气体钻井技术剖析及研究前景展望

气体钻井技术是指在钻井过程中使用气体作为循环介质的钻井技术。一套完整的气体钻井设备主要由气体发生装置、井口压力控制设备、专用井下工具、岩屑排放相关装置及其他辅助设备组成。其工艺流程是钻井气体先经压缩机加压并经过降温等相应处理,再由增压机加压到预定钻井压力后,依次通过立管及钻具组合到达井底,完成冷却钻头、携带岩屑的任务,进而从钻杆和井壁之间的环空返回井口。气体钻井技术具有工艺流程简单、循环介质价格低廉、环境污染小等优点,在我国有着较为广阔的研究和应用前景。     

控制气体钻井粉尘排放密闭循环分离系统的探讨

气体钻井岩屑处理的常规做法是通过液气分离器将返出的流体直接排放到土建泥浆池中,现场粉尘污染大,对周边环境带来巨大负面影响。国外一种气体钻井密闭循环分离系统,通过采用注水分离技术,有效去除返出流体中的大量粉尘颗粒,同时自动点火密闭燃烧装置的设计实现了回火控制,极大地减少了安全风险。该系统不需要土建泥浆池,减少了环境污染和作业成本。     

气体钻井的录井监测方法

由于气体钻井循环系统的流体介质改变——由常规的液态变为气态,致使传统的录井方法无法适应,表现为:①粉尘状岩屑采集困难且样品质量很难满足要求;②因出口样气中粉尘掺混,易产生管路堵塞,影响气测分析结果的精度;③综合录井仪原有的密度、电导率等参数无法监测,切断了地层流体信息识别和井下工况异常的及时报警。针对这些难题,通过现场调研和探索,分别研制出"岩屑自动取样装置"、"气体净化装置"和"气体钻井实时监测系统",实现了气体钻井连续、自动录取岩屑,提高了钻井地质剖面的符合率;实现了样品气的连续、干燥、无尘获取,确保了气测分析精度的需要;在出口管线的适当位置加装湿度和硫化氢等集成传感器,实现了气体钻井出口参数的实时监测和工程、地质异常的预警,为安全钻井施工方案的制订提供了依据。该方法与技术经现场多口井应用与推广,取得了良好的效果,获得了2项实用新型专利并申请了1项软件著作权登记。     

四川地区气体钻井配套录井技术

气体钻井新技术对传统录井的出口工程参数、常规地质录井、气测录井会产生重大影响，其主要表现在信息被弱化，造成岩屑辨别困难，给岩性定名及地层分层、地质工程预报、油气水显示的发现等带来诸多困难。为此，研究了工程录井的典型特征，常规地质录井迟到时间的确定、岩屑捞取方法、岩屑鉴别方法、气体钻井中常见的岩屑识别特征和荧光录井方法措施，以及气测录井的气体采集、分析和油气水监测等技术，总结出与气体钻井相配套的录井技术。通过四川地区20多口井气体钻井录井的检验，证实该配套技术能够达到取全、取准录井资料的目的。还提出了改变目前录井信息采集方法，发展随钻录井技术的展望。     

无基坑气体钻井技术在页岩气区块的应用

针对现行气体钻井需要修筑沉砂池增加占地和成本问题,提出了应用无基坑气体钻井技术实现现场
清洁化生产的方法。气体钻井无基坑系统由分离系统、循环水处理系统及岩屑处理系统组成;分离系统采用重力
沉降、惯性及湿法捕集机理达到气固分离目的;经过分离后的气体达到直接排放标准排入大气中;气体钻井无基坑
系统与振动筛和岩屑不落地系统配合使用可将井下返出岩屑转运至固化池处理。气体钻井无基坑技术以其缩短
非生产时间、提高环境保护能力等优点在页岩气区块得到了广泛应用,有效减少环境污染物排放,大力促进气体钻
井技术的健康可持续发展,保护生态环境。     

气体钻井临界携水量计算

地层出水是制约气体钻井顺利实施的一个瓶颈,准确计算一定注气量下的临界携水量对于气体钻井现场安全施工、避免井下复杂至关重要。基于最小动能标准建立了计算气体钻井临界携水量的数学模型,该模型综合考虑了地层出水后环空多相流动状态,利用该模型可确定气体钻井注气量和临界携水量的对应关系。计算结果表明：增加注气量和降低液气表面张力是提高气体钻井临界携水量的有效途径;当增加注气量不能满足携水要求时,必须转换钻井方式,通过降低液气表面张力来提高临界携水量;气体钻井临界携水量计算需兼顾携带岩屑和携水两个要求,当所需的最小携水动能等于最小携带岩屑动能时,液气表面张力达到极值,进一步降低液气表面张力失去意义。实例验证表明,该研究成果能够用于指导气体钻井现场实践,为地层出水后气体钻井转换钻井方式提供了理论依据。     

岩屑处理装置在DSJ300-1海洋钻井平台上的应用

采用油基钻井液钻井产生的岩屑不但会造成钻井液的损失,而且随着井深的加大,大量岩屑若不加处理而直接排放,会破坏海洋生态环境,若直接收集又会给平台的岩屑清理造成很大的工作量。针对该问题,DSJ300-1海洋钻井平台采用了一套岩屑处理装置来处理钻井岩屑。该装置主要由岩屑甩干机、螺旋输送机、钻井液驳运泵、液体收集罐和液位自控控制装置等组成,它与振动筛、一体机、离心机等其他钻井液净化设备相比较,能减小岩屑的含油质量分数约10%,使其不大于5%。该装置具有液位自控控制功能,能有效减少现场操作人员的工作量,延长钻井液驳运泵的使用寿命。     

采集钻井时信息的仪器和方法

一种用于采集井眼穿过的地层信息的仪器和方法，目的是利用连接井下钻柱的管状主体。该管状主体沿其限定一轴向延伸部的轴向部设有一个或多个凸块（如肋片）。一个探头装在该主体的轴向延伸部内的第一定位点或附近，在该处轴向延伸部的截面积最小。探头在伸缩位置之间可移动。另一方面，本发明仪器还包括一个用于钻井时保护探头的可松开地固定在探头上的盖子。又一方面，本发明仪器还包括水平相对于探头安装在管状主体上的可剪切的辅助支撑，在遇到故障时，可以将仪器从井中取出。另一方面，探头至少一部分装在管状主体的凸块上形成的有利于探头在井眼内移动的无岩屑沟槽内。     

深水钻井气体沿井筒上升的膨胀规律

深水钻井井筒温度场与陆地钻井井筒温度场不同,而气体沿井筒上升的膨胀规律与温度密切相关,为了更好地进行深水钻井井控,需要求出深水钻井井筒温度场,并在此基础上分析深水钻井过程中气体沿井筒上升的膨胀规律。根据能量守恒定律和真实气体状态方程建立了深水钻井井筒温度场和气体膨胀计算模型,并利用所建立的模型分析了深水钻井时气体沿井筒上升的膨胀规律:气侵发生在井底时,循环期间的气体膨胀明显大于非循环期间的气体膨胀,井深越深两种工况的差别越明显;无论是循环期间还是非循环期间,钻井液密度越小,气体膨胀越明显;气侵发生在隔水管底部时,非循环期间的气体膨胀大于循环期间的气体膨胀,与气侵发生在井底情况相反;气侵速度一定,溢流到达某井深时,非循环期间的溢流体积比循环期间的大。     

川西坳陷致密砂岩气藏气体钻井条件下气测录井评价研究

针对气体钻井工艺条件下的气测录井存在气样采集与油气层评价难题，建议采用专业的气体钻井采集分离专利技术采集气样。在分析气体钻井与常规钻井对气测录井的影响因素和介绍气测定性解释评价法——全烃曲线形态法的基础上，通过对川西坳陷致密砂岩气藏气体钻井工艺条件下的气测录井资料、气水关系、地层压力及其相关性的分析，在排沙管线全烃值稳定状态下引入川西气井稳定试井中计算绝对无阻流量的公式，并在地层压力较大而井下流体流动压力较小可以忽略不计的条件下，对气测定量解释评价进行了深入研究，利用全烃和泵入气体排量计算天然气无阻流量（地层产气量）并以其为依据，初步形成了随钻对储气层进行相对定量评价与产能评估的方法。从该地区4口气体钻井施工井的测试井段来看，虽然该计算值与实际测试值有差别，但该计算方法可作为储气层评价的有效手段。     

旋转导向钻井系统下行通讯接收功能的开发

在旋转导向钻井系统中,导向控制命令是由地面监控装置通过系统的下行通讯通道向井下导向工具发送。用钻井液负脉冲的方式传输下传信号,采取了三降三升为主要特点的命令字脉宽编码方式。地面命令发送装置将指令转换成一定脉宽的钻井液排量变化,用5位指令码表示相应的导向力级别和工具面角。在井下导向工具中设计了下行通讯接收装置。由装置的数据采集部分检测反映钻井液脉冲变化的井下泥浆电机的输出电压或频率,经数据处理和解释,以信号阈值判断和脉宽识别为核心,由5个指令码的脉冲宽度时间和顺序计算得到正确的下传导向命令字。为了提高下行信号传输的可靠性和抗干扰能力,在接收装置的硬件和软件中采用了相应的措施。试验结果证明了这种下行通讯方案的可行性。     

气体钻井随钻安全风险智能识别方法

针对目前智能钻井技术在工况表征、样本收集整理、数据处理及特征提取方面的不足,建立随钻安全风险智能识别方法.使用相关性分析法,确定表征气体钻井安全风险的关联参数;收集并整理20余井次安全风险时段监测数据,建立气体钻井多种安全风险数据样本库,并使用少样本扩展方法扩充样本数量.根据气体钻井随钻监测数据样本形式,设计两层卷积神...     

气体钻井钻具冲蚀磨损试验装置

针对现有冲蚀磨损试验方法和试验装置不能模拟实际气体钻井过程气体携岩冲蚀钻具的问题,开发了气体钻井钻具冲蚀磨损试验装置。该装置由风机、送风管、加料管、混合室、加速管、试验管、连接管、旋风分离器、尾管、水箱、气体流量计等组成。它能模拟气体钻井过程中,不同气体排量、机械钻速等钻井工艺参数及不同属性岩屑对钻具冲蚀磨损的情况,具有结构简单、管道封闭、不污染环境、运行噪声小等特点;也可以开展管道气固两相流的相关试验研究。     

井下冲击钻井工具模拟试验装置研制

为了研究井下冲击钻井工具的工作参数对钻头破岩效率的影响规律,研制了井下冲击钻井工具模拟试验系统。该系统主要由钻采工具多功能试验机、动力水龙头、冲击钻井工具模拟装置、钻具、模拟井筒、试验介质循环系统、测控系统等组成。通过钻进岩样试验,分析钻压、冲击频率、冲击幅值、冲击力等参数对钻头破岩效率的影响。为优化冲击钻井工具提供试验数据。     

用于全过程欠平衡钻井施工的井下封井器

针对常规的欠平衡钻井工艺不能解决起下钻、完井等作业过程中井底欠平衡压差的连续保持,无法实施全过程的欠平衡作业问题,研制了可用于全过程欠平衡钻井作业的井下控制工具——井下封井器。室内试验与现场应用情况表明(1)采用井下封井器实现了全过程的欠平衡钻井,显著提高了欠平衡钻井工艺水平和作业水平,起下钻过程中不需预先加入重钻井液,因此可有效地保护和发现油气层;(2)井下封井器与使用不压井强行起下钻设备相比,大大减少钻井作业时间,其适应性和使用性能更好,完全可以取代不压井强行起下钻设备。     

非开挖定向钻穿越泥浆净化与回收装置的研制

针对目前非开挖定向钻穿越中泥浆净化与回收系统存在使用常规振动筛跑冒泥浆、除砂器和除泥器不配套、泥浆中细小颗粒无法清除等问题,研制了一套新型非开挖定向钻穿越泥浆净化与回收装置。该装置由3个泥浆罐、ZX—100泥浆净化装置、除泥器、WX—Ⅲ涡旋混浆装置及其配套设备组成,解决了目前泥浆净化与回收系统出现的问题,满足非开挖定向钻泥浆配制、回收及循环使用,保证泥浆性能稳定,减少井下事故,同时节省工程成本,保护了环境。     

斜井钻机气控系统设计分析

我国首次研制的ZJ15X斜井钻机气控系统由气源和钻台控制两部分组成。两台空气压缩机可交替使用，空气经无热再生处理后进入载车空气罐；气控部分安装在主司钻气控箱、副司钻台和钻机安装控制台上，主司钻气控箱输出端以及绞车前后底座气管线都装有快速接头，均可单独运输。详细论述了钻机绞车滚筒离合器、气刹车、防碰天车装置、阿里森传动箱、钻具输送装置、柴油机油门、液压泵和钻井泵离合器、气动卡瓦、气动吊卡、加压装置和动力水龙头等的逻辑控制回路。     

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。     

采用系列技术提高苏丹钻井速度

介绍了苏丹Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区块1996~1998年的钻井状况和中国钻井队的现状及一些成功的经验。采用了系列钻井技术,大大提高了苏丹区块的钻井速度,钻井和完井周期分别缩短38%和35%,单位成本降低24.5%,取得了较好的经济效益。     

气体钻井钻具失效研究的试验设计

针对现有气体钻井钻具冲蚀试验装置只能单一模拟气体钻井过程中岩屑对钻具冲蚀磨损的情况,研制了用于模拟气体钻井钻具失效研究的多功能试验装置,给出了气体钻井钻具失效研究的试验方法。多功能试验装置能够在模拟钻具冲蚀磨损的同时,模拟钻具受横向、纵向和扭矩振动等复杂的受力工况下的疲劳断裂试验。装置采用无线遥测动态应变测试分析系统进行试验测试,还可实现远程自动控制,整套装置结构简单紧凑,并且管道封闭,运行噪声小,功能多样,为气体钻井过程中所遇到的钻具失效的相关问题提供了更为全面的研究平台。