钻井工程案例报告

空气钻井中出水问题解决方案探讨一、空气钻井技术简介空气钻井实在钻井过程中，将传统钻井工艺中运用的液体循环介质，用气体取代。

一般为天然气、空气、氮气以及其他一些惰性气体等。

同时，利用高压气体钻进，将其作为击碎岩层的能量，是一种典型的欠平衡钻井技术。

能够有效的避免产油地层在钻进过程中受到钻井液的污染，可以提高油井生产能力，并杜绝由于钻井液的大量漏失而造成的不必要的浪费。

对于高渗透裂缝性地层以及对入侵液体高度敏感的地层，空气钻井技术是降低钻井液、滤液及固相侵入，防止损害储层的一种有效方法。

空气钻井技术是继水平井钻井技术之后迅速发展起来的一门降低成本又增加钻进效率的新技术，与先前的钻井方式相比，空气钻井技术可以使井底岩石受到挤压而凸起，并产生拉应力区，有助于钻头与岩石接触，进而使钻头更容易钻入地层，从而有效的提高钻井的时效。

自上个世界50年代开始至今，钻井技术越来越广泛的呗应用于世界许多油气田钻井工程中。

目前，我过部分油田，如大庆油田、辽河油田、四川油田等，也在推广和采用了气体钻井技术，具有良好的经济效益。

然而，作为一门新的应用技术，世界上各个国家到目前还尚未能研究出更为完善的技术，尤其是在我国，空气钻井技术依存在着诸多的缺陷。

二、空气钻井技术难点空气钻井技术在实际的应用操作过程中，产生了一些力的问题，主要存在一下技术难点。

包括井斜控制难度大，地层水出水难以避免以及井下着火现象不容易被发现等问题，本文主要讨论有关地层出水的问题。

空气钻井要求其钻采地区的地层具有一定的稳定性，不易出现坍塌等问题。

因为，这一技术缺少应对井壁力学性失稳的能力。

特别是在高压、钻井高产储层时，安全性能低。

空气钻井的井筒内压力比液态介质产生的压力小很多，可能会造成井眼机械失稳。

当地层水进入水筒，被空气懈怠起的水经裸眼井段水敏感岩层时，井壁的水化失稳风险会增高。

空气与钻井液不同，不能懈怠井眼稳定添加剂。

当钻遇饱和水层时，粉尘会变为段塞。

这样，经过环空的液体与水敏性页岩层接触，会造成井塌卡钻。

特别是当底层出水量小时，岩屑成泥状，难以被携带至井口。

不但会增加钻进过程与空气循环的阻力，还会造成井眼内不断上移的空气大段塞而堵塞设备，造成很大损失。

通常，当出水流量小于0.477m3/h，或大于7.95m3/h时，很可能会造成极其严重的后果。

小水量可以根据被携带出井的岩屑多少与大小进行判断，空气压力和钻具转动扭矩也是重要的考量对象。

较大水量则可依据注入压力、上返钻屑量以及钻速的变化进行判断。

三、出水问题解决方案对于底层出水至今尚没有比较成熟的解决方法，但是可以通过以下措施来或多或少解决一些问题：1、可以在注入空气时及时注入泡沫胶液，来使它转换成雾化钻井，提高携带能力,如果雾化钻井也使携岩无法得到满足，就要不断加大注入的泡沫胶液量以及适当的减小空气排量，让它转化为泡沫钻井。

2、可以通过优化泡沫胶液配方,提高泡沫质量,为了抑制地层中的泥页岩水花膨胀，还可以在气体中加入粘土抑制剂，来减轻地层中的泥页岩水化膨胀程度。

从而防止井眼缩径和井壁坍塌。

3、破坏已形成的泥环空气钻井作业时，若井下出现大量地层水，若没有及时实施短拉，就将会引起一系列工程事故的出现，可是这并不意味着一发现地层出水现象，就要立刻放弃空气钻井，而是按照出水的多少和地层做总体经济效益评估，如果处理地层水所花费的费用低于采用钻井液钻井，那么仍保持空气钻井方法。

通过想尽一切方法制服出水,而继续发挥空气钻井的优势,甚至美国的钻井课程教材中,都有意识地向学生灌输这个观点:在空气钻井中发现出水,不要放弃,而是根据出水量和地层决定处理办法,最终再做总体经济效益评价,空气钻井省钱,而处理地层水费钱,若最终费用还是比钻井液钻井低,则仍保持空气钻井方法。

对付地层出水主要有两大类方法:一是排,二是堵。

在排水方法中有:增大气量。

采用雾化,加人干燥剂、提高气流速度、以及泡沫举水,其中最重要、最成熟的是雾化和泡沫举水。

在堵水方法中有:泡沫封堵、化学胶凝物封堵、快速凝胶封堵、挤水泥、工具封堵、冷冻法封堵和套管封堵。

4、做好准备工作，以防止出现意外事故准备好足够的空气压缩机增压机根据所钻井眼尺寸的大小，准备好充足数量的空气压缩机和增压机，以保证空气钻井时对所需要的空气量的供给。

于此同时，还要准备齐全雾化泵等相关设备，以备井下出水情况发生时造成的空气钻井能够正常进行，并可以将其及时转化为雾化钻井强化对工程工作人员的培训，做到持证上岗工程实施之前，要对施工现场的相关施工人员进行各项培训，让其对施工步骤技术手段和安全事项等有进一步全方面的了解和掌握另一方面，还必须要对现场的操作人员进行消防井控和等方面的培训，以确保能做到工程项目的顺利进行以及工作人员的技术水平提高和人身安全发现问题及时采取应对措施。

5、通过增大气流速度进行排水,在“排除岩屑”一段内,加大气流速度，提升排水速率，在这一段中，所有的关于增大气流速度排屑的文献、方法、工具,均可以适用。

6、加人干燥剂,如吸附水份的硅粉末、碳粉末、乙醇类化学剂等,这些方法一般对处理地层出水作用不太大,但对利用空气循环、使一口湿井变干还是有效的。

7、泡沫举水,有许多国外专利用坚固、稳定的泡沫从井内排除输送地层水,用于气体钻井的排水和泡沫钻井。

8、泡沫堵水,有许多国外专利,在空气钻井中,为防止地层水流人井眼,采用一种表面活性剂包含溶液,通过井眼注人地层,但是要注意注人量必须充足,该溶液减小了液体表面张力,并在液体中分解,形成稳定泡沫,然后向地内注气,产生坚固泡沫,阻止地层水流人井内。

9、化学胶凝物堵水,国外专利,用于空气钻井中堵水的一种化学剂,用氯化钡、尿素等注人地层,反应生成胶凝物,封堵水层。

用泥炭粉和其他一些化学剂,注人地层形成化学胶凝物,封堵水层。

用硅四氧化物、胺等化学剂,注人地层形成胶状物,封堵水层。

对水敏性不稳定页岩层,亦采用空气、泡沫、乳化液或石蜡等进行封堵,亦可在空气钻井中井内出水时采用。

在气体钻井中,为了封住地下水层,可采用能反应形成胶状物的化学剂。

气体钻井及出水后采用化学胶凝剂封堵水层。

10、决速凝胶封堵,国外专利,用合成树脂、乙烯、氟化物及其他化学挤入人地层,迅速形成高强度胶质物,封堵水层。

在空气钻井出水层,钻井液钻井漏失层,采用粘土、天然树脂、合成树脂的化学堵塞剂注人,形成胶体封住地层。

在欧洲的空气钻井中,采用了硅氧胶封堵地下水层。

水泥与胶乳橡胶做为地层封堵剂,用于空气钻井堵水,也可用于渗透性漏失封堵。

11、挤水泥封堵,国外认为空气钻井中地层大量出水,应采用封堵措施,如向地层挤人快干水泥封堵。

12、其它堵水方法,国外三个专利:用于空气钻井中堵水的方法与工具,该装置有一个充气可膨胀的封隔器,还有一个地面控制的释放机构。

遇到水层后将封隔器可以转动,上下移动,在钻柱与封隔器之间有气体上返通道。

用于气体钻井时封堵地下水的系统,由充气封隔器、自动阀和管子组成。

在空气钻井中遇到地层出水,采用冷冻井壁法使水层冻结封堵。

四、今后技术研究思路目前空气钻井主要用于中低压地层,由于我国大部分油田都处于开发后期,地层压力存在不同程度的下降,再加上近年来大量低渗透油气藏投入开发,而空气钻井又可以保护此类油气藏,这就为空气钻井提供了广阔的发展空间。

只有全面理解和掌握了空气钻井技术,对现有的技术难点逐一攻克,加快开展空气钻井配套技术的研究,才能充分发挥空气钻井的优势和潜力,加快我国油气田的勘探开发步从以上分析可以看出,空气钻井技术在国内外均有着广阔的发展前景,但其技术的逐步完善尚需时日。

今后可以研究的方向包括：1.理论模型是空气钻井研究的基础。

应结合流体力学、多相流理论、气体动力学、工程热力学、传热学及物理化学等多种理论基础对空气钻井井筒内及环空内的实际情况进行深入分析研究,建立更为合理准确的数学模型。

着重进行环空气体与井壁、钻杆间热传导状况研究、高温高压状态下环空内流体物态变化规律研究以及岩屑颗粒的形状、大小对气体携带岩屑效果影响的研究。

2.在理论模型研究的基础上,进一步展开空气钻井最小注气量、临界出水量及机械钻速合理选择的方法研究,以用于指导现场施工。

3.实验是工程技术研究中必不可少的环节。

应着眼于空气钻井技术研究的专用实验设备的研制工作,尤其是大型试验台架的设计与加工。

通过实验手段进行空气钻井的岩屑运移规律、岩屑对钻具的冲蚀磨损规律以及岩屑吸水膨胀规律的研究。

4.作为一种高效的计算及信息处理工具,将计算机技术引入空气钻井的研究工作中是必然的趋势。

应开发相应的模拟软件对空气钻井的井下压力场、温度场、钻柱受力状况及环空流体相态变化规律进行数值模拟研究,并对井下反馈的信息进行实时的加工处理,从而对空气钻井技术的研究提供重要的辅助作用。

5.加快开展空气钻井配套技术的研究。

主要包括:空气钻井井位及井段优选方法的研究;空气钻井钻头、钻具优选及个性化设计的研究;空气钻井特殊工具的改进研究;随钻测井技术在空气钻井作业中的应用研究等。

国外某井从井深1358m空气钻井开始就发现地层出水,随着井深的增加,出水量逐渐增大,每次下钻到底均要进行长时间的举水作业。

岩屑粘附在钻具、井壁和套管壁上,形成厚实的泥饼环,起钻时在套管内大段遇阻,裸眼段泥页岩水化膨胀井眼缩径,井壁坍塌掉块等。

查永进批注：空气钻井的出水问题确实是最关键的问题，出水不仅导致泥饼环卡钻，而且会造成井壁吸水而垮塌卡钻。

因此钻前的出水预测非常关键，实钻时遇到地层出水立即终止空气钻井。

当然对于塔里木山前上部砾石层来说，可以在出水量较大时仍能钻进，具体原因请作者自己分析一下。

出水预测目前是利用测井资料进行解释处理，在井位与层段优选时还可以利用测井资料进行气体钻井井眼稳定性分析。