氣侵對(duì)鉆井作業(yè)的影響.doc

氣侵對(duì)鉆井作業(yè)的影響=敬忠平1997年10月23日氣侵對(duì)鉆井作業(yè)的影響敬忠平摘要 南海地區(qū)的鉆井活動(dòng)中，氣侵是一個(gè)影響鉆井作業(yè)的主要問(wèn)題之一。尤其是高溫高壓井的鉆井作業(yè)過(guò)程中發(fā)生的氣侵給鉆井作業(yè)帶來(lái)很大影響。對(duì)產(chǎn)生氣侵后所采取的措施的正確與否取決于對(duì)氣侵的正確判斷和充分的認(rèn)識(shí)。所采取的措施既要滿足作業(yè)的要求，又要確保海上鉆井設(shè)施、人員和井下的安全性。因此海上鉆井的氣侵問(wèn)題相對(duì)陸上鉆井來(lái)說(shuō)更具特殊性。問(wèn)題的提出在南海高壓氣井的鉆井作業(yè)過(guò)程中，氣侵是一個(gè)十分令人傷腦筋的事。如在YC21-1構(gòu)造中，由于嚴(yán)重氣侵，循環(huán)時(shí)氣測(cè)值相當(dāng)高（一般在1200個(gè)單位左右，每50個(gè)單位為體積含量的1%），即地面井口泥漿內(nèi)氣體體積含量為24%左右，有時(shí)其峰值高達(dá)80%，經(jīng)多次加重循環(huán)，最終泥漿比重與最初泥漿比重差值達(dá)0.6g/cm3以上，氣測(cè)值仍居高不下，給鉆井作業(yè)帶來(lái)很大影響，并引出一系列問(wèn)題： 高壓氣井的壓井泥漿比重的選擇問(wèn)題； 氣侵的處理及氣侵后的決策問(wèn)題； 氣侵的安全防范問(wèn)題；本文就上述幾個(gè)問(wèn)題作一些粗淺的探討并提出相應(yīng)看法和觀點(diǎn)。氣侵的方式和特點(diǎn)1巖屑中的天然氣在鉆井過(guò)程中，隨著巖屑的破碎，天然氣不可避免地侵入井內(nèi)。2接單根天然氣（CONNECTION GAS）由于接單根時(shí)停泵環(huán)空總壓力的降低，常常把少量但是很顯著的天然氣帶入井中。3起下鉆天然氣（TRIP GAS）通常與起下鉆的抽汲有關(guān)。4泥漿液柱壓力不足以平衡地層壓力而侵入的天然氣。5氣層天然氣由于氣體的擴(kuò)散性和易溶解性，即使在泥漿液柱壓力超過(guò)地層壓力的情況下，氣全也不可避免地侵入泥漿內(nèi)，其擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)速度都很快，并在從井底向井口運(yùn)移的過(guò)程中，其體積隨溫度和壓力的變化而變化，在井口其體積最大（井口敞開時(shí)），天然氣的侵入量還與氣層天然氣的飽和度與氣層的孔隙度有關(guān)，飽和度越高，氣侵量越大。氣侵對(duì)泥漿液柱壓力的影響氣侵后泥漿性能最顯著的變化就是泥漿下降，有時(shí)候這種比重的降低是非常驚人的。如在循環(huán)出起下鉆天然氣（TRIP GAS）時(shí)，氣測(cè)峰值高達(dá)3000個(gè)單位以上，甚至接近5000個(gè)單位，以致于地面儀表不能讀數(shù)，即地面泥漿中氣體體積含量超過(guò)60%甚至接近100%。這也就是說(shuō)，這時(shí)井口返出的泥漿大部分為氣泡狀或幾乎全是泡沫，并大量涌出轉(zhuǎn)盤面，出現(xiàn)所謂的假井噴。根據(jù)天然氣的特性，天然氣從井底向井口運(yùn)移過(guò)程中，其體積不斷增加，因此，在不同深度下的泥漿比重是不同的。在井口時(shí)，由于天然氣膨脹后其體積最大，氣侵后的泥漿比重最低；假設(shè)氣體膨脹的等溫過(guò)程，并忽略氣體自重，則氣侵后泥漿柱壓力的降低值可用下式計(jì)算：- P: 氣侵前后泥漿液柱壓力降低值kg/cm3a: 地面氣侵泥漿比重gs與原泥漿比重gm的比值即H: 井深 mgs：井口環(huán)空壓力，kg/cm2gm: 原泥漿比重，kg/cm3以YC21-1井的例，揭開高壓氣層時(shí)井深為4647m，泥漿比重1.52，氣侵后測(cè)得背景氣（BACKROOUND GAS) 峰值為4000個(gè)單位（含量80%）。則：1）氣侵后井底壓力的降低值P2）當(dāng)量泥漿比重降低值3）壓力降低百分比n由以上計(jì)算可以看出，泥漿氣侵后整個(gè)泥漿柱的壓力的下降并不嚴(yán)重，即使氣侵后泥漿比重僅為原來(lái)的20%，即井口泥漿幾乎全是泡沫的嚴(yán)重情況下，其壓力下降百分比僅為3.7%，這個(gè)壓力下降值也只不過(guò)與一般考慮的安全附加壓力相當(dāng)。如果氣侵后泥漿比重為原來(lái)的50%，其壓力降低值是微乎其微的。因此，氣侵后不一定會(huì)緊急加重泥漿比重，應(yīng)首先循環(huán)除氣，然后根據(jù)地層壓力的大小，酌情加重。最危險(xiǎn)的做法是將氣侵泥漿重復(fù)使用，而根據(jù)氣測(cè)值的大小盲目加重又只會(huì)導(dǎo)致井漏、井塌，從而又可能導(dǎo)致井噴。如果氣測(cè)值經(jīng)多次循環(huán)加重后仍居高不下，應(yīng)保證在不壓漏地層和使入口泥漿比重過(guò)平衡的條件下繼續(xù)進(jìn)行有關(guān)作業(yè)，如鉆進(jìn)，起下鉆等。在氣侵條件下對(duì)有關(guān)鉆井作業(yè)的安全評(píng)價(jià)1鉆井由上所述，氣侵后井口泥漿比重下降很明顯，然泥漿液柱壓力降低值并不大，因此，如果能通過(guò)地面除氣設(shè)備循環(huán)除氣的話，那是最理想的情況。但是這樣循環(huán)除氣應(yīng)盡可能地使鉆頭在井底的條件下進(jìn)行，否則將人為地制造一個(gè)非常高的地層孔隙度的容積環(huán)境，使得本來(lái)易容解和擴(kuò)散的天然氣更易侵入泥漿中，從而會(huì)造成多次加重循環(huán)而氣測(cè)值仍居高不下的復(fù)雜局面。如果多次加重循環(huán)氣測(cè)值仍保持一定數(shù)值（如在YC21-1-1井中循環(huán)加重后氣測(cè)值仍在1000個(gè)單位左右），由天然氣的特性及相應(yīng)的計(jì)算，我們有理由恢復(fù)鉆進(jìn)，但是必須保證進(jìn)口泥漿比重大于地層壓力系數(shù)而又不致于壓漏地層，同時(shí)又必須認(rèn)真地進(jìn)行除氣，絕對(duì)禁止氣侵泥漿的重復(fù)使用，保持進(jìn)口泥漿比重符合上述記錄。這里，對(duì)泥漿比重的要求必須考慮到氣侵后泥漿比重的降低；停泵后當(dāng)量循環(huán)比重的損失；除氣設(shè)備的性能及處理量；以及地層破裂壓力安全附加壓力等安全因素。2起下鉆同樣，在上述類似條件下，能否進(jìn)行下鉆作業(yè)或電測(cè)作業(yè)呢？首先假設(shè)已經(jīng)起鉆且井口是開啟的，井內(nèi)有一段立柱或嚴(yán)重氣侵的泥漿（如圖所示），則其自動(dòng)外溢的條件是：Ym hX: 井下氣柱高度或嚴(yán)重氣侵泥漿柱高度m xh: 未氣侵泥漿高度m x Ym：原泥漿比重g/cm3 X即在停泵后泥漿自動(dòng)外溢的條件是氣柱高度或嚴(yán)重氣侵泥漿高度超過(guò)井深一半以上時(shí)，泥漿稍一流出就會(huì)井噴。一般認(rèn)為，起鉆后停止循環(huán)期間要積聚這樣大量的氣柱是不大可能的。既然如此，這就增加了起鉆的安全性，這也就是說(shuō)：即使起鉆時(shí)由于抽汲作用將部分天然氣帶入井內(nèi)形成氣柱或一段嚴(yán)重氣侵泥漿，還不致于在短期內(nèi)造成自動(dòng)外溢的危險(xiǎn)，因此必須考慮氣柱上升運(yùn)動(dòng)的情況，即下鉆后循環(huán)排氣時(shí)可能發(fā)生的危險(xiǎn)（氣柱以上泥漿全部噴條件）： 3)Ymh 4) 5)Ymx1：泥漿開始外 溢時(shí)氣柱或嚴(yán)重氣侵泥漿柱的高度m h1：泥漿開始外溢時(shí)氣柱上面未氣侵泥漿柱的高度mx ：井下積聚的氣柱或嚴(yán)重氣侵泥漿柱高度mh ：氣柱上面未氣侵泥漿柱高度m Ym：原泥漿比重g/cm3仍以YC21-1-1井為例，H=4647m，泥漿比重后加重至Ym=1.54，設(shè)X=10m（氣柱高度）由以上幾個(gè)公式分別得出x1=215m h1=210m I=4223m即當(dāng)氣柱或嚴(yán)重氣侵泥漿在循環(huán)時(shí)上升至井深H=X1+H1=425 m時(shí)就會(huì)自動(dòng)外溢，由于425米長(zhǎng)的液柱壓力的損失，當(dāng)量泥漿比重的降低值y=0.14g/cm3剩余泥漿當(dāng)量泥漿比重y=ym-y=1.40g/cm3遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于揭開氣層時(shí)的泥漿比重ym=1.52g/cm3，故很有可能誘發(fā)井噴。因此，因電測(cè)作業(yè)或換鉆頭起鉆后，由于長(zhǎng)期停泵，積聚在井底的氣柱或嚴(yán)重氣侵的泥漿在下鉆后循環(huán)時(shí)上行膨脹，至一定井深后會(huì)外溢噴出，這在高壓氣井的鉆井作業(yè)中已多次發(fā)生，所以要引起高度重視。為防止自動(dòng)外溢后造成氣體再次侵入或井噴，可考慮如下幾個(gè)措施：1）起鉆前在裸眼內(nèi)漏層以下打重晶石塞由于重晶石塞的粘度和節(jié)力都比較，且會(huì)沉淀，在井內(nèi)會(huì)形成一個(gè)堅(jiān)固的重晶塞子。且由于失炎可能造成井壁剝落形成橋堵，更重要的是，重晶石塞的密度大，又注入套管鞋以下的某一易漏失處下方，其液柱壓力的增加可大大地抑制天然氣的侵入及其膨脹上升，有助于控制地層壓力，極大地增加了起鉆后的安全因素。2）下鉆后關(guān)閉防噴器循環(huán)出氣柱或嚴(yán)重氣侵泥漿對(duì)于這種循環(huán)，可視之為套管為零的壓井作業(yè)，在這種情況，尤其要注意井底氣柱上升膨脹時(shí)的套管壓力的變化，以防止壓漏地層可通過(guò)調(diào)節(jié)阻流器，在保證泵速不變和鉆桿壓力不變的情況下進(jìn)行循環(huán)，使最大套壓不能超過(guò)最大允許套管壓力。結(jié)論綜上所述， 氣侵雖然是一種危險(xiǎn)而又復(fù)雜的情況，但只要充分地，正確地認(rèn)識(shí)天然氣的特性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，氣侵的問(wèn)題也可以得到控制。由此可以回答本文開始提出的幾個(gè)問(wèn)題：1氣侵后壓井泥漿比重的選擇應(yīng)主要以平衡地層壓力為原則而不應(yīng)僅僅以氣測(cè)值的大小為依據(jù)。2在氣井的鉆井作業(yè)中，氣侵是永遠(yuǎn)不可避免的，尤其