李宁张勇贾建超王帅贺越腾董宏政

(中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北062552)

空气钻井在山西煤层气开发的应用

李宁张勇贾建超王帅贺越腾董宏政

(中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北062552)

山西晋城煤层气资源丰富，是我国重要的产气基地。在煤层气开采的过程中经常遇到恶性漏失复杂，导致泥浆有进无出，开采受阻，成本增加，难度加大。为了解决此难题，将空气钻井技术运用到煤层气开采中。结果表明采用空气钻井技术施工后不但解决了现场的漏失复杂，相比常规钻井堵漏节约了堵漏材料成本，缩短了施工周期。

煤层气 空气钻井 恶性漏失

目前空气钻井技术凭借它以空气作为循环介质，具有钻速高，成本低，环保性好等钻井液所不具备的优势，已经被广泛应用于严重漏失、地层坚硬机械钻速慢地层及低压低渗储层。

在山西晋城煤层气地区郑试76平1平台上进行的1井施工中，由于一开在山体中钻进，经常会遇到由于山体裂缝引起的恶性漏失导致泥浆有进无出，采用常规堵漏方法无法解决，至此增加了生产成本，延长了施工周期。并且泥浆会沿山体裂缝流入河流，引起环境污染。对于此类复杂，采用常规正常钻井液从根本上是难以解决。该井一开进尺70m，采用常规堵漏共花费457h，泥浆漏失300m3。在同一平台进行的2号井一开采用空气钻井方式钻进，进尺240m，纯钻时间34.48h，一开施工周期40.2h，该井机械钻速6.96m/h。对比可以看出一开进尺增加170m，施工效率提高11.3倍，施工过程中无漏失现象。空气钻井作为一种特殊的欠平衡钻井技术，凭借其低密、低压、环保的优势可以成功解决此类难题。大幅降低了漏失复杂损失，加快了工程进度，提高了油气勘探开发的效率。

1空气钻井施工设备

空气钻井技术是以空气作为循环介质的一种特殊的钻井方式。流程如图1所示，由空气压缩机将大气中的空气收集并压缩输送到管汇及立管中，通过钻具经过钻头输送到井底，将井底破碎的岩屑由环空携带出井筒，经过井口旋转控制头流向排沙管线，再由喷淋装置除尘后流入泥浆池。

图1 空气钻井现场示意图

1.1空气压缩机

采用寿力DLQ900XHH－1150XH空气压缩机，单台空气流量为30m3/min，注气压力0～2.4MPa。由于单台空气压缩机的输出气量不能满足现场施工需求，根据井眼尺寸、深度、出水情况计算，采用4台空压机，120m3/min气量可以满足现场施工。

1.2空气管汇及阀门

在施工过程中需要将空气压缩机收集并压缩的气体通过压力管汇输送到立管，管汇连接如图2所示该井使用管汇为5MPa压力软管(空压机最大压力为2.1MPa)及15MPa硬管连接至立管。在管汇上配置注油器、单流阀及低压球阀。注油器是通过气流将润滑油带入到钻具内润滑空气冲击器使用。在接钻具时需要将泄压阀门打开，将管汇及钻具中的压力释放掉才可以进行单根松扣工作。

图2 注气管汇阀门示意图

1.3井口空气旋转控制头

采用四川钻采院产XK35－10.5/21旋转控制头，无论是空气钻井还是常规钻井从井筒出来的介质都会带有速度与压力，为了确保生产安全和顺利，防止岩屑粉尘从井口喷出，井口需要安装旋转控制头。

1.4排沙管线

空气钻井时，需要将井内的气体通过排沙管线排入到沉沙坑，排沙管线大小要适当，如果太大将会导致气体速度到达排沙管线后立刻下降，留在管线内，如果出现出水状况，岩屑夹杂水分将无法从排沙管线内排除。如果管线过小会增加空压机输出负荷，空压机输出压力升高当升至2.4MPa时，空压机会停止气体输出，进行自循环保护，导致生产无法运行。现场采用6寸管线作为排沙管线。

在排沙管线上为了防止粉尘在大气中弥散，安装了降尘装置。降尘装置如图3所示，该装置将水管线的水通过围绕管线一周的水道喷射眼均匀的喷入到排沙管线中，将干燥的粉尘湿润后排放到大气中。

图3 喷淋装置示意图

1.5空气冲击器

当进行表层钻进时，由于钻压施加困难，所以采用常规牙轮钻头钻进进尺慢。

根据钻头与岩石作用方式的不同，破岩分为旋转破岩、冲击破岩、冲旋破岩、旋冲破岩。带空气锤的空气钻井是在空气旋转破岩的基础上，利用空气锤的高频冲击提高破岩效率的一种冲击旋转钻井技术，它兼容了空气钻井和冲旋钻井的优点。井底岩石主要是在钻压、冲击力和旋转剪切力的共同作用下产生破碎。

2空气钻井施工参数

合适的注气量、钻压、转速在能够保证工程顺利进行的同时还能够加快施工进度。

2.1空气钻井气量优选

在空气钻井时，井筒环空流动气体为气－固两相流，当地层出水是就变为了气－固－液三相。气量优选的主要依据是能够带动环空岩屑返出井口，在空气钻井中环空岩屑能否正常返出主要取决于环空气体返速，根据1957年Angel对空气钻井的研究，他认为环空气体与岩屑为一元等温流动，且满足携岩要求的最小环空气体流速不小于15.2m/s。经软件分析得知，环空气体返速主要取决于井口注入气量，此外还与井深、环空截面积有一定关系。

2.1.1环空气体返速与井口注入气量的关系

环空气体返速与井口注入气量的关系如图4所示，井深一定，地面设备注入气量越大，环空气体返速越大。

图4 环空返速与气量曲线图

2.1.2环空气体、岩屑返速与环空截面的关系

环空气体、岩屑返速与环空截面的关系如图5所示，当井深、注入气量一定，环空气体返速与环空截面呈曲线关系。

图5 环空返速与环空截面积曲线关系图

图中曲线代表环空气体返速。可以看出，在钻铤与钻杆接头处，环空气体返速突然降低，得出环空气体返速在钻铤与钻杆连接处会出现最小返速。2.1.3环空气体返速与井深关系

环空气体返速与井深关系如图6所示，注入气量一定，环空气体返速随井深增加而减小。

图6 环空气体返速与井深关系曲线图

据此计算对于311.2mm井眼，500m井深，127mm钻具，岩屑密度2.4g/com3，岩屑直径5mm，钻速10m/h，采用120m3/min气量就可以满足施工需求。不同气量的气体返速如图7所示。

图7 多种气量气体返速图

2.2地层出水气量优选

在施工时还要考虑到地层出水情况，当地层出现出水后会引起岩屑吸水膨胀，当地层出水较多时，岩屑容易胶结成团状，在井眼周围形成泥环，从而引起卡钻事故，此时就需要根据出水情况判断是否可以继续施工下去。国外推荐的地层出水量大于2m3/h时需要转换成充气钻井，在国内通常是出水量大于5m3/h才转换为充气钻井。

气量确定依据:311.2mm井眼，钻井液排量3m3/min，钻井液密度1.01g/cm3。

(1)井底压力当量系数计算

充气可以降低液柱压力，从而避免钻井液漏失。注气量与井底压力系数关系如表1所示。

表1 注气量与井底压力当量系数

(2)气量大小对钻井液上返速度影响

充气可以提高环空钻井液返速，有利于提高钻井液的携岩;并且充气量越大环空钻井液返速越大。

优选结果:采用60m3/min气量，立压4～4.5MPa之间。

2.3钻压与转速

气体钻井中，钻压的主要作用是压持钻头齿与岩石紧密接触防止跳钻，是空气锤产生的应力波能够高效的传送到岩石中去。钻压太大加速了牙齿的磨损与掉落，降低了钻头的使用寿命;钻压太小，不能保持钻头牙齿和地层岩石的紧密接触，影响冲击功的传递，从而降低钻速。

转速的作用是为了回转钻头改变牙齿与岩石的接触位置，扩大岩石的破碎效率。转速太高会减小钻头的使用寿命;转速太低，会造成对岩屑的重复切削，影响施工效率，降低钻速。施工参数如表2所示。

表2 表层空气钻井施工参数

2.4钻具组合

第一趟钻:D444.5mm空气锤+127mmWDp× 1根

第二趟钻:D311.2mm空气锤+127mmWDp× 9根

第三趟钻:D311.2mm牙轮钻头+ D165mmNDc×1根+D165.1mmDc×5根+ 127mmWDp

通井钻具组合:D311.2mm牙轮钻头+ D165mmNDc×1根+D165.1mmDc×1根+ D308mmF+D165.1mmDc×3根+127mmWDp

3现场施工

将空气压缩机通过管汇连接，连接至立管。开启4台空气压缩机，将空气以120m3/min的气量注入到井内进行钻进，首先为了封固地表黄土层，第一趟钻，由于开始采用方钻杆从地表钻进，钻压施加困难，所以采用444.5mm空气锤进行钻进，钻压控制在1～2t，转速40r/min，钻进到11m后起钻，下入339mm导管并安装旋转控制头及排沙管线。第二趟钻下入311.2mm空气锤进行下部地层钻进，钻压3～4t，转入40r/min，当钻进至82m会钻遇出水层，该水层出水量2m3/h，井口返出岩屑被湿润形成泥团，但是可以返出井口，出水情况可以满足空气钻井继续施工。第三趟钻由于地层出水后岩屑粉尘胶结后容易在钻头位置形成泥包，地层泥岩遇水后吸水膨胀，为了预防卡钻，钻进至水层后起钻更换311.2mm牙轮钻头继续进行空气钻井施工(空气锤不具备倒划眼处理发杂能力)，钻压控制在8～10t，转入60r/min，直至完成一开进尺。打完进尺后钻具组合中加入308mm扶正器进行通井作业，钻压1t，转速60r/min。通井完毕后起出导管拆掉旋转控制头下入244.5mm套管完井，然后采用干井固井方法固井。

4认识及建议

(1)利用空气钻井可以应对该平台井的表层恶性漏失复杂，降低了施工风险并节约了施工周期。

(2)在井深82m处钻遇出水层，通过完井停气起钻观察钻具上的水迹计算地层出水量在2m3/ h，能够满足空气钻井的继续施工。

(3)钻遇出水层后，为了避免井下复杂的发生，需要控制机械钻速边钻边观察，当发现扭矩增大，气压无明显上升方可继续钻进。

(4)现场采用311.2mm空气锤进行钻进平均机械钻速为9.08m/h，改为311.2mm牙轮后平均机械钻速为6.46m/h。通过对比可以看出空气锤的工作要高于牙轮钻头1.4倍。

(5)由于干井下套管，井壁无泥浆润滑;山体地层倾角较大，下部地层采用牙轮钻进无法保证井斜;在地层出水处的泥岩会吸水膨胀导致井径不规则这三方面原因导致套管下入困难。

［1］马光长，杜良民.空气钻井技术及其应用［J］.钻采工艺，2004，27(3):4－8．

［2］吴仕荣，邓传光，周开吉.空气钻井地层出水限定值的探讨［J］.钻采工艺，2006，29(5):7－8．

［3］蒋宏伟，邢树斌，王克雄，等.空气钻井最小注气量和地层出水量关系研究［J］.大庆石油地质与开发，2008，27(2):106－109．

［4］许文波，孟英峰.气体钻井井内动力学分析［J］.内蒙古石油化工，2005，31(11):102－105.

(责任编辑刘馨)

Application of Air Drilling in CBM Development in Shanxi

LINin，ZHANG Yong，JIA Jianchao，WANG Shuai，HE Yueteng，DONG Hongzheng
(Engineering Technology Institute，Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Hebei062552)

Jincheng of Shanxi Province has abundant CBM resources，and is an important gas production base．During the CBM production process，severe leakageswhich are complicated occur frequently，causing the slurry fail to outflow after injection，and consequently interfere the gas production，increase the production cost and enhance the difficulty in production．To apply the air drilling technology in CBM developmentwill help to resolve this problems，and the practice shows that after applying this technology，the severe leakages has been well resolved and the it also safe the cost for plugging materials compared with conventional drilling，and cut the construction period．

CBM;air drilling;severe leakage

李宁，男，现长期从事欠平衡技术钻井研究工作。