井下燃爆监测技术在气体钻井中的应用

气体钻井具有保护油气储层，机械钻速高，防漏、治漏效果好，防水敏垮塌，成本低等优点，因而应用越来越广泛。但天然气和原油等烃类物质与含氧气体混合后，在其混合浓度达到燃爆范围并有燃爆条件时，井下就可能出现燃爆，会造成井下复杂事故，影响气体钻井的安全性。尤其是近年来，气体钻井技术应用于非储层的长井段钻井提速，在缩短建井周期方面，钻遇小油气层的几率增大，发生井下燃爆的可能性也增加。利用井下燃爆监测技术，扩大气体钻井技术的应用范围、提高气体钻井效率是气体钻井技术的重要研究课题。基于对气体钻井过程中井下燃爆机理和方式的分析，采用西南石油大学欠平衡钻井技术研究室研发的多功能气体检测仪，对返出气体的成分、温度和压力的连续在线监测，可及时发现井下燃爆迹象，避免井下复杂事故的发生，为进一步完善气体钻井技术提供了有力的技术保证。     

空气钻井随钻监测技术及其应用

为解决现有录井监测系统不能满足空气钻井现场的需要,容易出现钻具失效、井下燃爆、地层出水及井壁坍塌等复杂钻井问题。基于井下燃爆理论和监测监控系统技术,以井下燃爆监测成果为基础,应用UBD气体监测系统及其配套分析技术;通过多次在空气钻井现场监测服务,验证了该监测系统及分析技术的合理性和实用性,为安全顺利实施空气钻井提供了技术保障。     

川东北地区空气钻井燃爆分析与预防

空气钻井在钻遇油气层时,易发生井下燃爆,造成钻具被埋、井眼报废等复杂情况。为此,分析了井下燃爆发生的条件、方式、原因和燃爆机理,提出针对现场实际情况预防燃爆的措施,即加强对地层的认识,避免在油气层采用空气钻井或转换成雾化泡沫钻井,防止井下燃爆和卡钻的发生,保持井眼畅通防止滤饼圈的形成,利用UBD气体监测系统加强井下烃类气体的随钻监测以及采用防燃爆短节来及时发现和预防井下燃爆的发生,以保障空气钻井的顺利实施。     

气体钻井条件下工程异常监测方法

气体钻井是使用气体作为循环介质或作为循环介质一部分进行钻井的工艺技术,属于低压欠平衡钻井方式。由于工艺流程和循环介质与常规钻井存在差异,常规钻井条件下钻井异常预测技术不能完全满足气体钻井施工要求,为准确预测地层出水和防止发生井下燃爆等气体钻井特有的工程复杂状况,配套安装了温湿度传感器和红外线CO分析仪及其他相关传感器,并结合实际工作总结了气体钻井过程中地层出水、井下燃爆等工程异常的录井参数响应模式,进一步完善了工程异常监测方法,为保证气体钻井顺利施工提供了技术保障。     

空气钻井安全监控系统研制

气体钻井较常规钻井工艺在提高机械钻速、保护储集层、减少或避免井漏等方面具有明显优势,但也面临着井下燃爆等问题。针对目前在用的多数综合录井仪没有适用于气体钻井的软硬件系统,设计了一套空气钻井安全监控系统。现场初步试验结果表明．该系统运行平稳,气体灵敏度和精度均达到了设计要求．应用该系统在线检测钻井过程中的气体成分,结合综合录井仪输出的信息。可以及时监测井下燃爆等异常现象,为气体钻井施工提供安全保障。     

气体钻井技术的发展趋势与新技术探讨

回顾了气体钻井技术的发展历程,探讨了出水、出油地层气体钻井技术,连续循环气体钻井技术,气体钻水平井技术,储层氮气钻井技术等气体钻井新技术。雾化/泡沫钻井及循环泡沫钻井技术是解决小出水地层的有效手段,强抗油分散能力的抗油泡沫基液是解决地层出油关键。基于充气控回压的气体钻井控水工艺技术解决了大出水地层地面水难处理的问题。连续循环气体钻井技术可以在接单根、起下钻过程中保持连续循环,避免了井底积液引起的井壁垮塌,降低了卡钻风险,提高了钻井效率,延长了气体钻井井段。气体钻井钻水平井技术应用潜力较大,但国内气体钻井专用的螺杆等井下动力钻具还不成熟,限制了该项技术的发展。储层氮气钻完井技术能最大限度地避免外来流体对储层的伤害,有效保护油气层,提高单井产量和采收率,避免钻井井漏发生,大幅提高钻井速度,节约勘探开发成本,是解决致密油气藏难发现、难开采、提高单井产能十分有效的手段。以上新技术的成功应用将会对气体钻井技术产生革命性的影响,大大拓宽气体钻井技术的应用范围。     

气体钻井遇地层出水时的充气钻井技术

气体钻井在我国油气田勘探开发中具有广阔的应用前景,但是川东地区多个构造实施气体钻井过程中,存在地层出水现象,严重影响了气体钻井的顺利进行,不得不改用充气钻井。充气钻井技术难点主要表现在：①井壁稳定性差,易引起垮塌卡钻; ②地层出水可能与井漏同存,气液比值难以确定;③环空液柱压力降低,带砂效果差,易导致沉砂卡钻;④浅层天然气易引起井下燃爆。通过分析上述难点,结合充气钻井现场实践经验,有针对性地提出了充气钻井过程的主要技术措施：① 钻井液维护处理技术;②井漏处理技术;③参数设计技术等。在川东地区3口井的现场应用效果表明：推行所提出的充气钻井技术措施,能有效避免井漏、提高机械钻速、缩短钻井周期,为川东地区遇地层出水情况下的气体钻井积累了经验。     

华北ND1区块气体钻井地层适应性评价

华北地区ND1区块ND101井中深部古近系沙河街组首次采用气体钻井提速,因井壁失稳、地层流体产出及井下燃爆等一系列的难点,严重阻碍了该区块气体钻井的实施。为此,基于气体钻井理论并与现场实践相结合,建立了一套有效的气体钻井适应性评价分析体系,包括气体钻地层井壁稳定评价和产出地层流体影响评价。通过评价产出地层流体对气体钻井壁坍塌、井下燃爆的影响,得到了3个方面重要认识：①快速产出的储层气体降低了近井壁地层孔隙压力,对气体钻井壁稳定更有利,因而,适当提高注气量可保障沙河街组氮气钻井有效进行;②修正的气体钻井井壁稳定分析模型提高了地层产水条件下坍塌压力当量密度预测的精度,可作为合理筛选该地区中下部地层气体钻井井段的依据;③采用邻井测井资料估算地层出水量并计算不同产水量下立管压力的方法,可确定维持气体钻井在一定湿度范围内的相应注气量参数,实钻中可根据立管压力、排砂管线湿度变化判断井下地层出水、出油及井壁干燥情况,及时调整或改变钻井措施。     

连续循环阀气体钻井技术及其现场试验

目前气体钻井面临大出水地层生产时效低,中断循环后可能引起井壁垮塌、卡钻等井下复杂,充气钻井井底压力波动大、井控风险高等问题。为此,介绍了新研制的一种基于连续循环阀的钻井系统的技术原理以及现场试验情况。该系统主要由连续循环阀和地面控制系统两个部分组成,钻进中将连续循环阀接在钻杆上,接单根、起下钻时,通过连续循环控制系统切换循环通路,实现井下连续循环。在宁211井氮气钻井和月005 H1井充气钻井2口井现场试验的结果表明,接单根作业井底压力恒定,缩短了重新建立正常循环的时间,实现了接单根和起钻作业过程中的连续循环,初步证实了连续循环系统的可靠性与工艺的可行性。连续循环钻井技术在充气钻井过程中的试验成功,标志着该项技术从单一循环介质迈向了两相循环介质的新台阶,可为钻井液条件下的欠平衡井、窄密度窗口井、大位移井、长段水平井安全高效钻井提供新的技术手段。     

氮气钻井技术在普光202-1井的应用

空气钻井技术可以大幅度提高坚硬地层的钻井速度,但应用在产层时容易造成井下燃爆,致使钻具损坏。分析了井下燃爆发生的原因后,提出使用氮气钻井技术是解决井下燃爆问题的最简单、最普遍的方法。介绍了氮气钻井施工所需要的空压机、制氮机、增压机、旋转防喷器等设备及其功能;通过普光202-1井的氮气钻井试验,分析了该井的施工工艺、流程及施工过程。氮气钻井技术的成功应用表明:氮气钻井不仅有效解决了井下燃爆问题,提高了机械钻速(5倍以上),还减少了钻头使用数量,提高了钻井时效,具有良好的应用前景。     

空气钻井井下燃爆监测系统

UBD气体监测系统是专门为监测井下燃爆现象而开发研制的,其主要原理是通过对返出气体中氧气、一氧化碳和二氧化碳体积分数变化的监测来判断井下是否发生燃爆。该系统具有仪器安装方便,井场布线简单,微型数据采集系统占用井场面积小,全数字信号传输,系统测量参数多,响应快,稳定性好,精度高,维护方便等特点,并已在川东某井成功完成井下燃爆监测任务,捕捉井下燃爆现象的灵敏性和准确性高,为空气钻井的提速快钻提供了安全保障。     

欠平衡钻井正气举过程井筒瞬态流动数值模拟

正举法气举作业的实施效果直接决定着欠平衡钻完井施工的成败,特别是气举过程中的井下压力动态演变,关系到整个作业过程中的井控安全。正举法气举作业的实质是在井下停止循环的初始条件下氮气连续气举作业,井下流体由静止状态到气体穿越液体滑脱至井口的不同于常规稳态流动的瞬态气液两相流动。针对这一特殊流动研究,完成了停止循环开井条件下气举时井下瞬态气液两相流动特征参数变化数值模拟计算方法和数学求解模型的建立,通过实际井数值计算连续气举时井下瞬态气液两相流特征参数变化得出规律性认识,如氮气沿井眼滑脱上升运动速度逐步加大、顶出钻井液随时间的增多、井底流压瞬时波动在初始阶段最大等。研究成果丰富了欠平衡氮气钻完井施工正举法气举作业的井筒流动模型体系和压力控制方案,增强了该特殊流动规律的认识,为井控安全提供了理论保障。     

气体钻井随钻安全风险识别与监控

气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,因此随钻井下风险识别及监测对于保障气体钻井安全具有重要意义。为此,提出将理论分析和现场案例相结合,总结气体钻井过程中井壁失稳、产水、产气、井下燃爆、钻柱失效等主要风险发生时的工况参数表征,建立风险发生与对应工况参数变化的关系模型,开发自动化分析平台对工况参数变化进行分析,以判断发生的风险类型。基于已有的地面监测技术,研发了地面—井下参数监测系统,用测量短接实时监测井下温度、压力、湿度以及钻具振动等参数,并通过中继短接传输到地面,可以更快速、准确地获知井下各项参数的变化情况。将关系模型、分析平台以及监测系统相结合,形成了气体钻井随钻安全风险辨识方法。在新疆塔里木盆地开展的现场试验结果表明,该方法能够快速反映出气体钻井各项参数的变化情况,准确判断井下发生的风险类型,可有效降低气体钻井安全风险,提高气体钻井效率。     

一种转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置

通过转化井下钻柱振动能量来增加井底钻井液喷射压力是提高钻井速度的重要途径,而现有技术还未能充分合理地利用钻柱振动能量。为此,基于井下钻柱振动能量的利用理论,提出了钻井液井下增压、增排量的井底高压喷射钻井理念,设计出了井底高压喷射钻井装置,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:(1)井底高压喷射钻井装置可以将钻柱振动能量有效转化给井底钻井液从而实现井下高压喷射钻井;(2)井底高压喷射钻井装置增加了喷嘴钻井液过流流量,在?215.9 mm井眼中,其输出的钻井液流量可以提高5 L/s;(3)增大了钻井液喷射压力,喷嘴处钻井液脉冲压力最高达到11.3 MPa;(4)深井内井底高压喷射钻井装置应用效果比上部地层更加显著。结论认为,井底高压喷射钻井装置为高压喷射钻井技术的实现提供了一种新的手段,可以解决现有高压喷射钻井技术设备费用昂贵、安全性差、适用范围有限的问题。     

钻井液脉冲传输速度的分布规律研究

地面与井下的信息传输是井眼轨道自动闭环控制的技术。目前,地面与井下的无线信息传输系统主要是采用钻井液脉冲方式,研究钻井液脉冲传输速度的分布规律,可以了解钻井液脉冲的传输机理及其影响因素,进而为建立井眼轨迹的自动闭环控制系统奠定基础。     

鄂西渝东地区气体钻井气液快速转换技术

气体钻井与常规钻井液钻井相比具有速度快、周期短、综合成本低等优点,但气体钻井结束后井眼在由气体介质转换成液体介质过程中,由于转换的钻井液性能不适应干燥的井下条件、转换工艺技术不合理,易出现复杂情况或事故,使得转换时间长,气体钻井优势没有充分体现出来。为解决鄂西渝东地区气体钻井结束后转换成钻井液钻井的井壁稳定、井眼畅通和防塌等问题,在总结多年气体钻井现场实践经验的基础上,提出了气体钻井后转换为钻井液体系和气液转换工艺及井眼清洁的工艺技术措施。目前在该区块已经完井40多口,避免了井喷失控,保障了钻井工程的安全、质量和速度,保护了资源和环境,为同类气井的钻井施工提供了可借鉴的经验。     

成膜防塌液的室内研究及其应用工艺——用于解决气—液钻井转换初期的井壁失稳问题

气体钻井结束后,在替入钻井液初期,钻井液中的水相会大量快速地进入地层,引起地层中的黏土矿物吸水膨胀而导致井壁失稳或形成厚滤饼,造成起下钻遇阻复杂,解决井眼通畅问题需要花费更多的处理时间。为此,提出了气体介质转换成钻井液介质的钻井初期有效控制井壁失稳新的技术思路——成膜防塌技术。在实验室内研制了一种由高分子有机物和无机物组成的混合液体,称之为"成膜液",并进行了人造岩心浸泡、泥球浸泡、防清水渗透的室内实验,分别对比考察了岩样的分散、岩心表面成膜及其防水膜的渗水性能。实验结果表明:该成膜液能在短时间(10~30s)内在实验岩心上形成一层光滑致密的防水渗膜,能有效阻止钻井液中的水相进入实验岩心的内部,起到了防止黏土水化分散、稳定井壁和有效防止厚泥饼形成的作用。最后分别推荐了气体钻井和雾化钻井的成膜液现场应用浓度范围及其操作性强的防渗膜"涂抹"工艺方法。     

气体钻井返出气体检测方法研究

气体钻井技术具有提速增效、保护储层的良好效果,应用前景广阔。但在钻进过程中,若不能及时发现储层已被揭开并调整钻井工艺,就很可能因大量地层气体溢出及地层高压突然释放而导致井壁失稳、气体燃爆等井下复杂情况,也不利于储层的发现和评价;同时地层可燃有毒气体泄漏会引起地面人员及装备等安全事故,增加气体钻井风险。这就要求气体钻井必须建立一套新的气测体系。这一体系须响应快、灵敏度高,能适应气体钻井高钻速、高注入量、低迟到时间等应用条件,为气体钻井安全提供保障。为此,分析了实施气体钻井排砂管线返出气体在线检测的意义、目前气体钻井气测存在的问题．以及目前工业应用中多种常用气体检测方法的适用范围及响应特征,结合气体钻井现场应用条件,提出了改进方向,对完善气体钻井返出气体检测技术具有一定的指导作用。     

自适应控制压力钻井关键技术及研究现状

为了减少钻遇压力敏感或安全压力窗口狭窄等复杂地层所产生的非生产时间,提出了对井底压力进行精确控制的自适应控制压力钻井的技术思路。探讨了控压钻井技术的井底压力控制机理,集成了所需关键技术装备,绘制了自适应控压钻井技术的关键技术路线图。系统地介绍了地层压力随钻检测技术、随钻井底环空压力测量、钻井液连续循环装置、井口回压检测与控制、数据传输技术的国内外技术现状。最后提出建议：国内相关单位应联合攻关,尽快研发具有自主知识产权的自适应控压钻井技术及相关装备,缩短与国际先进钻井技术间的差距。