充气钻井技术在油砂山油田的应用实践

郑 锋，李 霖，郗凤亮，柳 鹤，王 磊，房 旭，关 敬

(1.渤海钻探工程技术研究院，天津 300280； 2.渤海钻探第一钻井分公司，天津 300280； 3.渤海钻探钻井技术服务分公司，天津 300280； 4.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100083)

青海油田油砂山构造属于柴达木盆地西部坳陷区茫崖坳陷亚区狮子沟—油砂山二级构造带，构造被一系列正断层及少数逆断层复杂化[1]，地层孔缝发育、压力系数低，常规泥浆钻井过程中漏失频繁，甚至发生恶性井漏，前期完钻的60口井中13口发生了井漏失返，平均堵漏周期6.32 d，且常规泥浆钻井机械钻速低，严重影响了钻井周期。针对常规泥浆钻井技术在油砂山油田的不足，结合该区块钻井井壁稳定性强的特点，进行了4口井充气钻井试验。前期3口试验井治漏和提速效果明显，但采用的常规泥浆脉冲MWD进行随钻参数测量时效果不佳，影响了正常钻井施工，第4口试验井应用EM-MWD系统，取得良好效果。本文分析了充气钻井技术原理及其在油砂山油田的应用效果，对常规泥浆MWD测量困难的问题给出了解决方案并进行实践，对该区块钻井施工具有重要借鉴意义。

1 充气钻井技术分析

1.1 工艺原理

充气钻井以常规泥浆或清水作为基液，将一定量的气体连续注入基液内，使其呈均匀气泡状分散于基液中，有效降低了钻井液密度，是一种特殊的欠平衡钻井技术[2-3]。充气钻井技术适用于地层压力系数低，井壁稳定性强的地层，具有提高机械钻速、预防井漏和保护油气层的作用[4-7]。

充气钻井工艺流程如图1所示，空气经空压机、增压机后形成高压气流，高压气流通过注气管线与钻井液一并从立管注入井下，将井下岩屑携出井口，钻井液返回循环罐。相比于常规钻井，充气钻井需要配备的专用设备包括：空压机、增压机、泄压阀及旋转控制头等(见图2)。

图1 充气钻井工艺流程

图2 充气钻井现场设备

1.2 施工程序

1.2.1 试压与试运行

充气钻井设备安装完成后，需对设备、注气管线、阀门、旋转控制装置进行试压，试压合格后方可开钻。

1.2.2 钻进

按照设计气液排量试钻进，观察返砂、钻速、钻盘扭矩等情况，如无异常，开始正常钻进。

1.2.3 接单根

每钻完一个单根，需要上下活动钻具，观察是否有阻卡现象，正常后方可起钻。起钻前停止注气，打开注气管线上的泄压阀卸掉管线压力，停泵，打开泥浆泵回水，立压降为零后开始接单根。

1.2.4 起钻

空气不具备悬浮岩屑能力，起钻前需进行充分循环，观察返屑含量明显降低后方可起钻。起钻前停止注气，将井内空气循环排放干净后开始起钻。

1.3 应急程序

1.3.1 井壁失稳

若出现井壁掉块，先循环观察，若继续有掉块，应加大注液量，直至转为常规钻井。

1.3.2 地层出油、气

如钻遇油气层，停止钻进，停止注气，先转为常规钻井程序，排出受侵钻井液。在条件允许的条件下，逐步恢复适合的气液比进行钻进。

1.4 充气钻井注气量计算

充气钻井中，需要根据井眼尺寸、钻井液密度及地层压力等因素，对注入气液排量进行计算，优选合适的气液比，以满足岩屑返出要求。依据编制的软件计算不同气液排量下环空压耗、井底ECD及立压，如油砂山Y-1井二开钻井时，井深350 m，井眼直径215.9 mm，钻井液密度1.08 g/cm3，钻井液排量14 L/s时，不同注气量的计算结果如图3所示。实际施工中，还需要考虑海拔、环境温度及湿度对设备排量的影响，把设备的实际排量折算成标况下的排量[8]。

图3 Y-1井井深350 m充气量设计曲线

2 充气钻井试验

2.1 试验井概况

充气钻井在油砂山油田井漏区块已完成4口井的试验应用，前期3口试验井井深405～452 m，采用泥浆脉冲MWD进行测量，试验井段均为二开井段，施工参数如表1所示。

表1 充气钻井试验井段施工参数

试验井段钻具组合：Ø215.9 mm钻头+Ø172 mm(1.25°)单弯马达+Ø165 mm浮阀+MWD短节+Ø165 mm无磁钻铤+Ø158.8 mm钻铤+Ø127 mm钻杆。

钻井液为两性离子聚合物体系，密度1.08 g/cm3。

2.2 试验应用效果分析

2.2.1 充气钻井节约了堵漏时间

该区块2016年施工井平均井深424 m，二开平均处理井漏时间6.32 d。充气钻井试验井平均井深434.7 m，应用充气钻井强钻漏层，无需在钻井过程处理井漏，大幅缩短了钻井周期，且有效避免了漏失引起的卡钻等井下复杂的发生。

2.2.2 充气钻井减少了漏失量

充气钻井以气液两相流体为循环介质，钻井过程地层所受液柱压力低，避免地层破裂微裂缝漏失，同时能减少断层或孔缝发育地层漏失量。试验区块二开常规钻井钻井液平均漏失量1309 m3，试验井钻井液平均漏失量为630.7 m3，减少了51.8%(表2)。

表2 充气钻井试验井二开漏失量

2.2.3 定向测量耗时长、漏失量大

泥浆脉冲MWD在充气钻进中无法实时采集有效数据，定向测量前需停止注气并灌液，为MWD传递信号提供条件，这就延长了充气钻井施工时间，增大了钻井液漏失量。由表3可见，试验井定向测量时间平均占总施工时间的15.0%，定向测量漏失量占总漏失的35.6%。

2.2.4 充气钻井机械钻速提高

试验井二开充气钻井平均机械钻速43.31 m/h，相比于二开常规钻井平均机械钻速21.4 m/h，机械钻速提高1倍，提速效果明显(表4)。

表3 充气钻井试验井定向测量时间和漏失量

表4 充气钻井试验井二开机械钻速

其中，Y-1井为第1口试验井，在井深309 m之前，采用30～40 kN钻压充气钻进，平均机械钻速63.3 m/h，井深309 m之后，因定向仪器无信号，采用10～20 kN钻压吊打，机械钻速明显下降，平均机械钻速28.8 m/h，最高机械钻速只有37.7 m/h；Y-3井充气钻进至337 m，因测斜困难，为防止井斜增长，采取降低钻井液排量、轻压吊打的方式完成后续进尺，该段施工平均机械钻速28.51 m/h。综合分析，若定向测量仪器正常发挥作用，试验井段平均机械钻速应更高。

3 EM-MWD系统在充气钻井中的应用

3.1 EM-MWD系统简介

泥浆脉冲MWD借助于钻井液压力脉冲或连续压力波传输信息，对钻井液的含砂量和含气量有严格要求，在充气钻井时，泥浆脉冲通道难以解决信息的有效传输问题[9]。电磁波随钻测量系统(EM-MWD)通过井底仪器发射电磁波进入地层来传输井下数据，无需使用液相钻井液，适合充气钻井使用。

系统结构：电磁波随钻测量系统由井下和地面部分组成，井下部分包括电池单元、调制与发射电路、传感器总成和绝缘电极等(图4)。地面部分包括地面接收机、接收天线、司钻显示器和信号处理与分析软件[10-11]。

技术原理：井下测量仪器由绝缘短节分为两个电极，其中一个电极通过钻柱传导至井架基座，另一个电极是靠近井架一定距离的接收天线。井下传感器采集到的数据经转换、编码、压缩后，以电磁波的形式发射出去，电磁波经地层传输，由地表专用天线接收，监测专用天线和钻杆之间的电压即可获得有用信号，信号经地面处理得到井下测量数据[10-12]。

图4 EM-MWD井下系统

3.2 试验应用情况

Y-4井为油砂山油田施工的一口二开直井，完钻井深702 m，该井二开井段采用充气钻井，并试验应用EM-MWD系统代替常规泥浆脉冲MWD。Y-4井选用和前期3口试验井相同的钻具结构，试验井段88～702 m，具体施工参数：钻井液排量14～20 L/s，空气排量30～60 m3/min，钻压20～30 kN，转速50+螺杆r/min。

前期试验的Y-1、Y-2、Y-3井采用泥浆脉冲MWD，3口井平均定向测量耗时184 min，占充气钻井施工总时间的15%，平均漏失钻井液230 m3。Y-4井采用EM-MWD系统，接单根时即可采集井斜和方位数据，无需额外静止等待时间，保证了钻井施工的连续进行，避免了定向测量时泥浆漏失，该井定向测量的时间和漏失量均为0。

Y-4井充气钻井施工时间634 min，施工过程中EM-MWD实时采集井下测量数据，数据传输稳定。为验证EM-MWD系统测量的准确性，将测量井斜、方位和完钻测斜数据进行了比对，如图5所示，试验中EM-MWD测量误差较小，数据准确可靠，能很好满足现场需求。

图5 EM-MWD测量井斜、方位与电测数据的对比

Y-4井和前期3口试验井钻井施工参数相近，但井深明显增加，全井漏失钻井液492 m3，机械钻速53.85 m/h，各项指标均表现优异。综合分析，充气钻井技术应用于油砂山油田，4口试验井平均节约堵漏时间6.32 d，平均漏失量减少54.5%，机械钻速提高1.1倍。

4 结论

(1)充气钻井应用于油砂山油田，节约了单井堵漏时间，平均钻井周期缩短6.32 d，并能明显减小钻井液漏失量、大幅提高机械钻速，试验井平均钻井液漏失量减少54.5%，机械钻速提高1.1倍。

(2)泥浆脉冲MWD在充气钻井过程中，定向测量困难，耗时较长并大幅增加了钻井液漏失量；EM-MWD系统能在充气钻井过程中实时传输稳定准确的井下测量信息，比泥浆脉冲MWD仪器具有明显应用优势。

(3)充气钻井和EM-MWD技术的应用，可有效解决油砂山油田井漏区域钻井难题，为该区块优快钻井新技术的研究及推广应用积累了施工经验。

[1] 曾力，汤军，廖春，等.柴达木盆地油砂山油田下油砂山组高分辨率层序地层分析[J].地质学刊，2014，38(4)：542-549.

[2] Chris Maranuk，Ali Rodriguez，Joe Trapasso et al. Unique System for Underbalanced Drilling Using Air in the Marcellus Shale[R].SPE 171024，2014.

[3] 黄兵，古光平，陈贵军，等.充气钻井技术在罐005-H2井的应用[J].钻采工艺，2011，34(3)：98-99.

[4] 刘磊.欠平衡钻井适用地层及钻井效果影响因素分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2017，44(4)：28-30,35.

[5] 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.

[6] 李玉飞，孟英峰，聂政远，等.空气钻井提高钻速机理研究[J].石油钻探技术，2006，34(4)：9-11.

[7] 翁克胜，姜同升，韩银龙.充气泡沫泥浆治理长孔段漏涌地层施工工艺探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2017,44(3):21-26.

[8] 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.

[9] 张进双，赵小祥，刘修善.ZTS电磁波随钻测量系统及其现场试验[J].钻采工艺，2005，28(3)：25-27.

[10] 王磊，李林，盛利民，等.DREMWD电磁波随钻测量系统及现场试验[J].石油钻采工艺，2013，35(2)：20-23.

[11] 李林，弓志谦，王磊，等.扩展EM-MWD传输深度及提高可靠性的方法与对策[J].钻采工艺，2010，33(4)：25-27，38.

[12] 季锋.EM-MWD信号在泡沫中透射机理及其应用研究[D].湖北武汉：中国地质大学，2007.