空气钻井过程中燃爆异常的录井监测探讨

0 引 言

空气钻井是当前较为先进的钻井工艺,采用压缩空气代替常规钻井液,具有流量大、流速快的特点,在实钻中快速将钻头破碎岩屑携带返出地面,相对于常规钻井,其优势主要表现在能有效提高机械钻速、降低钻井周期、节约钻井成本、发现和保护油气层、减少或避免井漏等方面^[1];空气钻头对井底岩石的高频冲击、破碎效果明显,对硬度大、可钻性较差的地层适用性较好。近些年,准噶尔盆地石炭系、二叠系的火成岩裂缝型储集层一直是勘探的主要层系,钻遇的岩性主要为凝灰岩、安山岩、火山角砾岩、流纹岩等火成岩^[2],该类岩性致密、硬度高,常规钻井机械钻速低,建井周期比较长,投资成本高。在这些背景条件下,空气钻井技术凭借其独到的优势得到建设方的高度重视,并在该区块得到重点应用。

但是由于在空气钻井过程中,如果钻遇较好的油气层,空气与油层气体混合物在井下可能存在的多种点火源的作用下,极易发生井下燃爆故障,这是当前空气钻井过程中存在的一大难题。为了准确监测空气钻井中的燃爆异常,有效规避井下作业风险,本文以准噶尔盆地一口评价井在空气钻井过程中产生燃爆异常,进而造成断钻具的事故为例,对发生异常事故时的录井资料(岩性、工程参数、气测数据等)进行分析,从录井角度加强对空气钻井条件下发生燃爆异常的认知,并提出较为全面的监测、控制燃爆异常发生的对策。

1 X井空气钻井燃爆异常事例

X井是准噶尔盆地部署的一口重点评价井,钻探目的是了解石炭系及二叠系油气情况,设计井型为直井,设计井深为4 500.00 m。空气钻井技术主要应用在该井的二开、三开井段(258.002 977.65 m),自井深258.00 m开始使用空气钻井,二开井段采用ϕ311 mm空气钻头进行钻进,钻至井深2 496.00 m后,因地层出水,转换为钻井液钻井;在三开之后,自井深2 593.00 m继续使用空气钻井工艺钻进,使用的钻具结构为:ϕ 216 mm钻头+减震器+单流阀+ϕ 158.8 mm钻铤1根 +ϕ 158.8 mm无磁钻铤1根+ϕ 158.8 mm钻铤16根+转换接头+ϕ 127 mm加重钻杆15根+ϕ 127 mm钻杆+方钻杆。

该井在三开钻井过程中因地层出水转为雾化空气钻进,当钻至井深2 977.65 m(二叠系佳木河组)出现钻具钻压急剧下降现象,气测值也出现异常升高,全烃值由0.07%涨至31.18%,C₁由0.04%涨至6.53%,C₂由0.009%涨至0.953%,C₃由0.007%涨至0.752%,iC₄由0.001%涨至0.172%,nC₄由0.003%涨至0.298%,iC₅由0.002%涨至0.108%。在气测值出现异常期间,CO₂含量由0.1%迅速上涨至14.35%,工程参数立管压力由3.1 MPa 上升至3.6 MPa。钻井施工方将空气钻井转换为钻井液钻井后,起钻发现随钻震击器本体断裂并落入井底,井底落鱼结构:牙轮钻头0.23 m+双母接头0.84 m+单流阀0.61 m+随钻震击器剩余部分0.75 m,鱼长2.43 m。后期用卡瓦式打捞筒打捞出井底落鱼。

综合各项资料分析认为,在井下2 977.65 m附近发生了井下燃爆异常,造成断钻具情况的发生。

2 X井燃爆事例的录井角度分析

2.1 岩屑显示情况分析

通过返出岩屑来看,X井在井深2 977.65 m处返出的岩屑较为混杂,有上部钻遇的褐灰色安山岩、灰色火山角砾岩、灰色凝灰岩等,但主要岩性为灰色流纹岩(图1)。从地质角度看,灰色流纹岩为本段地层的真实岩性,分析认为,其他几种岩屑均为因燃爆从上部地层振动,脱落至井底。燃爆点附近地层的流纹岩岩石气孔、裂缝发育,多被灰黑色原油所充填,岩石表面可见一定的燃烧痕迹。通过岩石热解分析(图2)、饱和烃气相色谱及定量荧光等分析手段对该层油气显示进行分析得出,该层为一套含油丰度较高的中质偏稠油层,含少量的轻质组分,且油层中有一定的伴生甲烷气,与空气混合后,极易达到燃爆条件。

2.2 工程参数分析

X井三开之后使用空气钻井工艺,当钻至井深2 977.65 m时,现场录井监控到工程参数立管压力由3.1 MPa涨至3.6 MPa,提示钻井施工方井下可能有异常情况发生。钻井施工方决定替换空气钻井为钻井液钻井,处理好井下情况后起钻。起钻后发现,钻具自随钻震击器本体处断裂,且断口处附近有明显烧蚀痕迹。成功打捞出井下落鱼并在现场对落鱼(图3)进行细致观察后发现,起出的随钻震击器下部断掉的位置与落鱼鱼顶随钻震击器顶端岔口无法完整重合,判断认为在燃爆作用下,随钻震击器薄弱部位被炸断,脆弱部位被炸成一些碎片。起出落鱼后再次下入强磁打捞工具,打捞出了这部分碎片。进一步观察打捞出的三牙轮钻头,其外径没有明显的磨损,钻齿都是整体脱落,其中切削齿脱落34颗,保径齿脱落53颗。观察中还发现有一只切削齿由于闪爆震动,即将脱落。分析认为,井下燃爆的强振动是造成钻头出现该类破坏现象的首要原因。

2.3 气测参数分析

X井三开之后,使用空气钻井方式钻进至井段2 977.08~2 977.65 m时,钻压明显下降,瞬时钻时变快,现场判断钻遇裂缝发育带,预测此段地层可能会有油气显示。如图4所示,04:17时气测见显示,04:23时气测全烃值达到最高峰31.18%,04:30时气测全烃值回落至0.90%,在此期间伴随CO₂出现,04:35时CO₂值达到最高峰14.35%。

2.3.1 气测组分分析

现场录井第一时间对2 977.00~2 977.65 m井段的油气显示进行落实,经对气测、岩石热解分析、热解气相色谱及定量荧光等录井资料进行分析,确认该井段钻遇油气层。对气测组分进行深入分析后发现,在刚钻开油层时,气测全烃中C₁占比为21.00%,C₂占比为3.06%,转换为钻井液循环测后效发现,三次测后效结果显示,全烃中C₁、C₂占比程度均比刚钻遇油气层时的占比高,其中C₁的占比为38.54%~51.88%,C₂占比为6.47%~9.28%(表1)。经对比可知,后效结果中的C₁和C₂含量占比明显高于刚钻遇油气层时所检测的C₁、C₂含量占比,这显然与实钻中显示情况不相符。空气钻井采用的是无固相钻井,与常规钻井相比,立压较低,可以有效的保护裂缝型油气层。采用该工艺钻井情况下,刚钻遇油气层时录井所监测到的气测组分比较齐全,且C₁、C₂等轻组分含量占比理论上较高,而本井刚钻遇油气层时的C₁、C₂含量占比明显低于测后效过程中C₁、C₂含量占比。分析认为,据气体燃烧理论判断,C₁与C₂更易与空气混合后发生燃烧,所以现场判断,当采用空气钻井刚钻进至油气层时,井下油气层溢出的易燃气体与空气混合,发生燃爆异常,C₁、C₂发生一定量的燃烧,进而造成刚钻遇油层时检测的全烃组分含量较低的结果。

2.3.2 CO₂分析

油层气体与空气燃烧后产生CO₂气体,所以CO₂是判别空气钻进过程中井下是否发生燃爆异常的一个重要参数。X井在井深2 977.65 m钻遇油气层后,气测见显示,气测全烃值达到最高峰31.18%,之后回落至0.90%,在此期间伴随CO₂出现,CO₂值最高峰达到14.35%,最后CO₂值回落消失。

从岩屑显示情况分析可知,本层油气显示的岩屑岩性为灰色油斑流纹岩。为了核实本井CO₂气体来源,现场录井对井深2 977.65 m以上井段的岩屑进行了碳酸盐岩分析(表2)。分析结果显示,该段地层中可产生CO₂气体的CaCO₃及CaMg(CO₃)₂含量极低,可以忽略不计,可证实本井出现的CO₂气体并非所钻地层自身携带。

进一步从录井工程监测图上分析可知(图4), CO₂出现的时间较全烃异常出现的时间晚3 min,CO₂高峰出现时间较全烃达到高峰时间晚12 min,且在气测全烃快速上涨过程中出现了一次短暂回落,该时间点正好是CO₂开始出现的时间,此时实测的迟到时间为8 min。经时间分析可知,钻达油气显示层时间、气测全烃异常时间、迟到时间三者吻合,但CO₂出现异常的时间与三者相差较大,可进一步判断CO₂不是地层内所含气体。最终分析认为,本井出现的CO₂气体为空气钻井过程中井下油层气与空气混合燃爆后所产生。因此,通过对发生异常井段的CO₂气体进行分析,可进一步确定井下发生燃爆异常。

2.4 测井资料分析

X井在钻至井深3 349.15 m后进行了中完测井。通过测井曲线可以看出(图5),燃爆点附近井段自然伽马曲线较为平直,该段岩性主要为安山岩、火山角砾岩以及流纹岩,属于火成岩,硬度高,不易造成扩径,而井径曲线显示,井段2 890.00 ~2 977.65 m井径严重扩大,在长为87.65 m的井段平均井径扩大率为45%,最大井径扩大率达100%,其所在井深2 977.00 m正位于油层段2 977.00~2 977.65 m上方,扩径井段声波、中子、密度测井数值均出现严重失真情况。

综上分析认为,在空气钻井过程中,岩屑与水混合极易在井壁周围形成滤饼环,当该滤饼环发展到一定程度后,就会像一个密封圈一样围绕着钻柱周围并堵塞环空气流的循环流通,从而使天然气与空气聚积在滤饼环与钻柱形成的“密封舱”内,随着注入的天然气压力不断升高,气体的温度也快速提升,当温度达到了混合气体的燃爆点后,在井下火星的作用下,则易发生井下燃爆^[3]。综合以上各项资料分析认为,X井在刚钻遇油层段时,油层气中C₁、C₂等与空气混合后,快速聚积在滤饼环与钻柱所形成的“密封舱”内,并很快达到燃爆点,在井底火星的作用下,发生了井下燃爆异常,从而导致井下断钻具异常事故。

3 结论与建议

3.1 结论

(1)X井在井段2 977.002 977.65 m处钻遇裂缝发育带,岩屑颜色较杂,岩性主要为灰色流纹岩,岩石硬度中等,气孔、裂缝较发育,岩石表面可见燃烧痕迹,可作为判断井下发生燃爆的岩屑显示依据。

(2)据起出落鱼观察得出,因井下发生燃爆异常,造成三牙轮钻头的保径齿及切削齿脱落,使减震器较为脆弱的部位被炸断,从而发生断钻具事故,可作为判断井下发生燃爆的工程识别依据。

(3)X井在井段2 977.002 977.65 m油气显示较活跃,钻时快,气测值高。流纹岩中的气孔及裂缝都被褐黑色的原油所充填。该油层段油质中质偏稠,气体组分以C₁、C₂为主。C₁、C₂与空气混合后发生燃爆,部分C₁、C₂被燃烧所消耗,导致本井刚钻遇的气体组分中C₁、C₂占比相比于后效中C₁、C₂占比明显要小,可作为判断井下发生燃爆的气测显示依据。

(4)通过岩屑样品碳酸盐岩分析结果验证得出,X井发生燃爆井段可产生CO₂气体的CaCO₃及MgCO₃含量极低,可以忽略不计,可证实该井出现的CO₂气体并非所钻地层自身携带。该CO₂气体是井下地层中的C₁等轻烃气与空气混合,发生燃爆之后所产生,可作为判断井下发生燃爆的CO₂气体识别依据。

(5)X井发生燃爆井段地层岩性属于火成岩,不易扩径,但通过测井资料可以看出,燃爆处井径扩大率特别明显,井下燃爆所产生的巨大作用力造成了该井段井径扩大,可作为判断井下发生燃爆的测井识别依据。

3.2 建议

(1)通过多项录井资料分析可知,空气钻井在钻遇油气层段发生井下燃爆异常的概率很大,因此在空气钻井段提前预测油气层的位置至关重要。在使用空气钻井之前,应该加强地层对比、油层对比,并加深对地震资料的了解,提前预测油层所在井深、裂缝发育带等资料,从源头为空气钻井安全钻进把关。

(2)在空气钻井过程中,应当加强空气循环流通,降低混合可燃物的浓度,同时控制钻具下放速度,以降低钻具与井壁摩擦所产生的高温及火花,井口也应该装置检测井筒温度的设备,便于了解井下温度变化情况,从点火源上控制井下燃爆的发生。

(3)当使用空气钻井钻遇较好油气层时,由于油层气体混合物和氧气的存在,且井底钻头与地层研磨的温度较高,燃爆情况发生概率性极大,现场录井应当做好异常监控工作。主要关注悬重、立压、气测含量等参数变化,尤其是气测全烃和CO₂含量的变化^[4],及时提醒施工方,调整相应的钻井参数及钻井方式,确保井下施工安全。

(4)在使用空气钻井时,建议引进井下工具“灭火短节”,即钻柱防火接头。这是一种低熔点合金制造的阀件,即灭火浮阀,阀内装有一个锌质环,在正常情况下,循环的空气流动压力使弹簧瓣向下张开,允许空气循环通过,一旦环空着火,温度上升,当超过设计温度时,低熔点合金锌环熔化并使衬套封住空气通道,关闭阀门,停止向井底循环补充空气,从而切断气源使火熄灭^[5]。该项技术已经在国外成熟应用,能够在井下燃爆发生时自动切断气体混合通道,防止二次燃爆的发生,但在国内应用并不成熟,建议在以后的空气钻井施工中配置该设备。

(5)建议在空气钻井井段引入钻柱振动声波录井技术(DVL),DVL技术主要是通过安装在钻柱顶部的振动声波测量卡箍,随钻实时接收地层井下所产生的振动声波信号,结合信号滤波、放大和特殊处理,实时给出岩性变化及井下安全情况的频谱图和相应的计算参数曲线^[6]。该项技术可实时监测井下通过钻柱传递至井口的振动声波频率,由于空气钻井过程中井下燃爆会产生巨大的能量,在井下燃爆发生时,井下所产生的振动声波频率较正常钻井时的频率有所加强,通过实时监测这一参数的变化,可以第一时间发现井下燃爆并及时控制。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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[1]	韩铁明. 空气钻井条件下的录井技术 [J]. 录井工程,2014,25(2):31-33,47. [本文引用: 1]      HAN Tieming. Mud logging technology under air drilling [J]. Mud Logging Engineering,2014,25(2):31-33,47. [本文引用: 1]
[2]	孟凡超,操应长,崔岩,等. 准噶尔盆地西缘车排子凸起石炭系火成岩储层成因 [J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(5):22-31. [本文引用: 1]      MENG Fanchao,CAO Yingchang,CUI Yan,et al. Genesis of carboniferous volcanic reservoirs in Chepaizi salient in western margin of Junggar basin [J]. Journal of China University of Petroleum(Natural Sciences Edition),2016,40(5):22-31. [本文引用: 1]
[3]	张林,余代银,许期聪,等. 空气钻井井下燃爆事例分析 [J]. 天然气工业,2008,28(5):53-54. [本文引用: 1]      ZHANG Lin,YU Daiyin,XU Qicong,et al. Down hole explosion cases occurred during air drilling [J]. Natural Gas Industry,2008,28(5):53-54. [本文引用: 1]
[4]	张瑞强. 川东北工区元坝4井空气钻井录井成果及经验 [J]. 西部探矿工程,2010,22(9):65-68. [本文引用: 1]      ZHANG Ruiqiang. Results and experience of air drilling in Yuanba 4 well in northeast Sichuan work area [J]. West-China Exploration Engineering,2010,22(9):65-68. [本文引用: 1]
[5]	李铁成,刘东峰,胡建均,等. 川东北地区空气钻井燃爆分析与预防 [J]. 天然气工业,2009,29(5):78-81. [本文引用: 1]      LI Tiecheng,LIU Dongfeng,HU Jianjun,et al. Analysis and prevention of air drilling explosion in northeast Sichuan area [J]. Natural Gas Industry,2009,29(5):78-81. [本文引用: 1]
[6]	高岩,武凤旺,梁占良. 钻柱振动声波录井技术方法及应用实例 [J]. 录井工程,2009,20(1):1-7. [本文引用: 1]      GAO Yan,WU Fengwang,LIANG Zhanliang. Drill string vibro-acoustic logging method and application examples [J]. Mud Logging Engineering,2009,20(1):1-7. [本文引用: 1]