新疆轮台126井混合气相流态钻井技术应用

鲁立强

（中国石油集团长城钻探工程有限公司，北京100101）

新疆轮台126井混合气相流态钻井技术应用

鲁立强*

（中国石油集团长城钻探工程有限公司，北京100101）

某钻井公司在某油田126井地层产水速度最高70m3/h的情况下，成功在Ø311.2mm井眼3900～5000m砾石层井段实施混合流态钻井技术。突破了雾化钻井或者泡沫钻井技术对于施工条件（地层产水量、注气量、井深、地层流体温度对于基液性能的影响程度等）的限制，克服了增压机压力级别不能满足实施深井充气钻井技术的难题，实现了合理利用环空混合流态钻井技术进行施工。

混合气相流态钻井；雾化钻井；泡沫钻井；充气钻井

近年来，气体钻井技术在国内发展迅速，应用规模、领域逐渐扩大，工艺体系逐渐完善。一度困扰气体钻井技术的问题主要是地层出水，现已可通过雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井技术起到一定程度缓解。由于以上几种钻井工艺均是井眼环空中仅有单一流态存在，在实际施工过程中存在一定的问题。

在新疆轮台126井3900～5000m井段钻遇水层，常规的单一流态钻井工艺无法实施，在通过技术可行性分析论证的基础上，尝试使用多种混合气相流态钻井技术进行钻井，安全顺利地完成了该层段的施工，取得了良好的效果。

1　工程设计

轮台126井位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带，该井为预探井，井型为直井，设计井深6230m（垂深），设计为四开井，井身结构如图1所示。

图1　井身结构设计图

该井目的层为白垩系巴什基奇克组，完钻层位是白垩系巴西改组，完钻原则为进入巴西改组50m无油气显示完钻。钻探目的：确定气藏类型及含气规模，为后续探明储量作准备，搞清白垩系巴什基奇克组储层纵横向变化情况，为构造建模、速度场研究及圈闭精细描述提供参考依据。

根据钻井情况及地震资料预测，126井自上而下将钻揭的地层有新近系库车组（N2k）、康村组（N1-2k）、吉迪克组（N1j），古近系苏维依组（E2-3s）、库姆格列木群（E1-2Km）、中生界白垩系巴什基奇克组（K1bs）、巴西盖组（K1bx），其中该井在白垩系巴什基奇克组（K1bs）可能缺失第一岩性段，白垩系中上统在库车坳陷整体缺失，如表1所示。新近系库车组（N2k）厚约3860m，上部岩性为灰色砾岩与褐色泥岩略等厚互层，中下部为厚层状褐灰色含砾砂岩、中细砂岩、细砂岩与略等厚的褐色、灰褐色、黄褐色泥岩、粉砂质泥岩互层。康村组（N1-2k）在3860～5000m层段，厚约1140m，岩性特征为中厚—巨厚层状褐色泥岩与薄—厚层状浅灰、灰白色粉砂岩和泥质粉砂岩呈不等厚—略等厚互层。

表1　轮台126井地层岩性表

2　雾化钻井施工难点

轮台126井设计在3900～5000m的Ø311.2mm井眼段实施雾化钻井，目的是提高砾石层段机械钻速，缩短钻井周期。表2为本井雾化钻井参数模拟情况，井深超过4000m、地层产水速度超过12m3/h后，现场设备额定供气量将无法实现井眼环空全部雾状流态（气相气体含量低于97%），井筒会出现段塞流。

表2　雾化钻井参数模拟表

本井气举过程中即发现地层产水，雾化钻进至井深4200m后，地层产水速度逐渐增大至60m3/h，且为密度1.17g/cm3的盐水。雾化钻井存在下列难点：

（1）气举时间长，压力波动大。如图2所示，第一次下钻气举历时24h，最高立管压力13.7MPa。

（2）接单根后，重新建立循环需要较长时间，期间立管压力波动大，峰值接近14MPa，从开始注气到恢复钻进需要3h左右，如图3所示，同时雾化钻进过程中出口连续性较差，频繁出现断流。

这种情况下，雾化钻井纯钻时效极低，无法充分展现其提速优势，同时地面供气设备长时间接近额定功率运行，不能保证气源的稳定和连续。如果执行原雾化钻井施工设计，必须立即结束雾化钻井替入钻井液，导致前期为实施雾化钻井而投入的大量时间和资金都将为零。

图2　工艺气举图

图3　雾化钻进接单根后建立循环压力变化图

3　混合气相流态钻井技术分析

雾化钻井要求施工过程中井眼环空最低气体体积含量超过97%，气相为连续相。国内主要运用在上部地层的大尺寸井眼段，雾化钻井最深不超过2000m。由于其具有环空低液相体积含量、高返速的特点，因此传统理论认为雾化钻井不适用于井眼较深、地层产水速度超过3m3/h的情况。

泡沫钻井实施中要求井底的最低气体体积含量超过55%，井口的最低气体体积含量低于97%，环空中气相为分散相、液相为连续相。通过气泡之间的相互作用夹持液滴和岩屑，在较低返速下有良好的携带能力。缺点是在随着地层产水速度增加，或者由于含盐量、井下温度增加，泡沫稳定性易受影响。

充气钻井是指钻井时将一定量的可压缩气体通过充气设备注入到液相钻井液中作为循环介质的钻井工艺，常用注入气体主要是空气和氮气。其优点在于可将钻井液密度降低至0.8以下，并可在比较大的范围内快速调节，以此达到治理井漏、提速、发现和保护储层的目的，但是目前国内充气钻井的井深一般在3000m以内，因为超过此井深后，实现充气需要的注入压力较高，增压设备普遍达不到要求，且提速效果不明显。

根据126井实钻情况分析，无法采用传统的雾化钻井、泡沫钻井或者充气钻井之一的单一钻井方式实现对本井Ø311.2mm井眼砾石段提速的目的，现有的气体钻井工艺必须进一步改进、完善。经过讨论研究和分析认为，126井实施气体钻井的关键不是强制建立环空全段雾化状的单一流态，而是建立环空相对稳定的流态，即特定井段的流态稳定，不易发生流型转变。如立管压力稳定、出口返出连续，即可认为环空处于相对稳定的流态。

首先给定一个初始注气量、注液量，结合环境压力、温度等参数，按照雾化钻井模型由出口向井底计算不同井深流动参数；当气相体积含量低于97%后，转为泡沫钻井模型继续向井底计算；当气相体积含量低于55%后，再转为充气钻井模型，然后结合实际的循环立管压力值，对注气量、注液量进行修正，重新循环计算，最终当计算立管压力与实际循环压力相当时，选择此时注气量、注液量作为施工参数。按照前述分析，此时环空中任意位置的流态均不宜发生转变，如图4所示（注气量300m3/min，注液量10L/s，地层产水速度69m3/h）。由于此时环空中雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井3种状态同时存在，因此将按此参数施工的气体钻井工艺称为“混合气相流态钻井”。

图4　126井井筒流态分布情况

4　混合气相流态钻井技术实施情况

现场通过不断调整泥浆泵排量、注气量循环，最终确定注气量330～360m3/min、泥浆泵泵冲30spm以上，立管压力波动微弱，且出口连续返出，如图5所示。

图5　变排量循环确定最佳施工参数图

按照以上参数实施混合气相流态钻井工艺，获得了良好的携砂岩能力，并取得较高的机械钻速，同时解决了接单根后建立循环时间长、施工期间压力波动大、设备负荷高的问题，如图6所示，接单根后10min即可建立循环开始钻进，立管压力控制在9MPa以内。

图6　混合气相流态钻进接单根后建立循环压力变化图

随后换钻头下钻气举时沿用混合流态气体钻进时的施工参数也取得了良好的效果，气举时间缩短至7h，如图7所示，对比图1，立管压力相对平稳。

轮台126井混合充气钻井作业13d，总进尺1100m，平均机械钻速6.60m/h，实现了砾石层段提速的目的。更为重要的是，创新使用气体混合流态钻井技术，在产水速度超过60m3/h，峰值70m3/h的情况下，安全顺利地完成了3900～5000m井段的充气钻井作业。

图7　混合气相流态钻井气举参数图

5　结论及建议

（1）使用气液两相作为循环介质进行充气钻井的关键是在满足携岩、携水能力的前提下，确保环空中特定井段的流态稳定，不易发生流型转变，不必追求从井底到井口保持同一流型；

（2）混合气相流态气体钻井技术是目前在深井、高地层产水速度条件下实施充气钻井最有效的方法；

（3）126井进行混合气相流态钻井的施工参数在传统的充气钻井设计软件中无法模拟计算，既说明了目前充气钻井专业软件的局限性，同时也说明了混合气相流态同存理论的复杂性，建议深入多相流的研究，为今后深井充气钻井设计提供可靠的理论依据。

［1］代锋，李黔，梁海波，胡学明，等.气体钻井临界携水量计算［J］.天然气工业，2010，30（2）：94-96.

［2］付在国，孙应红，李勇.充气钻井井筒压力分布规律研究［J］.断块油气田，2008，15（1）：90-92.

［3］张小宁，李根生，黄中伟，等.泡沫钻井液在井筒中的流动与传热［J］.石油学报，2010，31（1）：134-138.

［4］黄志强.充气钻井气液体积流量计算［J］.大庆石油学院学报，2009，33（3）：75-77.

［5］叶兵.国内外多相流模拟软件综述［J］.油气田地面工程，2010，29（2）：85-86.

［6］平立秋，汪志明，魏建光.欠平衡钻井多相流模型评价分析［J］.西南石油大学学报，2007，29（1）：75-78

［7］Yerrushalmi J，Cankurt N T.Further Studies of the Regimes of Fluidization［J］.Powder Technology，1979，24：187-205.

［8］Brill J P，Beggs H D.Two-phase flow in Pipes［M］.Tulsa，Oklahom a University of Tulsa，1986：21-24.

TE24

B

1004-5716（2016）08-0049-04

2015-08-05

2015-08-11

鲁立强（1980-），男（汉族），山东郓城人，工程师，现从事欠平衡钻井技术研究与项目管理等工作。