地?zé)徙@井

泡沫流體鉆井技術(shù)在肯尼亞OW904 超高溫地?zé)峋膽?yīng)用

  地球的深部蘊(yùn)藏著巨大的熱能。在地質(zhì)因素的控制下,通過一定介質(zhì)以熱蒸汽、熱水、干熱巖等形式向地殼的某一范圍聚集,形成地?zé)豳Y源。預(yù)計(jì)地球蘊(yùn)藏的地?zé)崮?/a>約為14.5×1025J, 折合4 948×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。這么豐富的地?zé)豳Y源通過科學(xué)合理的開發(fā)利用,使之成為可供人類利用的一種新型能源已成為當(dāng)務(wù)之急。地?zé)?/a>資源按照介質(zhì)的溫度不同可分為高溫(大于150℃)、中溫(90℃~150℃)和低溫(小于90℃)。對(duì)于低溫和中溫地?zé)峋?/a>通常采用常規(guī)鉆井液,對(duì)于高溫地?zé)豳Y源,尤其是超高溫地?zé)豳Y源開采,常選用穩(wěn)定泡沫鉆井流體。穩(wěn)定泡沫流體能較好地起到防漏堵漏作用和在低壓狀態(tài)下建立欠平衡條件, 提高鉆井速度。肯尼亞OLKARIA 地區(qū)的OW904 井就屬于超高溫地?zé)?/a>井。
  中石油長城鉆井公司于2006 年底中標(biāo)肯尼亞KenGen 電力公司在肯西南地區(qū)(OLKARIADOMES)6 口井的地?zé)?/a>井鉆井服務(wù)項(xiàng)目。OW904 井是該項(xiàng)目于2007 年6 月18 日開鉆的第一口地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)井,是一口定向井,由遼河石油勘探鉆井二公司GW188 隊(duì)承鉆,使用ZJ40L 鉆機(jī),遼河石油勘探局定向井公司實(shí)施定向施工,長城公司空氣隊(duì)實(shí)施泡沫鉆井技術(shù)服務(wù)。鉆探目的是為了測(cè)定地下主要地?zé)嵯到y(tǒng)地質(zhì)構(gòu)造。該井海拔高度為1 940m,設(shè)計(jì)井深2 800m, 造斜點(diǎn)為400m, 最大井斜角為20°,方位角為北偏東45°。8 月19 日交井,完井周期為62d。KenGen 電力公司曾經(jīng)在此區(qū)塊完鉆3 口直井,漏失比較嚴(yán)重,鉆井周期逾100d。
 
 
  OLKARIA 構(gòu)造是一個(gè)火山噴發(fā)巖沉積的開放性隆起。在地表該隆起大約長42km,寬28km,目的層深度2 000~2 540m。該構(gòu)造與鄰近的構(gòu)造呈不均勻的階梯狀。OLKARIA 隆起與臨近的OR-POWER范圍內(nèi)的其他隆起相比埋藏較深。該構(gòu)造在東北方向陡峭斷崖處露出地面。從山地表面到目的層主要以流紋巖、粗面巖和玄武巖為主,凝灰?guī)r次之,上部地層有少量的燧石和黃鐵礦夾層。全井基本無泥質(zhì)含量,具有典型的高溫地?zé)?/a>(蒸汽型)地層的特點(diǎn):主要是裂縫發(fā)育的火山巖,地層壓力低,漏失嚴(yán)重。
 
  3 技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)
 
  漏失和超高溫是該井的兩大鉆井難點(diǎn)。
 
  (1)漏失問題
 
  從實(shí)鉆情況來看,由于裂縫和溶洞非常發(fā)育,全井從地表至目的層中的任何一點(diǎn)都有可能發(fā)生漏失,而每一次發(fā)生的漏失幾乎都是完全漏失,無漏層或漏點(diǎn)規(guī)律可尋。所以低密度氣基泡沫流體鉆井技術(shù)在此是優(yōu)選的鉆井技術(shù)之一,有利于建立欠平衡條件,防漏堵漏。
 
  (2)高溫問題
 
  該井從地表300m 開始就有高溫蒸汽出現(xiàn),溫度高達(dá)180℃以上;隨著井深的增加,地溫則不斷升高,當(dāng)井深在1 224m 以下時(shí),溫度高達(dá)250℃以上,據(jù)甲方資料最高溫度達(dá)350℃, 已經(jīng)超出了我們儀器的測(cè)量范圍。如何解決鉆井流體抗高溫能力是鉆井的技術(shù)難點(diǎn)之二。
 
  (3)關(guān)鍵技術(shù)
 
  從鉆井工程上來講,采用合理的套管程序是解決井眼中技術(shù)難點(diǎn)的基本手段,應(yīng)用低密度氣基穩(wěn)定泡沫流體,有利于建立欠平衡條件,防漏堵漏,提高機(jī)械鉆速,是實(shí)現(xiàn)這一手段的關(guān)鍵技術(shù),解決鉆井流體的抗溫能力則是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵問題。
 
  因而對(duì)形成泡沫流體的發(fā)泡劑而言,最關(guān)鍵的是它的抗溫能力。超高溫度對(duì)發(fā)泡劑的影響主要是高溫降解作用,在高溫條件下,構(gòu)成發(fā)泡劑的一些基團(tuán)會(huì)發(fā)生變異而失去它的起泡作用,從而在鉆井過程中導(dǎo)致一系列井下事故的發(fā)生。
 
  泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。表面活性劑能降低表面張力,促進(jìn)泡沫形成。但是泡沫的穩(wěn)定性取決于氣泡間液膜的粘彈性和機(jī)械強(qiáng)度,而液膜的粘彈性和機(jī)械強(qiáng)度主要取決于由表面活性劑產(chǎn)生吸附膜的柔韌能力和抗沖擊能力。在超高溫地?zé)?/a>井施工中,要求形成氣泡間的液膜具有在高溫條件下能抵抗超高溫(抗蒸發(fā))、抗壓和抗剪切的能力。
 
  5 泡沫流體鉆井技術(shù)的應(yīng)用
 
  在OW904 井的實(shí)際鉆井過程中,采用清水鉆井解決表層和上部地層的井漏問題;采用充氣水和抗高溫硬膠泡沫解決中、深部地層井漏問題;采用抗高溫保護(hù)劑提高原有發(fā)泡劑的抗高溫能力,保證發(fā)泡劑的高溫穩(wěn)定性,從而形成了一套適合肯尼亞地?zé)峋?/a>的泡沫鉆井作業(yè)程序和特有泡沫流體配方,順利完成了鉆井施工任務(wù),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
 
  5.1 泡沫鉆井設(shè)備
 
  空壓機(jī)4 臺(tái),增壓機(jī)3 臺(tái),霧化泵1 臺(tái),注入泵1 臺(tái),氣體流量計(jì)1 臺(tái),液體流量計(jì)1 臺(tái),泡沫發(fā)生器1 臺(tái),溫度監(jiān)控儀1 臺(tái),高、低壓管匯1 套,排砂管1 套,節(jié)流管匯1 套,21 1/4“旋轉(zhuǎn)頭1 套,13 5/8”旋轉(zhuǎn)頭1 套,基液罐1 座,干燥機(jī)1 套。
 
  該設(shè)備供氣能力為102m3/min, 最高工作壓力為15.4MPa。OW904 井泡沫鉆井工藝流程見圖1。
 
  5.2 抗高溫保護(hù)劑的應(yīng)用
 
  使用泡沫鉆井, 從井筒返出的鉆井流體是一次性使用, 能抗高溫的發(fā)泡劑相對(duì)與常用鉆井液用發(fā)泡劑價(jià)格昂貴,必然會(huì)大大增加鉆井成本。因此,在OW904 井采取了在現(xiàn)有發(fā)泡劑的基礎(chǔ)上,通過加入抗高溫保護(hù)劑來提高泡沫流體抗溫能力的辦法,取得了較好的效果。
 
  長城公司委托鉆井工程技術(shù)研究院研制了HT-1 新型抗高溫保護(hù)劑。通過在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用證明:HT-1 對(duì)泡沫流體具有良好的抗高溫保護(hù)作用,在形成泡沫的基液中加入1%HT-1 能將發(fā)泡劑的極限抗溫從原來的180℃提高到240℃;HT-1 在不同溫度下對(duì)Ca2+、Cl-的污染不敏感,不會(huì)影響原有發(fā)泡劑的抗污染能力;HT-1 具有在高溫條件下保護(hù)泡沫流體良好活性的作用。
 
  5.3 應(yīng)用的套管程序
 
  采用合理的套管程序是解決井眼中存在的技術(shù)難點(diǎn)的基本手段。OW904 井采用四層套管的井身結(jié)構(gòu)。一開用準(zhǔn)660.4mm 鉆頭清水鉆至井深68.17m,下準(zhǔn)508mm 套管至63.5m 封隔表層漏失段,建立井口;二開用準(zhǔn)444.5mm 鉆頭, 用充氣水鉆至井深315.52m,下準(zhǔn)339.7mm 套管至306.52m 封隔上部漏失層, 為三開泡沫鉆進(jìn)做準(zhǔn)備; 三開已進(jìn)入高溫地層,交替使用充氣水和穩(wěn)定泡沫流體,交替時(shí)間視井溫而定,準(zhǔn)311.2mm 鉆頭鉆至井深1 259m, 下準(zhǔn)2 44.5mm套管至1 250.66m;四開全井段地層溫度都在260℃以上,用穩(wěn)定泡沫流體,準(zhǔn)215.9mm 鉆頭鉆至2 799.31m,下準(zhǔn)177.8mm 尾管至底部,尾管頂部1 228m,與準(zhǔn)244.5mm 生產(chǎn)套管重疊段長22m。
 
  5.4 三開、四開鉆具組合和技術(shù)參數(shù)
 
  三開鉆具組合:12 1/4" 鉆頭+ 浮閥接頭+311mm 扶正器+ 8"無磁鉆鋌1 根+ 311mm 扶正器+ 8"無磁鉆鋌1 根+ 8"鉆鋌2 根+ 5"加重鉆桿15 根+ 5"鉆桿。參數(shù):氣量為75~100m3/min;鉆壓為8~16T; 轉(zhuǎn)速為60~80r/min。使用了3 個(gè)鉆頭。
 
  四開鉆具組合:8 1/2" 鉆頭+ 鉆頭接頭+195mm扶正器+ 8"無磁鉆鋌1 根+ 195mm 扶正器+ 8"鉆鋌1 根+195mm 扶正器+ 8" 鉆鋌3 根+195mm 扶正器+ 8"鉆鋌4 根+ 5"加重鉆桿9 根+ 5"鉆桿。參數(shù):氣量為50~75m3/min;鉆壓為8~12T; 轉(zhuǎn)速為60~80r/min。使用了4 個(gè)鉆頭。
 
  5.5 泡沫鉆井防鉆具內(nèi)噴的措施
 
  由于本井使用充氣水鉆井液鉆進(jìn)和循環(huán)過程中鉆具內(nèi)鉆井液密度總是小于環(huán)空中的鉆井液密度,這樣一停泵就會(huì)發(fā)生鉆井液倒返甚至內(nèi)噴,一旦井底蒸汽噴至井口, 再搶接方鉆桿或井口內(nèi)防噴工具將是極其困難的。為此必須在鉆具底部安放回壓凡爾, 在甲方不要求繼續(xù)測(cè)斜的情況可以在鉆具中部(起鉆時(shí)鉆頭能進(jìn)入套管鞋時(shí)的位置上)加裝一個(gè)回壓凡爾。一旦發(fā)現(xiàn)回壓凡爾不起作用時(shí),打完一根單根必須先停氣,繼續(xù)清水循環(huán)至立壓為0,再循環(huán)2min,方可卸開方鉆桿,這時(shí)鉆具內(nèi)液體密度要大于環(huán)空中的,發(fā)生鉆具內(nèi)噴的可能性會(huì)大大降低。
 
  5.6 防地層高溫水蒸氣的措施
 
  在不定的時(shí)間內(nèi)向井內(nèi)灌入冷水,讓地層保持適當(dāng)?shù)穆┦н_(dá)到降低循環(huán)溫度的目的;而清水是不會(huì)給地層造成永久性傷害的,這是地?zé)?/a>井和油氣井鉆井的最大區(qū)別。
 
  注意在重新下入鉆具過程中不要開泵和轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。
 
  以后不管是否返出,只要每次接單根能下放到井底,就可放心地進(jìn)行盲鉆。
 
  (3)在建立循環(huán)時(shí),一定要進(jìn)行“大”循環(huán),既返出的流體在除氣后要排入廢水坑中進(jìn)行散熱, 然后用潛水泵抽回繼續(xù)使用, 由于廢水坑的散熱面積較大,可較迅速地降低循環(huán)流體的溫度,這樣可有效地抑制循環(huán)流體溫度持續(xù)升高。
 
  (4)在循環(huán)流體再利用時(shí),要適當(dāng)補(bǔ)充發(fā)泡劑,保證流體的質(zhì)量系數(shù)不會(huì)太低, 這樣可有效地抑制斷塞流的產(chǎn)生,有利于清潔井眼。
 
  (5)嚴(yán)格控制氣體的注入量。充氣鉆井中并不是氣體注入量越多越好。當(dāng)氣體不能完全分散于氣體中時(shí),就會(huì)破壞流體的層流狀態(tài),在環(huán)空中形成紊流或斷塞流,這樣將嚴(yán)重影響流體的攜砂能力。
 
  6 結(jié)論
 
  (1)抗高溫保護(hù)劑可以提高原有發(fā)泡劑的抗高溫能力, 加入該保護(hù)劑的穩(wěn)定泡沫流體能夠解決常規(guī)鉆井液不能解決的嚴(yán)重漏失問題。
 
  (2)在OW904 井順利完成鉆井施工,說明充氣水和泡沫鉆井工藝安全、合理。
 
  (3)充氣水和泡沫鉆井提高了機(jī)械鉆速,減少了鉆頭使用數(shù)量,降低了鉆井成本
 
  (4)地?zé)?/a>井鉆井不同于油氣井鉆井,首先表現(xiàn)在地溫梯度無規(guī)律可尋, 地層溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油氣井的溫度,一旦幾百度的水蒸氣涌出地面,其控制程序完全不同于油氣的控制, 甚至油氣井的相關(guān)控制設(shè)備將會(huì)失效。因此, 不能讓地層里的水蒸氣噴到地面來,必須通過不定期地向井內(nèi)灌入冷水,讓地層保持(4)對(duì)M氣田控縫高壓裂設(shè)計(jì)提出了主要參數(shù)取值建議。