王 方

中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井二公司 遼寧盤錦 124000

氮氣鉆井技術(shù)是一種以惰性氣體氮氣作為鉆井流體的欠平衡鉆井技術(shù)，可以增加油氣產(chǎn)量、提高機械鉆速、避免惡性井漏和壓差卡鉆，還能在鉆進油氣層井段時做到零污染，可以及時發(fā)現(xiàn)和保護低壓、低飽和、低滲透率油氣層，提高油氣井單井產(chǎn)量，在石油的開發(fā)和加工中發(fā)揮著重要的作用[1]。目前，該技術(shù)在我國石油勘探行業(yè)興起，取得了明顯的經(jīng)濟技術(shù)成果。結(jié)合國內(nèi)外應(yīng)用情況，綜合考慮氮氣鉆井的特點發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)鉆井相比，氮氣鉆井具有避免井漏的獨特優(yōu)點[2]。傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)不能平衡鉆井中的負壓，導(dǎo)致液柱壓力過高，甚至出現(xiàn)井漏，對地層造成嚴(yán)重損害，給儲層帶來不可逆轉(zhuǎn)的傷害。而氮氣鉆井可以利用負壓消除作用消除固相和液相的壓差，大幅度降低液柱的壓力，增加鉆井的效率[3]。

1 氮氣鉆井施工技術(shù)設(shè)計

1.1 氮氣鉆井設(shè)備布局與安裝

氮氣鉆井設(shè)備分為井口密封設(shè)備和地面氮氣鉆井設(shè)備兩種，鉆井的底座、油井的高度等需要預(yù)先進行優(yōu)化設(shè)計[4]。其中地面制氮設(shè)備主要包括空壓機、制氮機和增壓機等，由于井場、農(nóng)田等區(qū)域的地質(zhì)條件不同，在進行鉆井之前必須合理地進行地面布局。氮氣鉆井設(shè)備主要由空壓機、膜式制氮機、增壓器及相關(guān)配套設(shè)備組成，空壓機可以壓縮空氣，通過膜式制氮機后，將具有一定純度的氮氣送至增壓器中，并在增壓器出口連接立管[5]。氮氣鉆井中的氮氣置換量大，因此必須同時增加空壓機、氮氣發(fā)生器等增壓設(shè)備來實現(xiàn)置換?，F(xiàn)場需要根據(jù)設(shè)備的運行和連接方式，布置氮氣鉆井設(shè)備。將單空壓機、增壓器和制氮機獨立于氮氣鉆井系統(tǒng)，增加設(shè)備維修應(yīng)急通道空間，將設(shè)備高壓區(qū)和低壓區(qū)分開隔離。根據(jù)上述原則，設(shè)計了氮氣鉆井的布置方案：方案一，將單列機、空壓機、制氮機和增壓機設(shè)置在一條直線上，將另外的設(shè)備布置在管道的一側(cè)。該方案可以輕松更換拆卸設(shè)備，方便人員撤離。缺點是占用空間太多。方案二，將空壓機、制氮機和增壓器并排，其他設(shè)備布置在管道兩側(cè)。這種方法具有布局緊湊的優(yōu)點，但由于此時制氮機的設(shè)備管路不交叉，存在應(yīng)急通道長度不夠、增壓管路連接復(fù)雜的缺點。

在進行合理布局后，需要安裝排砂管線。排砂管線尺寸優(yōu)化設(shè)計需要考慮鉆井修復(fù)問題。如果排砂管線直徑過小，會導(dǎo)致氣體流動阻力和井口回壓增大，不僅會增加空壓機的輸出壓力，還會降低環(huán)空氣體的輸送效率，直接影響氮氣鉆井施工。因此，在保證氮氣工藝不受限制的情況下，規(guī)定了排砂管線的設(shè)計和安裝指標(biāo)，避免了彎頭多、管徑小、管路過長的問題，并減少了管線的摩擦力[6]。排砂管線在排砂前會受到氣體體積變化的影響，如果氣體體積突然膨脹，會帶來超高回壓，損壞鉆井。因此，在安裝排砂管線時，需要增加氣體流量，保證管線的安全。排砂管線的安裝位置錯誤會導(dǎo)致鉆井參數(shù)誤差，在一定條件下，巖屑會迅速堆積，導(dǎo)致鉆井事故[7]。因此，在氮氣鉆井過程中，必須監(jiān)測和分析從井底返回氣流的成分。攜帶鉆井氣體的流體通過排砂管線從井內(nèi)排到指定區(qū)域，整個過程不能采用與鉆井液同樣的取樣方式，需要研制新的取樣方法。另外，在氮氣鉆進過程中，會出現(xiàn)介質(zhì)循環(huán)現(xiàn)象，產(chǎn)生大量氣體，并以較高速度通過排砂管線出口，因此需要增加噴嘴，將返回的氮氣用水完全霧化，保證排砂管線的工作效率。

1.2 參數(shù)設(shè)計

以英深306- 1 井為例，Φ152.4mm 井眼氮氣鉆井鉆頭選型、鉆壓及轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)計見表1。注氣參數(shù)設(shè)計見表2。根據(jù)不同的井眼尺寸、不同的地層巖性，鉆井參數(shù)和注氣參數(shù)應(yīng)進行適當(dāng)調(diào)整。

表1 鉆井參數(shù)設(shè)計

表2 注氣參數(shù)設(shè)計

1.3 氮氣鉆進

在進行氮氣鉆井前，需要確保進行閘門檢查，顯示閘門此時的開關(guān)狀態(tài)。在正式鉆井前，需要根據(jù)設(shè)計的參數(shù)進行試鉆，檢查設(shè)計的參數(shù)組合是否合理。試鉆時，要觀察扭矩、立壓和返砂是否正常，如果不正常，應(yīng)及時調(diào)整鉆井參數(shù)。氮氣鉆進過程中，需要密切關(guān)注立壓、扭矩等參數(shù)的變化，如發(fā)現(xiàn)異常必須立即停止鉆進，并進行循環(huán)觀察。

排砂管出口需要明火，鉆井隊必須派兩名專人到離排砂管出口20m 以上的上排風(fēng)口執(zhí)勤，且需要佩戴可燃氣體檢測儀和硫化氫檢測儀來嚴(yán)密監(jiān)測出沙口返回的氣體類型。一旦發(fā)現(xiàn)火焰高度變化、抑塵水泵異常，必須立即報告給司鉆和氮氣鉆井工程師。此外，還需要密切監(jiān)測井下的立壓、扭矩、懸重和氣體讀數(shù)等參數(shù)，并實時向氮氣鉆井操作員報告。取沙時，如果發(fā)現(xiàn)濕切、切屑、大顆粒，需要立即通知司鉆和氮氣鉆井工程師，停止鉆進并上提鉆具進行循環(huán)觀察。

如果發(fā)現(xiàn)鉆速明顯加快，立壓和扭矩異常，或是總烴值讀數(shù)大于10%，且呈不間斷上升的狀態(tài)，司鉆要立刻上提鉆具離開井底，并定期觀察。如果在鉆井過程中出現(xiàn)井漏現(xiàn)象，必須對井場的所有設(shè)備和現(xiàn)有危害進行綜合評估，在繼續(xù)進行氮氣鉆井之前必須保證鉆井的安全條件，否則要終止鉆井。在井漏后如果仍需要繼續(xù)鉆井，必須優(yōu)化鉆井參數(shù)，以滿足輸送要求，還需要注意鉆井參數(shù)變化。如果參數(shù)異常，應(yīng)立即停止鉆井。

在停止鉆井時，需要打開泄壓閥，釋放鉆具的壓力；恢復(fù)氣體注入，防止橡膠芯過早損壞；恢復(fù)鉆進頂驅(qū)時采用接單根或雙根的方式。

如果在鉆井期間發(fā)現(xiàn)膠芯泄漏，應(yīng)立即停止鉆井，打開液動放噴閥，關(guān)閉環(huán)形防噴器，上提鉆具并充分循環(huán)；停止注氣，打開旋轉(zhuǎn)總成卡箍，上提鉆具，坐吊卡、開泄壓閥泄掉鉆具中的壓力；拆卸旋轉(zhuǎn)總成，更換新膠芯；裝好旋轉(zhuǎn)總成，打開環(huán)形防噴器，倒換閘門到位后，注氣鉆進；關(guān)閉環(huán)形防噴器后，需要將其控制壓力調(diào)低至3M～4MPa。

在氮氣鉆井過程中，如果增加氣體注入速率后仍不能滿足攜巖條件，則需要將其轉(zhuǎn)換為氮氣霧化鉆井。氮氣霧化鉆井應(yīng)根據(jù)氮氣鉆井作用進行鉆探，在鉆探前，需要根據(jù)公式中的泥漿循環(huán)數(shù)值準(zhǔn)備基液，并將鉆探設(shè)備連接到底座流體回流管上。還需要觀察噴霧周期，確保泥漿泵供水和立管壓力正常。如果鉆井期間存在立壓和扭矩異常的情況，需要及時調(diào)整基液的性能和注塑參數(shù)，確保施工安全。

1.4 隨鉆監(jiān)測

鉆井巖屑取樣時，需要將取樣管焊接在排氣管線的正下方，并與排氣管線成45°，伸入部分用于阻擋、收集巖屑。巖屑取樣方法如下（圖1）：在閥2 關(guān)閉的情況下打開閥1，經(jīng)過一段時間巖屑會聚集在閥1、2 間的管線間。取樣時，先關(guān)閉閥1，再打開閥2，敲擊管體，取出巖屑，然后關(guān)閉下部的閥2。對錄取的巖屑樣品進行分析，確定地質(zhì)層位，還可采用現(xiàn)場薄片鑒定、顯微放大(細小巖屑)技術(shù)進行巖性定名，此時巖屑的錄取頻率按照儲層常規(guī)鉆井的要求執(zhí)行。

圖1 取樣示意圖

綜合錄井包括：鉆時、井深、大鉤高度、大鉤負荷、鉆壓、頂驅(qū)（轉(zhuǎn)盤）扭矩、頂驅(qū)（轉(zhuǎn)盤）轉(zhuǎn)速、立壓、套壓、排放管線排出物全烴含量，以及色譜組分C1、C2、C3、IC4、NC4、IC5、NC5氣體含量和非烴類氣體（H2S）等。取氣量管線安裝于排砂管線專用取氣樣口處。發(fā)現(xiàn)氣測、工程參數(shù)等異常變化時均要立即通知現(xiàn)場地質(zhì)監(jiān)督、司鉆和有關(guān)工程值班人員，同時在時間記錄原圖上做好標(biāo)注，重點監(jiān)測鉆速、鉆壓、扭矩和立管壓力、氣測值和懸重的變化。

2 實例分析

2.1 英深306- 1 井概況

英深306- 1 井位于松遼盆地南部，是一口評價井，位于吉林省白城市鎮(zhèn)賚縣五棵樹鄉(xiāng)樹北東2.11km，其鉆探目的是評價英臺氣田定向井單井產(chǎn)能及儲量動用程度，指導(dǎo)英臺營二段開發(fā)方式優(yōu)選，開展306 平臺井產(chǎn)能建設(shè)工作，為鉆井開發(fā)提供依據(jù)。通過對龍深2、3區(qū)塊巖石敏感性分析，滲透率極低的孔隙型巖樣和裂縫較發(fā)育的高滲巖樣壓敏效應(yīng)強。滲透率越低，壓力敏感性越強，微裂縫受壓力變化較為明顯。

2012 年6 月7 日—7 月6 日，對龍深305 井營二段261- 289 號層進行測試，采用8mm 油嘴，孔板為79mm，日產(chǎn)氣25.4×104m3，油壓26MPa。營城組常規(guī)鉆井機械鉆速低，嚴(yán)重制約了鉆井周期。為了避免鉆井過程中對儲層造成的污染，并正確評價儲層的原始產(chǎn)能，提高單井產(chǎn)量，并提高目的層的機械鉆速，在該井主要目的層營城組實施氮氣鉆井，井深結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

營城組儲層常規(guī)鉆井的井壁穩(wěn)定性好、地層壓力正常、地層流體性質(zhì)清楚、不含硫化氫，滿足氮氣鉆井的條件。如果氮氣鉆井鉆遇水層不能有效攜帶，可轉(zhuǎn)換成氮氣霧化鉆井。鉆至完鉆井深，根據(jù)環(huán)空測試產(chǎn)量決定下一步措施。如果獲得了理想產(chǎn)量，則可以進行完井作業(yè)，如果未獲得理想產(chǎn)量則需要按照常規(guī)方式完井。

2.2 應(yīng)用效果分析

將英深306- 1 井氮氣鉆井施工井段與臨井相應(yīng)井段鉆進情況進行對比，結(jié)果如表4 所示。將英深306- 1井與臨井井下事故情況進行統(tǒng)計對比，結(jié)果如表5 所示。由表4 和表5 可知，英深306- 1 井氮氣鉆井井段相比同區(qū)塊臨井，在相應(yīng)井段的機械鉆速提高約7 倍，單只鉆頭平均進尺提高4～5 倍，顯著縮短了鉆井周期，節(jié)省了鉆頭使用數(shù)量，并有效避免了井漏、卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

表4 英深306- 1 井與臨井相應(yīng)井段鉆進情況比較

表5 英深306- 1 井與臨井三開井下事故情況統(tǒng)計

3 結(jié)語

綜上所述，氮氣鉆井作為一種以氮氣為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井技術(shù)，在工藝技術(shù)措施上和常規(guī)鉆井存在不同，但它可以實現(xiàn)一些常規(guī)鉆井難以實現(xiàn)的施工效果。通過對英深306- 1 井進行實例分析，證明氮氣鉆井施工技術(shù)能有效地消除井漏，減少井下事故，提高鉆井效率，具有推廣應(yīng)用價值，可以作為后續(xù)施工的參考。