空氣霧化鉆井條件下錄井技術(shù)探討

1、空氣、霧化泡沫鉆井條件下錄井技術(shù)探討方錫賢 （河南石油勘探局地質(zhì)錄井公司 河南南陽(yáng) 473132 ）摘 要：空氣、霧化泡沫鉆井給錄井帶來(lái)一定的困難，本文從現(xiàn)場(chǎng)錄井需要出發(fā)，針對(duì)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(diǎn)，介紹了提出空氣、霧化鉆井條件下特殊的遲到時(shí)間的測(cè)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(jié)了傳統(tǒng)法、鉆時(shí)法、自然伽瑪法、顯微成像法等適應(yīng)巖性呈粉沫狀時(shí)的巖性識(shí)別方法，以及在這種特殊鉆井條件下的氣測(cè)異常識(shí)別、油氣水層解釋方法。文中結(jié)合空氣鉆井的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單敘述了井下燃爆產(chǎn)生的條件并提出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)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(cè)方法。關(guān)鍵詞: 空氣鉆井錄井 遲到時(shí)間 采集裝置 油氣水層識(shí)別 井下燃爆監(jiān)測(cè)0前言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高,鉆井工藝技術(shù)水平也有了很大的提高，負(fù)壓鉆井技術(shù)中的鉆井液也由傳統(tǒng)的液相介質(zhì)（泥漿）發(fā)展發(fā)展到霧化泡沫、空氣，這些介質(zhì)的“鉆井液”不斷完善及應(yīng)用，有利于油氣層的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜易漏、低孔低滲、裂縫性、高陡等復(fù)雜地層快速鉆進(jìn)，提高了井身質(zhì)量、鉆井時(shí)效及勘探開(kāi)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(jié)構(gòu)給現(xiàn)場(chǎng)錄井等帶來(lái)挑戰(zhàn)，需要尋找新的技術(shù)應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，本文為此進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討，愿對(duì)現(xiàn)場(chǎng)錄井工作有所裨益。1巖屑錄井1.1遲到時(shí)間的測(cè)量空氣、霧化泡沫鉆井的巖屑遲到時(shí)間主

3、要有理論法與實(shí)測(cè)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(yùn)動(dòng)的模型（Stokes公式），見(jiàn)公式（1），所得巖屑運(yùn)移速度見(jiàn)公式（2）來(lái)計(jì)算遲到時(shí)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(wú)量綱；v巖屑勻速直線運(yùn)動(dòng)的平衡速度ms。在井場(chǎng)錄井中，雖然空氣鉆井服務(wù)公司一般會(huì)提供理論法計(jì)算的遲到時(shí)間，錄井方也可通過(guò)相關(guān)計(jì)算曲線查找相關(guān)數(shù)據(jù)獲取遲到時(shí)間，但由于理論法計(jì)算遲到時(shí)間較為復(fù)雜，因此更多采用的是實(shí)測(cè)法獲取遲到時(shí)間。實(shí)測(cè)法主要是采用記錄鉆頭到井底后開(kāi)始鉆進(jìn)至巖屑返出時(shí)間的方法作為巖屑遲到時(shí)間，其主要依據(jù)

4、是在液態(tài)基質(zhì)鉆井液轉(zhuǎn)換為氣態(tài)基質(zhì)鉆井液前、氣態(tài)基質(zhì)鉆井過(guò)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(shí)也基于在起鉆、接單根時(shí)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(shí)際。在老君1井空氣鉆井過(guò)程中，采用實(shí)測(cè)法所得巖屑遲到時(shí)間：762-1000m為1.4min；1000-1500m為1.4-1.6min；1500-1800m為1.6-1.7min。與理論計(jì)算遲到時(shí)間基本一致。1.2巖屑的采集巖屑排砂管出口1號(hào)閥門(mén)2號(hào)閥門(mén) 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(zhì)通過(guò)排放管線一同被排放到

5、指定區(qū)域,在出口之前整個(gè)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(wèn)題是解決巖屑的采集問(wèn)題。解決巖屑的采集可以通過(guò)制作專(zhuān)用巖屑取樣器（如圖1）來(lái)解決，正常鉆進(jìn)時(shí)打開(kāi)1號(hào)閥門(mén)，關(guān)閉2號(hào)閥門(mén)，取樣時(shí)關(guān)閉1號(hào)閥門(mén)，打開(kāi)2號(hào)閥門(mén)，巖屑漏過(guò)2號(hào)閥門(mén)后立即關(guān)閉2號(hào)閥門(mén)，打開(kāi)1號(hào)閥門(mén)，準(zhǔn)備采集下一包巖屑。應(yīng)該注意的是為了高壓氣流攜帶下的巖屑能夠進(jìn)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(lái)困難，在實(shí)際工

6、作中可以參照PDC鉆頭錄井巖性識(shí)別方法進(jìn)行。主要有以下幾種方法：1.3.1傳統(tǒng)法“遠(yuǎn)觀顏色，近看巖性”是鉆井地質(zhì)工作者巖屑描述長(zhǎng)期工作實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)概括和總結(jié)，這種描述方法客觀、實(shí)用，同樣適用空氣、泡沫鉆井條件下的巖屑描述。一般來(lái)說(shuō)，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(yuǎn)觀的結(jié)果就不一樣，新成份的出現(xiàn)及同類(lèi)巖屑含量的變化，巖屑的顏色都能反映得出來(lái)，因而完全可以從顏色上進(jìn)行卡層。層位卡準(zhǔn)以后，借助放大鏡、顯微鏡進(jìn)行近看巖性，達(dá)到準(zhǔn)確進(jìn)行巖性描述的效果。1.3.2鉆時(shí)法在放大鉆時(shí)比例的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)高鉆時(shí)，那么對(duì)應(yīng)低鉆時(shí)的就是砂巖（高中求低）；若該層為泥巖且對(duì)應(yīng)低鉆時(shí)，那么對(duì)應(yīng)高鉆時(shí)的就是砂巖（低中求高），對(duì)于碳酸鹽巖地層在認(rèn)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(shí)際工作中，將鉆時(shí)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(yùn)用巖屑識(shí)別儀對(duì)巖屑的自然伽瑪進(jìn)行測(cè)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(guān)系識(shí)別巖性，建立剖面。該儀器在Z101井共分析巖屑樣品2266個(gè)，隨鉆繪制地層綜合剖面圖，現(xiàn)場(chǎng)巖性識(shí)別儀實(shí)測(cè)伽瑪曲線和電

8、測(cè)伽瑪曲線吻合性較好，剖面符合率達(dá)到88.5%，達(dá)到很高的水準(zhǔn)。1.3.4顯微成像法運(yùn)用數(shù)字實(shí)體顯微鏡分析樣品巖屑擴(kuò)大，然后通過(guò)其高分辯數(shù)碼攝像機(jī)成像將照片傳輸至計(jì)算機(jī)中，利用色差分析法和計(jì)算機(jī)處理軟件對(duì)細(xì)巖屑中不同的顏色和成分含量進(jìn)行歸類(lèi)，通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行百分含量變化的統(tǒng)計(jì)，依據(jù)相鄰樣品中不同巖性的百分含量變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，判斷出巖性?？擅獬斯ぴu(píng)價(jià)時(shí)的諸多不利因素，使巖屑的評(píng)價(jià)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(zhì)，因此綜合錄井中只有大鉤負(fù)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(shè)備安裝與普通鉆井液錄井一樣?？諝?、霧化泡沫鉆井氣測(cè)錄井

9、對(duì)樣品分析與液相介質(zhì)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(nèi)氣柱壓力,空氣鉆井、霧化泡沫從空氣、霧化泡沫的加壓到進(jìn)入井眼攜帶巖屑出井眼進(jìn)入放噴管線是一個(gè)密閉的系統(tǒng)， “鉆井液”介質(zhì)與液相介質(zhì)鉆井液不同，因此，必須采用特殊的方法滿足氣測(cè)分析需要。由于地層地下的復(fù)雜多變，因此在進(jìn)行空氣、霧化泡沫鉆井時(shí)仍應(yīng)安裝正常鉆井液介質(zhì)鉆井時(shí)的綜合錄井傳感器、氣體采集裝置、管線，以便在轉(zhuǎn)換鉆井方式時(shí)能夠滿足取全取準(zhǔn)資料需要。2.1空氣、霧化泡沫的氣體遲到時(shí)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(shí)間與巖屑遲到時(shí)間不同。氣體的遲到時(shí)間基本可以采用注入氣

10、體排量與環(huán)空體積計(jì)算所得,也可以采用轉(zhuǎn)換鉆井方式下及起下鉆、接立柱（單根）時(shí)記錄開(kāi)始注氣時(shí)間和放噴口開(kāi)始見(jiàn)到氣體（泡沫）時(shí)間，用環(huán)空容積占井眼容積的比例求得見(jiàn)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(jì)。 (3)式中:t-氣體遲到時(shí)間 min；T1-出口見(jiàn)到氣體時(shí)間 min； T0-開(kāi)始加壓注氣時(shí)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(hào)閥門(mén)為一球型開(kāi)關(guān),控制進(jìn)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(wèn)題，采用由一級(jí)除塵器、二級(jí)除塵器、干燥器、空氣過(guò)濾器組成的

11、四級(jí)凈化裝置。其中一級(jí)除塵器主要充填介質(zhì)為飽和鹽水；二級(jí)除塵器主要充填介質(zhì)為海綿及海綿狀物質(zhì)；干燥器主要充填介質(zhì)為硅膠、氯化鈣等干燥劑。為了保證凈化效果，應(yīng)依據(jù)情況定時(shí)更換海綿、飽和鹽水、硅膠、氯化鈣等凈化物質(zhì)，及時(shí)檢查保養(yǎng)清理空氣過(guò)濾器等，防止氣路堵塞。二級(jí)除塵器一級(jí)除塵器干燥器空氣過(guò)淲器綜合儀器房排砂管 圖2 空氣鉆井氣測(cè)錄井氣體提取裝置示意圖3號(hào)閥門(mén)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(kāi)一個(gè)口，安裝4號(hào)閥門(mén)，連接一個(gè)抽吸泵，用抽吸泵將從井內(nèi)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(gè)可高速旋轉(zhuǎn)中空?qǐng)A柱體，該圓柱體柱面呈網(wǎng)篩狀，頂面連接一個(gè)水管線，通過(guò)水管線將水不

12、斷送入圓柱體內(nèi)部,經(jīng)圓柱體高速旋轉(zhuǎn)后水通過(guò)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(jìn)入綜合儀分析。4號(hào)閥門(mén)抽吸泵5號(hào)閥門(mén)6號(hào)閥門(mén)7號(hào)閥門(mén)空氣水空氣、樣品氣巖屑1號(hào)閥門(mén)2號(hào)閥門(mén)排砂管圖3 霧化泡沫鉆井條件下氣測(cè)錄井氣體提取裝置示意圖3油氣水層的識(shí)別3.1異常顯示的識(shí)別3.1.1巖屑顯示空氣、霧化泡沫鉆井條件下的巖屑識(shí)別油氣水層與常規(guī)介質(zhì)鉆井液鉆井基本相同，但由于巖屑細(xì)碎，因此傳統(tǒng)的滴水法判別水層難以進(jìn)行，同時(shí)由于比表面積大，對(duì)于輕質(zhì)油層，油氣容易逸散，導(dǎo)致含油級(jí)別降低，但是沒(méi)有鉆井液的對(duì)巖屑

13、的水污染，卻可以彌補(bǔ)這一不足。解決巖屑細(xì)碎的顯示、油氣水層識(shí)別，可以采用定量熒光錄井予以解決。3.1.2氣測(cè)顯示空氣、霧化泡沫鉆井時(shí)氣柱壓力系數(shù)明顯低于地層壓力，導(dǎo)致已鉆顯示層的烴類(lèi)物質(zhì)易滲入氣柱中，形成“壓差氣”，給氣測(cè)錄井判斷油氣層特別是氣層的帶來(lái)相當(dāng)?shù)睦щy。判斷已鉆地層的“壓差氣”產(chǎn)生的異常還是正鉆地層的真氣測(cè)異常，較好的方法是采集儲(chǔ)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(jìn)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(chǎn)生的異常。3.2油氣層的識(shí)別3.2.1空氣鉆井油氣水層的識(shí)別油層由于空氣鉆井的特殊性,因此不適應(yīng)油層鉆進(jìn)。如鉆遇油層

14、,可以通過(guò)巖屑熒光顏色、含油別級(jí)、氣測(cè)錄井的全烴曲線形態(tài)結(jié)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(jìn)行解釋評(píng)價(jià)外，還可以通過(guò)排砂管火焰顏色及放噴出的油砂量、原油量進(jìn)行識(shí)別并估算產(chǎn)能高低。氣層依據(jù)全烴相對(duì)幅度及組分等常規(guī)方法判斷氣層外，由于空氣鉆井中，沒(méi)有鉆井液對(duì)地層污染以及液柱壓力對(duì)地層流體的壓制，因此，地層流體特別是氣體可以在基本無(wú)阻的條件滲入井眼氣柱中，氣測(cè)錄井的全烴濃度直接就是返出氣體內(nèi)的天然氣濃度，該值乘以空氣注入量就是地層產(chǎn)氣量，據(jù)此也可以判斷氣層相對(duì)產(chǎn)能。水層除傳統(tǒng)的方法外，通過(guò)觀察巖屑可以判斷地層產(chǎn)水情況，如巖屑有水漬感，是水層；如巖屑見(jiàn)到自由水滴，則地層出水大于5m3/h。此

15、外，巖屑中見(jiàn)到泥餅，也是鉆達(dá)水層的重要標(biāo)志，巖屑量出水量較少時(shí)，與巖屑混合只形成泥餅，當(dāng)出水量較大時(shí)，與巖屑混合則形成泥糊。3.2.2霧化泡沫鉆井油氣層的識(shí)別除傳統(tǒng)的識(shí)別方法外，還可以通過(guò)觀察排砂管火焰顏色、噴出物顏色以及三相分離器計(jì)量數(shù)據(jù)判斷地層流體性質(zhì)及相對(duì)產(chǎn)能。4空氣、霧化泡沫鉆井條件下的鉆井安全監(jiān)測(cè)4.1井下燃爆的預(yù)防與監(jiān)測(cè)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(zhì)是井下的連續(xù)燃燒?？諝忏@井時(shí)，地層產(chǎn)出可燃?xì)怏w與空氣混合達(dá)到一定濃度、組分、溫度、壓力條件并且在井下具備點(diǎn)火條件時(shí)就可能會(huì)發(fā)生燃爆。井下燃爆點(diǎn)火有幾種可能：火花點(diǎn)火、熱球點(diǎn)火（熱源）、熱板點(diǎn)火（大面

16、積升溫度）、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自燃點(diǎn)火（高溫高壓效應(yīng)，類(lèi)似于柴油機(jī)汽缸內(nèi)壓縮點(diǎn)火）。實(shí)際鉆井中，火花點(diǎn)火只可能出現(xiàn)在很大巖屑高速撞擊時(shí)，熱球點(diǎn)火只可能在鉆頭牙齒散熱不好時(shí)，熱板點(diǎn)火不太可能，故實(shí)際鉆井中，火花點(diǎn)火、熱球點(diǎn)火、熱板點(diǎn)火都很難出現(xiàn)，出現(xiàn)最多的是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自燃點(diǎn)火。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自燃，只會(huì)出現(xiàn)在井筒內(nèi)嚴(yán)重泥包，形成泥餅環(huán)，在封閉的環(huán)空內(nèi)壓力升高、氣流速度減慢，有利于發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)逐漸升溫加速，直至出現(xiàn)燃爆。而且，重?zé)N的成分、濕氣成分更容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，干氣、甲烷最難發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，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(guān)跡象。只有在鉆具被燒

17、熔之后，才會(huì)突然發(fā)生類(lèi)似于卡鉆的表現(xiàn)，此時(shí)鉆具已經(jīng)損壞，事故已經(jīng)造成了。但是井下會(huì)引起氣體不同成分含量的變化，因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體成分來(lái)監(jiān)測(cè)井下燃爆的發(fā)生。4.3井下燃爆的監(jiān)測(cè)4.3.1燃爆前的監(jiān)測(cè)作好隨鉆對(duì)比分析，及時(shí)判斷已鉆穿及可能要鉆穿氣層深度、結(jié)合鄰井情況判斷可能產(chǎn)出能力。通過(guò)綜合錄井的氣測(cè)功能，及時(shí)分析準(zhǔn)確烴類(lèi)氣體濃度是否達(dá)到可能發(fā)生燃爆濃度，如果達(dá)到燃爆濃度，應(yīng)按照預(yù)案通知相關(guān)方，以便采取預(yù)防措施。一般情況下返出氣體中全烴含量連續(xù)超過(guò)3%，就有可能發(fā)生燃爆。 通過(guò)巖屑錄井判斷井下是否存在泥餅。如果存在泥餅，也應(yīng)通知相關(guān)方。監(jiān)測(cè)非烴氣體,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。4.3.2燃爆的監(jiān)測(cè)采用可以監(jiān)測(cè)

18、CH4、H2S、O2、CO、CO2濃度以及溫度及的多功能監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，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(cè)到井下發(fā)生燃爆，要立即預(yù)案向相關(guān)方報(bào)警，以立即停止向井下注氣。當(dāng)沒(méi)有采用多功能監(jiān)測(cè)儀時(shí)，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(dāng)全烴達(dá)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(dǎo)中的CO2濃度突然由低值突然上升到高值時(shí)，即可判斷發(fā)生燃爆。4.4 H2S的監(jiān)測(cè)空氣、霧化泡沫鉆井中發(fā)生硫化氫氣侵將可能帶來(lái)相當(dāng)嚴(yán)重的后果，因此有必要強(qiáng)化對(duì)硫化氫遙監(jiān)測(cè)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(gè)密閉的系統(tǒng)，而排砂線出口相對(duì)是較低凹的地方，H2S易聚集，因此應(yīng)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(cè)井壁失穩(wěn),導(dǎo)致地層垮塌，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致卡鉆、或?qū)@具埋住、井眼報(bào)廢等事故發(fā)生，因此監(jiān)測(cè)井壁失穩(wěn)，以便相關(guān)采取轉(zhuǎn)換鉆井方式等措施是現(xiàn)場(chǎng)的一項(xiàng)重要工作?？諝?、霧化泡沫鉆井條件下