空氣霧化鉆井條件下錄井技術探討

1、空氣、霧化泡沫鉆井條件下錄井技術探討方錫賢 （河南石油勘探局地質錄井公司 河南南陽 473132 ）摘 要：空氣、霧化泡沫鉆井給錄井帶來一定的困難，本文從現(xiàn)場錄井需要出發(fā)，針對空氣、霧化泡沫的鉆井條件下的“鉆井液”循環(huán)及巖屑上返特點，介紹了提出空氣、霧化鉆井條件下特殊的遲到時間的測定方法，保證在密閉循環(huán)條件下能夠取到巖屑、氣體的特殊巖屑采集、氣體提取裝置，總結了傳統(tǒng)法、鉆時法、自然伽瑪法、顯微成像法等適應巖性呈粉沫狀時的巖性識別方法，以及在這種特殊鉆井條件下的氣測異常識別、油氣水層解釋方法。文中結合空氣鉆井的特點，簡單敘述了井下燃爆產生的條件并提出相應的監(jiān)測方法，此外為了安全鉆井，文中還提出了

2、H2S、井壁失穩(wěn)的監(jiān)測方法。關鍵詞: 空氣鉆井錄井 遲到時間 采集裝置 油氣水層識別 井下燃爆監(jiān)測0前言隨著科學技術的不斷提高,鉆井工藝技術水平也有了很大的提高，負壓鉆井技術中的鉆井液也由傳統(tǒng)的液相介質（泥漿）發(fā)展發(fā)展到霧化泡沫、空氣，這些介質的“鉆井液”不斷完善及應用，有利于油氣層的保護，實現(xiàn)復雜易漏、低孔低滲、裂縫性、高陡等復雜地層快速鉆進，提高了井身質量、鉆井時效及勘探開發(fā)效益，但由于空氣“鉆井液”特殊的流變性及管匯循環(huán)結構給現(xiàn)場錄井等帶來挑戰(zhàn)，需要尋找新的技術應對這種挑戰(zhàn)，本文為此進行簡單的探討，愿對現(xiàn)場錄井工作有所裨益。1巖屑錄井1.1遲到時間的測量空氣、霧化泡沫鉆井的巖屑遲到時間主

3、要有理論法與實測法,理論法主要依據(jù)均速氣流沖擊升力與巖屑浮重相平衡的均速直線運動的模型（Stokes公式），見公式（1），所得巖屑運移速度見公式（2）來計算遲到時間。 (1) (2)其中：d巖屑直徑m；巖屑密度g/cm3；氣體密度g/cm3；g重力加速度ms2； CD形狀阻力因子，無量綱；v巖屑勻速直線運動的平衡速度ms。在井場錄井中，雖然空氣鉆井服務公司一般會提供理論法計算的遲到時間，錄井方也可通過相關計算曲線查找相關數(shù)據(jù)獲取遲到時間，但由于理論法計算遲到時間較為復雜，因此更多采用的是實測法獲取遲到時間。實測法主要是采用記錄鉆頭到井底后開始鉆進至巖屑返出時間的方法作為巖屑遲到時間，其主要依據(jù)

4、是在液態(tài)基質鉆井液轉換為氣態(tài)基質鉆井液前、氣態(tài)基質鉆井過程中每次接立柱前、起鉆前井眼要清掃干凈這一基本工作要求，同時也基于在起鉆、接單根時井眼中的空氣、霧化泡沫壓力于很低、密度極低，環(huán)空即偶有巖屑，也很快沉降到井底中這一實際。在老君1井空氣鉆井過程中，采用實測法所得巖屑遲到時間：762-1000m為1.4min；1000-1500m為1.4-1.6min；1500-1800m為1.6-1.7min。與理論計算遲到時間基本一致。1.2巖屑的采集巖屑排砂管出口1號閥門2號閥門 圖1 空氣、霧化泡沫鉆井條件下巖屑取樣器示意圖由于在空氣鉆井中,鉆頭破碎的巖屑和地層氣體隨循環(huán)介質通過排放管線一同被排放到

5、指定區(qū)域,在出口之前整個循環(huán)通道是封閉的,不能采用像鉆井液鉆井的方法采集巖屑。而排砂管線的出口空氣返速很高，很難在排砂管線出口正常取到砂樣，因此巖屑錄井的首要問題是解決巖屑的采集問題。解決巖屑的采集可以通過制作專用巖屑取樣器（如圖1）來解決，正常鉆進時打開1號閥門，關閉2號閥門，取樣時關閉1號閥門，打開2號閥門，巖屑漏過2號閥門后立即關閉2號閥門，打開1號閥門，準備采集下一包巖屑。應該注意的是為了高壓氣流攜帶下的巖屑能夠進入取樣器，取樣器中的巖屑能夠迅速排出，取樣器與排砂管之間呈45°-60°為佳。1.3巖屑的描述空氣、霧化泡沫中的巖屑呈粉塵狀，給巖屑描述帶來困難，在實際工

6、作中可以參照PDC鉆頭錄井巖性識別方法進行。主要有以下幾種方法：1.3.1傳統(tǒng)法“遠觀顏色，近看巖性”是鉆井地質工作者巖屑描述長期工作實踐的經驗概括和總結，這種描述方法客觀、實用，同樣適用空氣、泡沫鉆井條件下的巖屑描述。一般來說，同一地區(qū)，不同巖性的巖石有不同的顏色，有的顏色淺，有的顏色深，近看相互混雜，難以區(qū)分，遠觀的結果就不一樣，新成份的出現(xiàn)及同類巖屑含量的變化，巖屑的顏色都能反映得出來，因而完全可以從顏色上進行卡層。層位卡準以后，借助放大鏡、顯微鏡進行近看巖性，達到準確進行巖性描述的效果。1.3.2鉆時法在放大鉆時比例的基礎上，采用“大套觀察，高中求低，低中求高，幅低看巖屑”方法劃分巖性

7、界面。具體上就是：大套觀察巖屑，找一典型層作標準層（一般是單種巖屑含量高、厚度較大的層），若該層為泥巖且對應高鉆時，那么對應低鉆時的就是砂巖（高中求低）；若該層為泥巖且對應低鉆時，那么對應高鉆時的就是砂巖（低中求高），對于碳酸鹽巖地層在認真分析鄰井巖性組合、不同巖性地層的可鉆性后也一樣求取。實際工作中，將鉆時與鉆壓相乘后的值繪制成新的曲線，判斷效果更佳。1.3.3自然伽瑪法1運用巖屑識別儀對巖屑的自然伽瑪進行測量得出每包巖屑自然伽瑪值，繪制伽瑪曲線，參照鄰井自然伽瑪與巖性的關系識別巖性，建立剖面。該儀器在Z101井共分析巖屑樣品2266個，隨鉆繪制地層綜合剖面圖，現(xiàn)場巖性識別儀實測伽瑪曲線和電

8、測伽瑪曲線吻合性較好，剖面符合率達到88.5%，達到很高的水準。1.3.4顯微成像法運用數(shù)字實體顯微鏡分析樣品巖屑擴大，然后通過其高分辯數(shù)碼攝像機成像將照片傳輸至計算機中，利用色差分析法和計算機處理軟件對細巖屑中不同的顏色和成分含量進行歸類，通過人機交互進行百分含量變化的統(tǒng)計，依據(jù)相鄰樣品中不同巖性的百分含量變化實現(xiàn)自動識別，判斷出巖性。可免除人工評價時的諸多不利因素，使巖屑的評價更具客觀性和可比性。2綜合錄井由于空氣、霧化泡沫特殊的循環(huán)系統(tǒng)及“鉆井液”介質，因此綜合錄井中只有大鉤負荷、扭矩、鉆壓、大鉤高度工程參數(shù)能夠采集到，其使用方法、設備安裝與普通鉆井液錄井一樣?？諝?、霧化泡沫鉆井氣測錄井

9、對樣品分析與液相介質鉆井液相同，但由于其鉆井速度極快，因此必須采用快速色譜才能滿足需要。由于為了保持一定的井內氣柱壓力,空氣鉆井、霧化泡沫從空氣、霧化泡沫的加壓到進入井眼攜帶巖屑出井眼進入放噴管線是一個密閉的系統(tǒng)， “鉆井液”介質與液相介質鉆井液不同，因此，必須采用特殊的方法滿足氣測分析需要。由于地層地下的復雜多變，因此在進行空氣、霧化泡沫鉆井時仍應安裝正常鉆井液介質鉆井時的綜合錄井傳感器、氣體采集裝置、管線，以便在轉換鉆井方式時能夠滿足取全取準資料需要。2.1空氣、霧化泡沫的氣體遲到時間由于巖屑的下降作用,因此空氣、霧化泡沫中的氣體遲到時間與巖屑遲到時間不同。氣體的遲到時間基本可以采用注入氣

10、體排量與環(huán)空體積計算所得,也可以采用轉換鉆井方式下及起下鉆、接立柱（單根）時記錄開始注氣時間和放噴口開始見到氣體（泡沫）時間，用環(huán)空容積占井眼容積的比例求得見公式（3），由于空氣、霧化泡沫注入速度極快，因此鉆柱占用容積可以忽略不計。 (3)式中:t-氣體遲到時間 min；T1-出口見到氣體時間 min； T0-開始加壓注氣時間 min；v1-環(huán)空容積 m3；V-井眼容積 m3。2.2空氣鉆井中的氣體采集如圖2所示，氣路管線安裝在出砂管的上方，3號閥門為一球型開關,控制進出氣。為解決空氣中粉塵含量較高，很容易造成管路堵塞并傷害分析儀器的問題，采用由一級除塵器、二級除塵器、干燥器、空氣過濾器組成的

11、四級凈化裝置。其中一級除塵器主要充填介質為飽和鹽水；二級除塵器主要充填介質為海綿及海綿狀物質；干燥器主要充填介質為硅膠、氯化鈣等干燥劑。為了保證凈化效果，應依據(jù)情況定時更換海綿、飽和鹽水、硅膠、氯化鈣等凈化物質，及時檢查保養(yǎng)清理空氣過濾器等，防止氣路堵塞。二級除塵器一級除塵器干燥器空氣過淲器綜合儀器房排砂管 圖2 空氣鉆井氣測錄井氣體提取裝置示意圖3號閥門2.3霧化泡沫鉆井中的氣體采集如圖3所示，在主管線上方開一個口，安裝4號閥門，連接一個抽吸泵，用抽吸泵將從井內返出的泡沫泵入泡沫破碎儀中，該泡沫破碎儀的中心是一個可高速旋轉中空圓柱體，該圓柱體柱面呈網篩狀，頂面連接一個水管線，通過水管線將水不

12、斷送入圓柱體內部,經圓柱體高速旋轉后水通過圓柱體篩面形成水珠灑向泵入的泡沫，將泡沫破碎釋放出地層氣與泵入的空氣混在一起，由另一根管線送入凈化裝置(凈化裝置同空氣鉆井)脫水、脫塵、干燥裝置后進入綜合儀分析。4號閥門抽吸泵5號閥門6號閥門7號閥門空氣水空氣、樣品氣巖屑1號閥門2號閥門排砂管圖3 霧化泡沫鉆井條件下氣測錄井氣體提取裝置示意圖3油氣水層的識別3.1異常顯示的識別3.1.1巖屑顯示空氣、霧化泡沫鉆井條件下的巖屑識別油氣水層與常規(guī)介質鉆井液鉆井基本相同，但由于巖屑細碎，因此傳統(tǒng)的滴水法判別水層難以進行，同時由于比表面積大，對于輕質油層，油氣容易逸散，導致含油級別降低，但是沒有鉆井液的對巖屑

13、的水污染，卻可以彌補這一不足。解決巖屑細碎的顯示、油氣水層識別，可以采用定量熒光錄井予以解決。3.1.2氣測顯示空氣、霧化泡沫鉆井時氣柱壓力系數(shù)明顯低于地層壓力，導致已鉆顯示層的烴類物質易滲入氣柱中，形成“壓差氣”，給氣測錄井判斷油氣層特別是氣層的帶來相當?shù)睦щy。判斷已鉆地層的“壓差氣”產生的異常還是正鉆地層的真氣測異常，較好的方法是采集儲集層等量巖屑加入飽和鹽水采用VMS-3巖屑全井液全脫儀進行全脫分析，用分析值繪制曲線，即可判斷該異常是正鉆層的真異常還是由已鉆地層“壓差氣”產生的異常。3.2油氣層的識別3.2.1空氣鉆井油氣水層的識別油層由于空氣鉆井的特殊性,因此不適應油層鉆進。如鉆遇油層

14、,可以通過巖屑熒光顏色、含油別級、氣測錄井的全烴曲線形態(tài)結合色譜分析數(shù)據(jù)及定量熒光、地化錄井分析數(shù)據(jù)進行解釋評價外，還可以通過排砂管火焰顏色及放噴出的油砂量、原油量進行識別并估算產能高低。氣層依據(jù)全烴相對幅度及組分等常規(guī)方法判斷氣層外，由于空氣鉆井中，沒有鉆井液對地層污染以及液柱壓力對地層流體的壓制，因此，地層流體特別是氣體可以在基本無阻的條件滲入井眼氣柱中，氣測錄井的全烴濃度直接就是返出氣體內的天然氣濃度，該值乘以空氣注入量就是地層產氣量，據(jù)此也可以判斷氣層相對產能。水層除傳統(tǒng)的方法外，通過觀察巖屑可以判斷地層產水情況，如巖屑有水漬感，是水層；如巖屑見到自由水滴，則地層出水大于5m3/h。此

15、外，巖屑中見到泥餅，也是鉆達水層的重要標志，巖屑量出水量較少時，與巖屑混合只形成泥餅，當出水量較大時，與巖屑混合則形成泥糊。3.2.2霧化泡沫鉆井油氣層的識別除傳統(tǒng)的識別方法外，還可以通過觀察排砂管火焰顏色、噴出物顏色以及三相分離器計量數(shù)據(jù)判斷地層流體性質及相對產能。4空氣、霧化泡沫鉆井條件下的鉆井安全監(jiān)測4.1井下燃爆的預防與監(jiān)測4.1.1井下燃爆的條件井下燃爆特存在于空氣鉆井之中，井下燃爆的本質是井下的連續(xù)燃燒?？諝忏@井時，地層產出可燃氣體與空氣混合達到一定濃度、組分、溫度、壓力條件并且在井下具備點火條件時就可能會發(fā)生燃爆。井下燃爆點火有幾種可能：火花點火、熱球點火（熱源）、熱板點火（大面

16、積升溫度）、鏈式反應自燃點火（高溫高壓效應，類似于柴油機汽缸內壓縮點火）。實際鉆井中，火花點火只可能出現(xiàn)在很大巖屑高速撞擊時，熱球點火只可能在鉆頭牙齒散熱不好時，熱板點火不太可能，故實際鉆井中，火花點火、熱球點火、熱板點火都很難出現(xiàn)，出現(xiàn)最多的是鏈式反應的自燃點火。鏈式反應的自燃，只會出現(xiàn)在井筒內嚴重泥包，形成泥餅環(huán)，在封閉的環(huán)空內壓力升高、氣流速度減慢，有利于發(fā)生鏈式反應，鏈式反應逐漸升溫加速，直至出現(xiàn)燃爆。而且，重烴的成分、濕氣成分更容易發(fā)生鏈式反應，干氣、甲烷最難發(fā)生鏈式反應，即最難引起井下燃爆。24.2.2井下燃爆的后果井下發(fā)生著火之后，在地面的常規(guī)觀察不到任何有關跡象。只有在鉆具被燒

17、熔之后，才會突然發(fā)生類似于卡鉆的表現(xiàn)，此時鉆具已經損壞，事故已經造成了。但是井下會引起氣體不同成分含量的變化，因此可以通過監(jiān)測氣體成分來監(jiān)測井下燃爆的發(fā)生。4.3井下燃爆的監(jiān)測4.3.1燃爆前的監(jiān)測作好隨鉆對比分析，及時判斷已鉆穿及可能要鉆穿氣層深度、結合鄰井情況判斷可能產出能力。通過綜合錄井的氣測功能，及時分析準確烴類氣體濃度是否達到可能發(fā)生燃爆濃度，如果達到燃爆濃度，應按照預案通知相關方，以便采取預防措施。一般情況下返出氣體中全烴含量連續(xù)超過3%，就有可能發(fā)生燃爆。 通過巖屑錄井判斷井下是否存在泥餅。如果存在泥餅，也應通知相關方。監(jiān)測非烴氣體,及時發(fā)現(xiàn)異常。4.3.2燃爆的監(jiān)測采用可以監(jiān)測

18、CH4、H2S、O2、CO、CO2濃度以及溫度及的多功能監(jiān)測儀進行監(jiān)測時，CH4、O2濃度突然由基值或上升值突然下降， CO2濃度、CO濃度、溫度由正常值突然上升，即可判斷井下發(fā)生燃爆。監(jiān)測到井下發(fā)生燃爆，要立即預案向相關方報警，以立即停止向井下注氣。當沒有采用多功能監(jiān)測儀時，可以采用綜合錄井儀錄井中的全烴、組分及非烴錄井判斷井下發(fā)生燃爆。當全烴達到燃爆界限后，全烴、CH4及其它組分由基值或者處于上升狀態(tài)突然下降，熱導中的CO2濃度突然由低值突然上升到高值時，即可判斷發(fā)生燃爆。4.4 H2S的監(jiān)測空氣、霧化泡沫鉆井中發(fā)生硫化氫氣侵將可能帶來相當嚴重的后果，因此有必要強化對硫化氫遙監(jiān)測工作。除傳統(tǒng)的位置安裝固定式H2S傳感器外，考慮到空氣、霧化鉆井循環(huán)系統(tǒng)是一個密閉的系統(tǒng)，而排砂線出口相對是較低凹的地方，H2S易聚集，因此應在排砂線出口附近安H2S傳感器，以便快速發(fā)現(xiàn)H2S異常。4.5井壁失穩(wěn)的監(jiān)測井壁失穩(wěn),導致地層垮塌，嚴重時可能導致卡鉆、或將鉆具埋住、井眼報廢等事故發(fā)生，因此監(jiān)測井壁失穩(wěn)，以便相關采取轉換鉆井方式等措施是現(xiàn)場的一項重要工作?？諝?、霧化泡沫鉆井條件下