空气钻井技术在YB27―2井的应用

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[摘 要]川东北地区地质构造情况复杂、岩石硬度高、可钻性差、地层倾角大， 上部大井眼井段长， 采用常规泥浆钻井技术机械钻速极低， 不仅钻井周期长而且极易发生井下复杂事故， 严重影响勘探开发进程。空气钻井技术在川东北探区的成功运用大大提高了机械钻速。

[关键词]川东北 空气钻井 周期

中图分类号：TE242.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）04-0263-02

0 引 言

中石化西南油气分公司yb27-2井位于四川省苍溪县浙水乡红旗村1组，是四川盆地川东北巴中低缓构造元坝区块长兴组④号礁带布置的一口大斜度井，设计井深6917米，钻井中不可预见的因素较多，地层可钻级别V-VIII的硬地层占地层总体的82%以上，属于硬到极硬地层，本地区特殊的陆相地层岩性，严重制约着钻井速度的提高，因而采用气体钻井技术的优势解决钻井速度慢、钻井周期长，即成为十分迫切的实际需求。

1 空气钻井技术破岩机理和提速机理

空气钻井技术始于20世纪20年代，以空气为循环介质进行破岩，由于钻井流体密度低，地层岩石应力更容易释放而产生向井内的推力，该推力可以促使井底岩石破碎，该现象的实质是原始地层孔隙压力向井内压力过渡的“压力梯度”。对于有可动流体的层位，该压降梯度由流体在多孔介质中的流动阻力所产生，对于束缚流体的层位，该压降梯度则由液固界面张力和流体黏度产生。该流动阻力产生的流固耦合应力使井底岩石有脱离井底的趋势，使岩石强度大大降低，从而在钻头前方的地层内产生很大范围的低应力区，便于岩石破碎。

空气钻井的提速机理：气体钻井时，极低的井底压力，降低了岩石的强度和塑性，同时由于地层孔隙压力的作用，使井底岩石处于抗拉应力状态或产生向井内的“推力”，使井底岩石易破碎、易开裂、裂纹易扩展；气体钻井消除了液柱压力对井底岩石的“压持效应”。岩屑清除充分，减少了重复破碎。

2 YB27-2井气体钻井施工工艺

2.1 YB27-2井空气钻井设备

空气钻井设备一般由井口控制与导流系统、气体发生与注入系统、地面回流处理系统。其循环流程为空气压缩机增压机主供气管汇立管方钻杆钻具内钻头环形空间旋转控制头旁通口排砂管线岩屑排放池。

2.2 YB27-2井空气钻井钻头、钻具组合和钻进参数

2.2.1钻头选型

元坝气田地层古老，岩层胶结性好，可钻性差，且砂、泥、页岩互层频繁，由于纯空气钻井的要求钻压是常规钻井液钻井钻压的 1/3～1/2，二是岩屑的压持效应在空气钻井时比钻井液钻井时小的多，空气能较好的清洁井底的钻屑，减少了钻屑重复切削，并根据川东地区及元坝区块所钻井资料以及空气钻井的特点和优势，选用空气锤和具有保径好、牙轮轴承寿命长的 537 型宽齿牙轮钻头，通过实践证实，较常规钻井液钻井所用钻头的使用时间延长了约40%。

2.2.2 YB27-2井空气钻井钻具组合和钻井参数

气体钻井在常规钻井的钻具组合的基础上需要增加多个钻具内防喷工具，在钻头附近需要接一只止回阀，其目的是防止钻具在泄压时造成环空的气体倒流将岩屑带入钻头，而导致岩屑堵塞钻头或钻具水眼，影响正常的气体钻井；在实施气体钻井前，在钻杆顶部装一只钻具止回阀，目的是缩短接单根时间，以免接单根时间过长造成井下复杂。

Φ444.5mm钻头+浮阀+Φ279.4mm钻铤×3根+Φ228.6mm钻铤×3根+旁通阀+Φ203.2mm钻铤×2根+Φ177.8mm钻铤×3根 +Φ139.7mmG105斜坡钻杆+旋塞+钻具止回阀

钻井参数的选择应根据机械钻速、井下情况和井身质量及设备要求进行及时调整和优选。排气量应满足清洁井底、携带岩屑和冷却钻头的要求；钻压既要满足井身质量要求和井下安全，又要保证机械钻速；转速应满足井身质量要求和井下安全、保证机械钻速，还应考虑旋转防喷器旋转总成的转速要求。根据本井实际情况采用以下钻井参数：

钻进参数：气量为170-250m3/h，钻压4-6t，转速为30rpm，立压2.5-3.3MPa。

2.3 YB27-2井空气钻井施工工艺

2.3.1 气举排液

排液实在气体钻井前用气体替换井内液体的作业，石砌体钻井作业的开始，施工准备完成之后，用井内钻井液钻完套管附件和水泥塞，关闸板防喷器，开空压机和增压机从立管注气，当气体循环过钻头时，立管压力开始下降，气体流量可以增加，当排屑管返出物大多是气体时，停止注气，并泄放钻柱中的气体。

2.3.2干燥井眼

气举完成后，继续循环气体干燥井眼，直到排屑管出口无水，试钻进1.5～3m，循环5min，并上下活动钻柱，确保无泥环形成，有粉尘返出，说明井眼干燥完全，如无粉尘的返出，说明井眼未干燥完全或地层出水，根据具体情况及时采取措施。

2.3.3 钻进

井眼完全干燥后，开始气体钻进，先按设计的最小气体流量钻进，以减少井眼和钻具的冲蚀，若不能满足携岩需要，再提高气体流量。注意观测排屑管的返出物和取砂器的岩屑情况，及时判断可能出现的井下复杂问题。均匀送钻，并注意立管压力及井下情况，发现立压升高、扭矩变化、蹩跳钻严重、上提遇卡等井下异常现象时，应立即停钻，活动钻具，循环观察，及时处理。

2.3.4接单根

接单根之前至少循环3min，停止循环时应先打开压缩机旁通阀、在关闭截止阀停止注气，卸扣前需通过立管泄压阀放掉钻具内的气体，接单根后恢复循环，通常在排屑口观察到流体正产返出后再恢复钻井，防止沉砂卡钻。

2.3.5起下钻

钻进到设计地层或需要更换钻头起下钻时应遵循下列原则：如果地层无油气产出，提出旋转控制头轴承总成，进行常规起下钻；如果地层有油气产出，应采用过胶芯起下钻或用主喷管配合起下钻。

3 YB27-2井气体钻井应用效果

3.1 机械钻速和钻井时效

空气钻井是用压缩空气代替常规钻进时用水或泥浆循环，起冷却钻头、排除岩屑和保护井壁的作用，其通过冲击加旋转、静压及动载、斜冲击联合作用进行破岩。因此，空气钻井最显著的优势是机械钻速较钻井液钻井有大幅提高。

YB27-2井空气钻井井段 506.8-2952 米，进尺2445.2m均高于邻井对比井段，平均机械钻速 16.04m/h米/小时，是邻井的2.82倍 ；单只钻头最高机械钻速18.24 米/小时，是邻井的3.2 倍。其纯钻进时间152.42h，是邻井相同井段的25.01%-31.38% 。

3.2井身质量和经济效果

空气钻井由于钻压小、钻速快，具有比常规钻井技术更好的防斜打快效果， YB27-2井空气钻井井段506.8-2952 米，井身质量良好，最大井斜1.5度。

作为循环介质空气通道的钻杆承受较小的压应力和扭矩，降低了井下钻具的损坏程度，延长了钻头使用寿命，YB27-2井空气钻进井段共使用钻头3 只，比邻井相同井段少使用9 只，是邻井单只钻头最高进尺的3 .5倍，既缩短了钻井周期，又减少了不必要的开支。

以空气为介质不存在液相侵入问题，油气层得以很好保护且储层伤害减小到了最低程度，返出的岩屑未受到污染，真实地反应了地层情况，有利于发现和正确评价油气层，取得更大的经济效益。

3.3 YB27-2井气体钻井钻头及钻速统计

4 结论和建议

1）空气钻井相比常规钻井，大幅度提高了机械钻速，减少了钻井成本，缩短了钻井周期，综合成本降低，经济效益和社会效益明显提高。

2）空气钻井钻头配合塔式钻具组合具有较好的防斜纠斜效果，最大井斜角可以控制在3度以内，能够很好地保持井眼轨迹。

3）钻头优先选择空气锤，如使用牙轮钻头应特别加强保径，从而增加单只钻头进尺，减少起下钻时间，缩短钻井周期，节约成本。

4）空气钻井由于不存在液相侵入问题，对岩心污染小，有利于及时发现和正确评价油气层。

参考文献

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