花崗巖地層空氣鉆井應用實踐

代 鋒，文永林，李 勇，王興忠

（中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院,四川德陽618000）

位于第三紀的浦項盆地，是韓國高溫地熱資源的有利聚集區(qū)，作為地熱勘探的重點區(qū)塊，韓國政府計劃2年時間部署3口井，利用增強型地熱系統(tǒng)開發(fā)深層地熱資源。為加快勘探進程，提高機械鉆速，縮短鉆井周期，在充分論證空氣鉆井可行性基礎上，在PX-2井三開實施了花崗巖地層的空氣鉆井試驗。

1 空氣鉆井可行性分析

1.1 鄰井PX-1井三開鉆井施工難點分析

（1）花崗巖巖性致密、硬度高。三開地層（2406～4127m）巖性為致密花崗巖（頂界2356m），在整套花崗巖地層中含大段角閃巖脈，其硬度高，組成礦物含石英（＜20%～35%）、云母、正長石、粉紅色長石、綠泥石、角閃石，共8段，厚度2～130m不等，整個井段均較硬，不易破碎。

（2）花崗巖地層鉆頭選型困難，磨損嚴重、使用數(shù)量多。致密花崗巖地層可鉆性差、研磨性強，鉆頭選型困難，本井優(yōu)選SMITH高效鉆頭，整個三開井段累計使用?215.9mm鉆頭10只，單只鉆頭進尺78～227m不等，平均進尺172.1m，鉆頭使用數(shù)量多、費用高，如表1所示。

表1 PX-1井三開鉆頭使用統(tǒng)計

（3）機械鉆速慢，鉆井周期長。三開井段使用1.14～1.25g/cm3的低密度鉆井液，配合SMITH鉆頭，平均機械鉆速僅為1.67m/h，鉆井周期長達94.68d。

1.2 PX-2井三開空氣鉆井可行性分析

PX-2井與PX-1井同井場，井口距離僅相隔6m，因此PX-1井的實鉆工程地質(zhì)資料對PX-2井具有較強的指導作用。PX-2井井身結(jié)構設計如表2所示。

（1）地層上滿足空氣鉆井施工的條件。

表2 PX-2井井身結(jié)構設計

①井壁穩(wěn)定性較好：PX-2井自2375m開始進入致密花崗巖地層，且上部下?244.5mm技術套管至2443.56m（進入花崗巖地層68.56m），封隔上部火山礫石巖、凝灰?guī)r等地層，為空氣鉆井創(chuàng)造了較好的井筒條件；鄰井花崗巖地層鉆進期間，使用鉆井液密度低（未超過1.25g/cm3），井壁較穩(wěn)定，無垮塌現(xiàn)象發(fā)生；

②常壓地層：預測地層壓力系數(shù)1.0～1.25；

③油氣水分布：自上而下無油氣和H2S顯示，地層基本不出水。

（2）工程上有提速的需求。浦項地熱井下部花崗巖地層井段長（超過2000m）、可鉆性差，使用常規(guī)鉆井液鉆井鉆速低、周期長，優(yōu)選高性能破巖工具成本高，同時業(yè)主對項目階段性進度要求高，有必要開展空氣鉆井提速試驗。

2 花崗巖地層特性分析及空氣鉆井參數(shù)設計

2.1 花崗巖地層特性分析

花崗巖是巖漿在地下深處經(jīng)冷凝形成的深成酸性火成巖，主要組成礦物為長石、石英、云母等，石英含量10%～50%、長石含量約占2/3，另外含有輝石和角閃石等。

表3 花崗巖主要物理參數(shù)

如表3所示，花崗巖的主要特性有[1]：

（1）巖性致密，密度高達2.79～3.07g/cm3，如表4所示，較泥巖密度大1/3，較砂巖密度大1/4，相同體積的花崗巖巖屑，比砂泥巖巖屑重25%～30%。因此，為將鉆頭破碎的巖屑順利攜帶出井，空氣鉆井排量需提高25%左右。

表4 花崗巖與泥巖、砂巖、石英砂巖密度比較

（2）花崗巖抗壓強度高，硬度大，同比元壩地區(qū)自流井組平均抗壓強度113.82MPa、須家河組地層平均抗壓強度119.23MPa，花崗巖地層屬于高抗壓強度極硬難鉆地層。若采用鉆井液鉆井，國內(nèi)外使用復合鉆井技術，優(yōu)選孕鑲金剛石鉆頭配合高速渦輪，但費用高昂。

（3）花崗巖屬于硬脆性巖性，使用空氣鉆井技術，由于井底壓差小，可有效改善井底巖石的圍壓狀態(tài)[2]，巖石極易破碎，選用牙輪鉆頭即可，成本低廉。

2.2 空氣鉆井注氣量優(yōu)化設計

采用欠平衡鉆井專用設計軟件HUBS，模擬計算了PX-2井三開花崗巖地層空氣鉆井排量。計算結(jié)果表明，井深2500～2800m注氣量100m3/min即可滿足攜帶0.35mm干燥花崗巖巖屑順利出井，環(huán)空巖屑濃度0.03%，遠小于國際標準4%的要求[3]。這與國內(nèi)在長寧區(qū)塊韓家店、石牛欄組砂泥巖地層相同鉆頭尺寸、相同井深條件下實際所需氮氣排量75～80m3/min相比，注氣排量增加了25%左右，符合致密花崗巖地層的實際攜砂需求[4]。

通過模擬計算，增加注入空氣排量，可以攜帶更大尺寸的花崗巖巖屑，如表5所示，但是仍然極其細小，180m3/min注氣量情況下，能攜帶的最大巖屑尺寸僅為0.55mm，呈粉末狀。

表5 不同空氣排量與攜帶最大花崗巖巖屑尺寸對應關系表

3 現(xiàn)場試驗

3.1 空氣鉆井鉆具組合及施工參數(shù)

PX-2井三開花崗巖地層試驗空氣鉆井技術，采用塔式鉆具組合:8-1/2″牙輪鉆頭+強制止回閥+6-1/2″鉆鋌+5″加重鉆桿+柔性短節(jié)+隨鉆震擊器+5″加重鉆桿+5″鉆桿。主要施工參數(shù)：鉆壓10～80kN，轉(zhuǎn)速40～50r/min，空氣排量100～150m3/min，立 壓 2.1～4.5MPa。

3.2 施工過程和關鍵措施描述

PX-2井三開干燥井筒做好準備工作后，自井深2450m正式開始空氣鉆進。按照施工過程，大致經(jīng)歷了微出水發(fā)現(xiàn)及處理、控時平穩(wěn)觀察鉆進、不穩(wěn)定地層的診斷及處理和終止空氣鉆進施工等過程。

（1）微出水處理。本井空氣鉆進30m（2450～2480）后發(fā)現(xiàn)地層出水，主要表現(xiàn)為：井深2480m取砂樣發(fā)現(xiàn)有潤濕顆粒，2484m接立柱后供氣循環(huán)時取樣口發(fā)現(xiàn)水滴，立壓由2.1MPa增加至3.1MPa。

采取的措施主要有：①停止鉆進，上下活動鉆具，循環(huán)觀察；②以0.5m為單位進行試鉆進，試鉆2m后，取樣口基本無巖屑返出，排砂口無粉塵，停止試鉆進，甩鉆具繼續(xù)循環(huán)；③增加空氣排量，由100m3/min上提至140m3/min，循環(huán)活動鉆具，觀察巖屑返出情況和參數(shù)變化情況，考慮花崗巖巖屑細（粉末狀）、吸水性差（不膨脹）、井徑擴大率小、井下溫度高（超過80℃），在確保井下安全的情況下，繼續(xù)試鉆進觀察，至該立柱鉆進完，巖屑逐漸返出正常、參數(shù)恢復正常，開始正常鉆進。本井預測出水2～3m3/h，屬于微量出水。

（2）控時鉆進。基于花崗巖巖性致密、重度高，同時考慮上部進入裸眼30m有一個持續(xù)出水的小水層，本井空氣鉆井施工時始終保持控時鉆進，控制鉆壓10～80kN，鉆時8～12min/m，以充分循環(huán)攜帶井底的巖屑。實鉆中在2511～2512m、2631～2644m井段先后出現(xiàn)加不上鉆壓、快鉆時井段，實鉆中控制鉆時在10min左右，采取勤循環(huán)、勤劃眼等技術措施，確保鉆屑能較多地帶出井筒，避免形成砂橋或者硬卡。

（3）不穩(wěn)定地層的診斷與處理。為驗證上部持續(xù)出水對下部裸眼段的影響、套管內(nèi)鉆具的阻卡情況以及快鉆時井段地層的穩(wěn)定性，空氣鉆井期間進行了一次短起下鉆。短起時，裸眼段正常，進入套管內(nèi)21m遇阻，接頂驅(qū)供氣循環(huán)倒劃眼起鉆至套管內(nèi)正常井段。說明出水后在套管內(nèi)壁最下部200m井段粘附有致密細小的花崗巖屑，較常規(guī)砂泥巖更不易清除。

下鉆時在井深2634m遇阻，遇阻井深處于2631～2644m快鉆時井段，供氣循環(huán)劃眼到底，增加空氣排量至150m3/min鉆進至井深2743m，鉆井期間井口返砂量大，有大顆粒出現(xiàn)，立壓上升較快（3.6MPa↑4.5MPa），扭矩變化大（6～14↑18kN·m），加大排量、增加循環(huán)時間，立壓逐漸下降恢復正常。現(xiàn)場判斷：上部2631～2644m快鉆時井段屬巖性變化、斷層界面或地層應力破碎帶，屬不穩(wěn)定地層。

（4）終止施工。基于起鉆驗證牙輪鉆頭磨損情況和通過起下鉆檢驗井壁不穩(wěn)定地層對井下狀況影響的考慮，實施了起下鉆作業(yè)。下鉆至井深2576m遇阻，供氣長時間循環(huán)劃眼至2675m，其中2631～2634m巖屑濕潤，地層出水，2660～2675m井段，反復劃眼，仍有阻卡現(xiàn)象，磨圓的巖屑異常多，最大顆粒大小20mm，分析地層垮塌，起鉆轉(zhuǎn)換鉆井液，結(jié)束空氣鉆井施工。

3.3 應用效果分析

本井使用一只牙輪鉆頭，累計純鉆時間56h，在高抗壓強度的致密花崗巖硬地層中施工井段2450～2743m，累計進尺293m，平均機械鉆速5.23m/h，取得了較明顯的提速效果。與鄰井PX-1井相同井段使用高性能鉆頭平均機械鉆速1.67m/h相比，提速2.13倍，單只鉆頭進尺長，鉆頭起出新度高，實現(xiàn)了空氣鉆井的優(yōu)快鉆進。

4 結(jié)論與建議

（1）花崗巖具有致密、高抗壓強度、硬脆性等特性，常規(guī)鉆井破巖效率低、鉆頭磨損快，適合采用空氣鉆井技術以提高機械鉆速。

（2）空氣鉆井配合牙輪鉆頭，通過優(yōu)化空氣排量、控時鉆進、密切觀察等措施，可有效確保花崗巖地層中的安全鉆進。

（3）純花崗巖具有很好的井壁穩(wěn)定性，但由于含有角閃石、裂隙充填物等組分，存在交界面和微裂縫發(fā)育、松散等情況，導致地層易破碎、井壁不穩(wěn)定。建議通過地震、錄井、測井等手段，認真分析井壁穩(wěn)定情況，確保施工的安全性和持續(xù)性。

[1]顧曉魯.地基與基礎[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1993.

[2]陳鵬,王璽,陳江浩,等.乍得潛山花崗巖地層欠平衡鉆井試驗[J].石油鉆采工藝,2014,36(2):19-22.

[3]楊虎,王利國.欠平衡鉆井基礎理論與實踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009：39-46.

[4]肖洲.氣體鉆井技術在長寧頁巖氣區(qū)塊的應用[J].鉆采工藝,2016,39（3）:125-126.