氣侵對鉆井作業的影響=敬忠平1997年10月23日氣侵對鉆井作業的影響敬忠平摘要 南海地區的鉆井活動中，氣侵是一個影響鉆井作業的主要問題之一。尤其是高溫高壓井的鉆井作業過程中發生的氣侵給鉆井作業帶來很大影響。對產生氣侵后所采取的措施的正確與否取決于對氣侵的正確判斷和充分的認識。所采取的措施既要滿足作業的要求，又要確保海上鉆井設施、人員和井下的安全性。因此海上鉆井的氣侵問題相對陸上鉆井來說更具特殊性。問題的提出在南海高壓氣井的鉆井作業過程中，氣侵是一個十分令人傷腦筋的事。如在YC21-1構造中，由于嚴重氣侵，循環時氣測值相當高（一般在1200個單位左右，每50個單位為體積含量的1%），即地面井口泥漿內氣體體積含量為24%左右，有時其峰值高達80%，經多次加重循環，最終泥漿比重與最初泥漿比重差值達0.6g/cm3以上，氣測值仍居高不下，給鉆井作業帶來很大影響，并引出一系列問題： 高壓氣井的壓井泥漿比重的選擇問題； 氣侵的處理及氣侵后的決策問題； 氣侵的安全防范問題；本文就上述幾個問題作一些粗淺的探討并提出相應看法和觀點。氣侵的方式和特點1巖屑中的天然氣在鉆井過程中，隨著巖屑的破碎，天然氣不可避免地侵入井內。2接單根天然氣（CONNECTION GAS）由于接單根時停泵環空總壓力的降低，常常把少量但是很顯著的天然氣帶入井中。3起下鉆天然氣（TRIP GAS）通常與起下鉆的抽汲有關。4泥漿液柱壓力不足以平衡地層壓力而侵入的天然氣。5氣層天然氣由于氣體的擴散性和易溶解性，即使在泥漿液柱壓力超過地層壓力的情況下，氣全也不可避免地侵入泥漿內，其擴散和運動速度都很快，并在從井底向井口運移的過程中，其體積隨溫度和壓力的變化而變化，在井口其體積最大（井口敞開時），天然氣的侵入量還與氣層天然氣的飽和度與氣層的孔隙度有關，飽和度越高，氣侵量越大。氣侵對泥漿液柱壓力的影響氣侵后泥漿性能最顯著的變化就是泥漿下降，有時候這種比重的降低是非常驚人的。如在循環出起下鉆天然氣（TRIP GAS）時，氣測峰值高達3000個單位以上，甚至接近5000個單位，以致于地面儀表不能讀數，即地面泥漿中氣體體積含量超過60%甚至接近100%。這也就是說，這時井口返出的泥漿大部分為氣泡狀或幾乎全是泡沫，并大量涌出轉盤面，出現所謂的假井噴。根據天然氣的特性，天然氣從井底向井口運移過程中，其體積不斷增加，因此，在不同深度下的泥漿比重是不同的。在井口時，由于天然氣膨脹后其體積最大，氣侵后的泥漿比重最低；假設氣體膨脹的等溫過程，并忽略氣體自重，則氣侵后泥漿柱壓力的降低值可用下式計算：- P: 氣侵前后泥漿液柱壓力降低值kg/cm3a: 地面氣侵泥漿比重gs與原泥漿比重gm的比值即H: 井深 mgs：井口環空壓力，kg/cm2gm: 原泥漿比重，kg/cm3以YC21-1井的例，揭開高壓氣層時井深為4647m，泥漿比重1.52，氣侵后測得背景氣（BACKROOUND GAS) 峰值為4000個單位（含量80%）。則：1）氣侵后井底壓力的降低值P2）當量泥漿比重降低值3）壓力降低百分比n由以上計算可以看出，泥漿氣侵后整個泥漿柱的壓力的下降并不嚴重，即使氣侵后泥漿比重僅為原來的20%，即井口泥漿幾乎全是泡沫的嚴重情況下，其壓力下降百分比僅為3.7%，這個壓力下降值也只不過與一般考慮的安全附加壓力相當。如果氣侵后泥漿比重為原來的50%，其壓力降低值是微乎其微的。因此，氣侵后不一定會緊急加重泥漿比重，應首先循環除氣，然后根據地層壓力的大小，酌情加重。最危險的做法是將氣侵泥漿重復使用，而根據氣測值的大小盲目加重又只會導致井漏、井塌，從而又可能導致井噴。如果氣測值經多次循環加重后仍居高不下，應保證在不壓漏地層和使入口泥漿比重過平衡的條件下繼續進行有關作業，如鉆進，起下鉆等。在氣侵條件下對有關鉆井作業的安全評價1鉆井由上所述，氣侵后井口泥漿比重下降很明顯，然泥漿液柱壓力降低值并不大，因此，如果能通過地面除氣設備循環除氣的話，那是最理想的情況。但是這樣循環除氣應盡可能地使鉆頭在井底的條件下進行，否則將人為地制造一個非常高的地層孔隙度的容積環境，使得本來易容解和擴散的天然氣更易侵入泥漿中，從而會造成多次加重循環而氣測值仍居高不下的復雜局面。如果多次加重循環氣測值仍保持一定數值（如在YC21-1-1井中循環加重后氣測值仍在1000個單位左右），由天然氣的特性及相應的計算，我們有理由恢復鉆進，但是必須保證進口泥漿比重大于地層壓力系數而又不致于壓漏地層，同時又必須認真地進行除氣，絕對禁止氣侵泥漿的重復使用，保持進口泥漿比重符合上述記錄。這里，對泥漿比重的要求必須考慮到氣侵后泥漿比重的降低；停泵后當量循環比重的損失；除氣設備的性能及處理量；以及地層破裂壓力安全附加壓力等安全因素。2起下鉆同樣，在上述類似條件下，能否進行下鉆作業或電測作業呢？首先假設已經起鉆且井口是開啟的，井內有一段立柱或嚴重氣侵的泥漿（如圖所示），則其自動外溢的條件是：Ym hX: 井下氣柱高度或嚴重氣侵泥漿柱高度m xh: 未氣侵泥漿高度m x Ym：原泥漿比重g/cm3 X即在停泵后泥漿自動外溢的條件是氣柱高度或嚴重氣侵泥漿高度超過井深一半以上時，泥漿稍一流出就會井噴。一般認為，起鉆后停止循環期間要積聚這樣大量的氣柱是不大可能的。既然如此，這就增加了起鉆的安全性，這也就是說：即使起鉆時由于抽汲作用將部分天然氣帶入井內形成氣柱或一段嚴重氣侵泥漿，還不致于在短期內造成自動外溢的危險，因此必須考慮氣柱上升運動的情況，即下鉆后循環排氣時可能發生的危險（氣柱以上泥漿全部噴條件）： 3)Ymh 4) 5)Ymx1：泥漿開始外 溢時氣柱或嚴重氣侵泥漿柱的高度m h1：泥漿開始外溢時氣柱上面未氣侵泥漿柱的高度mx ：井下積聚的氣柱或嚴重氣侵泥漿柱高度mh ：氣柱上面未氣侵泥漿柱高度m Ym：原泥漿比重g/cm3仍以YC21-1-1井為例，H=4647m，泥漿比重后加重至Ym=1.54，設X=10m（氣柱高度）由以上幾個公式分別得出x1=215m h1=210m I=4223m即當氣柱或嚴重氣侵泥漿在循環時上升至井深H=X1+H1=425 m時就會自動外溢，由于425米長的液柱壓力的損失，當量泥漿比重的降低值y=0.14g/cm3剩余泥漿當量泥漿比重y=ym-y=1.40g/cm3遠遠低于揭開氣層時的泥漿比重ym=1.52g/cm3，故很有可能誘發井噴。因此，因電測作業或換鉆頭起鉆后，由于長期停泵，積聚在井底的氣柱或嚴重氣侵的泥漿在下鉆后循環時上行膨脹，至一定井深后會外溢噴出，這在高壓氣井的鉆井作業中已多次發生，所以要引起高度重視。為防止自動外溢后造成氣體再次侵入或井噴，可考慮如下幾個措施：1）起鉆前在裸眼內漏層以下打重晶石塞由于重晶石塞的粘度和節力都比較，且會沉淀，在井內會形成一個堅固的重晶塞子。且由于失炎可能造成井壁剝落形成橋堵，更重要的是，重晶石塞的密度大，又注入套管鞋以下的某一易漏失處下方，其液柱壓力的增加可大大地抑制天然氣的侵入及其膨脹上升，有助于控制地層壓力，極大地增加了起鉆后的安全因素。2）下鉆后關閉防噴器循環出氣柱或嚴重氣侵泥漿對于這種循環，可視之為套管為零的壓井作業，在這種情況，尤其要注意井底氣柱上升膨脹時的套管壓力的變化，以防止壓漏地層可通過調節阻流器，在保證泵速不變和鉆桿壓力不變的情況下進行循環，使最大套壓不能超過最大允許套管壓力。結論綜上所述， 氣侵雖然是一種危險而又復雜的情況，但只要充分地，正確地認識天然氣的特性及其運動規律，氣侵的問題也可以得到控制。由此可以回答本文開始提出的幾個問題：1氣侵后壓井泥漿比重的選擇應主要以平衡地層壓力為原則而不應僅僅以氣測值的大小為依據。2在氣井的鉆井作業中，氣侵是永遠不可避免的，尤其