田玉栋

中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院

徐深气田空气钻井转换雾化钻井最佳时机确定

田玉栋

中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院

针对空气钻井地层出水后，岩屑易形成泥环造成环空循环不畅等问题，需要确定转化为雾化钻井的时机，开展了临界地层出水量及最佳转化时机研究与试验。通过使用烘干的采集于空气钻井不同层位的岩样，开展了气体雾化水、岩屑吸水、岩心吸水及岩屑吸水形态变化地面试验，得到了岩屑吸水后形态变化情况，得出岩屑聚团是气体钻井出水后危险的状态。同时以空气钻井裸眼段长度1 000 m为例，经过对试验数据分析，当排砂管线内有自由水出现，地层出水量为0.51 m3/h时，空气钻井应及时转换成雾化钻井。现场试验表明，通过试验手段得到空气钻井转化成雾化钻井转化时机能够有效地指导徐深气田空气钻井安全施工。

空气钻井；雾化钻井；地层出水；转化时机；徐深气田

在空气钻进过程中，地层出水后岩屑易水化黏附在井壁和钻具，不利于空气钻井安全钻进，应根据井下工况转化为雾化钻井，国内对如何确定转换成雾化钻井的最佳时机研究较少［1-6］。2008年，钟英［7］等学者认为当空气钻井钻遇水层，出水量不大时， 地层出水速度在1～5 m3/h可转换为雾化钻井，以提高携水能力。在空气钻井过程中，如何准确及时把握转化成雾化钻井的时机对于空气钻井安全钻进至关重要。但目前空气钻井转化为雾化钻井的时机不明确和给出地层出水量范围宽泛，不能有效地指导现场实践，因此开展了空气钻井转化成雾化钻井的最佳时机的试验与研究。通过开展气体雾化水、岩屑吸水、岩心吸水及岩屑吸水形态变化地面试验及分析，得出了当排砂管线内有自由水出现，空气钻井应及时转换成雾化钻井。经过4口井现场试验，取得较好效果，能够有效地指导徐深气田空气钻井安全施工。

1 地面试验方法

Ground experiment methods

在空气钻井过程中，地层出水后，如果完全被气体携带上来，那么地层出水量等于气体雾化水量、携带自由水量和岩屑及井壁吸附水量［8-10］。为了能够得到地层出水量及岩屑吸水后形态变化情况，从而确定空气钻井转换成雾化钻井的临界地层出水量及最佳转化时机，开展了气体雾化水、岩屑吸水、岩心吸水及岩屑吸水形态变化试验，试验过程中使用的岩样是取自空气钻井不同层位并经过烘干的岩样，通过试验数据分析，得出了空气钻井转化成雾化钻井的临界地层出水量及最佳转化时机。

1.1 气体雾化水试验

Air atomized water experiment

1.1.1 试验方法及流程 在徐深气田气体钻井现场，三开未钻水泥塞前，在Ø244.5 mm技术套管内没有岩屑的情况下，利用空气钻井注气装备和雾化泵，通过调整注气量和注水量进行了气体雾化水试验。气体携带水量等于气体雾化水量和自由水量之和，注水量可以通过雾化泵流量计直接读取，自由水量可以在排砂管线出口处进行计量，所以，在一定气量下雾化水量等于雾化泵流量与自由水量的差值。

1.1.2 试验数据及分析 通过试验，0.5 h一测，得出了不同注气排量情况下对应的气体雾化水量，见表1。

当注液量为7.3 L/min不变，如果注气量在20 m3/min以下时，气体没有雾化水能力，水以连续的状态流动。当注气量20～35 m3/min时水开始少量被雾化，随注气量增大，被雾化水量增多。随注气量进一步增大，当注气量40～60 m3/min时，气体雾化速度增快。当注气量大于70 m3/min以上时，雾化水量基本不会因注气量增大而增加，雾化达到稳定状态。通过对气体雾化水试验数据分析取得认识：注气排量20～35 m3/min时，基本上无雾化能力； 注气排量35～60 m3/min时，雾化水量上升趋势大，雾化水能力为0.21～3.22 L/min；注气排量为60～105 m3/min时，雾化水量趋于饱和。

表1 气体雾化水试验数据Table 1 Data of air atomized water experiment

1.2 岩屑吸水室内试验

Indoors water absorption experiment on rock debris

1.2.1 试验方法及原理 通过使用岩屑吸水试验装置对气体钻井不同层位岩屑进行了吸水试验。试验装置见图1。原理是根据“U”型管效应，岩屑吸水的同时，漏斗内水面高度不变，导致取样管内水减少，即岩屑吸水量等于取液管内水的减少量。

图1 岩屑吸水试验原理及装置图Fig. 1 Principle and devices of debris water absorption experiment

1.2.2 试验数据及分析 通过对5种不同岩样的最大吸水率及吸水饱和时间试验数据分析，得出岩屑最大吸水率为0.17～0.30 mL/g，岩屑吸水3 min趋于饱和，见图2。

1.3 岩心吸水试验

Water absorption experiment on cores

图2 不同岩样吸水率对比Fig. 2 Water absorption rate of different rock samples

1.3.1 试验方法及原理 取气体钻井岩屑，研磨后压制成岩心，对岩心的高度及重量进行测量，使用膨胀仪进行试验，见图3。岩心吸水后膨胀，高度增加，接触杆向上移动，使膨胀仪电压发生变化，通过记录膨胀仪电压变化，取得岩屑的膨胀率，通过测量岩心重量，求得岩心吸水率。

图3 打压设备及膨胀仪实物图Fig. 3 Pictures of pressurization equipment and dilatometer

1.3.2 试验数据及分析 通过试验得到了不同岩样岩心的膨胀率和吸水率，见图4。对试验数据进行分析得出：岩心吸水5 h后趋于饱和； 膨胀率大的岩心吸水率也大，说明岩屑中的黏土矿物是决定岩屑吸水多少的主要因素；岩心膨胀率为3.7%～19.26%，吸水量为0.12～0.23 L/m2。

图4 5种岩样膨胀率随时间变化曲线Fig. 4 Relationship of swelling rate vs. time of 5 rock samples

1.4 岩屑吸水形态变化试验

Morphological change experiment on debris absorption water

1.4.1 试验方法及原理 岩屑吸水后搅拌，通过观察岩屑形态变化及搅拌力大小，确认岩屑聚团时岩样的吸水率，从而确定空气钻井转换成雾化钻井的临界出水量。

1.4.2 试验数据及分析 从试验过程中观察可知，岩屑在搅拌过程中主要表现出潮湿、聚团和成泥3种状态，见图5。5种岩样3种状态对应的吸水量见表2。

图5 岩样吸水潮湿、聚团及成泥3种状态Fig. 5 Three water absorption states of rock samples, i.e., moistness, agglomeration and mud formation

表2 5种岩样3种不同状态下岩样吸水率mL·g-1Table 2 Water absorption of 5 rock samples in 3 states

岩屑吸水形态变化试验中岩屑聚团时搅拌力最大，结合现场实际可认为此状态井下易发生憋压、卡钻等复杂事故，是空气钻井地层出水后井下一种的危险状态。

2 雾化钻井转化时机确定

Determination of conversion time from air drilling to mist drilling

2.1 无自由水返出时地层最大出水量

Maximum formation water production with no free water returning

排砂管线内无自由水返出时，地层出水主要被气体雾化、岩屑吸附和井壁吸附，所以地层出水量Q1是气体雾化水、岩屑吸附水和井壁吸附水之和。

式中，H为裸眼段长度，m；D为井眼直径，mm；V为气体雾化水量，L/min；RP为机械钻速，m/h；α为岩心吸水量，L/（m2·h）；β为岩屑吸水率，mL/g。

根据上述气体雾化水试验、岩屑吸水试验及岩心吸水试验数据，通过公式（1）计算可以得到排砂管线无自由水情况下的地层最大出水量，见表3。

表3 排砂管线无自由水出现时地层出水量Table 3 Formation water production without free water

2.2 临界地层出水量

Critical formation water production rate

根据岩屑吸水形态变化试验，得出搅拌力最大时对应的岩屑吸水率，此时岩屑聚团，是气体钻井出水后最危险的状态，应转化成雾化钻井，此时对应的地层出水量Q2由下式计算

式中，χ为岩屑聚团时对应的岩屑吸水率，mL/g。

根据气体雾化水试验、岩心吸水试验及岩屑吸水形态变化试验数据，利用公式（2）对临界地层出水量进行计算，计算结果见表4。

表4 不同条件下临界地层出水量Table 4 Critical formation water production rate

2.3 空气钻井转换成雾化钻井的原则

Conversion principle from air drilling to mist drilling

以空气钻井裸眼段长度1 000 m为例，通过对排砂管线无自由水出现时地层最大出水量（0.51 m3/ h）与气体钻井转换成雾化钻井的临界地层出水量（0.48～0.53 m3/h）进行对比分析，发现气体钻井转化成雾化钻井的临界地层出水量与排砂管线内无自由水出现时的地层最大出水量相当，结合现场实际情况，当地层出水量为0.51 m3/h时，此时排砂管线内有自由水出现，空气钻井应及时转换成雾化钻井。

3 现场应用

Field application

徐深气田采用该理论进行了4口气体钻井现场试验，在现场施工中出现不同程度地层出水情况下，实现了地层出水后安全钻进。其中XS35井为徐深气田徐家围子断陷一口预探井，该井设计三开层位泉一段—登二段进行空气/雾化钻进。空气钻进至井深2 928 m时，湿度监测显示出口湿度微升，停钻循环，观察排砂口有水滴出现，经过反复循环与干燥后观察排砂口出现有小水流，并通过以上理论计算地层出水量为0.5 m3/h，现场决定及时转化为空气雾化钻进，雾化钻进至3 528 m，雾化钻井进尺600 m，创造了徐深气田新纪录，同时避免了复杂事故的发生。

4 结论

Conclusions

（1）通过岩屑搅拌试验确定了岩屑聚团是空气钻井地层出水后井下危险的状态，此时易发生憋压、卡钻等复杂事故。

（2）经过4口井现场试验验证了徐深气田空气钻井转化成雾化钻井的转化时机能够有效指导地层出水后气体钻井安全施工。

（3）通过试验手段，结合现场实际情况，确定了排砂管线内出现自由水为空气钻井转化成雾化钻井的最佳时机，并确定了转化成雾化钻井的临界地层出水量，对气体钻井提供了一定的理论指导。

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（修改稿收到日期 2016-11-27）

〔编辑 薛改珍〕

Determination of optimal conversion time from air drilling to mist drilling in Xushen Gasfield

TIAN Yudong
Drilling Engineering Technology Research Institute, CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing 163413, Heilongjiang, China

When air drilling is adopted, mud rings tend to be formed from debris, hindering the circulation in annulus after formation water breakthrough. To deal with these problems, it is necessary to determine the conversion time from air drilling to mist drilling. Therefore, the critical formation water production and the optimal conversion time were investigated and tested. A series of ground experiments were carried out on the dried rock samples taken from different horizons during air drilling, and they are air atomized water experiment, debris water absorption experiment, core water absorption experiment and morphological change experiment after debris water absorption. And accordingly, the morphological change after the debris were absorbed with water was understood. It is indicated that debris agglomeration is the dangerous state of air drilling after water breakthrough. Finally, a case study was performed on an open hole interval of 1 000 m long where air drilling was carried out. Experimental data analysis results show that the air drilling shall be converted into mist drilling as soon as the formation water production rate reaches 0.51 m3/h after free water occurs in clearance pipelines. Field tests indicate that the conversion time from air drilling to mist drilling determined by means of experiments can be used as the effective guidance for safe air drilling in Xushen Gasfield.

air drilling; mist drilling; formation water production; conversion time; Xushen Gasfield

田玉栋.徐深气田空气钻井转换雾化钻井最佳时机确定［J］.石油钻采工艺，2017，39（1）：37-41.

TE242

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0037– 05

10.13639/j.odpt.2017.01.007

:TIAN Yudong. Determination of optimal conversion time from air drilling to mist drilling in Xushen Gasfield［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 37-41.

国家科技重大专项 “大型油气田及煤层气开发”子课题“碳酸盐岩、火成岩及酸性气藏高效安全钻井技术” （编号：2011 ZX05021-002）；中国石油集团公司重大科技专项课题“深层天然气高效开发技术研究与应用”（编号：2016E-0211）。

田玉栋（1983-），2007年毕业于中国石油大学（北京）石油工程专业，现从事欠平衡钻井技术研究工作，工程师。通讯地址：（163413）黑龙江省大庆市红岗区八百垧钻井工程技术研究院。电话：0459-4984404。E-mail：tianyudong@cnpc.com.cn