塔里木博孜區(qū)塊巨厚礫石層氣體鉆井實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

陸燈云, 王春生, 鄧 柯, 史永哲, 陽君奇

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2塔里木油田公司勘探事業(yè)部)

博孜區(qū)塊位于庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶西部，是塔里木油田“十四五”3 500×104t建設(shè)增儲(chǔ)上產(chǎn)工作的重點(diǎn)區(qū)塊。該構(gòu)造第四系至吉迪克組沉積巨厚礫石層，鉆井液鉆井機(jī)械鉆速低，鉆頭耗用多，鉆井周期長，大幅增加鉆井成本，嚴(yán)重制約勘探開發(fā)進(jìn)程。針對(duì)博孜區(qū)塊礫石層鉆井液鉆井出現(xiàn)的技術(shù)難題，開展了空氣鉆井提速研究，為加快博孜區(qū)塊勘探開發(fā)進(jìn)程提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

一、礫石層地質(zhì)特征

博孜區(qū)塊礫石層沉積厚度約2 000～6 000 m，在國內(nèi)外實(shí)屬唯一。從沖擊扇沉積特征分析，分為扇根礫石層沉積厚度3 000～4 000 m(博孜6、15井)，扇中礫石層沉積厚度最厚5 000～6 000 m(博孜1井及鄰井)，扇端礫石層沉積厚度500～1 000 m(博孜9井及鄰井)，扇兩翼礫石層沉積厚度2 000～4 000 m(東翼博孜22、104及鄰井、西翼博孜3、13及鄰井)。從扇根到扇端，礫石粒徑逐漸減小，可鉆性也逐漸變好。從縱向沉積特征分析，礫石層分為未成巖段、準(zhǔn)成巖段及成巖段。未成巖段平均厚度1 500 m，礫石膠結(jié)疏松，基質(zhì)以砂泥質(zhì)膠結(jié)為主，遇水易失穩(wěn)；準(zhǔn)成巖段平均厚度500 m，膠結(jié)趨于致密；成巖段平均厚度2 500 m，膠結(jié)強(qiáng)度高，CaCO3含量逐漸增大，基質(zhì)以灰質(zhì)膠結(jié)為主。以博孜1井區(qū)為例，經(jīng)過近10年常規(guī)鉆井提速探索與試驗(yàn)，優(yōu)選改進(jìn)了多種個(gè)性化鉆頭與提速工具，但巨厚礫石層平均機(jī)械鉆速約2.0 m/h，仍不高，礫石層平均鉆井周期在150 d，提速仍是博孜區(qū)塊礫石層的一大瓶頸。

二、礫石層氣體鉆井技術(shù)難點(diǎn)

博孜區(qū)塊礫石層氣體鉆井技術(shù)難題體現(xiàn)在以下四方面。

(1)防塌[1]。未成巖段、準(zhǔn)成巖段礫石層膠結(jié)強(qiáng)度不高，又多為水層集中段，基質(zhì)充填以泥砂質(zhì)為主，一旦鉆遇地層出水，將大幅降低基質(zhì)充填物強(qiáng)度，引發(fā)礫石垮塌，如庫車組上部露頭巖樣浸泡前抗壓強(qiáng)度為61.1～71.1 MPa，浸泡后抗壓強(qiáng)度僅為30.2～39.0 MPa。

(2)防斜打快。博孜區(qū)塊礫石層地層傾角在8°～15°，井身質(zhì)量要求高，當(dāng)前氣體鉆井缺少主動(dòng)防斜措施，通過尋求最優(yōu)鉆具組合以獲得控斜和提速的雙贏局面。

(3)防沉砂卡鉆。礫石密度高3.0～4.0 g/cm3，是泥頁巖密度的1.5倍，不易破碎，且礫石層氣體鉆井平均井眼擴(kuò)大率約為30%，進(jìn)一步加大了深井段礫石攜帶難度，易形成沉砂。

(4)鉆井液轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換工藝和鉆井液性能方面確保轉(zhuǎn)換過程中的井壁穩(wěn)定與清砂需要。

三、礫石層氣體鉆井工藝措施

1.連續(xù)循環(huán)氣體鉆井技術(shù)

對(duì)巨厚礫石層開展氣體鉆井地質(zhì)適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究，優(yōu)選出無水層分布、成巖性好的庫車組中部(2 500 m)～康村組中下部(5 200 m)中深部礫石層作為氣體鉆井提速層段。針對(duì)清砂難題，配套實(shí)施連續(xù)循環(huán)氣體鉆井工藝[2]。

連續(xù)循環(huán)氣體鉆井工藝，即將注氣管線與連續(xù)循環(huán)地面控制系統(tǒng)串聯(lián)，控制系統(tǒng)分為主側(cè)兩個(gè)循環(huán)通道，主循環(huán)通道與立管相連實(shí)現(xiàn)正常鉆井，側(cè)循環(huán)通道與連續(xù)循環(huán)閥相連實(shí)現(xiàn)在接單根、起下鉆等過程氣體介質(zhì)循環(huán)，連續(xù)循環(huán)氣體鉆井地面流程見圖1。

圖1 連續(xù)循環(huán)氣體鉆井地面流程圖

該工藝實(shí)現(xiàn)了氣體介質(zhì)的連續(xù)循環(huán)，有效解決礫石層氣體鉆井沉砂卡鉆難題，延長氣體鉆井進(jìn)尺，提升復(fù)雜井段作業(yè)安全性，已成為礫石層氣體鉆井的標(biāo)配技術(shù)。

2.氣體鉆井裝備配套

按?333.4 mm井眼氣體鉆井井段為2 500～5 200 m，層位庫車組～康村組，按400 m3/min注氣量[3]配套的主體設(shè)備見表1。

表1 主體設(shè)備配置方案

3.預(yù)彎鐘擺鉆具組合優(yōu)化

根據(jù)三開?333.4 mm井眼氣體鉆井鉆井參數(shù)，計(jì)算條件：地層傾角8°，鉆壓60 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，采用專用軟件仿真[4]分析了0.75°彎短接與三種不同扶正器安放位置所對(duì)應(yīng)的BHA動(dòng)態(tài)鐘擺力(表2)，優(yōu)選出鐘擺力最大預(yù)彎鐘擺鉆具組合BHA-1作為氣體鉆進(jìn)鉆具組合：?333.4 mm牙輪鉆頭+0.75°預(yù)彎短接+止回閥+?228.6 mm無磁鉆鋌1根+?228.6 mm鉆鋌+?330 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌1根+?331 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌3根…。

表2 ?333.4 mm井眼三種預(yù)彎鐘擺鉆具組合模擬數(shù)據(jù)

從BHA-1的側(cè)向力相圖(圖2)和渦動(dòng)軌跡(圖3)可看出，BHA-1的平均動(dòng)態(tài)降斜力最大1.39 kN，鉆具圍繞井眼中心有序渦動(dòng)，且鐘擺段與井壁沒有接觸點(diǎn)。

圖2 BHA-1側(cè)向力相圖

圖3 BHA-1的渦動(dòng)軌跡

4.鉆井液轉(zhuǎn)換技術(shù)

博孜區(qū)塊三開?333.4 mm/?311.2 mm井眼氣體鉆井井段2 500～5 200 m為成巖礫石層，較上部未成巖及準(zhǔn)成巖段，該段膠結(jié)強(qiáng)度高，但存在氣體鉆井干井眼而形成的應(yīng)力性微裂縫，因此進(jìn)行鉆井液轉(zhuǎn)換應(yīng)重點(diǎn)考慮防塌、防漏和清砂三方面因素[5]。

博孜區(qū)塊轉(zhuǎn)換用鉆井液由四部分構(gòu)成：①油基前置液40～60 m3，配方：油基鉆井液+大分子聚合物，利用油基前置液潤濕反轉(zhuǎn)劑特性，改變巖石表面性質(zhì)，變親水表面為憎水表面，阻止水份進(jìn)入地層，防止井壁坍塌;②隨鉆堵漏漿60～80 m3，由“KCl-聚磺鉆井液中加入7%～10%隨鉆堵漏劑”配制而成，用以實(shí)現(xiàn)鉆井液的防漏作用;③KCl-聚磺鉆井液，具有“強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵、高防塌性、高潤滑性、低濾失”特征，其性能指標(biāo)見表3;④黏度120 s稠漿30～40 m3，建立井筒循環(huán)之后清潔井眼所用，通過高密度、高黏度的特點(diǎn)充分?jǐn)y帶井筒巖屑。

表3 “二強(qiáng)二高一低”KCl-聚磺鉆井液性能指標(biāo)

室內(nèi)研究形成的“二強(qiáng)二高一低”KCl-聚磺鉆井液體系，基本配方如下：3%～5%的膨潤土+0.2%～0.5%NaOH+0.05%～0.1%KPAM或80A51+1%～3%潤滑劑+3%～6%SMP-1+3%～5%SPNH+2%～5%YL-80+0.5%～0.6%PAC-LV+2%～3%聚合醇+1%～1.5%SP-80(占柴油體積)+7%～10%KCl和適量的加重劑。

為確保鉆井液轉(zhuǎn)換期間鉆具安全，博孜區(qū)塊鉆井液轉(zhuǎn)換工藝為：“光鉆桿+銑齒”鉆具組合下至距井底3柱替漿，替漿工藝流程見圖4。

圖4 替漿工藝流程圖

四、現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

2019年在博孜區(qū)塊三開?333.4 mm/?311.2 mm井眼實(shí)施氣體鉆井作業(yè)3井次，層位庫車組中部～康村組上部，累計(jì)進(jìn)尺5 026 m，平均行程鉆速70.3 m/d，應(yīng)用效果良好，見表4。全程配套連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，有效解決沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，3口井累計(jì)延長氣體鉆井進(jìn)尺3624.68 m，占?xì)怏w鉆井總進(jìn)尺72%，成為博孜區(qū)塊氣體鉆井重要配套技術(shù)之一。

表4 博孜區(qū)塊氣體鉆井應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.提速效果顯著

博孜區(qū)塊氣體鉆井平均行程鉆速66.1～82.26 m/d，耗用國產(chǎn)牙輪鉆頭3～4只，平均單只鉆頭進(jìn)尺392.75～545 m，同比常規(guī)鉆井，行程鉆速平均提高3.4倍(圖5)，節(jié)省鉆頭7只以上，單只鉆頭進(jìn)尺平均提高3.5倍(圖6)。

圖5 博孜區(qū)塊氣體鉆井與常規(guī)鉆井行程鉆速對(duì)比

圖6 博孜區(qū)塊氣體鉆井與常規(guī)鉆井鉆頭數(shù)據(jù)對(duì)比

2.井斜控制取得成效

博孜18、8和2井三開空氣鉆井期間采用預(yù)彎鐘擺鉆具組合，控制一定鉆時(shí)鉆進(jìn)，井斜滿足了井身軌跡控制要求，三口井井斜范圍0.43°～4.19°(圖7)，最大井斜為博孜2井4.19°/4 290 m。

圖7 博孜區(qū)塊氣體鉆井井斜曲線

五、結(jié)論

(1)博孜區(qū)塊庫車組中部～康村組中下部為成巖礫石層，巖石膠結(jié)強(qiáng)度高，地層不出水或微出水，井壁穩(wěn)定，適合開展氣體鉆井提速。

(2)配套連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)、預(yù)彎鐘擺鉆具組合、鉆井液轉(zhuǎn)換技術(shù)有效解決博孜區(qū)塊礫石層氣體鉆井沉砂卡鉆、井斜控制等難題，初步形成了適合博孜區(qū)塊礫石層氣體鉆井工藝。

(3)在博孜區(qū)塊開展應(yīng)用3井次，與常規(guī)鉆井相比，氣體鉆井提速效果明顯，行程鉆速平均提高3.4倍，節(jié)省鉆頭7只以上，單只鉆頭進(jìn)尺平均提高3.5倍。