气体钻井井下复杂情况分析及预防

谢春强 史 辉 高 尧 黄晓川

（1.中国石化中原石油勘探局钻井管具工程处，河南 濮阳 457331；2.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300）

气体钻井井下复杂情况分析及预防

谢春强1史 辉1高 尧1黄晓川2

（1.中国石化中原石油勘探局钻井管具工程处，河南 濮阳 457331；2.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300）

气体钻井是一种特殊的欠平衡钻井方式，也是一种钻井效率比较高的技术手段，其优势主要表现在提高机械钻速、减少井下复杂事故的发生、延长钻头寿命等方面。为了保证气体钻井安全，对气体钻井过程中可能出现的井下复杂情况进行分析，并以川东北地区实际施工过程中出现的事故为实例，列出了气体钻井中易出现的井下燃爆、井下下钻、井壁倾斜等导致井下复杂情况的因素，得出了相应的预防措施，确保气体钻井施工安全。

气体钻井 欠平衡钻井 井下复杂情况 安全

0 引言

气体钻井是一种特殊的欠平衡钻井方式，它是以压缩气体为循环介质，充当破岩工具并清洗井眼；能极大地提高钻进速度，缩短钻井周期，消除常规钻井出现的漏失现象。同时气体钻井对于地层要求极其苛刻，需要井壁稳定，不存在垮塌现象，而且地层不能出水，对于不符合使用条件者不能勉强使用。即使是条件适合于空气钻进技术要求的情况，也应根据实际条件制定相应的技术措施，各施工单位及辅助部门应在施工过程中密切关注各项施工参数及监测参数，及时发现施工过程中出现的井下燃爆、井下出水、井壁坍塌等井下复杂情况，以便在施工时出现突发事件时能够确保生产安全。

1 气体钻井井下燃爆

1.1 气体钻井燃爆成因分析

用空气作为钻井循环介质时由于空气中含有氧气，氧气进入含烃环境容易造成井下着火、爆炸，井下着火、爆炸是空气钻井的一大缺点［1］。天然气或油等烃类物质与空气混合后，当混合量达到爆炸极限范围并在有火源或高温、高压的情况下，就会引起井下燃爆［2］。空气钻井作业时，若有地层水进入井眼，与钻屑混合形成泥环，井内循环介质流动受阻，井下压力迅速上升，泥环以下的气体温度升高，这时，即使天然气等烃类物质进入井眼的流速很低，也可能会迅速形成可燃的混合物。一旦混合物达到爆炸极限，在遭遇明火或高温的条件下很容易发生燃爆（图1）。另外，钻柱与井壁的摩擦、钻头在钻硬地层时会产生火花、钻柱出现微裂缝或小孔刺漏出的气体在其周围产生局部高温等原因把井下混合气体点燃也会发生燃爆［3］。

1.2 气体钻井井下燃爆实例

图1 混合物燃爆示意图

2013年5月1日，xx井使用∅314.1mm空气锤钻头钻进至井深2177.61m起钻。5月2日22:19下牙轮钻头至井深1846.07m遇阻，安装旋转防喷器、接方钻杆，准备划眼。22:25开始送气（排砂口为常

明火），气量为25m3／min，立压为0.1MPa，22:34井口突然爆炸，排砂口火焰高2m左右，排砂管灼热烫手，悬重由888.6kN下降至130.50kN。5月4日7:00起钻完发现2号228.6mm钻铤由母扣下3.84m处断裂，有燃烧现象，断口呈斜坡状，局部燃烧后形成黑色氧化物（图2），可见井下燃爆、着火常常会炸断或熔化掉着火点附近的钻具。

图2 228.6mm钻铤燃爆断口图

1.3 事故原因分析

下钻中途通过节流管汇循环点火，气体排量为25m3，循环期间闸板防喷器顶密封或前密封失效，气体从闸板上部进入旋转防喷器后经排砂管线至排砂池点火口处，可燃气体经管线回火至井口发生井下燃爆，万能胶芯、闸板总成严重烧损；故障损失时间为760h，报废进尺为1286.61m，该井最终实施填井侧钻。

1.4 事故预防方法

1）气体钻进过程中应安装燃爆检测仪器，没有条件的可以与录井配合，加强气体监测。钻遇少量可燃气体时，要加大气量，提起钻具充分循环至烃值降至安全值后方可继续钻进。

2）钻进施工应安装流量计，气体排量要严格按照钻井设计提供，如需调整应按程序由气体钻井施工队、钻井队及甲方技术人员三方结合确定方案，不得随意减少供气量。氮气钻井期间，氮气的纯度不得低于95%。

3）应尽量避免钻至气层后对排砂管线等进行焊补作业，薄弱部位应提前更换，必须进行焊补作业时应与监督、钻井队等做好多方协调工作，取得动火证并经充分循环后，熄灭排沙口长明火，关闭万能防喷器（防止闸板防喷器前密封、顶密封失效、时间小于30min），气体经节流管汇至防喷口释放并在防喷口处点火，焊接完毕后，反向操作，充分循环后恢复钻进。

4）钻至气层后，起下钻过程中要缓慢，尽量避免钻具与井壁岩石摩擦从而产生火花，起下钻过程中应进行气体抽吸作业，在井口处形成负压力，避免井内可燃气体在井口处聚集，并在点火口处点燃倒吸入环空，从而引起燃爆。循环防喷点火前应及时熄灭排砂口长明火。

5）钻遇油气显示，如环空不畅，不应采用高压空气憋通环空，宜更换其他钻井介质。

6）发现油气显示应停止钻进循环观察，排砂口及时点火。全烃含量低于3%时，采用控制钻时钻进，全烃值大于3%应维持排量循环观察，长时间循环烃值保持3%以上，应及时转为其他安全的钻井方式。

2 气体钻井井下卡钻

2.1 气体钻井卡钻成因分析

气体钻井卡钻常见地层出水形成卡钻及地层坍塌形成卡钻等情况［4］。地层出水形成卡钻的原因有：足够的水量将空气钻井形成的粉尘及岩屑变为段塞，更为严重的是湿岩屑会黏附在一起，在钻杆外壁上形成泥饼环（图3），不能被空气从环空中带上来，引起井眼缩小、循环阻力增大。当泥饼环填充环空时，阻止了空气流动并最终产生卡钻（图4）。另外这些空气、段塞相间的混合物沿着井眼向上运移，它们会堵塞地面设备并且对井壁产生不稳定性效应；气体钻井井壁坍塌也是阻碍气体钻井发展的一大难题。井筒内空气柱几乎对地层无作用力，因此靠静液柱压力来平衡坍塌压力的地层不能用气体来钻。但是，空气钻井的井壁不稳定在部分地层，尤其是泥页岩地层是客观存在的，它大致分为两种形式：①井壁剥落、掉块，并且不能及时排走，造成堵塞和卡钻；②地层大块坍塌甚至错动，会造成卡钻。

2.2 实例

2.2.1 地层出水形成卡钻

2013年7月16日，xx井于11:25时钻至井深2273m发现不返砂，但立压、钻时没有明显变化，转盘扭矩轻微增加，由2.9kN／m上升至3.1kN／m，有连续憋钻现象，循环观察后试钻1m仍然不返砂。13:10时，开6台排量为35m3的空气压缩机循环，

有少量掉块返出，略潮湿。边钻进边循环至2288m仍不返砂，怀疑井底出水井壁失稳，决定起钻检查。17:30时，起钻至2003m遇卡。17:45时，循环立压最高2.4MPa后逐渐降至2.0MPa，循环通畅，继续起钻。分析地层2000m左右出水较大，导致井底上返岩屑全部黏附该段井壁，但井底返屑正常，故能正常钻井10m且未见返砂。出水后井壁失稳，开6台车循环出掉块，但岩屑黏附于井壁未能返出。起钻至该段地层时遇卡，活动钻具，起6台车循环上提解卡成功。2.2.2 地层坍塌形成卡钻

图3 形成泥饼环图

图4 发生卡钻图

2013年1月7日，xx井二开整改验收合格，11:00开始气举，20:15井筒干燥并开始空气钻进；钻进至凉高山组地层，钻遇地层软硬频繁交错，可钻性差，局部有放空现象，全烃有显示，气测最高显示为0.97%；1月18日11:00钻至井深2676m，全烃升3.8%，排砂口点火未成功。1月19日06:10接单根后下放困难，尚余4m下不到底，判断井壁垮塌、掉块，之后启增压机恢复钻进，接单根仍沉砂约4 m。1月20日03:50钻进至井深2841m，打完单根划眼时井壁突然垮塌，立即倒换增压机2级压缩，起双增压机循环，循环至16:00排砂口基本不返砂，立压上涨至10.2MPa，判断井壁持续垮塌，掉块难以返出，活动钻具有严重阻卡现象，经反复循环划眼，无好转，决定转换钻井液。采用加重稠泥浆推井底掉块，返出掉块约5m3，可推测井筒存在多处大肚子井眼（图5）。

图5 大肚子井眼图

2.3 气体钻井卡钻的判断

气体钻井卡钻的判断依据有：①注气压力增大；②转盘扭矩增大；③取样器中返出岩屑湿润；④排屑管出口喷出的岩屑增多，有掉块；⑤上提、下放钻具阻力增大。⑥降尘泵停注喷淋水后，排屑管出口无粉尘物。

2.4 气体钻井卡钻的预防方法

1）小流量出水较难判断，需仔细观察。对于小流量出水，比较有效的措施是提高注入气体排量，可边循环边钻进，异常情况排除后，恢复钻进。

2）中等水量发生岩屑结团的危险性较小，由于井内水较多，只要在空气压缩机排量足够的情况下，可将水及钻屑以气泡形式吹至地面。但是对于存在水敏性不稳定地层的井，有可能导致严重的井塌。对于中等流量出水若循环10h以上烘干无效可转化为雾化钻井。

3）大水量危险性较大，因为极可能导致地层坍塌，而且空压机功率不能满足将水吹至地面。但是由于井内水多，钻屑被稀释，不会使岩屑黏结成块。对于大流量的出水只能转化为雾化钻进，若出水量超过20m3／h，则必须转化成钻井液钻进。

4）在气体钻井过程中如果出现轻微坍塌掉块，可以采用减慢钻井速度或划眼，防止卡钻，同时也应加大气体注入量，提高携带效率，满足井眼清洁的需要。

5）现场空气钻井时，为了避免特殊地层出现井壁不稳定情况，一般使用雾化钻井。注入的雾化液使环空出现两相流，即在井壁表面形成连续覆盖的液膜，使井壁表面完全浸润，雾化液中强抑制性表面活性剂在液膜发生毛细管作用，防止自由水扩散吸附和各种化学离子的扩散和交换，促使井壁稳定。

6）井壁失稳可以根据立压、扭矩、钻时及返出岩屑的变化来判断。如果扭矩增大、出砂情况较好、机械钻速变化不大、返出岩屑增多就可以判定是掉块，轻微掉块可以通过多循环，控制下钻速度解决。如果立压增大、扭矩增大、机械钻速减慢、上提下放遇阻则很有可能是井壁掉块严重或坍塌，出现这种现象，应尽快转换成常规钻井。

3 气体钻井井壁倾斜

3.1 气体钻井井斜成因分析

钻井实践表明，井斜的原因是多方面的［5］，如地质条件、钻具结构、钻井操作技术措施以及设备安装质量等。归纳起来，造成井斜的原因主要有两方面：一是钻头与岩石的相互作用，即因所钻地层的倾斜和非均质性使钻头受力不平衡而造成井斜；二是钻柱力学方面，即下部钻具受压发生弯曲变形使钻头偏斜并加剧其受力不平衡而造成井斜。其中，地质条件是产生井斜的重要原因，一般影响井斜的地质因素有地层倾角、层状结构、各向异性、岩性的软硬交错以及断层等。下部钻具在钻压作用下发生弯曲是引起井斜的另一个重要原因，其弯曲程度越严重，井斜也越严重。下部钻具弯曲使钻头偏斜，其钻进的方向偏离原井眼轴线，直接导致井斜；下部钻具弯曲使钻压作用方向改变，不再沿井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度，即钻头偏斜角，从而产生一个引起井斜的横向偏斜力。

3.2 气体钻井井斜预防方法

1）合理确定测斜频率。一经发现井斜超过标准要求立即采用减压吊打的常规方法，如表1所示，xx井500～2362m合理采用测斜间隔，从而很好地控制井斜。

2）空气锤防斜技术。因空气锤完全依靠空气锤活塞作用在钻头上的震击作用而不是钻压吃入地层，其作用就是用低转速（通常为20～30r／min）和极小的钻压震击岩石，钻具处于悬吊状态，从而使得钻头振动减少到最低限度，保持高钻速又不会造成井斜。

3）钻具组合防斜技术。常见的有钟摆钻具防斜、塔式钻具组合防斜、满眼钻具控制井斜、偏轴钻具组合防斜打快技术等。

表1 xx井500～2362m井斜情况统计表

4 结论

1）气体钻井是一项对地质条件、施工工艺和施工设备要求较多的复杂钻井技术，井壁的稳定性、地层流体产出、地层压力、井身结构及场地设备等问题均可能导致气体钻井井下出现复杂情况，处理不当甚至可能导致钻井失败。

2）气体钻井的异常预报与正常钻进有相同的地方，也有区别。在钻井过程中，司钻和相关技术人员可以通过泵压、悬重、扭矩、转盘转速、气测值及砂样变化来判断异常，发现问题及早采取合理手段进行处理。

3）目前气体钻井技术在国内外都得到了较多的应用，但气体钻井技术在国内却难以称为成熟，随着我们技术的不断提高，今后还可以争取在一些低压、低渗气田开展全过程气体钻井，包括符合条件的定向井、水平井等的气体钻井，让气体钻井技术发挥更大的作用。

［1］WilliamC．Lyons.空气与气体钻井手册：第3版［M］.杨虎，译.北京：石油工业出版社，2012.

［2］游莉，方琴.空气钻井技术难点分析及安全技术措施［J］.江汉石油科技，2008，18（4）：29-34.

［3］杨虎，周强.空气钻井技术［J］.新疆石油科技信息，1999，20（1）：38-46.

［4］朱江，王萍，蔡利山，等.空气钻井技术及其应用［J］.钻采工艺，2007，30（2）：145-148.

［5］白家祉，苏义脑.井斜控制理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，1990.

（编辑：李臻）

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2095-1132（2014）01-0042-04

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.01.012

2013-11-06

2014-01-13

谢春强（1972-），工程师，从事石油装备检测与安全性评价、气体钻井等方面的研究工作。E-mail：373084738@qq.com。