大慶油田氣體鉆井出水判斷新技術研究及試驗

郭明　（大慶鉆探工程公司鉆井三公司工程開發分公司）

大慶油田氣體鉆井出水判斷新技術研究及試驗

郭明（大慶鉆探工程公司鉆井三公司工程開發分公司）

氣體鉆井作為一項高效、環保、清潔的鉆井方式，在深層提速、發現和保護儲層方面起到了重要的作用，但是由于大慶油田深層探區地層出水嚴重，制約了大慶氣體鉆井的應用與發展。為了更好地判斷井下出水情況，開展了濕度監測的研究與攻關，采用進、出口同時監測的方式，最大程度地避免環境因素的影響，以獲得準確的井下濕度值。通過對3口井的現場試驗，能及時發現井下濕度變化，達到提前判斷井下出水的目的。特別是在XS35井現場試驗中，降低了無效等停時間29 h，節約氣體鉆井設備消耗柴油6.5 t，節能效果顯著，同時避免了復雜事故的發生，為氣體鉆井安全鉆進提供了有力的技術支撐。

氣體鉆井；地層出水；濕度監測；出水判斷；安全鉆進

為了更好地提高機械鉆速，保護和發現油氣儲層，大慶油田近幾年開展了氣體鉆井的技術應用和推廣。該技術是以氣體為循環介質，具有快速、清潔、環保等優點[1-3]。但是，當氣體鉆井鉆遇地層水時，井壁穩定性會受到很大影響，尤其對具有強水敏性的泥頁巖地層，可能出現井眼垮塌、垮塌物瞬時堆積等現象，垮塌下落的泥頁巖會在下部鉆具組合范圍內形成泥包，嚴重影響井下安全，限制了氣體鉆井的推廣應用[2-7]。可見，能否對地下水層進行及時準確的判斷成為氣體鉆井推廣應用中急需解決的問題。為此，大慶油田開展了氣體鉆井濕度監測技術，通過氣體進出口的濕度監測達到提前判斷井下出水的目的，以避免復雜事故的發生。

1　出水影響機理

1.1理論分析

1989年C.H.Yew和M.E.Chenevert提出的利用熱擴散模擬水擴散,然后根據平面應變力學方程聯立,得到水化后的應力、應變及位移，根據該理論研究了泥頁巖水化對巖石彈性模量的影響,并指出巖石彈性模量與其含水量增量存在直線關系,隨著含水量的增加其彈性模量減小[2-4]。

對大慶油田的泥頁巖巖心做了大量實驗,發現巖石彈性模量與其含水量之間的關系不是直線關系,而是對數關系，得出巖石泊松比、內聚力和內摩擦角都與其含水量存在一定的關系,內聚力和內摩擦角隨著巖石含水量的增加相應減少,而泊松比則隨著巖石含水量的增加而增加。

1.2實際分析

在氣體鉆井過程中，由于氣體超低密度的特性，決定了巖屑只能以粉塵或極其微小的顆粒形式，通過高速的氣流攜帶出井眼。當鉆遇水層時，細小的巖屑遇水會凝結成塊，當巖屑和水的比例達到一定值時,巖屑便會粘附在鉆具與井壁上形成段塞,阻止環空氣體流通,使得巖屑無法正常返出地面,而且隨著這些間歇的空氣大段塞沿著井眼向上運移，還會堵塞地面設備。特別是水敏性巖屑，如泥頁巖，會造成粘附卡鉆和井塌掩埋鉆具等復雜情況或事故[4-7]。因此,及時準確發現地層出水對氣體鉆井尤為重要。根據C.L.Moore等人的理論，少量的出水比大量出水更易造成井下復雜情況。而目前常用的判斷地層出水的方法主要根據立壓變化、排砂管出口狀態、機械鉆速變化等來判斷，但是在剛剛鉆遇水層、出水量較小時無法及時準確地進行識別。

2　監測方法

2.1監測流程

監測流程如圖1所示，在氣體入口與排沙管上分別安裝濕度傳感器，在氣體鉆進或循環過程中，對進出口氣體濕度數據分別進行監測采集，然后通過屏蔽網線傳輸至裝有監測軟件的計算機，處理后以曲線的形式顯示出來，并自動存儲相關數據，以便后期研究使用。

圖1　濕度監測流程

2.2監測原理

為了克服環境因素的影響，保證氣體鉆井過程中濕度監測的準確性和連續性，對監測方式和裝置進行了改進。

2.2.1監測方式的改進

由于氣體濕度受環境濕度影響較大，單獨監測排砂管出口濕度，降低了地層出水判斷的準確性。針對這一問題，增加了注氣管線端即入口的濕度監測，采取了進、出口濕度同時監測的方式。通過進、出口濕度的對比分析，獲得井下濕度數據，從而有效判斷地層出水情況，為氣體鉆井的安全性提供了保障（圖2、圖3）。

圖2　進口濕度監測裝置

圖3　出口濕度監測裝置

2.2.2出口監測方法改進

傳統的閉環監測中，由于傳感器采集管線容易被巖屑堵塞，不能及時、連續地獲得濕度數據。為了保證出口監測的連續性，避免因為巖屑的堵塞導致濕度傳感器的失效，進行了出口監測裝置的改進，主要是增加降塵裝置，從而保證氣體的連續流通和空氣不受到污染（圖4、圖5）。

具體過程為：排沙管中的氣體通過管線進入傳感器進行濕度監測后，氣體進入降塵裝置進行過濾降塵，然后將氣體中的粉塵、巖屑去除，最后排放到大氣。通過改進，避免了監測時的環境污染，保證了監測的連續性，提高了識別地層出水的及時性、準確性[8]。

圖4　原出口濕度監測裝置

圖5　改進后的出口監測裝置

3　現場應用

為了監測鉆進過程中地層出水情況，同時監測進、出口新技術，對3口氣體鉆井進行了現場應用，多次發現濕度異常，且與地層出水情況相符，為及時調整施工方案提供了依據。

特別是在XS35井的應用中，氣體鉆進至井深2 900.00 m處時發現濕度異常，為及時調整注氣參數及轉化為霧化鉆井提供了指導。

XS35井屬于松遼盆地北部東南斷陷區徐家圍子斷陷一口預探井，設計井深4700 m。該井設計三開2900～3600 m進行氣體霧化（泡沫）鉆進，層位：泉一段～登二段。空氣鉆進至井深2 927.93 m時，濕度監測顯示出口濕度微升，停鉆循環，濕度繼續緩慢升高（圖6），停降塵泵，觀察排沙口有水流，確定地層出水，經過空氣大排量反復循環與干燥，沒有效果后轉化為空氣霧化鉆進，降低了無效等停時間29 h，節約氣體鉆井設備消耗柴油6.5 t，起到了一定的節能效果，同時避免了復雜事故的發生。最終，霧化鉆進600 m，創造了大慶霧化進尺的新紀錄。

圖6　XS35井進、出口濕度監測曲線（井深2927 m）

4　認識與建議

1）在XS35井的施工表明，準確判斷地層出水情況，能有效地避免井下復雜，為氣體轉霧化或泡沫鉆進提供了技術支持，對安全施工具有重要的意義。

2）通過3口井的成功監測表明，采用進、出口同時監測的新方法，具有較好的靈敏性和準確性，能及時獲得井下濕度變化情況，為氣體鉆井的順利進行提供了更加可靠的保障。

3）建議合理選擇氣體鉆井井段，避開含水層，最大程度地發揮氣體鉆井在提速、保護和發現儲層等方面的巨大優勢。

4）目前對井下出水情況只停留在定性的判斷上，對定量地計算地層出水一直沒有很好的解決辦法，建議開展該方面的研究與探討。

[1]楊明合，翟應虎，韓福彬，等.提高徐家圍子深井鉆井速度的優化鉆井技術[J].天然氣工業，2008，28（3）：67-69.

[2]張杰，徐安建，李翠楠，等.泥頁巖水化對氣體鉆井井壁穩定性影響規律研究[J].石油鉆采工藝，2008,30（2）：46-49.

[3]楊智光，趙德云，劉永貴，等.大慶外圍深層實施氣體鉆井的可行性分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2005，32（9）：55-58.

[4]羅健生，鄢捷年.頁巖水化對其力學性質和井壁穩定性的影響[J].石油鉆采工藝，1999，21（2）：7-133.

[5]楊毅，齊彬，馬曉偉.氣體鉆井注氣模型優選及設備優化配置分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011,38（7）：53-56.

[6]馬曉偉，張顯軍，趙德云，等．空氣／氮氣鉆井技術在徐深28井的成功實踐[J].石油鉆采工藝，2008，30（3）: 19-23.

[7]鄧虎，楊令瑞，陳麗萍.氣體鉆井井壁穩定性分析[J].天然氣工業，2007，27（2）：49-51，151.

[8]陳紹云，邢琛，孫妍.提高慶深氣田氣體鉆井效率技術研究[J].石油鉆采工藝，2014，36（1）：22-25.

（編輯李珊梅）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.007

郭明，工程師，2005年畢業于中國地質大學（武漢）（勘查技術與工程專業），從事鉆井技術研究工作，E-mail:guo1981ming@ 126.com地址：黑龍江省大慶鉆探工程公司鉆井三公司，163413。

2016-01-05