氮气钻井装置和氮气钻井的地层产出水的处理方法及应用
阅读说明：本技术 氮气钻井装置和氮气钻井的地层产出水的处理方法及应用 (Nitrogen drilling device, and treatment method and application of stratum produced water of nitrogen drilling ) 是由 许博越 张东清 张洪宁 李鑫 王果 周号博 邢树斌 王怡 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氮气钻井装置和氮气钻井的地层产出水的处理方法及应用。一种氮气钻井装置,包括通过管线依次连接的空气压缩机、干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备,其中,在增压机和井口设备之间的管线上设置干燥剂粉末泵,用于输送干燥剂以吸附地层的产出水。采用本发明的装置和处理方法进行氮气钻井,可以处理有地层产出水的氮气钻井工况,从而能够增加氮气钻井的适用性、提高钻井效率。(The invention discloses a nitrogen drilling device, a treatment method of stratum produced water of nitrogen drilling and application. The utility model provides a nitrogen gas drilling equipment, includes the air compressor, desicator, membrane separation nitrogen generator, booster compressor and the well head equipment that connect gradually through the pipeline, wherein, sets up the drier powder pump on the pipeline between booster compressor and well head equipment for carry the output water of drier with adsorbed formation. The device and the processing method of the invention are adopted to carry out nitrogen well drilling, and the nitrogen well drilling working condition of the produced water of the stratum can be processed, thereby increasing the applicability of the nitrogen well drilling and improving the well drilling efficiency.)
技术领域
本发明涉及一种氮气钻井装置，一种氮气钻井的地层产出水的处理方法，以及该装置和该处理方法在钻井中的应用。
背景技术
致密气藏具有低孔隙度、低渗透率的特征，相比于中高渗油气藏，该类气藏地质条件复杂，易受储层损害且难以解除，采用常规的钻井完井技术很难满足高效开发的需要。氮气钻井技术采用氮气作为钻井循环介质，核心优势在于提高钻井效率、保护储层、避免井漏、井下爆炸等方面，特别适用于研磨性强、岩性致密、井壁稳定、机械钻速低的天然气藏。但是，氮气钻井受循环介质中水含量的影响较大，其中地层出水是影响氮气钻井最主要的因素之一。地层出水一方面会使得岩屑中的泥岩水化后抱团，粘附在井壁以及钻具上，导致泥包卡钻、环空携岩不畅、井底清洁效率降低等复杂问题，特别是当氮气钻井钻遇具有强水敏性的泥页岩地层时，可能出现井眼垮塌、垮塌物堆积的现象，经常导致氮气钻井提前终止，制约了氮气钻井的推广应用。此外，地层出水会造成泥页岩水化膨胀，强度降低，造成井壁坍塌，引起井径扩大。
“大庆油田气体钻井出水判断新技术研究及试验”(郭明，大庆钻探工程公司钻井三公司工程开发分公司，DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.007)介绍了大庆油田气体钻井过程中地层出水判断方法及处理办法。通过在气体入口与排沙管上分别安装湿度传感器，在钻井循环过程中，对进出口气体湿度数据进行检测采集，然后通过屏蔽网线传输至装有检测软件的计算机。在XS35井的应用中，当气体钻井至深度2900米时发现湿度异常，调整注气参数进行雾化处理，降低了无效等停时间29小时。但是其存在湿度异常时需要将氮气钻井转为雾化钻井的缺点，降低了钻井的效率。
“元坝须家河组氮气钻井可行性评价与配套方案推荐”(杨少华，西南石油大学，工程硕士学士论文)公开了地层出水可以通过转盘扭矩、注气压力、立管压力以及转速等地表参数判断，具体的判断依据有：注气压力增大；排气口处出现雾状物；停止循环降尘后排泄口处有湿润的岩屑出现。论文中还指出，当氮气钻井中发现地层出水而且出水速度小于5m3/h时，应慢慢提高注气量，以达到井眼净化的需要；当地层出水速度大于5m3/h时，应停止氮气钻井，空气压缩机停止工作，把进气阀关闭，同时把钻柱提起至套管鞋以上10-20m的位置，然后把已经储备好的钻井液注入井内，建立起钻井液循环体系，恢复正常钻井。但是其存在着当地层出水速度大于5m3/h时，无法继续进行氮气钻井的问题。
发明内容
针对现有的通常氮气钻井尽量不在水层穿过，若发现地层产出水大于5m3/h时需转换钻井方式为常规钻井或泡沫钻井，因此，钻井过程中地层产出水限制了氮气钻井的适用性，从而降低了钻井效率的问题，本发明提供一种氮气钻井装置和氮气钻井的地层产出水的处理方法及应用，采用该装置和处理方法进行氮气钻井，可以处理有地层产出水的氮气钻井工况，从而能够增加氮气钻井的适用性、提高钻井效率。
本发明第一方面提供了一种氮气钻井装置，包括通过管线依次连接的空气压缩机、干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，其中，在增压机和井口设备之间的管线上设置干燥剂粉末泵，用于输送干燥剂以吸附地层的产出水。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述装置还包括入口湿度传感器，用于检测气体入口的湿度。检测气体入口的湿度，并控制气体入口的湿度不大于1％，优选0.1-0.5％条件下，可以避免井口带入的水对井下安全及效率带来不利影响。
据本发明所述的装置的一些实施方式，所述装置还包括出口湿度传感器，用于检测出口的湿度。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述装置还包括与干燥剂粉末泵连通的干燥剂储罐，用于盛放干燥剂。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述井口设备包括水龙头、方钻杆、旋转头、旋转防喷器、单闸板防喷器、双闸板防喷器、四通和套管头。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述空气压缩机用于将常压空气升压，使其达到设备的额定压力，将其变成具有一定压力(一般小于2.5MPa)的低压空气，从而为气体钻井提供循环介质。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述干燥器用于过滤掉由空气压缩机排出的空气中过量的水分，降低空气中的水分含量，提高制备氮气纯度，减少地面水蒸气入井量。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述膜分离制氮机用于将氮气从空气压缩机输送来的空气中分离出，以便满足氮气钻井的需要。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，当气体钻井作业的施工压力大于空压机的额定工作压力时，通过气体增压机把由空气压缩机或膜分离制氮机输送来的气体进行增压，并将高压气体提供到井内。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述注气参数检测仪表用于检测压力、流量等参数。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，所述放空管线用于将氮气排放出去装置。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，通过增压机增压后的氮气依次通过地面管汇、注气管线、立管、水龙头、方钻杆、旋转头、旋转防喷器、单闸板防喷器、双闸板防喷器、四通和套管头，然后进入环空、井口，进行氮气钻井。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，氮气将井下钻屑带到地面，并通过所述排砂管线排出氮气钻井装置，此外，可能随排砂管线排出的可燃气体进入燃烧池，通过点火装置点燃。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，出口湿度传感器用于检测出口湿度。
根据本发明所述的装置的一些实施方式，辅助卸压管线和主卸压管线用于泄放压力。
本发明第二方面提供了一种氮气钻井的地层产出水的处理方法，包括：
1)预测地层产出水的位置及出水量；
2)修正地层产出水的位置及出水量，并根据出水量进行以下操作：
当地层产出水量小于5m3/h，将空气通入空气压缩机，然后依次进入干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，进行氮气钻井；
当地层产出水量为5-20m3/h，将空气通入空气压缩机，然后依次进入干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，进行氮气钻井，并打开增压机和井口设备之间的管线上的干燥剂粉末泵，输送干燥剂以吸附地层的产出水；
优选地，当地层产出水量大于20m3/h，转换为泡沫钻井或常规液相钻井。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，地层产出水的位置及出水量的预测方法包括：
①利用测井资料和地质数据预测水层分布；
②通过下述公式模拟计算地层产出水量，
其中，
其中，rw为出水层供给边缘半径，m；h为水层厚度，m；φ为有效孔隙度，％；μw为地层水粘度，mPa·s；Kw为水层有效渗透率，10-3μm2；Cw为水层有效压缩系数，1/MPa；ΔP为井底压差，MPa；Qw为地层产出水量，m3/h；QD为无量纲产出水量；tD为无量纲时间。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，所述地质数据选自含水饱和度、泥质体积分数、电阻率、有效孔隙度、中子孔隙度、束缚水饱和度和渗透率中的一种或多种。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，所述修正地层产出水量的方法包括：钻井过程中，结合测井资料、转盘扭矩、立管压力、注入压力、出口湿度判定是否钻遇水层，并修正地层产出水量。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，所述干燥剂为工业级干燥剂；优选地，所述干燥剂含有无水硫酸钙和氯化钴；更优选地，以干燥剂的总重量为基准，无水硫酸钙的含量为95-98重量％，氯化钴的含量为2-5重量％。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，所述干燥剂的粒径为0.1-0.5μm。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，氮气钻井的氮气注气量可以根据工况而定，例如不低于160m3/min。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，干燥器的泵入量可以根据地层产出水量而定，例如但不限于：当地层产出水在5-20m3/h时，相对于每m3的氮气注入量，干燥剂的泵入量不低于20g，优选为20-50g。
根据本发明所述的处理方法的一些实施方式，检测入口的湿度不大于1％，优选为0.1-0.5％。检测气体入口的湿度，并控制气体入口的湿度不大于1％，优选0.1-0.5％条件下，可以避免井口带入的水对井下安全及吸附效率带来不利影响。
根据本发明的一种
具体实施方式
，一种氮气钻井的地层产出水的处理方法，包括：
1)预测地层产出水的位置及出水量；
①利用测井资料和地质数据预测水层分布，其中，地质数据选自含水饱和度、泥质体积分数、电阻率、有效孔隙度、中子孔隙度、束缚水饱和度和渗透率中的一种或多种；
②通过下述公式模拟计算地层产出水量，
其中，
其中，rw为出水层供给边缘半径，m；h为水层厚度，m；φ为有效孔隙度，％；μw为地层水粘度，mPa·s；Kw为水层有效渗透率，10-3μm2；Cw为水层有效压缩系数，1/MPa；ΔP为井底压差，MPa；Qw为地层产出水量，m3/h；QD为无量纲产出水量；tD为无量纲时间；
2)修正地层产出水的位置及出水量，并根据出水量进行以下操作：
①钻进过程中，结合测井资料、转盘扭矩、立管压力、注入压力、出口湿度判定是否钻遇水层，同时修正产水量计算；
②出水量小于5m3/h，上提钻具，提前加大注气量并循环观察，若能封住出水层，则继续使用氮气钻井钻进；
③出水量在5-20m3/h，上提钻具，加大注气量，打开粉末泵，在注入氮气中混入一定量干燥剂，循环观察出口湿度，并继续使用氮气钻井钻进；
④出水量大于20m3/h，钻具上提下放明显预阻，排砂口有岩屑团，机械钻速大幅度降低，转换为泡沫钻井或常规液相钻井。
本发明第三方面提供了上述的氮气钻井装置或上述的氮气钻井的地层产出水的处理方法在钻井中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明的氮气钻井装置，能够解决现有技术存在的地层产出水大于5m3/h时需转换钻井方式为常规钻井或泡沫钻井，从而限制了氮气钻井的适用性，降低了钻井效率的问题，采用本发明的氮气钻井装置，能够提高钻进效率。
(2)采用本发明的氮气钻井的地层产出水的处理方法，能够处理20m3/h以内的地层产出水工况，从而能够增加氮气钻井的适用性，提高钻井效率。
(3)本发明的优选的含有无水硫酸钙和氯化钴的干燥剂具有较好的物理稳定性和化学惰性，在应用于有地层产出水的氮气钻井工况，具有吸水速度快，吸湿后不会解体，并且无毒无腐蚀性的优点。
(4)检测气体入口的湿度，并控制气体入口的湿度不大于1％，优选0.1-0.5％条件下，可以避免井口带入的水对井下安全及效率带来不利影响。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的氮气钻井装置的示意图。
附图标记说明
1-空气压缩机、2-干燥器、3-膜分离制氮机、4-增压机、5-注气参数检测仪表、6-放空管线、7-地面管汇、8-干燥剂粉末泵、9-干燥剂储罐、10-入口湿度传感器、11-注气管线、12-立管、13-水龙头、14-方钻杆、15-旋转头、16-旋转防喷器、17-单闸板防喷器、18-双闸板防喷器、19-四通、20-套管头、21-排砂管线、22-出口湿度传感器、23-辅助卸压管线、24-主卸压管线、25-点火装置、26-燃烧池。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
【实施例1】
1)预测新10-2井地层产出水的位置及出水量；
①利用测井资料和地质数据预测水层分布，其中，地质数据为含水饱和度、泥质体积分数、电阻率、有效孔隙度、中子孔隙度、束缚水饱和度和渗透率；
预测在新10-2井3210米位置有地层产出水。
②通过下述公式模拟计算地层产出水量，
其中，
其中，rw为出水层供给边缘半径，m；h为水层厚度，m；φ为有效孔隙度，％；μw为地层水粘度，mPa·s；Kw为水层有效渗透率，10-3μm2；Cw为水层有效压缩系数，1/MPa；ΔP为井底压差，MPa；Qw为地层产出水量，m3/h；QD为无量纲产出水量；tD为无量纲时间；
计算出3210米位置的地层产出水量为18m3/h。
2)采用图1所示的装置进行氮气钻井，该装置包括1-空气压缩机、2-干燥器、3-膜分离制氮机、4-增压机、5-注气参数检测仪表、6-放空管线、7-地面管汇、8-干燥剂粉末泵、9-干燥剂储罐、10-入口湿度传感器、11-注气管线、12-立管、13-水龙头、14-方钻杆、15-旋转头、16-旋转防喷器、17-单闸板防喷器、18-双闸板防喷器、19-四通、20-套管头、21-排砂管线、22-出口湿度传感器、23-辅助卸压管线、24-主卸压管线、25-点火装置和26-燃烧池。
常压空气通过空气压缩机1进行升压，通过干燥器2过滤由空气压缩机排出的空气中过量的水分，然后通过膜分离制氮机3将氮气从空气压缩机输送来的空气中分离出，通过增压机4增压后的氮气依次通过地面管汇7、注气管线11、立管12、水龙头13、方钻杆14、旋转头15、旋转防喷器16、单闸板防喷器17、双闸板防喷器18、四通19和套管头20，然后进入环空、井口，进行氮气钻井。注气参数检测仪表5用于检测压力、流量等参数。放空管线6用于将氮气排放出去装置。干燥剂粉末泵8用于输送干燥剂以吸附地层的产出水。干燥剂储罐9与干燥剂粉末泵8连通，用于盛放干燥剂。入口湿度传感器10用于气体入口的湿度。出口湿度传感器22用于检测出口湿度。辅助卸压管线23和主卸压管线24用于泄放压力。
3)根据出水量进行以下操作：
将空气通入图1所述的氮气钻井装置的空气压缩机，然后依次进入干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，上提钻具，氮气的注入量为160m3/min，打开增压机和井口设备之间的管线上的干燥剂粉末泵8(相对于每m3的氮气注入量，干燥剂的泵入量为20g)，干燥剂的粒径为0.1-0.5μm，干燥剂含有无水硫酸钙和氯化钴(以干燥剂的总重量为基准，无水硫酸钙的含量为98重量％，氯化钴的含量为2重量％)，并检测气体入口的湿度为0.2％(入口湿度传感器10显示)，循环观察出口湿度(出口湿度传感器22显示)，检测气体出口的湿度为0％，井下吸水效果好，在地层产出水量为18m3/h，井下未出现泥包卡钻、环空携岩不畅、井底清洁效率降低、井壁失稳问题，继续使用氮气钻井钻进。
【实施例2】
1)预测新10-2井地层产出水的位置及出水量；
按照实施例1的方法，预测在新10-2井3210米位置有地层产出水，计算出3210米位置的地层产出水量为18m3/h。
2)采用图1所示的装置进行氮气钻井，
按照实施例1的装置。
3)根据出水量进行以下操作：
将空气通入图1所述的氮气钻井装置的空气压缩机，然后依次进入干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，上提钻具，氮气的注入量为160m3/min，打开增压机和井口设备之间的管线上的干燥剂粉末泵8(相对于每m3的氮气注入量，干燥剂的泵入量为20g)，干燥剂的粒径为0.1-0.5μm，干燥剂含有无水硫酸钙和氯化钴(以干燥剂的总重量为基准，无水硫酸钙的含量为95重量％，氯化钴的含量为5重量％)，并检测气体入口的湿度为0.2％(入口湿度传感器10显示)，循环观察出口湿度(出口湿度传感器22显示)，检测气体出口的湿度为0％，井下吸水效果好，在地层产出水量为18m3/h，井下未出现泥包卡钻、环空携岩不畅、井底清洁效率降低、井壁失稳问题，继续使用氮气钻井钻进。
【实施例3】
1)预测新10-2井地层产出水的位置及出水量；
按照实施例1的方法，预测在新10-2井3210米位置有地层产出水，计算出3210米位置的地层产出水量为18m3/h。
2)采用图1所示的装置进行氮气钻井，
按照实施例1的装置。
3)根据出水量进行以下操作：
将空气通入图1所述的氮气钻井装置的空气压缩机，然后依次进入干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，上提钻具，氮气的注入量为160m3/min，打开增压机和井口设备之间的管线上的干燥剂粉末泵8(相对于每m3的氮气注入量，干燥剂的泵入量为20g)，干燥剂的粒径为0.1-0.5μm，干燥剂含有无水硫酸钙和氯化钴(以干燥剂的总重量为基准，无水硫酸钙的含量为90重量％，氯化钴的含量为10重量％)，并检测气体入口的湿度为0.2％(入口湿度传感器10显示)，循环观察出口湿度(出口湿度传感器22显示)，检测气体出口的湿度为1％，井下吸水效果一般，在地层产出水量为18m3/h，井口有水返出，井壁可能失稳，井下可能出现泥包。
【实施例4】
1)预测新10-2井地层产出水的位置及出水量；
按照实施例1的方法，预测在新10-2井3210米位置有地层产出水，计算出3210米位置的地层产出水量为18m3/h。
2)采用图1所示的装置进行氮气钻井，
按照实施例1的装置。
3)根据出水量进行以下操作：
将空气通入图1所述的氮气钻井装置的空气压缩机，然后依次进入干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，上提钻具，氮气的注入量为160m3/min，打开增压机和井口设备之间的管线上的干燥剂粉末泵8(相对于每m3的氮气注入量，干燥剂的泵入量为20g)，干燥剂的粒径为0.1-0.5μm，干燥剂为无水硫酸钙，并检测气体入口的湿度为0.2％(入口湿度传感器10显示)，循环观察出口湿度(出口湿度传感器22显示)，检测气体出口的湿度为1％，井下吸水效果一般，在地层产出水量为18m3/h，井口有水返出，井壁可能失稳，井下可能出现泥包。
【实施例5】
1)预测新10-2井地层产出水的位置及出水量；
按照实施例1的方法，预测在新10-2井3210米位置有地层产出水，计算出3210米位置的地层产出水量为18m3/h。
2)采用图1所示的装置进行氮气钻井，
按照实施例1的装置。
3)根据出水量进行以下操作：
将空气通入图1所述的氮气钻井装置的空气压缩机，然后依次进入干燥器、膜分离制氮机、增压机和井口设备，上提钻具，氮气的注入量为160m3/min，打开增压机和井口设备之间的管线上的干燥剂粉末泵8(相对于每m3的氮气注入量，干燥剂的泵入量为20g)，干燥剂的粒径为1μm，干燥剂含有无水硫酸钙和氯化钴(以干燥剂的总重量为基准，无水硫酸钙的含量为98重量％，氯化钴的含量为2重量％)，并检测气体入口的湿度为0.2％(入口湿度传感器10显示)，循环观察出口湿度(出口湿度传感器22显示)，检测气体出口的湿度为1.8％，井下吸水效果一般，在地层产出水量为18m3/h，井口有水返出，井壁可能失稳，井下可能出现泥包。
【对比例1】
按照实施例1的方法，不同的是，氮气钻井装置不含有干燥剂粉末泵。
在地层产出水量为18m3/h时，钻具上提下放明显预阻，排砂口有岩屑团，机械钻速大幅度降低，转换为泡沫钻井。
以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。
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