塔里木盆地山前巨厚礫石層快速鉆井技術

鄧 虎 胥志雄 王懷金 許期聰 鄧 柯

1.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院 2.中國石油塔里木油田公司 3.中國石油西南油氣田公司4.中國石油川慶鉆探工程公司國際工程公司

塔里木盆地山前某構造儲層埋藏深度大于7 000 m，上部沉積了巨厚的礫石層，鉆井液鉆井鉆速低、鉆頭消耗多、周期長，嚴重制約了勘探開發效益，開展空氣鉆井提速具有廣闊前景。通過前期氣體鉆井現場應用表明，山前構造礫石層空氣鉆井時存在井壁失穩、井斜控制難度大等技術瓶頸，筆者通過開展注入參數優化設計、連續循環鉆井技術、動力學防斜技術及鉆井液轉換技術研究，形成了山前構造礫石層空氣鉆井配套技術，通過在A井現場試驗，取得良好應用效果。

1 空氣注入參數優化

采用最小動能法判斷標準［1］確定合理注氣量，該方法認為：當環空空氣最小返速不小于15.24m／s時，能將井底產生的巖屑攜帶至地面。根據實際鉆屑情況，模擬計算了431.8mm和333.4mm兩種井眼尺寸，考慮不同井眼擴大率，不同巖屑顆粒尺寸條件下的最小環空返速，參照最小動能法判斷標準，確定出合理注氣量（表1，圖1、2）。

表1 計算參數與注氣量表

根據最小動能法判斷準則，給出不同條件下合理注氣量（圖1、2）。綜合考慮地面海拔影響，需要配套500m3／min空氣注入設備。

2 連續循環鉆井技術

圖1 431.8mm井眼注氣量與最小環空返速曲線圖

圖2 333.4mm井眼注氣量與最小環空返速曲線圖

連續循環鉆井技術實現了在接單根、起下鉆期間保持介質的連續循環［2－5］，避免井底積液引起的井壁垮塌，降低卡鉆風險，提高鉆井效率。

閥式連續循環系統［6］主要由兩部分組成：連續循環閥、地面切換裝置（圖3）。其工作原理為：預先將連續循環閥配在單根頂端，連接一條側循環管線至連續循環閥，在接單根、起下鉆時通過地面切換裝置對正循環通道和側循環通道進行切換，保持鉆井介質始終處于連續循環狀態。

礫石層空氣鉆井過程中，易發生井徑擴大，導致攜砂困難，存在沉砂卡鉆風險，甚至可能因沉砂過多而提前結束空氣鉆井作業。采用連續循環鉆井技術，具備以下優點。

2.1 節省接立柱時間，提高鉆井效率

常規空氣鉆井采用“接雙根”方式進行，連續循環空氣鉆井接立柱程序簡捷，節省了泄壓、倒換鉆具、壓力恢復等工序，相比常規“接立柱”節省時間近60%。

常規接立柱程序：劃眼、循環清砂→上提鉆具至上單根出轉盤面→停止注氣、泄壓→倒出上單根→接立柱→注氣，待立壓恢復至正常壓力值后，劃眼、鉆進。

連續循環鉆井接立柱程序：劃眼→倒換閘閥，建立側循環通道→接立柱→倒換閘閥，建立主循環通道，恢復鉆進。

圖3 連續循環空氣鉆井技術工作原理圖

2.2 提高復雜井段起下鉆作業安全性

當井底沉砂多時，在沉砂堆積井段進行連續循環起下鉆作業，可避免沉砂卡鉆，提高鉆井安全性。

2.3 延長空氣鉆井進尺

井底沉砂過多可導致提前結束空氣鉆井，而采用連續循環鉆井技術可避免沉砂卡鉆，滿足空氣鉆井安全作業需求，延長空氣鉆井進尺。

3 井斜控制

塔里木山前高陡構造井斜控制［7］是空氣鉆井難題之一，空氣錘防斜技術［8］難以奏效，基于鉆具動力學特性分析，提出一種“彎鉆具動力學防斜技術”［9－10］，對4種不同鉆具組合的動態鐘擺力進行了分析，優選出431.8mm和333.4mm井眼的“彎短節＋雙扶正器”的動力學防斜鉆具組合（表2），其底部鉆具組成為：鉆頭＋彎短節（α°）＋228.6mm鉆鋌＋扶正器＋228.6mm鉆鋌＋扶正器＋228.6mm鉆鋌……

表2 4種彎鉆具防斜鉆具組合的動態鐘擺力表

4 鉆井液轉換

針對塔里木山前礫石層鉆井液轉換過程中易發生井壁失穩、井漏［11－12］等難題，通過室內研究，形成了“強抑制、強封堵、高防塌性、高潤滑性、低濾失”特點的“二強二高一低”含油聚磺－KCl鉆井液體系（表3），基本配方如下：3%～4%的膨潤土＋0.1%～0.3%NaOH＋0.05%～0.1%KPAM 或80A51＋2%～3%潤滑劑＋3%～5%SMP－1＋3%～4%SPNH＋2%～3%YL－80＋0.5%～0.6%PAC－LV＋2%～3%聚合醇＋5%～6%柴油＋1%～1.5%SP－80（占柴油體積）＋3%～5%KCl和適量的加重劑。

該轉換用鉆井液體系的組成為：①特殊前置液，配方：油基潤濕反轉劑＋柴油＋氧化瀝青粉，利用油基潤濕反轉劑特性，改變巖石表面性質，變親水表面為憎水表面，阻止水分進入地層，防止井壁坍塌。②特殊堵漏漿，通過鉆井液中加入適量無滲透、聚合醇、陽離子乳化瀝青等處理劑來實現鉆井液的防漏作用。③含油聚磺－KCl鉆井液，具有“二強二高一低”特征。④舉砂液，建立井筒循環之后清潔井眼所用，通過高密度、高黏度的特點充分攜帶井筒巖屑。形成了一套適合塔里木山前礫石層地質特征的鉆井液轉換工藝技術（圖4），保障安全實施。

圖4 替漿轉換工藝流程圖

表3 “二強二高一低”鉆井液性能指標表

5 應用實例

塔里木山前某構造A井設計井深7 200m，上部沉積巨厚礫石層（厚約5 100m），空氣鉆井施工井段為431.8mm井眼2 502～3 602m井段和333.4 mm井眼3 602～4 652m井段，累計進尺2 150m，占設計井深29.86%，平均機械鉆速4.34m／h，鉆井周期僅49d，同比鉆井液鉆井提高鉆速3～5倍，節省鉆井時間119d。

5.1 連續循環鉆井系統應用

5.2 井斜控制

表4 A井空氣鉆井動力學防斜鉆具組合表

5.3 鉆井液轉換

6 結論

1）連續循環鉆井技術避免沉砂卡鉆，延長鉆井進尺，提高鉆井時效，成為塔里木山前構造礫石層空氣鉆井重要配套技術之一。

圖5 A井空氣鉆井井斜曲線圖

2）基于鉆具動力學理論研究，提出空氣鉆井動力學防斜技術，優選出“彎短節＋雙扶正器”防斜鉆具組合，為山前高陡構造空氣鉆井井斜控制提供了一條有效途徑。

3）優配了“二強二高一低”的含油聚磺－KCl轉換用鉆井液體系，形成了適合山前礫石層地質特征的鉆井液轉換工藝技術，保障鉆井液轉換作業的安全性、高效性。

4）通過在A井空氣鉆井現場試驗，提高機械鉆速3～5倍，節省鉆井時間119d，井斜滿足工程要求，取得良好應用效果。

［1］王存新，孟英峰，鄧虎，等.氣體鉆井注氣量計算方法研究進展［J］.天然氣工業，2006，26（12）：97－99.WANG Cunxin，MENG Yingfeng，DENG Hu，et al.Study advances in gas volume requirement calculation for gas drilling［J］.Natural Gas Industry，2006，26（12）：97－99.

［2］AYLING L J，JENNER J W，ELKINS H.Continuous circulation drilling［C］∥paper 14269presented at the Offshore Technology Conference，6－9May 2002，Houston，Texas，USA.Houston：OTC，2002.

［3］周爽.連續循環鉆井［J］.國外油田工程，2003，19（10）：25－26.ZHOU Shuang.Continuous circulation drilling technology［J］.Foreign Oilfield Engineering，2003，19（10）：25－26.

［4］JENNER J W，ELKINS H L，SPRINGETT F，et al.The continuous circulation system：An advance in constant pressure drilling［J］.SPE Drilling ＆ Completion，2005，20（3）：168－178.

［5］TORSVOLL A，HORSRUD P，REIMERS N.Continuous circulation during drilling utilizing a drill string integrated valvethe continuous circulation valve［C］∥paper 98947－MS presenled at the IADC／SPE Drilling Conference，21－23February 2006，Miami，Florida，USA.New York：SPE，2006.

［6］許期聰，鄧虎，周長虹，等.連續循環閥氣體鉆井技術及其現場試驗［J］.天然氣工業，2013，33（8）：83－87.XU Qicong，DENG Hu，ZHOU Changhong，et al.Field tests of gas drilling technology with continuous circulation valves［J］.Natural Gas Industry，2013，33（8）：83－87.

［7］項德貴，葛云華，孫夢慈，等.空氣鉆井井斜控制問題的探討［J］.鉆采工藝，2005，28（5）：1－3.XIANG Degui，GE Yunhua，SUN Mengci，et al.Discussion on the wellbore deviation controlling in air drilling［J］.Drilling ＆ Production Technology，2005，28（5）：1－3.

［8］鄧虎，伍賢柱，余銳.氣體鉆井井斜的原因及防斜技術［J］.天然氣工業，2009，29（1）：58－60.DENG Hu，WU Xianzhu，YU Rui.Causes of well deviation during gas drilling and its control［J］.Natural Gas Industry，2009，29（1）：58－60.

［9］狄勤豐，朱衛平，姚建林，等.預彎曲動力學防斜打快鉆具組合動力學模型［J］.石油學報，2007，28（6）：118－121.DI Qinfeng，ZHU Weiping，YAO Jianlin，et al.Dynamic model of Bottom hole assembly used in pre－bending dynamic vertical and fast drilling technology［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28（6）：118－121.

［10］狄勤豐，朱衛平，姚建林，等.空氣鉆井鉆具動力學特征及井斜機理研究［J］.石油學報，2008，29（6）：917－920.DI Qinfeng，ZHU Weiping，YAO Jianlin，et al.Dynamic features of bottom hole assembly and borehole deviation mechanism in air drilling［J］.Acta Petrolei Sinica，2008，29（6）：917－920.

［11］周成華，王平全，張珍，等.氣體鉆井替換過程中保持井壁穩定的對策［J］.鉆采工藝，2007，30（5）：1－3.ZHOU Chenghua，WANG Pingquan，ZHANG Zhen，et al.Countermeasure for protecting wellbore stability while gas－liquid transformation during drilling［J］.Drilling ＆Production Technology，2007，30（5）：1－3.

［12］劉翔，王娟，金承平.氣體鉆井轉化常規鉆井的替入鉆井液技術［J］.鉆采工藝，2008，31（4）：37－39.LIU Xiang，WANG Juan，JIN Chengping.Drilling fluid technique of gas drilling translation into conventional drilling［J］.Drilling ＆ Production Technology，2008，31（4）：37－39.