雾化泡沫钻井技术与装备.doc

雾化/泡沫钻井技术与装备
李益良
（中国石油勘探开发研究院机械所）

摘 要
气体钻井由于循环介质的比重大大低于泥浆，利用气体钻井的特点，在油气田勘探开发中可以大幅度降低成本、提高产量、提高勘探开发总体效益。
本文主要针对气体钻井中的雾化/泡沫钻井技术与装备进行系统的分析，从气体钻井的分类、雾化泵的应用环境、钻井工艺对雾化泵的性能要求以及中国石油勘探院雾化泵装置的结构特点、控制方式、试验情况进行介绍。

一．气体钻井的分类
气体钻井按照钻井介质的气液相比例分析可以分为：
1．干气体钻井
干气体钻井又称为气体粉尘钻井，它是干燥、坚硬岩层的最佳循环介质，钻屑由极高的环空速度通常达到900米/分钟）带出井眼。由于钻屑的携带能力取决于气体的流速，在超大井眼的情况下，气体总流量的需求变得非常大以至于很难满足要求。
干气体钻井的主要优点：
1) 气体的密度低，形成的欠平衡钻井特别适合于低压、衰竭的油气层；
2) 对储层的伤害小，有利于发现和保护油气层，增加油气的产量，特别适合钻水敏性地层；
3) 可以大幅度提高钻速；
4) 可以有效地解决井漏问题，适合于带有裂缝的灰岩储层；
干气体钻井的主要缺点：
1) 不适合于含水量大的地层；容易发生泥包、泥饼环等，严重时发生卡钻；
2) 干气体钻井对井壁的支撑力最低，尤其是水层、水敏性地层同时存在时容易出现井眼不稳定现象；
3) 携带岩屑能力差，特别是水平井段。

2．雾化钻井
雾化钻井是指在气流中加入发泡剂和少量的水，通常应用在不适合干气体钻井的地层中，雾化钻井的环空速度也要求较高，最高达到900米/分钟以维持有效的携带钻屑能力，为了达到这样的速度，而介质中又含有部分液相成分，气雾钻井所需的气体量比干气体钻井还要多40％。
雾化钻井的主要优点：
1) 可以带出地层的出水，在保证环空流速900m/min情况下，地层出水量最大允许到5m3/h；
2) 可以防止泥饼环的产生；
3) 机械钻速高，可以提高单只钻头的进尺，降低钻井作业时间；
4) 可以最大程度地减少对低压地层的损害；
5) 可以消除低压漏失层的钻井液漏失、卡钻

雾化钻井的主要缺点：
1) 增加了注气量，比干气体多40％；
2) 携带地层出水的能力有限；
3) 不能有硫化氢；

3．泡沫钻井
泡沫钻井中的泡沫是在地面预先合成，作为钻井循环介质，钻屑悬浮在泡沫中被泡沫钻井液带出井筒达到清洁井眼的目的。由于泡沫钻井液良好的携屑能力，环空速度要求大大降低，同时井眼冲蚀也减少。由于气体需求相对减少，对气体供应设备的需求也大大减少。
泡沫钻井的主要优点：
1) 需要的气体量较少；
2) 携带岩屑的能力强；
3) 可以允许的地层出水多，最大允许到10m3/h；
泡沫钻井的主要缺点：
1) 增加了发泡液等处理剂的成本；
2) 硫化氢的控制问题；
3) 井口返出液的排放问题；
4) 部分泡沫剂对地层原油及盐水的敏感问题。

二、雾化/泡沫钻井设备配套
雾化/泡沫钻井的地面配套设备包括空压机、增压机、雾化泵、注入控制管汇、旋转防喷器等。雾化泵为气体钻井专用装置，它为气体钻井中的雾化钻井及泡沫钻井提供高压及指定流量的基液。
雾化泵的基液来自混液罐，基液加压后输入高压气体管线，要求对其输出的基液压力及流量进行测量及控制。
下图为雾化泵在整个气体钻井工艺流程中的位置。

三、雾化泵系统参数选择
空气钻井中雾化钻井、泡沫钻井作业专用的基液计量供应装置（雾化泵）一般组装成一个撬，包括三缸泵、变频电机+变频器（或发动机＋变速箱）、管汇、操作控制柜等。整套系统可以就地启停，排量可随时调节，显示输出的压力、流量参数。
雾化泵装置的工作介质为清水或者清水与发泡剂、增粘剂的混合液，一般表现为碱性。如：水+0.3~0.5%高粘CMC+0.5~1.0%发泡剂SPS+NaOH或者水+0.3~0.5%高粘CMC+0.8~1.5%发泡剂SPS+NaOH。
雾化泵系统要求防爆或者隔爆以满足石油井场环境要求，系统的输出流量、压力应该满足气体钻井的要求。

四、雾化泵流程
雾化泵装置利用三缸柱塞泵作为主泵，主泵入口设置一个过滤器，基液取自混液罐。
三缸泵出口设置一个调压阀作为三缸泵最高输出压力设置部件，当系统的压力超过调压阀的设定值时，此阀打开直接将高压液体溢流至低压管线。
在三缸泵的出口安装有流量计，用以计量雾化泵的排液量。
主泵输出口还安装有单向阀，以保证高压气体管线的气体不会倒灌至基液泵的回路。同时还安装一个手动截止阀使人可以人为切断雾化泵与空气增压机系统的联系。

五、雾化泵的流量控制
主泵的每转排量由冲程及柱塞直径所确定，在不更换柱塞的条件下，忽略输出压力的变化，理论上泵的转速确定了主泵的输出流量。
由于主泵的转速偏低，最高一般在3～400rpm。所以原动机与主泵之间必须采用减速装置，可以是皮带或者齿轮箱。
改变主泵驱动轴的转速即可实现控制雾化泵输出流量的效果，主泵的驱动可以采用电动机或者发动机。
1．交流变频
交流电动机采用变频控制器进行调速结构简单，可以实现主泵转速在较大范围的变化。但是变频控制对环境要求相对较高，环境温度为－10℃～50℃，要求周围没有可燃气体、腐蚀气体、油雾、尘埃等，价格也偏高。还有一个重要的考虑因素是钻井井场的电源提供能力。
2．柴油机驱动
柴油发动机作为雾化泵的动力源也是控制雾化泵转速的一个选择方案，柴油发动机的转速一般在1500rpm左右，通过减速箱及变速箱可以调节雾化泵的转速，但是由于机械调速的局限性，造成系统的输出不能无缝无级调速，可以设定为数档，再加上发动机的调速器控制，基本可以满足雾化泵对排量变化的需求。

六、雾化泵的应用实例
中国石油勘探开发研究院机械所自2004年开始雾化泵的研究与开发，于2004年10月研制出第一台雾化泵装置，并且成功在玉门青西油田得到应用，勘探院机械所研制的雾化泵具有输出压力、流量可以无级平滑调节的功能，是空气钻井的专用设备，性能完全达到国内油田雾化/泡沫钻井的需求。
目前已经形成了WHBJ-01型及WHBJ-02型两种雾化泵定型产品，完成了四套雾化泵的加工，进行了四口井、四套雾化泵装置的现场试验及应用。
下图为玉门青西油田窿14井井场布置图及实景。

窿14井采用空气钻井，在二开初期（1400米左右）就遇到井底出水。开始采用干空气钻井，由于窿14井的地层为砂岩夹杂泥岩，泥岩遇水后造成干空气钻井的最大问题泥饼环及返屑困难。
2004年11月6日井深为1456.63米，现场利用勘探院机械所研发的雾化泵注入发泡胶液，转换为雾化钻井，砂子返出正常。
下图为干空气钻井返屑困难与雾化钻井返屑顺畅时的照片对比。

排砂口返屑顺畅
排砂口返屑困难

从井深1456米开始至2500米窿14井一直采用勘探院研发的雾化泵进行雾化钻井。雾化泵累计工作时间30天，平均输出流量为27 l/min。

下图为勘探院机械所的雾化泵在油门青西油田应用的现场照片。

雪后的窿14井井场 阳光下的雾化泵

2005年勘探院机械所在第一套雾化泵现场试验应用的基础上吸取经验，按照中国石油集团公司的要求及四川油田现场的需求进行第二台雾化泵的设计和研制，在系统功能、操作实用性、可靠性等方面对雾化泵系统的进行改进设计。

雾化泵平面布置图

2005年4月25日将改进后的雾化泵装置运抵四川油田七里北101井现场。
四川油田川东雷17井采用雾化泵进行泡沫钻井作业，目的是提高表层钻速，泡沫钻井井段为20～400米。
2005年10月5日WHBJ-01型雾化泵运抵雷17井井场，8日开始雾化泵的安装调试，11日开始使用雾化泵进行泡沫钻井，期间雾化泵使用的参数为压力4MPa，流量160L/min。
2005年6月勘探院机械所按照长庆油田的需求对现有的雾化泵装置又进行新的设计，实现了计算机远程控制，研制出第三套WHBJ-02型计算机自动监测控制的雾化泵装置。

雾化泵专题还在第一套数码显示控制系统的基础上开发出以工业组态软件为平台，在windows2000环境下，具有实时监控、数据采测、报表打印、数据查询等功能的雾化泵监测控制计算机软件。
下图为计算机远程控制的雾化泵系统远程操作平台图：

WHBJ-02型计算机自动监测控制的雾化泵装置9月在苏里格气田苏6-11-8井进行气体钻井现场应用。