一种气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油天然气钻井、地质勘探以及矿山钻探等技术领域中的一种气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法。
【背景技术】
[0002]气体钻井是目前钻速最快、最经济的钻井方式之一，具有钻井液钻井所不具备的诸多优点。以气体作为循环介质，一方面能够大幅提高钻井机械钻速、单只钻头的钻进进尺；另一方面作为循环介质的气体密度低，对井眼形成的压力相对较低，能够有效解决长裸眼段低压破碎性地层的钻井液井漏等复杂问题；同时在预防压差卡钻、发现和保护低压产层以及环保等方面均具有明显的技术优势。四川元坝地区、新疆准噶尔盆地的钻井实践表明，在相同井段应用气体钻井，与常规钻井相比钻井速度可提高3~10倍。
[0003]根据气体钻井的现场实际应用情况，地层出水是影响气体钻井安全施工的最大隐患。地层出水后，可导致钻屑因潮湿附着于钻柱上形成泥包或泥饼环，引起井眼缩小、循环阻力增大、井壁垮塌、卡钻等复杂情况的发生，从而制约了气体钻井新技术的应用。因此有效治理地层出水是保证气体钻井新技术推广应用的关键技术保障。
[0004]由于井筒气柱压力远远低于地层孔隙压力，气体钻井过程中经常遇到地层出水的问题。现场经验表明，通常情况下当地层出水量很少(3-5 m3/h)时，可以通过雾化钻井或泡沫钻井技术将地层水携出，一般不影响气体钻井；然而当地层出水量较大时，过量的水与钻屑、井壁岩石发生作用，将导致粘土分散、膨胀，井壁失稳等现象的发生，严重时钻柱扭矩和注气压力明显升高，甚至发生卡钻等复杂事故，同时泡沫钻井的应用会带来井场大量泡沫污水的环保处理问题。因此现场施工过程中，当地层出水量较大时，基于井下安全和环保方面的考虑，不得不中止气体钻井，通常转换为常规钻井液继续钻井，然而转换为常规钻井液钻井后，钻井速度与气体钻井相比会大幅度降低，同时严重的井漏及其他复杂情况常常随之发生。
【发明内容】
[0005]本发明是针对现有技术存在的的问题，提供一种有效解决气体钻井过程中的地层出水问题的气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法，达到减少甚至安全控制地层出水，延长应用气体钻井施工的时间，缩短钻井周期、确保井下安全、降低钻井综合成本、加快勘探开发速度的目的。
[0006]本发明的技术方案:
本发明的气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法是基于现有气体钻井工艺和设备的基础上进行改进的，包括:当气体钻井期间发现地层出水时，调整钻进作业速度，将气源气体经过冷凝降温至零度以下，以低温气体作为循环介质通过钻杆注入井内；当低温气体抵达出水位置后，上返的低温气体在对出水位置井壁实施冻结的同时，将环空中分散的地层水冻结成颗粒状固态冰和钻屑携带至地面；该过程直至钻头穿过出水层后，气体钻井不再出水，恢复正常气体钻井过程。
[0007]上述方案进一步包括:在气源部分的入井气体管路上增设冷凝器和温度检测器，在气体钻井排砂管线处安装湿度传感器和温度传感器，并将输出信号与综合录井仪联机，通过温度和湿度监测结果，控制低温气体注入温度和判断环空中地层水是否完全冻结成固态冰。
[0008]上述方法中的钻杆采用高强度低温钻杆，所述的低温气体选用的是经过低温处理的空气或者氮气，并且低温气体温度不得低于超低温钻杆的最低安全使用温度。
[0009]上述方案中空气和氮气的选用根据地层出水情况进行选择，对于非出水地层可选用空气，也可选用氮气；对于出水地层优选选用氮气。对低温气体温度的控制根据出水地层出水量优选在_5°C至-25°C之间。
[0010]本发明通过采用低温气体将出水位置处井壁冻结成临时加固体和将环空中分散状的地层水冻结成冰的过程是伴随整个气体钻井同步发生的，可以迅速、有效地将进入井筒的地层水以固态冰的形态携带至地面，从而避免常规气体钻井条件下地层大量出水进入井筒后引起的泥页岩吸水膨胀、井壁垮塌、钻具卡钻等复杂情况的发生，最大限度地延长气体钻井的施工井段，大幅度缩短钻井周期；同时使用该方法不会带来井场大量泡沫、污水或者废泥浆等环境污染问题。
【附图说明】
[0011]图1为当气体钻井过程中发现地层出水后，实施冻结处理的现场主要设备布置示意图；图中包括:空压机1、膜制氮装置2、增压机3、冷凝器4、入井气体温度检测装置5、超低温钻杆6、排砂管线7、湿度传感器8、温度传感器9、沉砂池10。
[0012]图2为正常的气体钻井施工TJK意图；
图3为气体钻井期间钻遇出水地层时的施工示意图，经环空返回的钻屑量明显减少； 图4为气体钻井期间发现地层出水后，实施冻结处理的施工示意图；
图5为钻穿出水层后的气体钻井施工示意图；
图6为本发明的钻井工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明做进一步说明:
本发明提供一种气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法，具体实施过程为:
(1)钻遇出水地层之前，实施常规的气体钻井，此时环空中主要为气体和钻屑，见图2所示；
(2)当气体钻井钻遇出水层时，初始钻屑返出出现粘结现象，钻屑量明显减少，说明地层出水，见图3所TK ;
(3)当发现地层出水后，首先完成井场冷凝器4、入井气体温度检测装置5、湿度传感器8和温度传感器9的安装以及井内超低温钻杆的更换，然后开始实施气体钻井地层出水的冻结处理钻井技术:空气分别经空压机I初步加压、膜制氮机2 (氮气钻井时使用)分离、增压机3加压得到高压常温空(氮)气，再经冷凝器4冷凝处理、入井气体温度检测装置5实时监测，得到高压低温的空(氮)气后进入超低温钻杆6，其中低温气体温度不得低于超低温钻杆的最低安全使用温度。当低温气体抵达出水位置时，携带进入井筒的地层水和钻屑沿环空向上运移，上返过程中通过吸收出水地层井壁热量逐渐将其冻结成临时加固体，可以防止此后继续出水；同时通过吸收进入井筒环空的分散状地层水热量将其迅速冻结成固态冰，并携带至地面，然后通过排砂管线7进入沉砂池10 ;在此期间，可以利用安装在排砂管线7内的湿度传感器8和温度传感器9实时监测环空中地层水的形态，从而保证气体钻井地层出水冻结处理钻井技术的成功实施。如图4所示，该项技术实施过程中，环空中主要为低温气体、钻屑和固态颗粒状冰的混合物。
[0014](4)钻穿出水地层后，随着该项技术的继续实施，整个出水地层井壁将逐渐冻结成完全的临时加固体，此后气体钻井期间不再出水，井筒环空中主要为低温气体和钻屑，见图5所示。
[0015](5)钻井完成出水地层段后，恢复为常规气体钻井工艺流程。
【主权项】
1.一种气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法，基于常规气体钻井设备和工艺基础上，当气体钻井期间发现地层出水时，调整钻进作业速度，将气源气体经过冷凝降温至零度以下，以低温气体作为循环介质通过钻杆注入井内；当低温气体抵达出水位置后，上返的低温气体在对出水位置井壁实施冻结的同时，将环空中分散的地层水冻结成颗粒状固态冰和钻屑携带至地面；该过程直至钻头穿过出水层后，气体钻井不再出水，恢复正常气体钻井过程。2.根据权利要求1所述的气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法，其特征在于:在气源部分的入井气体管路上增设冷凝器和温度检测器，在气体钻井排砂管线处安装湿度传感器和温度传感器，并将输出信号与综合录井仪联机，通过温度和湿度监测结果，控制低温气体注入温度和判断环空中地层水是否完全冻结成固态冰。3.根据权利要求1或2所述的气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法，其特征在于:上述方法中的钻杆采用高强度低温钻杆，所述的低温气体选用的是经过低温处理的空气或者氮气，并且低温气体温度不得低于超低温钻杆的最低安全使用温度。
【专利摘要】本发明涉及一种气体钻井过程中地层出水的冻结处理方法，当气体钻井期间发现地层出水时，将经过冷凝的低温气体作为循环介质通过钻杆注入井内，并当抵达出水位置时携带进入井筒的地层水和钻屑沿环空返回井口；其中上返的低温气体在对出水位置井壁实施冻结的同时，将环空中分散的地层水冻结成颗粒状固态冰，并携带至地面。该方法可以最大限度地延长气体钻井的施工井段，保持高效、安全、快速的钻井速度，同时避免转换为泡沫钻井过程中带来的污水或废旧泥浆的环境污染问题。
【IPC分类】E21B7/18, E21B17/00, E21B36/00
【公开号】CN105507811
【申请号】CN201410506073
【发明人】赵洪山, 冯光通, 王宗刚, 于海叶, 李琳涛, 夏文安, 徐云龙, 白立业
【申请人】中国石油化工集团公司, 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2014年9月27日