大庆油田气体钻井出水判断新技术研究及试验

郭明　（大庆钻探工程公司钻井三公司工程开发分公司）

大庆油田气体钻井出水判断新技术研究及试验

郭明（大庆钻探工程公司钻井三公司工程开发分公司）

气体钻井作为一项高效、环保、清洁的钻井方式，在深层提速、发现和保护储层方面起到了重要的作用，但是由于大庆油田深层探区地层出水严重，制约了大庆气体钻井的应用与发展。为了更好地判断井下出水情况，开展了湿度监测的研究与攻关，采用进、出口同时监测的方式，最大程度地避免环境因素的影响，以获得准确的井下湿度值。通过对3口井的现场试验，能及时发现井下湿度变化，达到提前判断井下出水的目的。特别是在XS35井现场试验中，降低了无效等停时间29 h，节约气体钻井设备消耗柴油6.5 t，节能效果显著，同时避免了复杂事故的发生，为气体钻井安全钻进提供了有力的技术支撑。

气体钻井；地层出水；湿度监测；出水判断；安全钻进

为了更好地提高机械钻速，保护和发现油气储层，大庆油田近几年开展了气体钻井的技术应用和推广。该技术是以气体为循环介质，具有快速、清洁、环保等优点[1-3]。但是，当气体钻井钻遇地层水时，井壁稳定性会受到很大影响，尤其对具有强水敏性的泥页岩地层，可能出现井眼垮塌、垮塌物瞬时堆积等现象，垮塌下落的泥页岩会在下部钻具组合范围内形成泥包，严重影响井下安全，限制了气体钻井的推广应用[2-7]。可见，能否对地下水层进行及时准确的判断成为气体钻井推广应用中急需解决的问题。为此，大庆油田开展了气体钻井湿度监测技术，通过气体进出口的湿度监测达到提前判断井下出水的目的，以避免复杂事故的发生。

1　出水影响机理

1.1理论分析

1989年C.H.Yew和M.E.Chenevert提出的利用热扩散模拟水扩散,然后根据平面应变力学方程联立,得到水化后的应力、应变及位移，根据该理论研究了泥页岩水化对岩石弹性模量的影响,并指出岩石弹性模量与其含水量增量存在直线关系,随着含水量的增加其弹性模量减小[2-4]。

对大庆油田的泥页岩岩心做了大量实验,发现岩石弹性模量与其含水量之间的关系不是直线关系,而是对数关系，得出岩石泊松比、内聚力和内摩擦角都与其含水量存在一定的关系,内聚力和内摩擦角随着岩石含水量的增加相应减少,而泊松比则随着岩石含水量的增加而增加。

1.2实际分析

在气体钻井过程中，由于气体超低密度的特性，决定了岩屑只能以粉尘或极其微小的颗粒形式，通过高速的气流携带出井眼。当钻遇水层时，细小的岩屑遇水会凝结成块，当岩屑和水的比例达到一定值时,岩屑便会粘附在钻具与井壁上形成段塞,阻止环空气体流通,使得岩屑无法正常返出地面,而且随着这些间歇的空气大段塞沿着井眼向上运移，还会堵塞地面设备。特别是水敏性岩屑，如泥页岩，会造成粘附卡钻和井塌掩埋钻具等复杂情况或事故[4-7]。因此,及时准确发现地层出水对气体钻井尤为重要。根据C.L.Moore等人的理论，少量的出水比大量出水更易造成井下复杂情况。而目前常用的判断地层出水的方法主要根据立压变化、排砂管出口状态、机械钻速变化等来判断，但是在刚刚钻遇水层、出水量较小时无法及时准确地进行识别。

2　监测方法

2.1监测流程

监测流程如图1所示，在气体入口与排沙管上分别安装湿度传感器，在气体钻进或循环过程中，对进出口气体湿度数据分别进行监测采集，然后通过屏蔽网线传输至装有监测软件的计算机，处理后以曲线的形式显示出来，并自动存储相关数据，以便后期研究使用。

图1　湿度监测流程

2.2监测原理

为了克服环境因素的影响，保证气体钻井过程中湿度监测的准确性和连续性，对监测方式和装置进行了改进。

2.2.1监测方式的改进

由于气体湿度受环境湿度影响较大，单独监测排砂管出口湿度，降低了地层出水判断的准确性。针对这一问题，增加了注气管线端即入口的湿度监测，采取了进、出口湿度同时监测的方式。通过进、出口湿度的对比分析，获得井下湿度数据，从而有效判断地层出水情况，为气体钻井的安全性提供了保障（图2、图3）。

图2　进口湿度监测装置

图3　出口湿度监测装置

2.2.2出口监测方法改进

传统的闭环监测中，由于传感器采集管线容易被岩屑堵塞，不能及时、连续地获得湿度数据。为了保证出口监测的连续性，避免因为岩屑的堵塞导致湿度传感器的失效，进行了出口监测装置的改进，主要是增加降尘装置，从而保证气体的连续流通和空气不受到污染（图4、图5）。

具体过程为：排沙管中的气体通过管线进入传感器进行湿度监测后，气体进入降尘装置进行过滤降尘，然后将气体中的粉尘、岩屑去除，最后排放到大气。通过改进，避免了监测时的环境污染，保证了监测的连续性，提高了识别地层出水的及时性、准确性[8]。

图4　原出口湿度监测装置

图5　改进后的出口监测装置

3　现场应用

为了监测钻进过程中地层出水情况，同时监测进、出口新技术，对3口气体钻井进行了现场应用，多次发现湿度异常，且与地层出水情况相符，为及时调整施工方案提供了依据。

特别是在XS35井的应用中，气体钻进至井深2 900.00 m处时发现湿度异常，为及时调整注气参数及转化为雾化钻井提供了指导。

XS35井属于松辽盆地北部东南断陷区徐家围子断陷一口预探井，设计井深4700 m。该井设计三开2900～3600 m进行气体雾化（泡沫）钻进，层位：泉一段～登二段。空气钻进至井深2 927.93 m时，湿度监测显示出口湿度微升，停钻循环，湿度继续缓慢升高（图6），停降尘泵，观察排沙口有水流，确定地层出水，经过空气大排量反复循环与干燥，没有效果后转化为空气雾化钻进，降低了无效等停时间29 h，节约气体钻井设备消耗柴油6.5 t，起到了一定的节能效果，同时避免了复杂事故的发生。最终，雾化钻进600 m，创造了大庆雾化进尺的新纪录。

图6　XS35井进、出口湿度监测曲线（井深2927 m）

4　认识与建议

1）在XS35井的施工表明，准确判断地层出水情况，能有效地避免井下复杂，为气体转雾化或泡沫钻进提供了技术支持，对安全施工具有重要的意义。

2）通过3口井的成功监测表明，采用进、出口同时监测的新方法，具有较好的灵敏性和准确性，能及时获得井下湿度变化情况，为气体钻井的顺利进行提供了更加可靠的保障。

3）建议合理选择气体钻井井段，避开含水层，最大程度地发挥气体钻井在提速、保护和发现储层等方面的巨大优势。

4）目前对井下出水情况只停留在定性的判断上，对定量地计算地层出水一直没有很好的解决办法，建议开展该方面的研究与探讨。

[1]杨明合，翟应虎，韩福彬，等.提高徐家围子深井钻井速度的优化钻井技术[J].天然气工业，2008，28（3）：67-69.

[2]张杰，徐安建，李翠楠，等.泥页岩水化对气体钻井井壁稳定性影响规律研究[J].石油钻采工艺，2008,30（2）：46-49.

[3]杨智光，赵德云，刘永贵，等.大庆外围深层实施气体钻井的可行性分析[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2005，32（9）：55-58.

[4]罗健生，鄢捷年.页岩水化对其力学性质和井壁稳定性的影响[J].石油钻采工艺，1999，21（2）：7-133.

[5]杨毅，齐彬，马晓伟.气体钻井注气模型优选及设备优化配置分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2011,38（7）：53-56.

[6]马晓伟，张显军，赵德云，等．空气／氮气钻井技术在徐深28井的成功实践[J].石油钻采工艺，2008，30（3）: 19-23.

[7]邓虎，杨令瑞，陈丽萍.气体钻井井壁稳定性分析[J].天然气工业，2007，27（2）：49-51，151.

[8]陈绍云，邢琛，孙妍.提高庆深气田气体钻井效率技术研究[J].石油钻采工艺，2014，36（1）：22-25.

（编辑李珊梅）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.007

郭明，工程师，2005年毕业于中国地质大学（武汉）（勘查技术与工程专业），从事钻井技术研究工作，E-mail:guo1981ming@ 126.com地址：黑龙江省大庆钻探工程公司钻井三公司，163413。

2016-01-05