專利名稱：鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法。
背景技術(shù)：
氣體鉆井就是采用以氣體為主要循環(huán)流體的欠平衡鉆井技術(shù)。20世紀(jì)30年代的美國開始研究氣體鉆井技術(shù)。但由于當(dāng)時的技術(shù)水平、裝備及認(rèn)識等原因，沒有得到規(guī)?；瘧?yīng)用。直至20世紀(jì)60年代，隨著空氣鉆井馬達(dá)等的問世以及各種設(shè)備的不斷完善，氣體鉆井技術(shù)又重新受到人們的重視。氣體鉆井(根據(jù)使用循環(huán)介質(zhì)的不同)一般可分為:空氣鉆井、氮氣鉆井、天然氣鉆井、尾氣鉆井等不同種類，其中尤以空氣鉆井以空氣的廉價性、無限性、易得性而具有別的氣體鉆井形式無法比擬的優(yōu)勢。但對空氣鉆井，由于空氣中含有大量助燃劑氧氣，當(dāng)使用空氣鉆井至儲層附近時，很容易與儲層附近的易燃?xì)怏w混合而被點燃繼而產(chǎn)生燃燒或爆炸。氮氣鉆井作為氣體鉆井的一種，因其不僅具有氣體鉆井技術(shù)的優(yōu)越性；具有鉆井介質(zhì)的廉價性、無限性、而且具有遇可燃?xì)怏w不發(fā)生燃燒或爆炸的安全性及防止腐蝕、延長鉆頭壽命、提高鉆達(dá)井深的成功率、大大降低鉆探成本等優(yōu)勢，而成為近幾年油氣開發(fā)研究者們非常關(guān)注的課題之一。而制氮設(shè)備作為氮氣鉆井中制取鉆井介質(zhì)——氮氣的關(guān)鍵設(shè)備也就越來越多的受到人們的重視。近幾年以來，隨著制膜工藝的不斷發(fā)展，膜分離制氮成為制取氮氣的一種新型科學(xué)制氮方法。膜分離法制氮的研究和發(fā)展推動了膜分離制氮設(shè)備的發(fā)展，給氮氣鉆井注入了新的活力，大大加快了氮氣鉆井的推廣應(yīng)用。隨著空氣鉆井技術(shù)的日益成熟，作為其配套使用或者說必要輔助手段的氮氣鉆井技術(shù)的提高也越來越受到人們的重視。與空氣鉆井比較，氮氣鉆井技術(shù)的關(guān)鍵即氮氣生產(chǎn)設(shè)備。氮氣生產(chǎn)設(shè)備的各項性能指標(biāo)的提高可使氮氣鉆井技術(shù)得以更廣泛使用，從而有效地解決儲層或某些特殊工況情況下可能產(chǎn)生的井下燃燒和爆炸以及鉆井施工中的惡性井漏，壓差卡鉆、鉆井速度慢等技術(shù)性難題，能在鉆進(jìn)油氣層井段時，做到“零污染”，對于及時保護(hù)和發(fā)現(xiàn)低壓、低飽和、低滲透率油層(油氣藏)，對提高油井單井產(chǎn)量和采收率具有顯著效果，并可提高鉆速5-10倍。因此，通過對當(dāng)前現(xiàn)有裝置進(jìn)行分析研究，找出其存在的不足和缺點，從而對其進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到使其結(jié)構(gòu)布局合理、降低成本、使用維護(hù)方便、能耗低、壓力損失小等技術(shù)指標(biāo)，就顯得尤為重要和迫切。這樣不僅降低了設(shè)備制造成本，降低能量消耗，推動膜制氮裝置的更廣泛應(yīng)用，而且為我國氮氣鉆井的普及，油氣開采工藝更先進(jìn)、更科學(xué)、取得更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益提供了生產(chǎn)先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)。氮氣鉆井是欠平衡鉆井技術(shù)的一種，它的循環(huán)流體是干燥氮氣。氮氣鉆井首次使用是在二十世紀(jì)中后期。我國的氮氣鉆井技術(shù)研究始于上個世紀(jì)八十年代，雖然取得一些成果，但因制氮設(shè)備未能解決，使研究出的成果難以轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，沒有得到及時應(yīng)用。上個世紀(jì)九十年代，隨著制氮工藝的發(fā)展和制氮設(shè)備的研制成功，氮氣鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用又一次被廣泛重視起來。首先是遼河油田試用成功，逐步推廣到勝利、江漢等油田，但當(dāng)時還未用在欠平衡鉆井上。直到2000年12月，勝利油田鉆井四公司一先進(jìn)鉆井隊用國產(chǎn)鉆機(jī)鉆探的云南武定縣云參科研一井，首次采用氮氣鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，獲得一次成功，開了先河。此后，氮氣鉆井技術(shù)在吐哈、新疆、四川、遼河、江漢等油田分別獲得成功。2004年至2005年，吐哈油田欠平衡鉆井技術(shù)得到迅速發(fā)展，先后在窿14井、中石化鄂爾多斯D12-1井、紅臺2-15井、紅臺2-17井、紅臺2-4井等8 口井采用欠平衡鉆井技術(shù)，其中有5 口井在儲層段進(jìn)行全過程欠平衡純氮氣鉆井。其中紅臺2-15井是國內(nèi)首次進(jìn)行全過程欠平衡純氮氣鉆井，取得顯著效果，獲得的高產(chǎn)油氣流是常規(guī)鉆井的10-15倍。證實了這項新技術(shù)在油田勘探開發(fā)中有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的推廣應(yīng)用前景。盡管當(dāng)前我國的一些油氣田已經(jīng)采用了氮氣鉆井對油氣井進(jìn)行開采，并取得一些成績，但與國外相比，目前我國氮氣鉆井的差距仍然較大，這不僅反映在技術(shù)裝備的配套和研制水平上，還反映在工藝方法和基礎(chǔ)理論研究上，而且在多工藝綜合技術(shù)上尚未起步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法，該鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法能成功實現(xiàn)氮氣鉆井，為我國的石油和天然氣開采帶來了新發(fā)展，同時也帶動了我國氣體鉆井設(shè)備的不斷發(fā)展。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮以后，進(jìn)入膜分離制氮機(jī)；(b)壓縮以后的空氣通過膜分離制氮機(jī)進(jìn)行分離，得到純度為95%以上的氮氣，然后進(jìn)入增壓機(jī)；(C)經(jīng)壓縮和分離后的氮氣通過增壓機(jī)進(jìn)一步增壓后，進(jìn)入管匯系統(tǒng)；(d)進(jìn)入管匯系統(tǒng)的氮氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)防噴器后注入到井下；(e)氮氣將井下鉆屑帶到地面，通過排巖管后進(jìn)入地面回收池，整個流程結(jié)束。在鉆井工藝過程中，通過放空管進(jìn)行防空。在鉆井工藝過程中，通過泄壓管進(jìn)行系統(tǒng)泄壓。在鉆井工藝過程中，通過氣體流量及壓力記錄儀進(jìn)行氣體流量及壓力的監(jiān)控。本發(fā)明所用的鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，主要由依次相連的空氣壓縮機(jī)、膜分離制氮機(jī)、增壓機(jī)、管匯系統(tǒng)、以及旋轉(zhuǎn)防噴器構(gòu)成，所述旋轉(zhuǎn)防噴器安裝在井下。所述管匯系統(tǒng)主要由與增壓機(jī)相連的供氣管、以及與供氣管相連的立管構(gòu)成，所述旋轉(zhuǎn)防噴器安裝在立管遠(yuǎn)離供氣管的一端。 所述供氣管上安裝有放空管、泄壓管和旁通管。還包括回收池，所述放空管、泄壓管和旁通管遠(yuǎn)離供氣管的一端均與回收池的內(nèi)部相通。所述旋轉(zhuǎn)防噴器上設(shè)置有排巖管，且排巖管遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)防噴器的一端與回收池的內(nèi)部相通。所述供氣管上設(shè)置有氣體流量及壓力記錄儀。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:能成功實現(xiàn)氮氣鉆井，為我國的石油和天然氣開采帶來了新發(fā)展，同時也帶動了我國氣體鉆井設(shè)備的不斷發(fā)展。


圖1為本發(fā)明所用的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例:本發(fā)明涉及的鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法，包括以下步驟:(a)空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮以后，進(jìn)入膜分離制氮機(jī)；(b)壓縮以后的空氣通過膜分離制氮機(jī)進(jìn)行分離，得到純度為95%以上的氮氣，然后進(jìn)入增壓機(jī)；(C)經(jīng)壓縮和分離后的氮氣通過增壓機(jī)進(jìn)一步增壓后，進(jìn)入管匯系統(tǒng)；(d)進(jìn)入管匯系統(tǒng)的氮氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)防噴器后注入到井下；(e)氮氣將井下鉆屑帶到地面，通過排巖管后進(jìn)入地面回收池，整個流程結(jié)束。在鉆井工藝過程中，通過放空管進(jìn)行防空。在鉆井工藝過程中，通過泄壓管進(jìn)行系統(tǒng)泄壓。在鉆井工藝過程中，通過氣體流量及壓力記錄儀進(jìn)行氣體流量及壓力的監(jiān)控。本發(fā)明所用的系統(tǒng)如圖1所示，主要由依次相連的空氣壓縮機(jī)1、膜分離制氮機(jī)2、增壓機(jī)3、管匯系統(tǒng)、以及旋轉(zhuǎn)防噴器5構(gòu)成，所述旋轉(zhuǎn)防噴器5安裝在井下。所述管匯系統(tǒng)主要由與增壓機(jī)3相連的供氣管6、以及與供氣管6相連的立管7構(gòu)成，所述旋轉(zhuǎn)防噴器5安裝在立管7遠(yuǎn)離供氣管6的一端。所述供氣管6上安裝有放空管8、泄壓管9和旁通管10。還包括回收池11，所述放空管8、泄壓管9和旁通管10遠(yuǎn)離供氣管6的一端均與回收池11的內(nèi)部相通。所述旋轉(zhuǎn)防噴器5上設(shè)置有排巖管12，且排巖管12遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)防噴器5的一端與回收池11的內(nèi)部相通。所述供氣管6上設(shè)置有氣體流量及壓力記錄儀13?？諝鈮嚎s機(jī)I是提供空氣鉆井所需空氣的主要設(shè)備。目前有多種空氣壓縮機(jī)，如旋轉(zhuǎn)葉片式、直瓣式、往復(fù)活塞式和旋轉(zhuǎn)螺桿式，其中螺桿式空氣壓縮機(jī)是油田鉆井作業(yè)應(yīng)用最多的一種?？諝鈮嚎s機(jī)有多種壓力級別，其輸出的最大工作壓力一般為1.75
2.45MPa。在正常情況下，這種工作壓力能夠滿足空氣鉆井的需要，但在井較深時，或預(yù)計井內(nèi)有出水時，所要求輸送的空氣壓力可能超過空氣壓縮機(jī)額定的壓力值，這時就要使用增壓機(jī)。性能優(yōu)良的壓縮機(jī)一般均配備有冷卻系統(tǒng)，可將輸出氣體溫度降低至適當(dāng)范圍(一般約為環(huán)境溫度+15°C )。其性能指標(biāo)除排量外，還應(yīng)有最大輸出壓力和有效功率。在空氣鉆井作業(yè)中，最好應(yīng)配備有應(yīng)急壓縮機(jī)，以備處理復(fù)雜情況時，增加氣量。單臺空氣壓縮機(jī)的輸出氣量一般為25.5 42.5m3/min，不能滿足空氣鉆井所需要的空氣量。氣體鉆井作業(yè)時，根據(jù)不同的井眼尺寸、井下出水等情況，配備多臺空氣壓縮機(jī)，以機(jī)組形式并聯(lián)使用提供壓縮空氣，滿足氣體鉆井需要的空氣量。當(dāng)前氮氣鉆井作業(yè)中所使用的制氮裝置均為膜分離制氮機(jī)2，膜分離制氮以其無相變、能耗低、設(shè)備簡單、操作方便、運行可靠性高而成為制氮領(lǐng)域前景廣闊的一門新技術(shù)。也正是由于膜分離制氮技術(shù)的成熟使得氮氣鉆井技術(shù)得以迅速推廣應(yīng)用。膜分離制氮裝置是氮氣鉆井中的關(guān)鍵設(shè)備，它可以為氮氣鉆井提供純度為95%以上的鉆井介質(zhì)——氮氣。其核心制氮膜絕大部分采用的是聚砜中空纖維復(fù)合膜。增壓機(jī)3 —般為往復(fù)活塞式增壓機(jī)，它是將來自膜分離制氮裝置的氮氣增到更高的壓力，以滿足氮氣鉆井的壓力要求。油田上使用的增壓機(jī)有單級、雙級或多級增壓機(jī)。單級增壓機(jī)常用于較低壓力作業(yè)，其輸出壓力一般為5.2 10.5MPa。一般說來，單級增壓機(jī)能滿足氮氣鉆井作業(yè)所需的壓力要求，但對于氮氣鉆井服務(wù)公司，擁有的大多數(shù)增壓機(jī)為雙級或多級增壓機(jī)，能持續(xù)輸送較高壓力，以滿足鉆井變工況作業(yè)條件的需要。一般情況下，一臺增壓機(jī)能處理兩臺或多臺膜分離制氮裝置的氮氣。氮氣鉆井時，應(yīng)根據(jù)所需的氮氣量配備與膜分離制氮裝置相對應(yīng)的增壓機(jī)數(shù)量，且并聯(lián)使用，滿足氮氣鉆井作業(yè)需要。在氮氣鉆井作業(yè)中，需要將增壓機(jī)系統(tǒng)的壓縮氮氣輸送到鉆機(jī)的立管，因此就需要連接較大直徑Φ76 Φ 101.6的鋼管或軟管來輸送。這些連接管線的額定壓力值應(yīng)與增壓機(jī)的最大壓力相匹配或更高。在這些連接管線中應(yīng)安裝相應(yīng)的單流閥、安全閥和球閥，以保護(hù)壓縮機(jī)和方便泄壓，滿足氮氣鉆井作業(yè)工藝要求。在氮氣輸入的主管線上要連接一根旁通管線，方便在接單根或需要泄壓時使用。旁通管線可以直接導(dǎo)流到排巖管線。另外，在旁通管線與鉆井立管之間安裝一條泄壓管線，用以在接單根前放掉立管和鉆具內(nèi)的壓縮氮氣，這樣，壓縮機(jī)就可以在接單根期間保持運轉(zhuǎn)而不需要停機(jī)。旁通管線和泄壓管線一般用直徑51mm的管子。無論是氮氣鉆井還是其它氣體型流體鉆井(霧化、泡沫或充氣)，井口返出的流體均有一定的壓力，為了確保鉆井的安全、順利，井口除裝有常規(guī)防噴器組外，還必須安裝旋轉(zhuǎn)防噴器5。氮氣鉆井作業(yè)時，井內(nèi)返出的流體(氮氣、鉆屑)須通過排巖管線進(jìn)入地面回收池。排巖管線的直徑大小應(yīng)適當(dāng)，若太大不能有效攜帶鉆屑，若太小，管線上的壓力降會過大，這樣會增加壓縮機(jī)系統(tǒng)的輸出壓力。一般說來，排巖管線大小與所鉆井眼的環(huán)空橫截面積差不多大，現(xiàn)場使用的排巖線大多數(shù)為0178或0244套管。為了便于采集巖樣，在排巖管線上一般安裝有巖屑取樣器。取樣器實際上是一個帶有球閥的異徑短管(76mmX25.4mm)，并用使用過的大鉗牙齒焊接在異徑管內(nèi)，這樣可使返出的巖屑在取樣器處轉(zhuǎn)向沉積，取樣器位于排巖管線底部某一方便點，如需米集巖樣，打開閥門即可。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)(I)壓縮以后，進(jìn)入膜分離制氮機(jī)(2); (b)壓縮以后的空氣通過膜分離制氮機(jī)(2)進(jìn)行分離，得到純度為95%以上的氮氣，然后進(jìn)入增壓機(jī)(3)； (c)經(jīng)壓縮和分離后的氮氣通過增壓機(jī)(3)進(jìn)一步增壓后，進(jìn)入管匯系統(tǒng)； (d)進(jìn)入管匯系統(tǒng)的氮氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)防噴器(5)后注入到井下； (e)氮氣將井下鉆屑帶到地面，通過排巖管(12)后進(jìn)入地面回收池，整個流程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井領(lǐng)域中的鉆井方法，其特征在于，在鉆井工藝過程中，通過放空管(8)進(jìn)行防空。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井領(lǐng)域中的鉆井方法，其特征在于，在鉆井工藝過程中，通過泄壓管(9)進(jìn)行系統(tǒng)泄壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井領(lǐng)域中的鉆井方法，其特征在于，在鉆井工藝過程中，通過氣體流量及壓力記錄儀(13)進(jìn)行氣體流量及壓力的監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆井領(lǐng)域中的氮氣鉆井方法，包括(a)空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)(1)壓縮以后，進(jìn)入膜分離制氮機(jī)(2)；(b)壓縮以后的空氣通過膜分離制氮機(jī)(2)進(jìn)行分離，得到純度為95％以上的氮氣，然后進(jìn)入增壓機(jī)(3)；(c)經(jīng)壓縮和分離后的氮氣通過增壓機(jī)(3)進(jìn)一步增壓后，進(jìn)入管匯系統(tǒng)；(d)進(jìn)入管匯系統(tǒng)的氮氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)防噴器(5)后注入到井下；(e)氮氣將井下鉆屑帶到地面，通過排巖管(12)后進(jìn)入地面回收池，整個流程結(jié)束。本發(fā)明能成功實現(xiàn)氮氣鉆井，為我國的石油和天然氣開采帶來了新發(fā)展，同時也帶動了我國氣體鉆井設(shè)備的不斷發(fā)展。
文檔編號E21B21/16GK103104205SQ20111038497
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者母東艷 申請人:母東艷