气基流体钻井装备配套技术

刘伟陈若铭杨刚孙亚平宗泽斌程爽

1.西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院；2.中国石油天然气管道局设计院

气基流体钻井装备配套技术

刘伟1陈若铭1杨刚1孙亚平1宗泽斌1程爽2

1.西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院；2.中国石油天然气管道局设计院

引用格式：刘伟，陈若铭，杨刚，孙亚平，宗泽斌，程爽. 气基流体钻井装备配套技术［J］.石油钻采工艺，2016，38（4）：432-437.

气基流体钻井在提高机械钻速、防漏止漏、发现及保护油气藏等方面的应用越来越广。实践表明，性能优良、应用可靠、配套科学的设备、装置及工具是气基流体钻井顺利实施的基础。对该项技术所需的钻井动力设备及装置、井口控制设备及装置、相关入井工具的性能、原理、特点及现场应用要求进行了探讨及介绍。对空气钻井、氮气钻井、雾化钻井、泡沫钻井及充气钻井液钻井现场所需的设备、装置及仪器的摆放安置、规划布局、配套要求等分别进行了阐述及分析。最后，对气基流体钻井装备配套的发展提出了认识及建议。

气基流体钻井；装备配套；动力设备；井口控制设备；入井工具

气基流体钻井是应用纯气体或气液混合物作为循环介质的钻井技术，包括空气钻井、氮气钻井、雾化钻井、泡沫钻井及充气钻井液钻井等［1-2］。该项技术最初是针对坚硬难钻地层和漏失严重地层而尝试使用的一项钻井技术，后来在油气层保护中亦得到了较好应用，被公认为是缩短钻井周期、降低钻井成本和解放油气层的一项实用技术。现已广泛应用于低压、枯竭、水敏、低渗、可钻性差及易漏失地层。另外，气基流体钻井还可应用于气举、洗井和油气增产作业中。

气基流体钻井技术的实施必须依托性能优良的设备来支撑，其配套装备由动力设备及装置、井口控制设备及装置、配套入井工具三部分组成。目前，气基流体钻井动力设备还未完全实现国产化，发动机等主要配件还需依赖进口。西部钻探钻井工程技术研究院分别于1987年、2004年、2012年相继购置多套气基流体钻井装备，在设备、管汇、工具、仪器及仪表的配套应用方面均取得了长足进展，设备保障能力大幅度提升。

1　气基流体钻井动力设备及装置Power equipment and auxiliary facilities for gas-based fluid drilling

1.1压缩机

Compressor

压缩机类型分连续流式和间歇流式2种。连续流式压缩机主要包括离心式和轴流式，其工作原理为高速旋转的叶轮将气体甩到边缘，再经导向叶片减速，从而获得较高压力，其特征是压缩机出口处压力增加，则气体排量将减少。间歇流式压缩机工作原理为通过机械部件的相对移动，缩小密封性能良好的腔室，从而实现气体增压，其特征是出口端的压力变动不会显著改变气体排量，压力加大则功率加大。气基流体钻井中，常用的气体动力设备是空压机和增压机，二者通常均选用间歇流式压缩机。

（1）空压机一般选用间歇流式的螺杆压缩机，其工作原理为2个互为公母转子的螺旋状轴（螺杆）在壳体内相互啮合，相对彼此高速反向旋转，不断形成密闭且不断缩小的腔室而产生高压气体。其最高输出压力一般在2.4 MPa左右。性能优良的空压机均配备有冷却系统，输出气体温度可降至合适范围（54～66 ℃）。排量和有效功率是其性能的重要衡量指标。

（2）增压机是一种间歇流式（容积式）压缩机，其功能是将空压机输出的具有一定压力、流量的气体进行进一步增压。钻井用气体增压机一般选用间歇流式的往复式压缩机，同不可压缩液体常用的往复泵一样，也分单作用式和双作用式，其最高输出压力比螺杆式高，可达40 MPa以上。往复式压缩机分润滑型和非润滑型2种。润滑型压缩机是通过吸入含有润滑油的气流，或利用油泵将润滑油注入到活塞衬套中，从而实现对气缸内运作的活塞提供润滑的目的。非润滑型压缩机的每个活塞圆周都有活塞环和耐磨带，可不用润滑。

1.2膜制氮设备

Membrane-separation nitrogen-producing device

膜制氮设备由微粒过滤器、烃过滤器、水过滤器及空心纤维膜滤器组成，可从压缩空气中直接制取气态氮。压缩空气被注入膜制氮设备后，经上述过滤器可去除空气中的灰尘、水及压缩机润滑油等污染物，最后进入到空心纤维膜滤器。该装置由众多直径很小的空心纤维（特殊材质聚合物）组成。在空气沿空心纤维向前流动时，由于膜对气体的吸附效果不同，氧气分子和水蒸气分子通过纤维管壁扩散的速度比氮气分子快得多，从而被先排放至大气中。而氮气的扩散速度相对较慢，可被集中收集利用。

膜制氮工艺简单，供气连续，是一种经济方便的制氮方式。但该设备的特性易受温度和压力影响，不同设备所需的最佳工作压力和工作温度不同，所获取的氮气纯度也不同，目前可控制的纯度范围一般在92%～99.9%。

1.3固相及液相注入装置

Solid and liquid injection devices

泡沫及雾化钻井作业中，需向井筒内注入气体和基液，有时还需加入定量的防腐剂和缓蚀剂，这就需要应用基液泵，是一种往复式的柱塞泵。气基流体钻井对基液泵的要求是排量控制精度高、抗腐蚀能力强、可长时间在高压力条件下工作等。

气基流体钻井作业中，如地层盐水侵入井筒，则可根据实际情况注入定量固相干燥剂，以维持钻井作业的顺利进行。如钻柱与井壁间的摩擦较大，危及钻具安全时，则需视情况加入固相润滑剂。上述情况下均需应用固相注入装置。

1.4泡沫生成装置

Foam-generating facility

泡沫生成装置的作用是促使气体和基液充分混合、接触，以便形成结构及性能相对稳定的钻井用泡沫。该装置一般安装于气液混合物即将进入立管的高压管线上，按其构造可分为孔隙式、涡轮式、同心管式和螺旋式。现场常用的是孔隙式，如图1所示。

1.5气体流量计

Gas flowmeter

气体流量计用于计量注入井筒内的气体流量。其类型主要有差压式、涡轮式、腰轮式、超声波式及旋进式等。施工人员可根据井身结构、钻具组合、注入气体性质、基液性能、地面海拔等参数，计算出所需气体流量及注入压力范围，再据此配置相应类型及级别的气体流量计。当2种级别的流量计均可满足气体流量范围时，可优选小量程流量计，以提高测量精度。

图1　孔隙式泡沫发生器结构示意图Fig.1 Structure of pore-type foam generator

气基流体钻井通常使用差压式气体流量计，其工作原理为计量两段不同管径的气体压力、温度，再结合已知的孔板直径、气体类型等参数计算出气体排量。这种流量计具有稳定性好、测量精度高等优点。使用关键是应及时排除变速装置承压室的积水。

1.6动力端辅助装置

Auxiliary device on power end

包括管汇及阀件，用于引导气液流体进入立管。空压机和膜制氮设备出口接低压管线，增压器和基液泵出口接高压管线。所有动力设备管线出口端还应接单流阀、闸阀。低压管汇、高压管汇还应分别接泄压阀、安全阀、压力表、温度计等。

所有管汇应尽量平置于同一水平面上［3-4］，软管线接头处应安装安全链并固定牢靠，硬管线接头处、长管线中间处还应配垫枕木。作业期间，所有管线严禁敲砸搬运，且全部管汇区应设为警戒区。

2　井口控制设备及相关装置Wellhead controller and related devices

2.1旋转控制头

Rotary control head

气基流体钻井中，旋转控制头的主要作用是导流，即将环空混合流体（气相、液相及固相）导入外排管线。当油气侵入井眼时，亦可起到井控防喷作用。

旋转控制头按工作压力级别可分为低压式（5 MPa以下）、中压式（5～10.5 MPa）和高压式（10.5 MPa以上）。按密封方式可分为主动式和被动式。被动密封式旋转控制头通过胶芯与入井工具之间的过盈配合来实现封闭，井口套压有助于密封。其优势有：构造简易，安装便捷，维护方便、使用可靠。其缺点有：需配合应用六方钻杆、对钻具尺寸要求较高。主动式是通过液压油迫使胶芯紧靠钻具来实现密封，可替代环形防喷器。其优势有：可密封不同尺寸的入井工具，不必同六方钻杆配合应用。相对于被动式，其缺点有：构造复杂、拆安繁琐，需空井眼换胶芯等。

气基流体钻井作业中，环空井筒压力通常较低，可应用低压式旋转控制头。但需向井筒施加回压，或地层流体进入井眼，或应用反循环方式钻井时，井口套压较高，这时可选用高压力级别的旋转控制头。WILLIAMS7100型旋转控制头如图2所示。

图2　Williams旋转控制头结构示意图Fig.2 Structure of Williams rotary control head

2.2欠平衡用节流管汇

Choke manifold for underbalanced drilling operation

气基流体钻井过程中，环空混合物一般经排砂管线排出，但如实施充气钻井液钻井、泡沫钻井，或地层油气侵入井筒时，可视情况将环空混合物导入欠平衡用节流管汇进行处置，用于控制井口回压及混合物返出流量等。

相比较于常规节流管汇，欠平衡用节流管汇需经防H2S处理，具备双液控节流阀，且两侧管径较大，通径大于100 mm。气基流体钻井作业中还需配备节流管汇操控台，可通过井队气源提供的动力来调节液控节流阀阀位，以实现定量施加回压，控制井筒压力分布状况的目的。

2.3液气分离器

Liquid-gas separator

当应用充气钻井液方式钻井，或地层天然气侵入钻井液时，均需进行地面脱气，以确保泥浆泵上水效率，维持井筒压力稳定，这就需要应用液器分离器。

液气分离器主要有开底式和封底式2种。开底式无底，下半部潜入钻井液中。封底式有底，如图3所示，其工作原理为：当带压的液、气、固三相混合物沿管线从分离器上部进入后，容积瞬间放大，混合物中的大气泡会首先胀裂，继而滑脱聚集，向上运移，并从分离器顶部管线排出。含小气泡的高密度混合物因重力作用走向下游，在折流板处数次翻滚后，小气泡亦可再次实现分离。液相可从中部出口返出，固相可从底部出口定时排出。分离器的工作压力等于游离气体在出气管线处的摩擦阻力，如该阻力大于分离器内部静液柱压力，将出现“短路”，即未分离的混气钻井液也将从出液口返出，表明分离器处理能力不足。在这种情况下，在设计上可增大分离器整体尺寸，在操作中，可通过控制井口回压或调整出液口U型管高度应对。

图3　封底式液气分离器示意图Fig.3 Structure of liquid-gas separator with bottom enclosed

2.4撇油系统

Oil skimming system

撇油系统一般由撇油罐和储油罐构成。撇油罐的功能是将井筒返出的原油从钻井液中脱离出来；储油罐的功能是将脱离的原油进行储存。撇油罐的工作原理为：在罐体内设置流体通道，尽量延伸混合液（原油和钻井液）的流动路径，增加运移时间，利用不同物质性能和密度的差异，促使地层原油尽可能多的脱离出来。为加强原油脱离效率，可视情况添加破乳剂。

2.5排放系统

Discharging system

排放系统通常由排气管线、排砂管线、取样器、防回火接头和远程点火装置组成。

气基流体钻井作业中，纯气体钻井、氮气钻井、雾化钻井、泡沫钻井的环空混合物可导入排砂管线。充气钻井液的环空混合物可引入液气分离器，分离出的气体导入排气管线。上述2种管线的通径均应大于上游管线内径，且管线布局均应处于下风口。排砂管线为防止岩屑颗粒的冲击损坏，应在转弯处加厚，或加铅板，或增设气流缓冲空间。取样器安置于排砂管线中上端部位，其功用为收集地层岩屑，以供地质分析用。防回火接头安装于排气管线下游端，其功用为避免出口端点燃的天然气火焰反窜入近井口管线中，以规避井口燃爆风险。远程点火装置一般由电能远程点火器和柴油雾化点火装置组成。电能远程点火器如图4所示，其工作原理为：电能或太阳能发出的电流接通激发器，产生高压脉冲电流，促使点火电容高压放电，形成火花，可点燃雾化柴油。

3　相关入井工具Related bottom-hole assembly

3.1钻头

Drill bit

图4　电能自动点火装置示意图Fig.4 Automatic electric igniter

气基流体钻井作业中，钻头外排齿易磨损变短，其耗损量主要决定于钻头的保径设计和所钻地层的特性。钻头破岩一般以纯滚动冲击为主，应优选轴承粗、牙齿大、保径性能优的钻头，建议优选镶尺或硬质合金齿钻头。小井眼钻井中，可应用单牙轮钻头。纯气体钻井作业中，钻头一般不宜安装喷嘴，且应封住位于最优保径功用牙轮之间的水眼，以强化破岩翻转效果。纯气体钻井，如选用PDC钻头，则应采用大排量气体循环，并保持气流通畅，避免地层垮塌及地层出水所造成的环空封堵。气基流体钻井用钻头的切削构造类同于普通钻头，区别主要在于轴承冷却和流体通道的布局设计。

3.2井下三阀

Down-hole valves

气基流体用井下三阀为回压阀、旋塞阀和旁通阀。实钻中，回压阀和旋塞阀是钻具组合的必备入井工具，而旁通阀可根据需要使用。

回压阀按结构可分为箭形、球形、蝶形和投入式4种。常用的为箭形回压阀，如图5所示。

图5　箭型止回阀结构示意图Fig.5 Structure of arrow-type check valve

其工作原理为：当阀体下部压力高于上部压力时，阀芯上移，当阀芯与阀座接触后，即可实现钻柱内空间封闭。回压阀作用有：（1）避免钻具内部出现井涌；（2）避免环空岩屑堵塞钻头水眼；（3）接钻具时，防止环空流体自钻柱内溢出；（4）弱化井下天然气燃爆规模。旋塞阀是一种球阀，通常接于钻柱顶部，是一种重要的内防喷工具。不仅要承受钻具的动、静载荷，还要受到阀内流体的侵蚀。当阀体下部压力较高而关闭时，旋塞阀还要承受较高的轴向流体（气体或液体）压力。旁通阀一般连接于钻具中的近钻头位置，其工作原理为：小排量泵送配套圆球至旁通阀密封环处，提高泵压至推荐值，阀体内销钉被挤断，密封环向下移动，阀体侧孔开启。在气基流体钻井中，如中途测试及钻头水眼堵塞时，旁通阀可提供新的流体通道。

4　气基流体钻井配套设备地面布置Surface allocation of auxiliary devices for gas-based fluid drilling

图6为气基流体钻井施工中常用的设备、装置及仪器配套布置图。

图6　气基流体钻井配套装备地面布置图Fig.6 Surface allocation of auxiliary devices for gas-based fluid drilling

图6所列的设备及装置较为全面，可进行空气钻井、氮气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井液钻井等，其施工特点及适用条件各不相同。随着循环流体中气相比例的增加，机械钻速将显著提高，防漏止漏能力明显增强，油气藏发现、保护及评价的优势亦会凸显（井底压力降低）。但也应看到，在气相比例增加的同时，预防及抵抗井控风险的能力，抗衡力学因素造成井壁失稳的能力，应对地层出水造成复杂的能力却均在下降。钻井实施过程中，亦可根据实际情况进行工艺方式转换，以确保钻探作业顺利开展。

气基流体钻井中，如实钻情况或钻井方式不同，则所需要的动力设备及数量也不相同［5］。如：钻遇天然气储层，可视情况选用纯氮气钻井方式，以规避井下燃爆风险；井浅压力低可不用增压机；纯气体钻井可不用基液泵，但所需压缩机数量增多；钻具摩擦因数较高或井眼潮湿时，可通过固体注入泵注入润滑剂或干燥剂。另外，井口控制设备及返出通道也不同，如：气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井施工中，环空返出混合物可先进入旋转控制头侧孔，再经排砂管线排出；充气钻井液施工中，返出混合物应依次经欠平衡用节流管汇、液气分离器、出液管线及排气管线排出。井筒压力过高时，返出混合物可经井队用节流管汇及放喷管线直接排出。

5　认识及建议Conclusions and recommendations

（1）气基流体钻井作业中，排砂管线和排气管线方向应为顺风或侧风方向，否则应予以调整或布设防火墙；井场高处显眼位置应设风向标，且钻台上下应各安装1台防爆排风扇；地质取样口、排砂管线出口及钻台上下处均应安装可燃气体和H2S检测仪；钻台面以下、井场及排砂管线出口应安装照明设备；地面注气管汇、泄压管汇处为危险地带，应设立警戒线及警示标识；井场内应预先设置抢险人员集结地和疏散口。

（2）随着国家新环保法的出台，企业必须在环境保护、污染防治等方面有所担当。研制了气体钻井岩屑处理装置，以规避气基流体钻井中，岩屑粉尘弥漫于大气所造成的环境污染及设备危害。目前该设备已完成厂房运转测试，即将投入现场应用。

（3）气基流体钻井作业中，设备是基础，技术是关键。国内气基流体钻井在部分设备及装置上尚有差距，应继续加强优良可靠配套装备的研发力度。

［1］ 张晓东，汪凯，王延民， 陶赟，蔡光林，何石.库车坳陷X井致密砂岩储层氮气钻井实践与认识［J］.石油钻采工艺，2015，37（2）： 24-26. ZHANG Xiaodong， WANG Kai， WANG Yanmin， TAO Yun， CAI Guanglin， HE Shi.Practice and understanding on nitrogen drilling of tight sandstone reservoir in Kuqa Depression Well X［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2015， 37（2）: 24-26.

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［5］ 郭先敏，侯芳.国外钻井装备与技术新进展［J］.石油机械，2016，44（7）：20-26. GUO Xianmin， HOU Fang. Foreign drilling equipment and technology progress［J］. China Petroleum Machinery， 2016， 44（7）: 20-26.

（修改稿收到日期 2016-06-23）

〔编辑 薛改珍〕

Supporting technology for equiment of drilling with gas-based fluid

LIU Wei1， CHEN Ruoming1， YANG Gang1， SUN Yaping1， ZONG Zebin1， CHENG Shuang2
1. Drilling Engineering Technology Research Institute of West Drilling Engineering Company Limited， CNPC， Karamay， Xinjiang 834000， China；2. Design Institute of China Petroleum Pipeline Bureau， Langfang， Hebei 065000， China

Gas-based fluid drilling is used more and more widely in enhancing ROP， preventing and eliminating lost circulation， and finding and protecting hydrocarbon reservoirs. On-site applications show facilities， equipment and tools of good performances， in high reliability and rational combinations are necessary for smooth implementation of gas-based fluid drilling. In this paper， performance，principles， specific features and on-site application requirements of necessary power equipment， wellhead controller， relevant bottomhole assemblies and auxiliary facilities required by the drilling operation are discussed and presented. In addition， position， planning，configuration and matching requirements on equipment and facilities needed for air drilling， nitrogen drilling， mist drilling， foam drilling and aerated drilling operations have been elucidated. Finally， understandings and recommendations on necessary facilities of gas-based fluid drilling have been put forward.

drilling with gas-based fluid； matching facility； power equipment； wellhead controller； bottom-hole assembly

TE249

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0432- 06

10.13639/j.odpt.2016.04.005

LIU Wei， CHEN Ruoming， YANG Gang， SUN Yaping， ZONG Zebin， CHENG Shuang. Supporting technology for equiment of drilling with gas-based fluid［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 432-437.

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“新疆和吐哈油田油气持续上产勘探开发关键技术研究”的子课题“复杂油气藏优快钻井技术研究”（编号：2012E-34-13）

刘伟（1972-），2008年毕业于北京石油大学石油与天然气工程专业，获工程硕士学位。现从事钻井专业相关项目的科研及现场技术服务工作，高级工程师。通讯地址：（834000）新疆克拉玛依市克拉玛依区鸿雁路80号钻井工程技术研究院欠平衡所。电话： 0990-6882260，18709901718。