CN101139911B - 注气稳压钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注气稳压钻井方法，涉及一种勘探开采石油与天然气的钻井方法，特别涉及一种能够克服含流体地层漏喷窄安全窗口难题的钻井方法，解决了现有钻井技术无法适应漏喷窄安全压力窗口储层并易造成钻井过程中井喷、井漏或又漏又喷的技术难题，在钻井液循环过程中采用适量注气的方法抵消钻井液循环的附加摩阻动压，停止循环或起钻或下钻前或空井等待时，反复采用憋压、脱气、灌浆、释放高压气，实现平衡压井；在注气稳压钻井实施前，应用随钻测试方法测试储层参数，以确定是否应用以及如何应用上述方法钻井。本发明公开的钻井方法使井下压力变化窗口缩小为一条窄线，使之完全纳入到漏喷安全压力窗口之中，可适用于油气勘探开发的钻井中。

Description

注气稳压钻井方法

技术领域

本发明涉及一种含流体地层的钻井方法，特别涉及一种勘探开采石油与天然气过程中，适应窄漏喷安全窗口的钻井方法。

背景技术

在石油与天然气的勘探钻井或开采钻井过程中，当钻遇含流体，如油、气、水等的地层时，该地层有两个压力-孔隙压力和漏失压力。如果钻井液作用于井底的压力大于地层的漏失压力，则会发生井漏-钻井液漏入地层；如果钻井液作用于井底的压力小于地层的孔隙压力，则会发生井喷-地层流体进入井内，喷涌至地面。

在高效安全的钻井过程中，井漏和井喷都是要避免的。钻井液作用于井底的压力既不能大于漏失压力，也不能小于孔隙压力，而是在两者之间。因此，地层的孔隙压力为下限，漏失压力为上限，组成了一个允许钻井液井底压力调整或变化的安全范围，称之为“漏喷安全压力窗口”。

钻井液作用在井底的压力也有两个。一个是钻井液静止不动的静态液柱压力，简称静压；一个是钻井液正常循环时的动态压力，简称动压。动压等于静压加上环空流动的循环压降，该循环压降的大小与井深、井身结构、钻具组合、钻井液排量和钻井液流变性等因素有关。因此，钻井液作用在井底的压力以动压为上限，以静压为下限，组成了井下压力变化窗口。

通常，在高效、安全的钻井过程中，要求井下压力变化窗口整体位于漏喷安全窗口之内，保证不喷不漏；当井下压力变化窗口不能整体位于漏喷安全窗口之内时，就会出现钻井中的井漏或井喷或又漏又喷，此时就要采用特殊的技术措施。

钻井界常采用的方法是“通过堵漏，提高地层的承压能力，从而扩大漏喷安全窗口”。但很多情况下堵漏是无效或低效的(如高度发育纵向裂缝或溶洞)，有些情况是不宜堵漏(如油气储层的漏失)。

为了提高窄安全窗口条件下钻井的安全性和经济性，美国Weatherford公司于2004年提出了MPD技术(Managed Pressure Drilling，国内业界称之为“控压钻井”)，并由IADC(国际钻井承包商协会)认定为行业标准。MPD技术是在已知地层孔隙压力与地层漏失压力的前提下，采用欠平衡钻井的井口装备和返出流体的控制和分离系统，通过改变回压、钻井液密度、钻井液流变性、钻井液排量、井眼几何尺寸，以及这些参数的改变组合，达到精确控制井下流体压力分布、使井下流体压力分布尽可能处于安全压力窗口之内的目的。

但在实际操作过程中，有如下四个主要因素限制着MPD技术的应用效果：

第一是漏喷安全压力窗口太窄的情况，尤其是对高渗透储层、开启裂缝发育的储层，漏失压力基本上等于孔隙压力，安全窗口缩小为一条线，基本上不存在窗口宽度。

第二是井下压力变化窗口太宽的情况，尤其是对深井、小井眼、稠重钻井液，循环压降过大而造成井下压力变化窗口太宽。

当井下压力变化窗口的宽度大于漏喷安全压力窗口的宽度后，尤其是对于安全窗口缩小为一条线的情况，无论如何也无法避免钻进过程中的漏喷问题，必然会出现“开泵井漏、停泵井涌”的困难局面。

第三是在执行MPD时无法得知真实的孔隙压力和漏失压力，只能根据钻前的预测值进行钻井液密度设计。而孔隙压力、漏失压力的预测值的偏差，就造成了钻井液密度的偏差，故设计的钻井液密度不是偏高就是偏低，从而加剧了钻井中的漏或喷的问题。

第四，当发现钻井液密度偏高或偏低，需要进行密度调整时，面临两个问题：一是不知道密度应该调整多少，因为不知道准确的孔隙压力和漏失压力，只能凭经验决定。二是钻井液密度调节的速度太慢，反应迟缓。

由于这四个限制因素，使得目前的MPD技术只是有限地缓解了漏喷安全压力窄窗口带来的钻井困难，并未从根本上解决问题。

发明内容

本发明的目的是：解决现有钻井技术无法适应窄“漏喷安全压力窗口”的含流体地层，解决该类地层钻井过程中井喷、井漏或又喷又漏的技术难题，提供一种利用调节注气量进行稳压钻井以适用窄“漏喷安全压力窗口”储层的钻井方法。

为实现本发明的目的，在钻井液密度不变的情况下，通过注气、调节注气量和回压，实现迅速、灵活、准确、大幅度地改变井底压力，使井底压力状态按需要在不同的欠平衡状态、平衡状态、过平衡状态之间变化，以供消除附加摩阻动压、随钻测试、安全井控、储层保护等的需要。通过灵活、迅速的注气量和回压调节方式，调节钻井液的井底压力，实现循环动压等于流体静压，从而使井下压力变化窗口缩窄为一条线，以适应窄“漏喷安全压力窗口”。

具体的技术方案如下：

注气稳压钻井方法，采用如下步骤：

(1)在钻井液循环过程中采用注气，通过调节注气量和回压的方法抵消钻井液循环的附加摩阻动压；

(2)在长时间停止循环中，按如下步骤恢复钻井液的液柱压力：

a.憋压：立即关井，等待套压升高和气体滑脱上移；

b.脱气：当套压值升高至使井筒液柱的井底压力与地层孔隙压力平衡时，气体滑脱上移在井筒上部聚集形成纯气柱段；

c.灌浆：低速开动注入泵，由井口向环空反灌钻井液；

d.释放高压气：在灌浆同时，微量打开节流阀，通过直接放喷管线释放高压气，控制回压；

e.待上部纯气段释放完以后，停止放气，停止灌浆，再次关井，重复上述过程；

f.如此反复，待环空大部分气体释放完，环空灌满钻井液后，液柱压力基本恢复，井内液柱压力为脱气基液的基液液柱压力，使液柱压力与地层压力之间的关系为微过无欠；

(3)起钻前采用(2)的步骤，保持起钻前的平衡压井；

(4)空井等待及下钻的非循环状态，采用(2)的步骤，使液柱内气体脱出，恢复液柱压力，保证井下安全。

(5)在短时间停止循环中(例如接单根的操作)，采用调节节流阀、控制回压的方法控制井底液柱压力。

所述采用调节井底压力的注气方法，是应用高压注气系统向钻井液内注入氮气或尾气或燃气或天然气或空气。

所述高压注气系统包括泥浆罐，与泥浆罐连接的往复式泥浆泵，与泥浆泵连接的混合器，混合器一端通向立管，另一端与三向旋塞阀连接，三向旋塞阀与单向阀连接，单向阀与流量计连接，流量计与针阀和气体增压机连接，气体增压机与气源发生器连接。

所述的钻井方法实施之前，采用随钻测试方法测试储层参数，调整钻井液基液密度之后，再实施注气稳压钻井。具体步骤如下：

a、根据地质资料预测储层介质的大概类型；

b、根据a得到的结果(以及可用的储层资料、邻井资料等)估计待钻储层的储层压力下限和漏失压力上限；

c、根据b得到的结果大致确定钻井液的密度和最大注气量，使最大注气量时的井底动压小于储层压力下限，而使停注气时的井底动压大于漏失压力上限，以确保储层可以进行欠平衡流动测试和过平衡流动测试；

d、在钻开储层的很短井段内，以注气方式调节钻井液的液柱压力，使之对待钻储层孔隙压力从欠平衡状态过度到过平衡状态；

e、在欠平衡状态中，通过监测返出流体的油气显示和返出气体的烃类气体浓度，循环监测，得到多个测试点描绘在“井底压力-流体流量”图上，得到储层孔隙压力和渗透率；

f、减少注气或停止注气，使井底循环动压处于过平衡状态，监测钻井液的注入和返出量，根据注入量和返出量的差值，确定储层的漏失量和漏失速度；

g、根据e、f步骤得到的数据判断储层介质类型和参数，停钻、调整钻井液基液密度使液柱静压与储层压力相平衡。

h、重新设计钻井液基液密度和注气量，正式开始注气稳压钻井。

所述钻井方法配备有监测和控制系统，该系统配置有监测如下参数的装置：

a.注入参数：注入液的排量、压力、密度，注入气的排量、压力、温度、组分和注入立管压力；

b.返出参数：环空套压、阀门状态及开度、返出混合流体分离后的气、油、钻井液的排量，返出气体的氧气、天然气、硫化氢、二氧化碳组分浓度，返出气体排放管线的压力和流量。

所述监测和控制系统的主控芯片对监测的参数进行实时处理后，向注入液、注入气的控制阀门发出控制指令，以控制注入气、液量；也可向节流阀发出控制指令，以控制其开度调节回压；还可向多相分离器发出指令，控制其分离状态。

所述监测和控制系统不能完整实施的情况下，可以实施人工监测和人工调节上述注入及返出参数。

对于重稠钻井液，在地面经气液分离器分离后，仍有微量气体残存在钻井液中，越黏稠的钻井液，残存气越多。为防止钻井液中微量含气对往复式钻井泵工作的影响，可以采用中国发明专利申请CN200510020448.0中公开的方法对往复式钻井泵进行改造。

本发明采用高效、安全的调节钻井液中的注入气体量的方法来控制井底压力，以抵消钻井液循环的附加摩阻动压，使井下压力变化窗口缩小为一条窄线，使之完全纳入到漏喷安全压力窗口之中，保证了高效、安全、不喷不漏的钻井进程，而且在停止循环、起下钻、空井等待、接单根过程中采用反复施加憋压、脱气、灌浆、释放高压气等步骤，实现了平衡压井，保证了钻井过程中的安全。

可见，采用本发明的方法，能够完全适应窄漏喷安全压力窗口情况下的储层开采，并采用多种措施提高钻进过程中的安全性。

附图说明

图1是本发明中高压注气系统的示意图；

图2是停止循环后脱气灌浆的压力变化图；

图中标号，1是泥浆罐，2是泥浆泵，3是混合器，4是三向旋塞阀，5是单向阀，6是流量计，7是针阀，8是气体增压机，9是气源发生器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

在井口配备欠平衡钻井用防喷器组合，包括旋转控制头(RCHS)或旋转防喷器(RBOP)，返出系统配备欠平衡钻井用节流阀、节流管汇、多相分离器、密闭循环系统、放喷点火装置等。

井口还配备有高压注气系统，如图1所示，该高压注气系统包括泥浆罐1，与泥浆罐1连接的泥浆泵2，与泥浆泵2连接的混合器3，混合器3一端通向立管，另一端与三向旋塞阀4连接，三向旋塞阀4与单向阀5连接，单向阀5与流量计6连接，流量计6与针阀7和气体增压机8连接，气体增压机8与气源发生器9连接。

高压注气系统所用的气源可以是氮气(可用专利号为CN00113183.4的中国发明专利公开的方法制备)、尾气或燃气(可用公开号为CN1644491的中国发明专利申请公开的方法制备)、天然气、空气或是其它适用的气体。

采用随钻测试方法测试储层参数，具体步骤如下：

a、根据地质资料预测储层介质的大概类型；

b、根据a得到的结果以及可用的储层资料、邻井资料等估计待钻储层的储层压力下限和漏失压力上限；

c、根据b得到的结果确定钻井液的密度和最大注气量，使最大注气量时的井底动压小于储层压力下限，而使注气时的井底动压大于漏失压力上限，以确保储层可以进行欠平衡流动测试和过平衡流动测试；

d、在钻开储层的很短井段内，以注气方式调节钻井液的液柱压力，使之对待钻储层孔隙压力从欠平衡状态过度到过平衡状态；

e、在欠平衡状态中，通过监测返出流体的油气显示和返出气体的烃类气体浓度，循环监测，得到多个测试点描绘在“井底压力-流体流量”图上，得到储层孔隙压力和渗透率；

f、减少注气或停止注气，使井底循环动压处于过平衡状态，监测钻井液的注入和返出量，根据注入量和返出量的差值，确定储层的漏失量和漏失速度；

g、根据e、f步骤得到的数据判断储层介质类型，调整钻井液密度和注气量使液柱静压与储层压力相平衡。

如果该储层属于不存在漏喷平衡点的大裂缝、大溶洞型漏失储层，则本实施例的方法不适用，推荐采用中国发明专利CN200410081640.6公开的“双层管井身结构的连续循环钻井技术”。

否则，采用本发明按下列方法、步骤予以实施。

1、在已知储层孔隙压力、漏失压力、储层厚度的条件下，基于井深、井眼几何尺寸、钻井液流变性、满足携岩的钻井液排量等基础参数，计算钻井液基液密度、最佳注气量及脱气灌浆的操作参数，做到整个储层段在钻进、停钻、长期等待等过程中均处于平衡点附近，实现稳压钻井。

2、以设计的钻井液基液密度、钻井液排量、注气量和回压控制，循环，钻进，开启高压注气系统，调节注气量，抵消钻井液循环的附加摩阻动压，改变井底压力，使井下压力变化窗口缩小为一条窄线，使之完全纳入到漏喷安全压力窗口之中。

3、接单根时，采用连续循环装置保持循环。在没有连续循环装置的条件下，则停泵、停气、关井，进行接单根作业，如果回压升到计算的限定值以上，则微开节流阀、释放井口聚集的高压气，控制回压。接单根作业完成后，注气、注液、开井，恢复循环，恢复钻进。(在没有连续循环装置的条件下，钻柱底部装有近钻头单流阀，要求钻柱顶部装有单流阀的组合，以减轻注气开停的压力变化影响)。

4、在停止循环后，液柱压力有变化，图2显示了停止循环后的压力变化。图2中的实线部分表示储层孔隙压力，循环并注气条件下钻井液动压分布为图2中的循环动压线，此时液柱压力与地层压力之间的关系为微欠无过。一旦停止循环，停止注气，则含气钻井液静压分布为图2中的含气静止压力线，此时由于环空内液体含气，故静压偏低，欠压差过大。

图2中从上到下的线条分别是：

点划线表示基液液柱压力；

实线表示储层孔隙压力；

长短线表示循环动压；

虚线表示含气静止压力。

此时，按如下步骤恢复钻井液的液柱压力：

a.憋压：立即关井，等待套压升高和气体滑脱上移；

b.脱气：当套压值升高至使井筒液柱的井底压力与地层孔隙压力平衡时，滑脱上移的气体在井筒的上部聚集形成纯气柱段；

c.灌浆：低速开动注入泵，由井口向环空上部反灌钻井液；或控制回压；

d.释放高压气：在灌浆同时，微量打开节流阀，通过直接放喷管线释放高压气，控制回压；

e.待上部纯气段释放完以后，停止放气，停止灌浆，再次关井，重复上述过程；

f.如此反复，待环空大部分气体释放完，环空灌满钻井液后，液柱压力基本恢复，井内液柱压力为脱气基液的基液液柱压力，如图2中基液液柱压力线，此时，液柱压力与储层孔隙压力之间的关系为微过无欠；

完成上述操作后，由于液柱压力与储层孔隙压力之间的关系为微过无欠，此时长期关井就不会导致套压过高和井喷失控。

5、起钻前执行下列操作：

a.憋压：关井，等待套压上升；

b.脱气、灌浆、释放高压气：待套压上升至计算的预定值，开始由井口向环空小排量灌注钻井液，同时微开节流阀控制回压，释放高压气；

c.待井口纯气段高压气释放完后，再次关井；

d.重复上述憋压、脱气、灌浆、释放高压气的步骤，直至井内气体基本脱出，全井注满密度为地层孔隙压力梯度的钻井液为准；

e.关井，起钻。

6、起钻、长期关井等待过程中的溢流处理

如果在起钻、长期关井等待过程中，出现了套压升高、井口聚集气体较多的情况，则重复前述的憋压、脱气、灌浆、释放高压气的步骤，以恢复平衡压井状态。

空井等待及下钻的非循环状态，采用上述第5步中的操作步骤，使液柱内气体脱出，恢复液柱压力，保证井下安全。

7、在起钻过程中，建议采用中国发明专利CN200510020178.3所述技术消除起钻抽汲压力的影响。如果没有条件实施中国发明专利CN200510020178.3所述技术，则严格控制起钻速度，防止抽汲压力过大，造成油气侵入井内。

对于重稠钻井液，在地面经气液分离器分离后，仍有微量气体残存在钻井液中，越黏稠的钻井液，残存气越多。为防止钻井液中微量含气对往复式钻井泵工作的影响，可以采用中国发明专利申请CN200510020448.0中公开的方法对往复式钻井泵进行改造。

上述钻井方法中配备有监测和控制系统，该系统配置有监测如下参数的装置，

a.注入参数：注入液的排量、压力、密度，注入气的排量、压力、温度、组分和注入立管压力；

b.返出参数：环空套压、阀门状态及开度、返出混合流体分离后的气、油、钻井液的排量，返出气体的氧气、天然气、硫化氢、二氧化碳组分浓度，返出气体排放管线的压力和流量。

上述监测和控制系统的主控芯片对监测的参数进行处理后，向注入液、注入气的控制阀门发出控制指令；也可向节流阀发出控制指令，以控制其开度调节回压；还可向多相分离器发出指令，控制其分离状态。

Claims (7)

1.注气稳压钻井方法，其特征在于：所述的钻井方法采用如下步骤，

第一步 在钻井液循环过程中采用注气方式，通过调节注气量和回压的方法抵消钻井液循环的附加摩阻动压；

第二步 在停止循环后，按如下步骤恢复钻井液的液柱压力：

a.憋压：立即关井，等待套压升高和气体滑脱上移；

b.脱气：当套压值升高至使井筒液柱的井底压力与地层孔隙压力平衡时，气体滑脱上移在井筒上部聚集形成纯气柱段；

c.灌浆：低速开动注入泵，由井口向环空反灌钻井液；

d.释放高压气：在灌浆同时，微量打开节流阀，通过直接放喷管线释放高压气，控制回压；

e.待上部纯气柱段释放完以后，停止放气，停止灌浆，再次关井，重复上述步骤a到d；

f.如此反复，待环空大部分气体释放完，环空灌满钻井液后，液柱压力基本恢复，井内液柱压力为脱气基液的基液液柱压力，使液柱压力与地层压力之间的关系为微过无欠；

第三步 起钻前采用第二步的步骤，保持起钻前的平衡压井；

第四步 空井等待及下钻过程中，采用第二步的步骤，使液柱内气体脱出，恢复液柱压力，保证井下安全。

2.如权利要求1所述的注气稳压钻井方法，其特征在于：采用所述调节注气量的方法，是应用高压注气系统向钻井液内注入氮气或燃气或天然气或空气。

3.如权利要求2所述的注气稳压钻井方法，其特征在于：所述高压注气系统包括泥浆罐(1)，与泥浆罐(1)连接的泥浆泵(2)，与泥浆泵(2)连接的混合器(3)，混合器(3)一端通向立管，另一端与三向旋塞阀(4)连接，三向旋塞阀(4)与单向阀(5)连接，单向阀(5)与流量计(6)连接，流量计(6)与针阀(7)和气体增压机(8)连接，气体增压机(8)与气源发生器(9)连接。

4.如权利要求1或2所述注气稳压钻井方法，其特征在于：调节回压的方法应用于短时间停止循环时。

5.如权利要求1或2或3所述注气稳压钻井方法，其特征在于：所述的钻井方法开钻之前，采用随钻测试方法测试储层参数，具体步骤如下，

a、根据地质资料预测储层介质的大概类型；

b、根据步骤a得到的结果估计待钻储层的储层压力下限和漏失压力上限；

c、根据步骤b得到的结果确定钻井液的密度和最大注气量，使最大注气量时的井底动压小于储层压力下限，而使注气时的井底动压大于漏失压力的上限，以确保储层可以进行欠平衡流动测试和过平衡流动测试；

d、在钻开储层的很短井段内，以注气方式调节钻井液的液柱压力，使之对待钻储层孔隙压力从欠平衡状态过渡到过平衡状态；

e、在欠平衡状态中，通过监测返出流体的油气显示和返出气体的烃类气体浓度，循环监测，得到多个测试点描绘在“井底压力-流体流量”图上，得到储层孔隙压力和渗透率；

f、减少注气或停止注气，使井底循环动压处于过平衡状态，监测钻井液的注入和返出量，根据注入量和返出量的差值，确定储层的漏失量和漏失速度；

g、根据步骤e、f得到的数据判断储层介质类型，调整钻井液密度使液柱静压与储层压力相平衡。

6.如权利要求5所述注气稳压钻井方法，其特征在于：所述钻井方法配备有监测和控制系统，该系统配置有监测如下参数的装置，

a.注入参数：注入液的排量、压力、密度，注入气的排量、压力、温度、组分和注入立管压力；

b.返出参数：环空套压、阀门状态及开度、返出混合流体分离后的气、油、钻井液的排量，返出气体的氧气、天然气、硫化氢、二氧化碳组分浓度，返出气体排放管线的压力和流量。

7.如权利要求6所述注气稳压钻井方法，其特征在于：所述监测和控制系统的主控芯片对监测的参数进行处理后，向注入液、注入气的控制阀门发出控制指令；也可向节流阀发出控制指令，以控制其开度调节回压；还可向多相分离器发出指令，控制其分离状态。

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