伊朗空氣泡沫鉆井鉆具保護(hù)技術(shù)

1、伊朗空氣/泡沫鉆井鉆具保護(hù)技術(shù)長城中油鉆井液分公司劉德勝作者簡介 劉德勝，高級項目師，1958年生，1982年畢業(yè)于西南石油學(xué)院 開發(fā)系油田化學(xué)專業(yè)。一直從事鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用?，F(xiàn)任長城中油鉆井液 公司市場作業(yè)部經(jīng)理、總經(jīng)理助理，長城鉆井公司伊朗項目生產(chǎn)技術(shù)部經(jīng)理。 中油國際項目公司泥漿技術(shù)專家。E-mail:。Mobile:空氣-泡沫鉆井，因其鉆速快，防漏效果好，具有常規(guī)鉆井液不可比擬的 優(yōu)越性?？諝夥蹓m鉆井在干硬地層機械鉆速達(dá)到16.24m/h。霧化鉆井在出水量較小時，鉆速為13.16m/h，當(dāng)?shù)貙映鏊^多，空氣壓力較高時，其鉆速與泡沫 鉆井速度相當(dāng)。但泡沫鉆井腐蝕鉆具輕微，而霧化鉆井腐

2、蝕鉆具嚴(yán)重。因此， 必須根據(jù)地層情況選擇合適的鉆井流體，既要提高機械鉆速，又要保護(hù)鉆具， 提高綜合經(jīng)濟效益。1. 地層特性伊朗南部塔貝納克氣田海拔高度超過1100m從山體表面到目的層，地層巖性主要是碳酸鹽巖，裂縫發(fā)育，連通性好。海拔以上地層無孔隙壓力，海平 面以下地層有鹽水層，含鹽量從海水到欠飽和鹽水。2467m以上地層，最高鹽水層壓力系數(shù)也只有 0.85MPa/100m而且同一個井段存在不同壓力系統(tǒng)，上部 裂縫無壓，下部地層出水，普通泥漿無法使用，清水也只能盲鉆。因此，要想 確保安全鉆井，提高鉆井速度，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，必須采用空氣 -泡沫鉆井。2. 空氣鉆井類型表1空氣鉆井適應(yīng)地

3、層和特殊參數(shù)空氣鉆井類型適應(yīng)地層環(huán)空返速液氣比粉塵鉆井干硬地層> 15m/s0霧化鉆井低含水層<<35m/h )> 15m/s0.004 0.02 %穩(wěn)定泡沫干地層和海水層。0.76 1.27m/s0.37 0.75 %硬膠泡沫干地層，海水層和鹽水層。0.53 1.02m/s0.58 0.71 %3. 空氣鉆井的優(yōu)越性空氣鉆井因其氣/液柱壓力低，機械鉆速快，防漏效果好，是堅硬地層和低 壓、無壓裂縫性地層首選的鉆井方式。粉塵鉆井，鉆速快、無井漏、鉆頭壽命 長。霧化鉆井，鉆速快、無井漏、鉆頭壽命長。穩(wěn)定泡沫，鉆速較快、防井 漏、鉆具壽命長， 抗海水污染。硬膠泡沫，鉆速較快、

4、防井漏、鉆具壽命長， 抗石膏和高濃度鹽水污染。4. 空氣鉆井與鉆具腐蝕空氣泡沫鉆井存在很多不足，粉塵鉆井，需空氣排量大，返速高，沖蝕 鉆具，不能控制地層流體。霧化鉆井，需空氣排量極大，返速高，不僅沖蝕鉆 具，而且化學(xué)腐蝕嚴(yán)重。穩(wěn)定泡沫，泡沫液配制量大，泡沫材料成本高。硬膠 泡沫，泡沫液配制量大，泡沫材料成本較高。穩(wěn)定泡沫和硬膠泡沫都有“一次 性”使用成本高的難題，但通過泡沫液參數(shù)的調(diào)整和一些必要設(shè)備的使用可以 基本解決回收再利用問題?，F(xiàn)在的主要問題是鉆具腐蝕，尤其是在地層出水而 采取霧化鉆井時，腐蝕非常嚴(yán)重，必須引起高度重視。要采取切實有效的措 施，延長鉆具壽命，確保井下安全，避免嚴(yán)重事故的發(fā)

5、生。5. 腐蝕物質(zhì)與腐蝕形式 空氣鉆井腐蝕鉆具的主要介質(zhì)是空壓機注入的空氣，其次是地層鹽水和硫 化氫。在注入的空氣中含有 21的氧氣和不到 1的二氧化碳。氧氣在水中溶 解度約10mg/L,二氧化碳在空氣中含量雖小，但它在水中形成碳酸，不但自身 腐蝕鉆具，而且在酸性狀態(tài)下，加劇氧和電化學(xué)腐蝕。雖然井史中介紹，地層 可能含有硫化氫,但空氣鉆井時沒有檢測到硫化氫氣體,所以它的腐蝕并不存 在?？諝忏@井腐蝕鉆具的真正罪魁禍?zhǔn)资堑貙铀?，它不僅因其PH值<7，造成酸性腐蝕,更為氧和二氧化碳的腐蝕提供了條件。眾所周知,干燥的氧氣和二 氧化碳是不腐蝕金屬的，只有在潮濕的環(huán)境下，腐蝕才會發(fā)生。地層水不僅提

6、供了潮濕環(huán)境，而且含有電解質(zhì)，具有導(dǎo)電性，更有甚者，它還顯酸性，加劇 腐蝕，是氧和二氧化碳腐蝕的土壤和溫床。氧、二氧化碳和鹽水腐蝕鉆具的主要形式是坑點腐蝕和失重腐蝕，引起鉆具疲勞、穿孔、斷裂，導(dǎo)致壽命縮短和井下嚴(yán)重事故。6. 腐蝕機理1> 氧氣的腐蝕：2Fe+1.5Q+HO 2FeO（OHRFe2Q J +H02> 二氧化碳腐蝕：Fe+C&HO=FeCa +H2 T3> 硫化氫腐蝕：xFe+yH2S=（Fe>xSyJ +H2T4> 酸性鹽水腐蝕：+ +Fe +H+=Fe+ +H2T5> 流速：環(huán)空流速越快、沖蝕與腐蝕越嚴(yán)重。7. 防腐措施 空氣鉆井離

7、不開空氣，要清除空氣中的氧氣也是不可能的。因為空氣鉆井 的氣柱壓力很低，不讓地層流體進(jìn)入井眼也是不可能的。必須根據(jù)井下情況采 取合理措施，揚長避短。既要發(fā)揮空氣鉆井的優(yōu)勢，提高機械鉆速，縮短鉆井 周期，又要盡可能地減輕腐蝕，保護(hù)鉆具，延長使用壽命，提高經(jīng)濟效益。因 此，空氣鉆井時，應(yīng)采取以下工藝措施：1> 干地層使用純空氣鉆井由腐蝕機理可知：空氣 <氧氣和二氧化碳）對鉆具產(chǎn)生腐蝕，必須有水存 在。在干燥環(huán)境下，空氣不腐蝕鉆具，所以，當(dāng)?shù)貙硬怀鏊畷r，可以進(jìn)行干空 氣鉆井。2> 低壓水層使用干泡沫鉆井 當(dāng)?shù)貙映鏊螅鹾投趸紝︺@具的腐蝕作用開始發(fā)生。而且，因為地 層出水，必須

8、增加 3040空氣排量進(jìn)行霧化鉆井。因氣柱壓力增高，氧在水 中的溶解度增大，氧對鉆具的腐蝕加劇。在這種情況下，必須采用干泡沫鉆 井。即通過泵入7.537.9L/min的加有緩蝕劑的高PH高發(fā)泡劑濃度的發(fā)泡 液，保護(hù)鉆具，捕集水流，將鉆屑和水流帶至地面。3> 在高壓水層中進(jìn)行泡沫鉆井 當(dāng)?shù)貙映鏊枯^大，含鹽量較高時，干泡沫鉆井無法作業(yè)，必須采用泡沫 鉆井。這樣可降低空氣排量和環(huán)空返速，減少鉆具沖蝕，又可用泡沫將空氣包 裹起來，減少空氣與鉆具接觸的機會。同時，通過高 PH 值和緩蝕劑的協(xié)同作 用，減輕鉆具腐蝕。8. 配伍性實驗為了更好地保護(hù)鉆具，建議空氣 /泡沫鉆井時在泡沫液中添加鉆具緩蝕劑

9、 COR-4851它是一種由復(fù)合有機胺和增溶劑組成的水基緩蝕劑，在高濃度氯化 鈉和氯化鈣鹽水中具有較強的緩蝕能力，既可用于鉆井液，也可用于完井液， 一般加量為0.20.5%，物理指標(biāo)見表2。表2 COR-4851緩蝕劑的物理性能外觀密度PH溶解介質(zhì)粘度（20 C >閃點傾點棕色液體31.0-1.10 g/cm水和鹽水<50mPa.S>150 C低于0C因為目前我們在塔貝納克山上使用的發(fā)泡劑 FOAMAL-是一種陰離子表面活 性劑，因此，選擇使用的緩蝕劑必須和發(fā)泡劑 FOAMAL-配伍，即不降低發(fā)泡體 積，不影響泡沫穩(wěn)定性，且抗鹽抗鈣。實驗室在淡水、鹽水和氯化鈣水溶液中 配制0

10、.5%泡沫基液，各取100ml，并在其中加入0.2%緩蝕劑，高速攪拌1min 后，轉(zhuǎn)入1000ml量筒，測量發(fā)泡體積 V（ml>和半衰期血（S>，觀察配伍性， 數(shù)據(jù)見表3。表3不同緩蝕劑對發(fā)泡劑性能VV/T1/2）的影響緩蝕劑淡水4%NaCL0.5%CaCL緩蝕劑淡水4%NaCL0.5%CaCL泡沫基液550/260480/225490/220基液+ COR-682280/7230/4210/1基液+COR-55160/3120/1130/0基液+ COR-4851570/273500/241480/256實驗結(jié)果表明，COR-55和COR-682不適合作泡沫鉆井的緩蝕劑，因為CO

11、R55是油基產(chǎn)品，具有消泡作用，COR-682是陽離子，與FOAMAL-發(fā)生電性中 和，而COR-4851與FOAMAL-A具有很好的配伍性，因為它是一種非離子表面活 性劑。我們也單獨做了 COR-4851的發(fā)泡實驗，其發(fā)泡性能不亞于FOAMAL，因為它的價格是FOAMAL-的 2.1倍，所以不能作為發(fā)泡劑使用，但在泡沫鉆井 時，可以減少發(fā)泡劑的加量，而不影響泡沫質(zhì)量。9. 現(xiàn)場應(yīng)用1> TBK-3 井TBK-3井311.15mm井眼設(shè)計井深2524m實際鉆深2467m用純空氣鉆至 1430m時，地層第一次出鹽水，CL41987 mg/L。增大空氣排量進(jìn)行霧化鉆井，鉆到1824m起鉆，發(fā)

12、現(xiàn)鉆具腐蝕十分嚴(yán)重 < 見圖1)初步分析認(rèn)為，鉆具腐蝕的主要原因有：酸性地層鹽水的電化學(xué)腐蝕；高 壓溶解氧對鉆具的氧化腐蝕；二氧化碳溶于水后的酸性腐蝕；鉆屑撞擊鉆具使 氧化膜脫落造成的沖蝕。為了保護(hù)鉆具，決定配制高 pH值穩(wěn)定泡沫液進(jìn)行空氣泡沫鉆井。一方面減少空氣與鉆具接觸，另一方面中和地層水和空氣中的酸性物質(zhì)，第三，降低環(huán)空返速，以減輕鉆具的腐蝕和沖蝕。改為泡沫鉆井后，不但酸性物質(zhì)被中和，而且低返速鉆屑微粒在鉆具表面 形成一層“糊狀保護(hù)模”，減少空氣接觸鉆具的機會，使鉆具得到保護(hù)，減緩 腐蝕，見圖2。圖2泡沫鉆井“糊狀鉆屑保護(hù)?！便@至2054m地層第二次出鹽水，CL54455 mg/L

13、。將穩(wěn)定泡沫轉(zhuǎn)變?yōu)橛材z 泡沫鉆進(jìn)。鉆至 2420m地層第三次出水，CL含量達(dá)到152000mg/L、密度1.15g/cm3,接近飽和鹽水。鉆至 2464m時，因為出水量太大造成斷流、泵壓升 高，空氣泡沫鉆井無法繼續(xù)作業(yè)，用膨潤土泥漿盲鉆到2467m起鉆電測，下入244.5mm套管后四開。四開井眼鉆井參數(shù)見表 4。表4 TBK-3井四開井眼鉆井參數(shù)井段地鉆進(jìn)純鉆鉆速鉆壓轉(zhuǎn)泵壓液排氣排量m層井尺h(yuǎn)m/hkN數(shù)MPa量nVmin情況方式mrpmm/h959干空47129.0116.2450-140751.60147-層氣1541430-出霧29322.2613.1680-120753.4018917

14、23水化198-出霧10115.506.5280-120753.6501891824水化198-出泡30554.505.60100-704.621063 882129水沫14012-出泡15629.505.29100-645.241584 882285水沫12020-出泡17927.006.6380-120596.212084-882464水沫25-出泥31.003.0080-120550.41252467水漿30由表2可知，霧化鉆井在出水量較小時，鉆速為13.16m/h，當(dāng)?shù)貙映鏊^多，空氣壓力較高時，其鉆速<6.52m/h）與泡沫鉆井速度5.29 6.63m/h相 當(dāng)，但它對鉆具的腐

15、蝕太嚴(yán)重。2> TBK 2 井塔貝納克2井，311.15mm井眼設(shè)計井深2455m因為地層提前，實際鉆 深2300m進(jìn)尺1300m其中，穩(wěn)定泡沫在1176m鉆遇石膏層后，泡沫質(zhì)量下 降，攜砂效果變差。改為低濃度硬膠泡沫后，返出正常。鉆到1967m因地層出水，又用高濃度硬膠泡沫液鉆到 2130m地層嚴(yán)重出水后，用膨潤土泥漿強 鉆到2300m泡沫鉆井的平均機械鉆速為 7.3m/h。因為沒有進(jìn)行霧化鉆井，鉆 具基本沒有受到明顯的腐蝕，見圖 3。圖3泡沫鉆井對鉆具腐蝕較輕10. 鉆具檢驗為了保護(hù)鉆具，自從 TBK-3井以后，不但取消了霧化鉆井，而且在泡沫鉆井時使用了鉆具緩蝕劑 COR-4851鉆

16、具保護(hù)效果顯著。2003年46月，在3 臺鉆機用空氣泡沫各鉆 4 口井之后，中海油鉆具探傷公司對伊朗項目在用鉆具進(jìn)行了質(zhì)量檢驗，其中檢驗三種規(guī)格的鉆桿1847根。在檢驗過程中，發(fā)現(xiàn) 51/2 鉆桿的管體和接頭損壞最為嚴(yán)重。其中，鉆桿管體條件因未滿足DS-1中CAT-4規(guī)定的驗收標(biāo)準(zhǔn)而降級的，RIG16為35.6%、RIG18是32.7%、RIG17無一降級。具體數(shù)據(jù)見表5。表5鉆具探傷結(jié)果鉆機號鉆井進(jìn)尺鉆桿尺寸檢驗根數(shù)P級根數(shù)2級根數(shù)合格根數(shù)降級率備注Rig16412156m127mm38038003800口139.7mm2521599215935.52T-3井霧化鉆井Rig17412238m

17、127mm131231203120口139.7mig18411073m127mm127527502750口139.7mm2541718317132.682 口井無緩蝕劑檢驗結(jié)果表明，霧化鉆井對鉆具的腐蝕確實嚴(yán)重，同樣，泡沫鉆井時鉆具 緩蝕劑的使用也十分重要。17號鉆機因沒有進(jìn)行霧化鉆井，而且較好地使用了 泡沫鉆井緩蝕劑，鉆具保護(hù)得很好，降級率為零。18號鉆機盡管沒有進(jìn)行霧化鉆井，進(jìn)尺也不多，但因為它鉆 TBK-6井和TBK-11井時無緩蝕劑，鉆具照樣嚴(yán) 重腐蝕。因此，泡沫鉆井時，一定要加入緩蝕劑。11. 結(jié)論1> 空氣粉塵鉆井在干硬地層機械鉆速快，無泥漿材料消耗。但因為環(huán)空返 速高