伊朗空气泡沫钻井钻具保护技术

伊朗空气/泡沫钻井钻具保护技术长城中油钻井液分公司刘德胜作者简介 刘德胜，高级项目师，1958年生，1982年毕业于西南石油学院 开发系油田化学专业。一直从事钻井液技术研究与应用。现任长城中油钻井液 公司市场作业部经理、总经理助理，长城钻井公司伊朗项目生产技术部经理。 中油国际项目公司泥浆技术专家。E-mail:。Mobile:空气-泡沫钻井，因其钻速快，防漏效果好，具有常规钻井液不可比拟的 优越性。空气粉尘钻井在干硬地层机械钻速达到16.24m/h。雾化钻井在出水量较小时，钻速为13.16m/h，当地层出水较多，空气压力较高时，其钻速与泡沫 钻井速度相当。但泡沫钻井腐蚀钻具轻微，而雾化钻井腐蚀钻具严重。因此， 必须根据地层情况选择合适的钻井流体，既要提高机械钻速，又要保护钻具， 提高综合经济效益。1. 地层特性伊朗南部塔贝纳克气田海拔高度超过1100m从山体表面到目的层，地层岩性主要是碳酸盐岩，裂缝发育，连通性好。海拔以上地层无孔隙压力，海平 面以下地层有盐水层，含盐量从海水到欠饱和盐水。2467m以上地层，最高盐水层压力系数也只有 0.85MPa/100m而且同一个井段存在不同压力系统，上部 裂缝无压，下部地层出水，普通泥浆无法使用，清水也只能盲钻。因此，要想 确保安全钻井，提高钻井速度，缩短钻井周期，降低钻井成本，必须采用空气 -泡沫钻井。2. 空气钻井类型表1空气钻井适应地层和特殊参数空气钻井类型适应地层环空返速液气比粉尘钻井干硬地层 15m/s0雾化钻井低含水层 15m/s0.004 0.02 %稳定泡沫干地层和海水层。0.76 1.27m/s0.37 0.75 %硬胶泡沫干地层，海水层和盐水层。0.53 1.02m/s0.58 0.71 %3. 空气钻井的优越性空气钻井因其气/液柱压力低，机械钻速快，防漏效果好，是坚硬地层和低 压、无压裂缝性地层首选的钻井方式。粉尘钻井，钻速快、无井漏、钻头寿命 长。雾化钻井，钻速快、无井漏、钻头寿命长。稳定泡沫，钻速较快、防井 漏、钻具寿命长， 抗海水污染。硬胶泡沫，钻速较快、防井漏、钻具寿命长， 抗石膏和高浓度盐水污染。4. 空气钻井与钻具腐蚀空气泡沫钻井存在很多不足，粉尘钻井，需空气排量大，返速高，冲蚀 钻具，不能控制地层流体。雾化钻井，需空气排量极大，返速高，不仅冲蚀钻 具，而且化学腐蚀严重。稳定泡沫，泡沫液配制量大，泡沫材料成本高。硬胶 泡沫，泡沫液配制量大，泡沫材料成本较高。稳定泡沫和硬胶泡沫都有“一次 性”使用成本高的难题，但通过泡沫液参数的调整和一些必要设备的使用可以 基本解决回收再利用问题。现在的主要问题是钻具腐蚀，尤其是在地层出水而 采取雾化钻井时，腐蚀非常严重，必须引起高度重视。要采取切实有效的措 施，延长钻具寿命，确保井下安全，避免严重事故的发生。5. 腐蚀物质与腐蚀形式 空气钻井腐蚀钻具的主要介质是空压机注入的空气，其次是地层盐水和硫 化氢。在注入的空气中含有 21的氧气和不到 1的二氧化碳。氧气在水中溶 解度约10mg/L,二氧化碳在空气中含量虽小，但它在水中形成碳酸，不但自身 腐蚀钻具，而且在酸性状态下，加剧氧和电化学腐蚀。虽然井史中介绍，地层 可能含有硫化氢,但空气钻井时没有检测到硫化氢气体,所以它的腐蚀并不存 在。空气钻井腐蚀钻具的真正罪魁祸首是地层水，它不仅因其PH值 氧气的腐蚀：2Fe+1.5Q+HO 2FeO（OHRFe2Q J +H02 二氧化碳腐蚀：Fe+C&HO=FeCa +H2 T3 硫化氢腐蚀：xFe+yH2S=（FexSyJ +H2T4 酸性盐水腐蚀：+ +Fe +H+=Fe+ +H2T5 流速：环空流速越快、冲蚀与腐蚀越严重。7. 防腐措施 空气钻井离不开空气，要清除空气中的氧气也是不可能的。因为空气钻井 的气柱压力很低，不让地层流体进入井眼也是不可能的。必须根据井下情况采 取合理措施，扬长避短。既要发挥空气钻井的优势，提高机械钻速，缩短钻井 周期，又要尽可能地减轻腐蚀，保护钻具，延长使用寿命，提高经济效益。因 此，空气钻井时，应采取以下工艺措施：1 干地层使用纯空气钻井由腐蚀机理可知：空气 低压水层使用干泡沫钻井 当地层出水后，氧和二氧化碳对钻具的腐蚀作用开始发生。而且，因为地 层出水，必须增加 3040空气排量进行雾化钻井。因气柱压力增高，氧在水 中的溶解度增大，氧对钻具的腐蚀加剧。在这种情况下，必须采用干泡沫钻 井。即通过泵入7.537.9L/min的加有缓蚀剂的高PH高发泡剂浓度的发泡 液，保护钻具，捕集水流，将钻屑和水流带至地面。3 在高压水层中进行泡沫钻井 当地层出水量较大，含盐量较高时，干泡沫钻井无法作业，必须采用泡沫 钻井。这样可降低空气排量和环空返速，减少钻具冲蚀，又可用泡沫将空气包 裹起来，减少空气与钻具接触的机会。同时，通过高 PH 值和缓蚀剂的协同作 用，减轻钻具腐蚀。8. 配伍性实验为了更好地保护钻具，建议空气 /泡沫钻井时在泡沫液中添加钻具缓蚀剂 COR-4851它是一种由复合有机胺和增溶剂组成的水基缓蚀剂，在高浓度氯化 钠和氯化钙盐水中具有较强的缓蚀能力，既可用于钻井液，也可用于完井液， 一般加量为0.20.5%，物理指标见表2。表2 COR-4851缓蚀剂的物理性能外观密度PH溶解介质粘度（20 C 闪点倾点棕色液体31.0-1.10 g/cm11.5-12.5水和盐水150 C低于0C因为目前我们在塔贝纳克山上使用的发泡剂 FOAMAL-是一种阴离子表面活 性剂，因此，选择使用的缓蚀剂必须和发泡剂 FOAMAL-配伍，即不降低发泡体 积，不影响泡沫稳定性，且抗盐抗钙。实验室在淡水、盐水和氯化钙水溶液中 配制0.5%泡沫基液，各取100ml，并在其中加入0.2%缓蚀剂，高速搅拌1min 后，转入1000ml量筒，测量发泡体积 V（ml和半衰期血（S，观察配伍性， 数据见表3。表3不同缓蚀剂对发泡剂性能VV/T1/2）的影响缓蚀剂淡水4%NaCL0.5%CaCL缓蚀剂淡水4%NaCL0.5%CaCL泡沫基液550/260480/225490/220基液+ COR-682280/7230/4210/1基液+COR-55160/3120/1130/0基液+ COR-4851570/273500/241480/256实验结果表明，COR-55和COR-682不适合作泡沫钻井的缓蚀剂，因为COR55是油基产品，具有消泡作用，COR-682是阳离子，与FOAMAL-发生电性中 和，而COR-4851与FOAMAL-A具有很好的配伍性，因为它是一种非离子表面活 性剂。我们也单独做了 COR-4851的发泡实验，其发泡性能不亚于FOAMAL，因为它的价格是FOAMAL-的 2.1倍，所以不能作为发泡剂使用，但在泡沫钻井 时，可以减少发泡剂的加量，而不影响泡沫质量。9. 现场应用1 TBK-3 井TBK-3井311.15mm井眼设计井深2524m实际钻深2467m用纯空气钻至 1430m时，地层第一次出盐水，CL41987 mg/L。增大空气排量进行雾化钻井，钻到1824m起钻，发现钻具腐蚀十分严重 见图1)初步分析认为，钻具腐蚀的主要原因有：酸性地层盐水的电化学腐蚀；高 压溶解氧对钻具的氧化腐蚀；二氧化碳溶于水后的酸性腐蚀；钻屑撞击钻具使 氧化膜脱落造成的冲蚀。为了保护钻具，决定配制高 pH值稳定泡沫液进行空气泡沫钻井。一方面减少空气与钻具接触，另一方面中和地层水和空气中的酸性物质，第三，降低环空返速，以减轻钻具的腐蚀和冲蚀。改为泡沫钻井后，不但酸性物质被中和，而且低返速钻屑微粒在钻具表面 形成一层“糊状保护模”，减少空气接触钻具的机会，使钻具得到保护，减缓 腐蚀，见图2。图2泡沫钻井“糊状钻屑保护模”钻至2054m地层第二次出盐水，CL54455 mg/L。将稳定泡沫转变为硬胶 泡沫钻进。钻至 2420m地层第三次出水，CL含量达到152000mg/L、密度1.15g/cm3,接近饱和盐水。钻至 2464m时，因为出水量太大造成断流、泵压升 高，空气泡沫钻井无法继续作业，用膨润土泥浆盲钻到2467m起钻电测，下入244.5mm套管后四开。四开井眼钻井参数见表 4。表4 TBK-3井四开井眼钻井参数井段地钻进纯钻钻速钻压转泵压液排气排量m层井尺hm/hkN数MPa量nVmin情况方式mrpmm/h959干空47129.0116.2450-140751.60147-层气1541430-出雾29322.2613.1680-120753.401891723水化198-出雾10115.506.5280-120753.6501891824水化198-出泡30554.505.60100-704.621063 882129水沫14012-出泡15629.505.29100-645.241584 882285水沫12020-出泡17927.006.6380-120596.212084-882464水沫25-出泥31.003.0080-120550.41252467水浆30由表2可知，雾化钻井在出水量较小时，钻速为13.16m/h，当地层出水较多，空气压力较高时，其钻速 TBK 2 井塔贝纳克2井，311.15mm井眼设计井深2455m因为地层提前，实际钻 深2300m进尺1300m其中，稳定泡沫在1176m钻遇石膏层后，泡沫质量下 降，携砂效果变差。改为低浓度硬胶泡沫后，返出正常。钻到1967m因地层出水，又用高浓度硬胶泡沫液钻到 2130m地层严重出水后，用膨润土泥浆强 钻到2300m泡沫钻井的平均机械钻速为 7.3m/h。因为没有进行雾化钻井，钻 具基本没有受到明显的腐蚀，见图 3。图3泡沫钻井对钻具腐蚀较轻10. 钻具检验为了保护钻具，自从 TBK-3井以后，不但取消了雾化钻井，而且在泡沫钻井时使用了钻具缓蚀剂 COR-4851钻具保护效果显著。2003年46月，在3 台钻机用空气泡沫各钻 4 口井之后，中海油钻具探伤公司对伊朗项目在用钻具进行了质量检验，其中检验三种规格的钻杆1847根。在检验过程中，发现 51/2 钻杆的管体和接头损坏最为严重。其中，钻杆管体条件因未满足DS-1中CAT-4规定的验收标准而降级的，RIG16为35.6%、RIG18是32.7%、RIG17无一降级。具体数据见表5。表5钻具探伤结果钻机号钻井进尺钻杆尺寸检验根数P级根数2级根数合格根数降级率备注Rig16412156m127mm38038003800口139.7mm2521599215935.52T-3井雾化钻井Rig17412238m127mm131231203120口139.7mm14614601460Rig18411073m127mm127527502750口139.7mm2541718317132.682 口井无缓蚀剂检验结果表明，雾化钻井对钻具的腐蚀确实严重，同样，泡沫钻井时钻具 缓蚀剂的使用也十分重要。17号钻机因没有进行雾化钻井，而且较好地使用了 泡沫钻井缓蚀剂，钻具保护得很好，降级率为零。18号钻机尽管没有进行雾化钻井，进尺也不多，但因为它钻 TBK-6井和TBK-11井时无缓蚀剂，钻具照样严 重腐蚀。因此，泡沫钻井时，一定要加入缓蚀剂。11. 结论1 空气粉尘钻井在干硬地层机械钻速快，无泥浆材料消耗。但因为环空返 速高，钻屑对钻具表面产生冲蚀作用，这是空气钻井无法避免的缺陷。2 雾化钻井在地层出水量较小时，钻速较快，出水量较大时，优势不明 显，机械钻速与泡沫钻井相近，但钻具腐蚀却相当严重。3 采用高 pH 值泡沫钻井后，因为酸性物质被中和，以及缓蚀剂和糊状钻 屑在钻具表面形成保护模，钻具腐蚀明显减缓。4 当纯空气钻井遇到水层时，应立即改为泡沫钻井，避免雾化钻井对钻具 的腐蚀，同时通过高 pH 值和缓蚀剂的协同作用，保护钻具，延长使用寿命，提 高综合经济效益。申明：所有资料为本人收集整理，仅限个人学习使用，勿做商业用 途。