連續循環空氣鉆井技術在BZ18井的應用

王春生，鄧 柯, 劉殿琛, 盧俊安，王延民，劉厚彬, 遲 軍

(1中石油塔里木油田公司勘探事業部 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 3西南石油大學石油工程學院)

塔里木庫車山前BZ構造油氣資源豐富，開發潛力巨大，成為塔里木油田3 000×104t產能建設重點區塊。但該構造上沉積的巨厚礫石層5 500～6 000 m[1]，采用常規鉆井機械鉆速低(<1.4m/h)、鉆井周期長、鉆頭消耗嚴重、提速工具優勢無法發揮等難題一直困擾該構造的高效勘探與開發，而空氣鉆井面臨沉砂量大及井壁失穩和井斜的難題[2]，都制約BZ區塊勘探開發進程，為突破上部礫石層提速瓶頸，筆者利用專業軟件對BHA進行模擬，提出了預彎+雙擺最佳鉆具組合[3-5]，依據最小攜巖動能原理，優化注氣量，充分發揮連續循環優勢，采用控時鉆進技術，避免了大量沉砂和井斜超標等難題；通過在BZ18井三開?311.2 mm井眼庫車組層段進行了空氣連續循環鉆井提速應用，取得了較好的應用效果。

一、工藝參數確定與優化

BZ18井位于新疆克拉蘇構造帶克深區帶BZ段北部BZ18號構造高點的一口預探井，井型直井，設計井深7 135 m，完鉆層位白堊系巴西改組。第四系～吉迪克組層段發育約5 750 m巨厚礫石層，其中未成巖段礫石厚2 100 m(0～2 100 m)，準成巖段礫石厚650 m(井段2 100～2 750 m)，成巖段礫巖厚3 000 m(井段 2 750～5 750 m)。

設計在三開?311.2 mm井眼井段2 836～4 500 m庫車組～康村組開展空氣連續循環鉆井，以提高深部礫石層段機械鉆速，縮短鉆井周期。若出現井壁失穩、井斜超標且糾斜無效等情況，終止空氣鉆井作業，轉換成鉆井液鉆井。

1.預彎鐘擺鉆具防斜組合設計

利用專用軟件對三開?311.2mm井眼空氣鉆井預彎鐘擺鉆具組合進行仿真模擬[4]，鉆具組合：?311.2 mm牙輪鉆頭+α°預彎短節+止回閥+?228.6 mm無磁鉆鋌1根+?228.6 mm鉆鋌1根+?309.2 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌1根+?309.2 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌3根+?203.2 mm鉆鋌18根+?139.7 mm加重鉆桿15根+?139.7 mm斜坡鉆桿+頂驅。模擬條件：鉆壓60 kN，轉速60 r/min，井斜角2°，圖1表明動態降斜力最大(1.39 kN)，運動較穩定。

圖1 側向力相圖

2.鉆井參數設計

三開?311.2 mm井眼空氣鉆井采用牙輪鉆頭，優選強保徑、高抗沖擊、金屬密封優質牙輪鉆頭；鉆壓10～60 kN，注氣量300～400 m3/min，見表1，實際鉆進期間根據井斜、井下沉砂情況調整鉆井參數。

表1 空氣鉆井參數設計

3.連續循環鉆井設計

BZ18井三開?311.2 mm井眼實施空氣連續循環鉆井工藝[5-6]，實現在接立柱、起下鉆作業期間的空氣介質連續循環，持續清潔井底，防止沉砂卡鉆，延長空氣鉆井進尺，提高空氣鉆井作業安全性。

空氣連續循環接立柱/下鉆流程見圖2。

圖2 空氣連續循環接立柱流程圖

空氣連續循環起鉆流程見圖3。

圖3 空氣連續循環起鉆流程圖

二、現場應用

BZ18井三開?311.2 mm井眼空氣連續循環鉆井井段2 836.50～4 111.50 m，進尺1 275.00 m，平均機械鉆速6.40 m/h，用時15.5 d，平均行程鉆速82.26 m/d。通過“預彎鐘擺鉆具組合+控時鉆進”防斜，空氣鉆井井段井斜范圍1.10°～3.94°，最大井斜僅3.94°/3 537.50 m，確保較好井身質量，滿足工程要求。

1.鉆進

BZ18井三開?311.2 mm井眼空氣連續循環鉆井共進行三趟鉆作業，第一趟鉆氣舉、空氣鉆進領眼，作業井段2 836.50～2 874.00 m，進尺37.5 m，鉆具組合：? 311.2 mm HJT517GK+接頭(630×NC610)+?228.6 mm鉆鋌×6根+接頭(NC611×NC560)+?203.2 mm鉆鋌×15根+接頭(NC561×520)+?139.7 mm加重鉆桿×15根+?139.7 mm鉆桿，施工參數：鉆壓0～10 kN，轉速60～70 r/min，注氣量180～210 m3/min，泵壓1.0～2.0 MPa。

第二趟鉆作業井段2 874.00～3 528.67 m，進尺654.67 m，平均鉆速7.23 m/h。鉆具組合：?311.2 mm JT537GK+接頭(630×NC610)+α°預彎短節+?228.6 mm 浮閥+?228.6 mm鉆鋌×2根+?303 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌×1根+?304 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌×3根+接頭(NC611×NC560)+?203.2 mm鉆鋌×9根+接頭(NC561×520)+?139.7 mm加重鉆桿×15根+?139.7 mm鉆桿。施工參數：鉆壓0～20 kN，轉速60～70 r/min，注氣量210～300 m3/min，泵壓1.4～2.9 MPa。

第三趟鉆作業井段3 528.67～4 111.50 m，進尺582.83 m，平均鉆速5.80 m/h。鉆具組合：?311.2 mm JT537GK+接頭(630×NC610)+α°預彎短節+?228.6 mm浮閥+?228.6 mm鉆鋌×2根+?303 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌×1根+?308 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌×3根+接頭(NC611×NC560)+?203.2 mm鉆鋌×9根+接頭(NC561×520)+?139.7 mm加重鉆桿×15根+?139.7 mm鉆桿。施工參數：鉆壓0～20 kN，轉速60～70 r/min，注氣量300～360 m3/min，泵壓2.0～3.2 MPa。

本開空氣鉆井期間接立柱、起下鉆作業全過程應用連續循環鉆井技術，表2為BZ18井連續循環系統運轉數據，累計入井連續循環閥30只，地面控制裝置運行時間312 h，作業期間連續循環系統運轉正常；三開空氣鉆井井底沉砂3～84 m，尤其鉆進至井深3 058.82 m沉砂已達26 m，連續循環鉆井技術的應用不僅延長了空氣鉆井進尺1 052.68 m，同時避免了沉砂卡鉆，提升氣體鉆井安全性。

表2 BZ18井三開空氣連續循環鉆井數據統計

2.鉆井液轉換

三開空氣鉆井作業完后，鉆井液轉換的關鍵技術是預防井壁失穩、井漏等井下復雜[7]，施工期間，采用光鉆具組合下鉆至井深4 081 m(距離井底30.50 m)進行替漿作業，依次替入48 m3潤濕反轉劑、60 m3隨鉆堵漏鉆井液及密度1.53 g/cm3KCl-聚磺鉆井液267 m3,出口見返，其性能見表3。下鉆到底循環，起鉆更換鉆井液鉆進鉆具組合恢復鉆進，從空氣鉆井作業結束至恢復鉆井液鉆進用時僅3 d，氣液介質轉換作業得以安全順利完成。

表3 轉換KCl-聚磺鉆井液性能

三、效果分析

1.提速效果顯著

BZ18井三開?311.2 mm井眼空氣鉆井平均機械鉆速6.40 m/h，作業周期15.5 d，行程鉆速82.26 m/d。同比鄰井BZ103、BZ104等鉆井液鉆井,鉆速提高4.1～6.0倍，行程鉆速較鉆井液鉆井提高3.2倍以上，節約鉆井周期33.5 d以上,見表4。

表4 BZ18井空氣鉆井與鄰井鉆井液鉆速對比

2.延長單只鉆頭進尺節省鉆頭消耗

BZ18井三開?311.2 mm井眼空氣鉆井井段2 836.50～4 111.50 m，進尺1 275.00 m，共用3只鉆頭，平均鉆頭進尺425 m，同比鉆井液鉆井節省鉆頭5～10只，提高單只鉆頭進尺2.6～4.3倍,見表5。

表5 BZ18井空氣鉆井與鄰井鉆井液鉆頭對比

3.井斜控制效果較好

BZ18井三開?311.2 mm井眼空氣鉆井期間采用“預彎短節+雙扶正器鐘擺”鉆具組合，控制鉆時在xmin/m鉆進，防斜效果較好，井斜范圍1.10°～3.94°，最大井斜僅3.94°/3 537.50 m,井斜曲線見圖4。

圖4 BZ18井空氣鉆井井斜曲線

四、結論

(1)BZ18井空氣鉆井作業期間，地層不出水，井壁穩定性較好，證明了BZ構造庫車組中下部～康村組層段空氣鉆井地質適應性好，適合在該層段推廣實施空氣鉆井，以提高BZ構造深部礫石層機械鉆速。

(2)BZ18井庫車組～康村組礫石層空氣連續循環鉆井進尺1 275 m，開展連續循環接立柱43次、連續循環起下鉆10趟，累計入井連續循環閥30只，連續循環系統運轉時間達312 h，延長了空氣鉆井進尺1 052.68 m，避免了沉砂卡鉆，提升氣體鉆井安全性。

(3)與鉆井液鉆井相比，空氣鉆井提速效果明顯，鉆速提高4.1～6.0倍，行程鉆速提高3.2倍以上，鉆井周期節約33.5 d以上。

(4)采用“預彎短節+雙扶正器鐘擺”鉆具組合，控時鉆進，能夠較好控制井斜，確保井身質量。