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反循环钻井与洗井技术

前言

钻井液从井筒环空流入, 经钻头、钻具内眼返出为反循环钻井。反循环钻井技术具有减少钻井液漏失、保护油气层、岩样清晰等优点。反循环钻井分为气举反循环、空气反循环、泵吸反循环等。气举反循环钻井技术从装备上需要空气压缩机、储气罐、气盒子、双壁钻具、混气器、反循环钻头等, 现场利用原钻机连接上述设备进行作业, 应用结束拆走设备后不影响正常钻井作业。经过试验及现场应用, 设备配套实用, 应用井漏层连续钻进400余米, 效果良好。

利用气举反循环时对井底的抽吸作用, 能够进行洗井、捞砂作业, 由于减少了正循环时压实效应, 液

流在钻具内直接上返, 避免了含砂

洗井液进入地层, 堵塞通道, 能够有效的保护油气层。

一、气举反循环钻井概述

气举反循环钻井, 是将压缩空气经过气水龙头或其它注气接头( 气盒子) , 注入双层钻具内管与外管的环空, 气体流到双层钻杆底部, 经混气器处喷入内管, 形

井眼环

钻杆内图 1 反循环钻井驱动

成无数小气泡, 气泡一面沿内管迅速上升, 一面膨胀, 其所产生的膨胀功变为水的位能, 推动液体流动; 压缩空气不断进入内管, 在混合器上部形成低比重的气液混合液, 钻杆外和混气器下部是比重大的钻井液。如图1所示, h1为钻具内混合钻井液高度, 密度为ρ1; h2为钻具内未混合的钻井液高度, 密度为ρ2; H为环空钻井液高度, 密度为ρ, 由于ρg H＞ρ1g h1+ρ2g h2, 环空钻井液进入钻具水眼内, 形成反循环流动, 并把井底岩屑连续不断的带到地表, 排入沉砂池。沉淀后的泥浆再注入井眼内, 如此不断循环形成连续钻进过程。

钻井液循环流程见图2: 沉砂池—环空—钻头—钻具内水眼—混气器( 与注入空气混合) —双壁钻具内水眼—水龙带—排液管线—沉砂池。

优点及用途

1、能实现地质捞砂目的

气举反循环钻井液流在钻具内直接上返, 携带岩屑能力强, 岩样清晰, 在漏失地层钻进时能实现捞砂等地质目的。

2、提高漏层钻井效率

气举反循环钻井时, 钻头处的钻井液对井底产生抽汲作用, 岩屑被及时带走, 减少压实效应, 在漏层钻井时, 可减少岩屑重复破碎、能提高机械钻速, 增加钻井效率。

3、可减少或消除钻井液的漏失, 保护储层

由于反循环钻井时环空压耗小, 作用于地层的压力小, 因此在易漏

地层钻进时, 可减少或消除钻井液的漏失, 保护储层, 并节约大量钻井液材消耗。

4、可减少泵损耗, 延长泥浆泵泵使用寿命

采用气举反循环钻井时, 泥浆泵的作用只是向环空灌泥浆( 或采用灌注泵灌注) , 泵负荷大大减小, 使用寿命延长。

5、井控灵活

可采取正循环、反循环两种方法压井, 井控灵活。反循环压井重泥浆能够直接送至井底, 不必分段循环, 缩短处理时间。

二、国内外应用现状

反循环钻井技术在水井、水文地质钻孔、大口径工程施工孔的钻井中应用较广, 近年来气举反循环钻井技术已在地质、冶金、建设、水利、煤田和军工等系统推广应用, 覆盖面遍及全国29个省市自治区。采用此方法达到的最大孔深是2470.88米, 最大孔径是3.2米。同正循环钻井相比, 平均机械钻速提高1.2~3倍, 台月效率提高1.5倍; 在复杂地层钻进综合效率是正循环钻进的3~6倍; 水井的洗井时间缩短1/2; 出水量增大1/3; 优质孔率为100%。反循环空气钻井最早用于硬地层的钻井, 加拿大K2能源公司开发出井下安全设备后, 开始应用空气反循环钻井技术开发低压气藏, 在美国北蒙大拿州Blackfeet印第安人保留地的Bow Island 地层, 应用空气反循环中心排渣钻井技术( RCCD) 成功钻成天然气试验井, 该地层属低压地层( 估计地层压力为150Psi) 。两口对比实验井分别钻于用泥浆钻成而没有油气显示的井旁, 在没有增产措施的情况下,

采用2″油管抽吸, 日产天然气分别为15.5 万立方英尺和9.7万立方英尺。

三、当前研究情况

在气举反循环钻井技术研究方面, 根据气举反循环钻井工艺要求, 结合油气钻探特点, 主要开展了反循环钻井工艺理论研究、反循环钻井流体技术、反循环钻具研制、反循环地面配套装备研制。

研究重点是反循环钻井工艺及井控技术, 当前已配套气举反循环钻井主体设备, 设计出双层钻具组合防喷工具, 经过先导试验, 初步形成了反循环钻井施工工艺, 实现了流程设计改造、反循环钻进、携带岩屑、泥浆脱气等工艺。下步将在完善气举反循环钻井技术的同时, 进一步拓展应用领域。

1、气举反循环钻井深度

①沉没系数a: 水面以下高度与双壁钻

具总长度的比值。( 见图3)

a=

5.0

≥

+hs

hd

hs

若泥浆泵灌浆及时则能够认为液面保持

在高架槽处, 液面以上高度依据立管高

度确定, 水头按20~30米计算。即双壁钻

具下深大于30米即可建立循环。

②双壁钻杆下深与井深比例关系

调研文献推荐范围较大为1:4~10。如北京丰台区某井, 设计井深2470m。实际井深2470.88m。

图3 沉没系数

钻具组合为: φ152mm 三牙轮钻头+φ121mm 钻铤(36m)+ φ73mm 钻杆(2080m) + SHB127/76型双壁钻杆(270m)+108mm ×108mm 双壁方钻杆及双壁气水龙头。此种钻具组合主要参数值为: 沉没比> 90%, 双壁钻具初始长度为270m, 随钻孔深度的延伸增加双壁钻具的数量, 最多时达到330m( 井深2470.88m) 。双壁钻具与井深比值为1: 7.5。

2、 气举反循环钻进注气量计算

①气举泵原理与注气量

在气举反循环钻进中, 钻井液能够循环流动是由于气举泵作用的结果。气举泵是以压缩空气为

动力, 从井内将水提升到一定

高度或到地面上来的一种抽水

装置。

气水混合物的比重小于水, 在

扬水管内外因比重不同形成了

液体压力差, 它们之间又经过

扬水管相连通。根据连通器作

用原理, 处于扬水管内的气水

混合物液面将上升, 直到从扬

水管排出口流出。如果不断地送入压缩空气, 那么这个过程将连续发生, 在混合器处形成低比重的气水混合物, 进一步上升从扬水管1 —注气管; 2 —气水混合器; 3 —扬水管

图4 沉没系数