试验仍不正常，见图4,起钻检查更换空
气锤,起出空气锤地面测试工作正常第二次:空气锤
2=雾化钻井，井深2596.37〜2616.32m,注气、注液量不
变，立压在4.5〜6.1MPa 之间无规律波动。

井深
2613.32m,排砂口逐渐返出干的粉尘，转为空气钻井。

第三次:空气锤3=转为雾化钻井,钻进参数不变,加压, 无进尺，立压上涨至&9MPa 0多次试验仍不正常。

起
出空气锤3=地面测试不工作：，
o o o o o O
5 4 3 2 18:49:55 9:18:43
9:47:31 10:16:19 10:45:07 11
时间(h: min: s)
---转速钻压—-立压
田s a d w )田扫6 5 4 3 2 1 05
5图4 2596.58~2598.20m 雾化空气锤试钻井参数变化三开空气锤锤体外径为180.0mm,为保证工具强
度，内部气体流道相应减小，在注入流体中有少量液相 存在的情况下，压缩气体推动活塞做功过程中,将出现
空气锤锤体内气流流动不畅、立压异常升高、空气锤不 工作等问题。

因目前国内气体钻井主要用于中浅层硬 地层提速，在中深部小井眼产层等方面应用少,使国内
各空气锤生产厂家的KQC180型及更小尺寸的空气锤 还处在研发推广应用阶段,产品存在试验井次少、未形 成成熟的系列产品的问题，需要对小尺寸空气锤内部 结构及流道重新进行优化设计和校核.形成适用于雾
化条件的空气锤，通过优化、试验、再优化、再试验的过 程进行完善。

3.2地层出气导致的井下着火燃烧
三开牙轮雾化钻进至2977.10m,钻遇0.34m 快钻 时地层(时间4:07),钻压100〜120kN ,转速55r/min ,气 量130Nm7min,液量0.5L/s,立压3.0MPa,出现全姪
上升、扭矩波动,之后监测到CO?上升,全怪下降，但是
未对氧气、一氧化碳进行监测。

后因出油量大及掉块 严重甲方同意转换钻井液钻井，将井下处理基本正常 后起钻发现减震器本体丝扣处断裂,落鱼长度2.43m ,
综合全怪异常、断钻具、牙轮掉牙齿等判断井下可能 发生了着火燃烧。

理由1：CO 2出现时间较全姪异常出现
时间晚了 3min,高峰出现时间较全姪高峰出现时间晚了
12min ,且CQ 出现时间与气测全姪拐点出现时间一致,
符合燃烧后全怪减少、COi 增加的规律。

曲线拐点较平
滑与井下燃烧程度低等有关；理由2：起出牙轮钻头外径 无磨损，切削齿、保径齿脱落34颗、53颗。

镶齿牙轮钻头
是依靠牙齿与齿孔间的过盈量实现牙轮固定的，由于牙
轮壳体和牙齿材料的线膨胀系数差别较大，分别为13.2x
10» /K 和5.3x10" /K,当着火使温度升高后导致的2种
材料的膨胀值不同而掉齿.而温度升高导致过盈量降低 是高温情形下牙轮掉齿的重要因素叫理由3：单流阀和 减震器截面直径多处发生变形、断裂处发生融熔；
气体钻井行业有观点认为雾化钻井有防火的作
用'1石油行业/中石化企业规范未对雾化钻井燃爆监
测进行规定，并且石油行业规范中要求空气钻井可燃 气体含量持续超过3%终止空气钻井施工；中石化企业
规范规定返出气体天然气含量连续大于3%,或井下连 续发生2次燃爆,空气钻井应转化成氮气、雾化、泡沫或
常规钻井液钻井"I 因此建议对规范进行修订完善，
明确空气雾化钻井时应进行燃爆监测。

4结论与建议
(1) 优化了空气锤+雾化钻井参数，有效解决了地
层少量出水情况下的井下安全,使空气锤钻进井段得
到了有效延长。

(2) 试验了气体钻井连续循环阀系统，在地层出水
情况下钻进49.28m,节省了接单根循环、重建循环等辅 助时间20多分钟,试验过程地面压力变化平稳,为下一
步推广应用积累了经验。

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页)
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图2弹性打捞筒照片
大庆油田第丿啄油厂太东A2#斗114井采用0215.9mm 钻头钻进至井深1889m完钻，最大井斜36。

,该井完钻后进行了短起下钻并充分循环起钻，未进行通井划眼作业直接测井.因测井系列没有中子密度要求,测井一趟线，仪器总长36.8m,仪器外径为090mm。

测井仪器下至1768m有遇阻迹象，又缓慢下至1802m遇阻下放张力变为0,上提电缆发现仪器卡住.无法提出测井仪器，测井仪器卡死。

事故处理经过如下：
(1)穿心打捞失败，电缆被拉断。

卡仪器事故发生后，先组织穿心打捞,打捞工具下至仪器顶部反复试探,三球打捞器打捞筒未能套进仪器,由于反复上提下放并旋转试探，电缆被反复挤压而断开。

起出电缆发现井下剩余电缆0.5m,起出捞筒内有大量粘泥块。

(2)测井仪器专用打捞筒下入遇阻，下入测井仪器专用打捞筒,钻具组合：0178mm打捞筒x6m+ 0127mm钻杆。

打捞筒下至1560m遇阻，开泵循环下冲,由于捞筒连接丝扣强度不够不能旋转划眼,开泵下冲至1580m始终遇阻无法通过，起钻完发现，捞筒内带出大量粘泥块，
(3)下弹性打捞筒一次捞获。

现场改制弹性打捞筒,连接好下钻,钻具组合：0200mm套铳鞋x0.6m+ 0194mm弹性打捞筒x5m+0194mm转换接头x O.5m+0127m m钻杆打捞筒下至1500m遇阻开始划眼.划眼至1670m可正常下钻。

下钻至鱼顶1770m充分循环后开始下探,探进落鱼2m泵压上涨,上提钻具遇卡,停泵继续下探探进落鱼4.3m后遇阻，上提遇卡, 0〜1000kN反复活动2h解卡,起钻捞获全部落井仪器,如图3所示。

图3弹性打捞筒捞获照片
4结论与认识
实践证明,弹性打捞筒解决了测井仪器专用打捞工具的多项不足，可以替代专用工具处理类似仪器落井卡死事故，且打捞效率更高。

弹性打捞筒结构简单，现场加工简便，可根据井下落物外径大小,对弹性打捞片收缩内径进行调整，可以打捞不同尺寸的杆状落物。

弹性打捞筒与套铳头配合使用，可以进行划眼通井，能够满足各种井型复杂情况下的落物打捞。

弹性打捞筒在各种井型杆状落物打捞中必将有广阔的应用前景。

参考文献：
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(上接第42页)
(3)空气锤KQC180型在雾化钻井过程中出现压力异常升高、不工作等异常，原因为内部气体流道不合理.建议重点进行适用于小尺寸井眼、雾化钻井条件的空气锤流道优化设计和改进。

(4)分析了雾化钻井钻遇含气破碎带后发生井下燃烧的地面气测数据及钻井参数的变化，建议对石油行业标准进行修订完善.明确雾化钻井时应进行燃爆监测，
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