水平井气体钻井关键技术分析

水平井气体钻井关键技术分析

夏磊1路志平2曹继飞2崔海林2

1.中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井五公司山东省东营市257000；

2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院山东省东营市257017

摘要：目前气体钻井技术已在国内外得到广泛的应用，能够有效提高钻井机械钻速，减少地层漏失，保护油气储层等。为了扩大气体钻井技术的应用范围，提高致密砂岩、泥页岩等非常规低渗透油气藏的开发效益，将气体钻井应用于水平井的开发成为发展的方向。本文调研分析了国内外气体钻水平井实例，总结了现有设备的不足，分析了气体钻水平井的技术难题，为国内开展相关研究提供了借鉴。

关键词：气体钻井；井眼轨迹；随钻测量；井下工具

引言

气体钻井技术能够有效提高钻井机械钻速，减少地层漏失，保护油气储层等。近年来，随着油气勘探开发技术的进步，气体钻井技术在国内外的应用越来越广泛。为了提高低渗透油气藏开发效益，将气体钻井应用于水平井钻井成为未来发展的方向。

自1986年以来国外先后使用气体钻井成功钻成多口水平井，很好地解决了常规钻进过程中存在的问题，但仍存在着一些问题，主要包括：气体钻水平井井眼轨迹控制、随钻测量技术、大井斜条件下井眼清洁等。本文针对以上问题，调研分析相关的新技术和新方法，为气体钻井在水平井中的应用提供了参考。

1气体钻井地层造斜特性分析

气体钻井的循环介质为气体，井底压力很小，井底岩石的受力状态等与常规钻井不同，这就使得其地层造斜特性与常规钻井存在很大差异。国内外学者采用多种研究方法分析了气体钻井条件下地层的造斜特性，认为：

1）与常规钻井液钻井相比，气体钻井井底存在的负压差，放大了倾斜地层上倾和下倾两侧岩石应力的不对称性，使地层各向异性指数明显增大，地层的造斜特性增强；

2）相同钻具组合条件下，气体钻井的钻具降斜力比常规钻井时有所增加，但增加幅度小于地层造斜力的增加幅度。在相同的地层、相同的钻具组合条件下，气体钻井比常规钻井更容易发生井斜[1-3]。

2气体钻井井眼眼轨迹控制技术

气体钻水平井过程中，井筒内的震动容易造成工具故障，因此必须要选择合适的导向减震系统。

Smith公司研制了可导向气体钻井系统，能实现气体钻水平井过程中的轨迹控制。该系统包括能不受钻柱转动影响的冲击钻具（即空气锤/马达组合）、井底总成（包括弯接头、稳定器）和遥测工具。该系统有一个独特的旋转机构，能在活塞的两次冲击之间4o~5o，迫使活塞转动，而活塞与钻头连接，所以带动钻头呈分度式转动，并对井眼进行定向控制。

2.1空气锤

空气锤是气体钻井中常用的一种破岩工具，其采用冲击破岩的钻井方式，与传统的钻井方式相比，可以大大提高硬质、研磨性地层的机械钻速，提高低压易漏地层的钻井效率。定向钻井过程中使用较多的是气体马达驱动式空气锤。

气体螺杆马达驱动式空气锤定向钻井过程中主要使用常规空气锤，其解决了自回转式空气锤钻井过程中钻压不易控制和空气锤回转扭矩增加而引起的输出功率低的问题，可以保证较高的机械钻速。但是气体螺杆马达驱动式空气锤定向钻井技术需要采用低速空气螺杆钻具，常规气体螺杆马达的转速较高，达到80-150r/min，而空气锤的适用转速为30-50r/min；同时高转速增强了空气锤钻头与岩石的剪切力，容易导致钻头过早磨损，因此在使用空气锤时尽量选择低转速的气体螺杆。

图1气体螺杆马达驱动式空气锤定向钻具组合

1-空气锤；2-空气锤上接头；3-弯壳气体马达；

4-减震器；5-螺旋稳定器；6-钻铤及随钻测量装置。

美国Appalachian盆地Berea砂岩储层研磨性强，含有质量分数近80%的石英质，非侧限抗压强度达到137.8MPa，2009年以前使用传统钻井模式钻探水平井，机械钻速低。2009年后，EQT公司在该地层使用气体螺杆马达驱动式空气锤定向钻井技术，共钻探了37口井，单井钻探成本可节约30%，应用结果表明，该技术具有较好的适应性，机械钻速可提高至30m/h[4-5]。

2.2气体螺杆钻具

气体螺杆钻具是用气体、泡沫等可压缩流体钻及各类特殊工艺井的必需工具，其结构包括：可调弯接头、马达、万向节外壳/总成和轴承总成。

国外从1960年就开始进行气体螺杆现场测试，BakeHughes等多家石油公司拥有自己的气体螺杆产品。其中BakeHughes具有从最大外径为Ø241.3mm到最小外径为Ø79.4mm等尺寸最为齐全的气体螺杆马达系列产品。

国内方面，气体螺杆钻具的研究还处于起步阶段。2002年，中国石油天然气集团公司立项研制气体螺杆钻具，8月，由北京石油机械厂生产的试验样机在苏里格气田进行了天然气驱动螺杆钻具钻直井试验，并获得初步成功。

2004年7月，中国石油西南油气田公司在白浅111-H水平井使用K7LZ120×7.0型气体螺杆钻具进行气相欠平衡钻井，由柴油机尾气驱动气体螺杆钻具带PDC钻头进行钻进，后因试验中的尾气发生装置出现技术问题而停止，累计进尺仅为23m。2004年11月，窿14井首次进行了气体螺杆配合PDC钻头的复合钻井技术试验，平均机械钻速到达7.19m/h。

3随钻测量技术

常规MWD工具是利用钻井液脉冲将信息从井底传到地面，而气体是可压缩的，无法有效地产生脉冲，因此，在气体钻水平井过程中，只能使用电磁波为传输载体的EMWD（ELWD）测量系统，进行随钻测量、数据传输以及实时控制井眼轨迹。EMWD系统的传输速度为普通钻井液脉冲系统的4倍以上，且气体钻井钻进速度较快，因而能大幅度提高水平井的钻井效率。但气体钻井需要提高EMWD工具的抗震性能，近年来，国外多家公司针对以上不足进行了研究。Weatherford公司研制出了Trend-Set电磁随钻测量系统，用于解决气体钻井中遇到的高冲击和振动力，并且该工具在井眼的不同井段可以进行钻井液脉冲测量；该系统电磁波传送最大井深为3292m，比其它任何电磁MWD都深。

4配套工艺与技术

4.1井眼净化

与常规钻井类似，气体钻水平井也存在井眼清洁的问题。在井斜大于50°时，水平井井段偏心环空存在流速上高下低、分布不均匀的现象，不利于携岩。而且某些情况下，增大气量提高大角度井眼偏心环空下步流道的携岩效果是有限的，可使用减摩接头、变径短节、扶正器等抬升钻柱的方法。

4.2降阻减摩技术

气体钻井过程中井眼摩阻系数一般为0.45，而钻井液钻进井眼摩阻系数是0.2-0.35。当钩载降为0，钻杆就无法依靠自身重量下到井底，这就限制了气体钻水平井水平段的钻进长度。

常规钻井过程中，摩阻系数可以由钻井液润滑剂来控制，而现在还没有加入气体中的降阻剂。雾或泡沫可以增加润滑性能，但随着井眼的清洁又会弱化这个效果。

4.3钻井参数优化

气体钻井过程中只需施加很小的钻压就可以进行钻井作业，但钻具在气体中对钻压的敏感性更强，因此，为了保证安全钻进，应在工具脱离井底前，关闭空压机泄压，直到立管压力等于环空压力为止。

气体钻进过程中为了保证携岩的效果，气量一定要充足，将正常钻井时使用的钻井液排量按一定的系数换算成气体排量的公式为1L/min（钻井液）=30~33L/min（空气）。当岩性为泥页岩、泥质胶结砂岩时，应将计算出的气量扩大30%~50%；若为碳酸盐岩、变质岩、火成岩等硬脆地层，扩大70%~100%。同时，气体钻井过程中需要稳定的、连续不断的高压气流作为钻井的动力，必须在钻井过程中实时监测压缩气体的压力。

结论与建议

（1）气体钻井能够有效提高钻井机械钻速，减少地层漏失，保护油气储层等，随着技术的进步，将气体钻井应用于水平井钻井成为未来发展的方向。

（2）气体钻水平井仍存在着一些技术瓶颈，如缺乏有效的随钻测量工具和导向系统；水平段摩阻限制了气体钻水平段的长度；水平井段携岩效果差，造成岩石重复破碎等。需加强气体钻水平井相关配套工具和工艺的研发。

参考文献：

[1]MartinCulen.SuccessfulIntegrationofElectronicMWD-LWDTechnologyExtendsUBDOperationEnvelopeintoSeverelyDepletedFields.SPE/IADC92617.

[2]ZhouL，Ahmed.R.M，Miska.S.Z.ExperimentalStudyandModelingofCuttingsTransportwithAeratedMudinHorizontalWellboreatSimulatedDownholeConditions[J].SPE90038.

[3]BoyunGuo，Miska.S.Z，VolumeRequirementsforDirectionalAirDrilling[J].SPE27510.

[4]ShaleL.DevelopmentofAirDrillingMotorHoldsPromiseforSpecializedDirectionalDrillingApplications[J].SPE22564.

[5]孟英峰，练章华．气体钻水平井的携岩CFD数值模拟研究[J]．天然气工业，2005（7）.