钻井液从井筒环空流入,经钻头、钻具内眼返出为反循环钻井。反循环钻井技术具有减少钻井液漏失、保护油气层、岩样清晰等优点。反循环钻井分为气举反循环、空气反循环、泵吸反循环等。气举反循环钻井技术从装备上需要空气压缩机、储气罐、气盒子、双壁钻具、混气器、反循环钻头等,现场利用原钻机连接上述设备进行作业,应用结束拆走设备后不影响正常钻井作业。通过试验及现场应用,设备配套实用,应用井漏层连续钻进400余米,效果良好。
井眼环空
钻杆内眼
利用气举反循环时对井底的抽吸作用,可以进行洗井、捞砂作业,由于减少了正循环时压实效应,液流在钻具内直接上返,避免了含砂洗井液进入地层,堵塞通道,可以有效的保护油气层。一、气举反循环钻井概述
图2 反循环钻井循环示意图
图1 反循环钻井驱动原理
气举反循环钻井,是将压缩空气通过气水龙头或其它注气接头(气盒子),注入双层钻具内管与外管的环空,气体流到双层钻杆底部,经混气器处喷入内管,形成无数小气泡,气泡一面沿内管迅速上升,一面膨胀,其所产生的膨胀功变为水的位能,推动液体流动;压缩空气不断进入内管,在混合器上部形成低比重的气液混合液,钻杆外和混气器下部是比重大的钻井液。如图1所示,h1为钻具内混合钻井液高度,密度为ρ1;h2为钻具内未混合的钻井液高度,密度为ρ2;H为环空钻井液高度,密度为ρ,由于ρg H>ρ1g h1+ρ2g h2,环空钻井液进入钻具水眼内,形成反循环流动,并把井底岩屑连续不断的带到地表,排入沉砂池。沉淀后的泥浆再注入井眼内,如此不断循环形成连续钻进过程。钻井液循环流程见图2:沉砂池—环空—钻头—钻具内水眼—混气器(与注入空气混合)—双壁钻具内水眼—水龙带—排液管线—沉砂池。
优点及用途
1、能实现地质捞砂目的
气举反循环钻井液流在钻具内直接上返,携带岩屑能力强,岩样清晰,在漏失地层钻进时能实现捞砂等地质目的。
2、提高漏层钻井效率
气举反循环钻井时,钻头处的钻井液对井底产生抽汲作用,岩屑被及时带走,减少压实效应,在漏层钻井时,可减少岩屑重复破碎、能提高机械钻速,增加钻井效率。
3、可减少或xc钻井液的漏失,保护储层
由于反循环钻井时环空压耗小,作用于地层的压力小,所以在易漏地层钻进时,可减少或xc钻井液的漏失,保护储层,并节约大量钻井液材消耗。
4、可减少泵损耗,延长泥浆泵泵使用寿命
采用气举反循环钻井时,泥浆泵的作用只是向环空灌泥浆(或采用灌注泵灌注),泵负荷大大减小,使用寿命延长。
5、井控灵活
可采取正循环、反循环两种方法压井,井控灵活。反循环压井重泥浆可以直接送至井底,不必分段循环,缩短处理时间。
二、国内外应用现状
反循环钻井技术在水井、水文地质钻孔、大口径工程施工孔的钻井中应用较广,近年来气举反循环钻井技术已在地质、冶金、建设、水利、煤田和军工等系统推广应用,覆盖面遍及全国29个省市自治区。采用此方法达到的{zd0}孔深是2470.88米,{zd0}孔径是3.2米。同正循环钻井相比,平均机械钻速提高1.2~3倍,台月效率提高1.5倍;在复杂地层钻进综合效率是正循环钻进的3~6倍;水井的洗井时间缩短1/2;出水量增大1/3;优质孔率为{bfb}。反循环空气钻井最早用于硬地层的钻井,加拿大K2能源公司开发出井下安全设备后,2002年开始应用空气反循环钻井技术开发低压气藏,在美国北蒙大拿州Blackfeet印第安人保留地的Bow Island 地层,应用空气反循环中心排渣钻井技术(RCCD)成功钻成天然气试验井,该地层属低压地层(估计地层压力为150Psi)。两口对比实验井分别钻于用泥浆钻成而没有油气显示的井旁,在没有增产措施的情况下,采用2″油管抽吸,日产天然气分别为15.5 万立方英尺和9.7万立方英尺。
三、当前研究情况
在气举反循环钻井技术研究方面,根据气举反循环钻井工艺要求,结合油气钻探特点,主要开展了反循环钻井工艺理论研究、反循环钻井流体技术、反循环钻具研制、反循环地面配套装备研制。
研究重点是反循环钻井工艺及井控技术,目前已配套气举反循环钻井主体设备,设计出双层钻具组合防喷工具,通过先导试验,初步形成了反循环钻井施工工艺,实现了流程设计改造、反循环钻进、携带岩屑、泥浆脱气等工艺。下步将在完善气举反循环钻井技术的同时,进一步拓展应用领域。
1、气举反循环钻井深度
图3 沉没系数
① 沉没系数a:水面以下高度与双壁钻具总长度的比值。(见图3)a=
若泥浆泵灌浆及时则可以认为液面保持在高架槽处,液面以上高度依据立管高度确定,水头按20~30米计算。即双壁钻具下深大于30米即可建立循环。
② 双壁钻杆下深与井深比例关系
调研文献推荐范围较大为1:4~10。如北京丰台区某井,设计井深2470m。实际井深2470.88m。
钻具组合为:φ152mm三牙轮钻头+φ121mm钻铤(36m)+ φ73mm钻杆(2080m) + SHB127/76型双壁钻杆(270m)+108mm×108mm双壁方钻杆及双壁气水龙头。此种钻具组合主要参数值为:沉没比> 90%,双壁钻具初始长度为270m,随钻孔深度的延伸增加双壁钻具的数量,最多时达到330m(井深2470.88m)。双壁钻具与井深比值为1:7.5。
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