巨厚礫石層空氣連續循環鉆井技術實踐與認識

蒲克勇,李忠飛,王 虎,2

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川德陽618300；2.油氣鉆井技術國家工程實驗室欠平衡與氣體鉆井試驗分基地，四川德陽618300）

博孜區塊位于庫車坳陷克拉蘇構造帶西部，天山南麓，其平面大致劃分為博孜1井區與博孜3井區兩個扇體控制區，分別發育著平均厚度為4968m、2863m的巨厚礫石層，同時該區域又是山前高陡構造，給鉆井帶來了諸多技術難點，導致了該區塊內鉆井機械鉆速過低、鉆井周期過長[1]。

1 巨厚礫石層鉆井技術難點

博孜—大北區塊萬億方大氣區正在逐步形成，計劃到2025年實現博孜—大北區塊100×108m3產能建設目標。巨厚礫石層在鉆進過程中時常發生井漏、遇阻、憋跳鉆、掛卡、垮塌、斷鉆具等復雜情況，近年來，如何提升博孜區塊巨厚礫石層鉆井時效一直是困擾塔里木鉆井界的一個難題。見表1。

表1 博孜1、博孜3井區礫石層平均鉆速統計表

近年來，博孜區塊礫石層提速不斷嘗試，對比常規牙輪、垂鉆、渦輪+孕鑲、空氣連續循環鉆井，以及個性化鉆頭及提速工具組合等鉆井工藝、工具和技術，發現空氣連續循環鉆井效果相對較好，見圖1。

圖1 博孜1、博孜3井區礫石層提速工藝機械鉆速統計圖

截止目前博孜區塊空氣連續循環鉆井集中在博孜1井區實施，從實施情況分析，井斜控制與沉砂清理仍然是目前技術條件下空氣連續循環鉆井難以避免的難點與重點，但從現場應用效果來看，空氣連續循環鉆井技術是巨厚礫石提速的一項關鍵技術。

2 空氣連續循環鉆井工藝

連續循環鉆井技術主要采用連續循環系統和連續循環閥兩種方式[2]。川慶空氣連續循環鉆井工藝采用連續循環閥控制方式（見圖2），預先將連續循環閥配在立柱（單根）頂端，鉆完上一個帶有連續循環閥的立柱（單根），連接側循環管線至連續循環閥側閥，進行側向循環通道切換，待立柱（單根）接卸完畢后再進行正向倒換，實現了在起下鉆、接立柱（單根）過程中循環介質不中斷的鉆井工藝[3]。

圖2 連續循環閥本體圖

采用空氣連續循環鉆井技術在起下鉆、接卸立柱過程中，保持循環介質連續循環，持續懸浮巖屑，避免了因沉砂沉降引起的埋鉆具、卡鉆等復雜事故，同時，這項工藝能有效延長沉砂較多、微量出水地層空氣鉆井進尺。

截止目前，空氣連續循環鉆井技術已在博孜巨厚礫石層應用10井次，如表2所示，在微出水礫石層已實現單開空氣鉆井最長進尺2180m，有效延長了空氣鉆井進尺，提升了鉆井時效。

表2 博孜1井區空氣連續循環鉆井井次統計表

3 現場應用實踐與認識

博孜1井區上部礫石層厚度平均厚度5000m左右，礫石硬度高，常規鉆壓高、憋跳鉆嚴重，采用空氣連續循環鉆井，鉆壓低，機械鉆速快，但在2500m以前井段，地層水分布較多，地層出水后浸泡易引起井壁失穩現象，影響空氣鉆井井下安全，因此，空氣連續循環鉆井井段多選擇在2500～5000m井段。

在2500～5000m井段，地層壓實程度較高，成巖性較上部地層好，對比分析泥漿鉆井與空氣連續循環鉆井，發現采用空氣連續循環鉆井技術大大縮短了礫石層鉆井周期，提升了鉆井時效，如圖3所示。

圖3 博孜1井區空氣連續循環鉆井、泥漿鉆井周期對比圖

博孜區塊構造地層傾角較大，在目前技術條件下，空氣連續循環鉆井無有效的實時糾斜方式，只有通過調整鉆具組合、控制鉆時被動防斜，同時，在鉆井過程中，沉砂較多，這些都極大地限制了空氣連續循環鉆井的時效提升。通過對空氣連續循環鉆井技術在博孜區塊的應用實踐，分析了井斜控制與沉砂清理的影響因素，并提出了建議。

3.1 井斜控制

在山前構造地層，若不采取工藝措施對井斜進行控制，極易造成井斜超標，嚴重則造成井眼報廢。通過對博孜區塊空氣連續循環鉆井井斜統計分析，發現庫車組地層井斜隨著井深增漲規律大致相同，當鉆至康村組地層后，由于地層傾角變化，井斜增漲規律發生變化，如圖4所示，分析認為，影響礫石層空氣連續循環鉆井井斜控制的主要因素為地層傾角大小。

圖4 博孜1井區空氣連續循環鉆井井斜統計圖

從力學角度分析，礫石層空氣鉆井鉆壓較小，鉆柱不會發生一次彎曲與二次彎曲[4]，鉆頭側向力主要受地層與鉆頭交界面所影響，也就是地層傾角影響。同時，由于空氣鉆井環空返速高，對井壁沖刷較大，井眼擴大率較常規鉆井偏大，因此，鉆具組合中扶正器大小等影響因素相對較小。

空氣鉆井目前在博孜區塊主要防斜方式是控時鉆進，其原理是減小地層對鉆頭的側向力，從而控制井斜的增漲，因此，井斜控制與機械鉆速提升是一個矛盾的復合體。建議在鉆井過程中，若要提升空氣連續循環鉆井機械鉆速，應在不影響后期技術套管下入以及完井改造工藝實施的前提下，適當放寬井斜控制范圍，以提升機械鉆速。

3.2 沉砂清理

在博孜區塊2500～5000m地層，存在礫石層準成巖與成巖地層，準成巖地層膠結較為疏松，經過空氣大排量沖刷井徑擴大率偏大，成巖地層稍好，但在鉆井過程中，沉砂厚度也時常超過30m，甚至達到80m，如圖5所示。分析發現，在空氣連續循環鉆井過程中，沉砂厚度有一個先增加再減少的過程。

圖5 博孜1井區空氣連續循環鉆井沉砂厚度統計圖

從理論分析角度發現，在井眼擴大率一定的情況下，巖屑粒徑越大，所需要的舉升空氣排量就越大，同樣也可以得出結論，在空氣連續循環鉆井過程中，巖屑按粒徑大小在環空中分布，如圖6所示。因此，在空氣排量一定的情況下，只有當巖屑粒徑碰撞到足夠小的尺寸才能返出井筒。

圖6 空氣鉆井巖屑直徑與循環排量關系圖

分析認為，礫石層鉆井沉砂厚度之所以有一個先增加再減少的過程，是由于博孜區塊巨厚礫石層成巖性隨井深增加而逐漸變好，也就是說，隨著井深增加，井筒被空氣沖刷擴大率越來越小，而同時，隨著井深增加，巖屑粒徑在環空中分布逐步下移，在上部擴大率較大井段，巖屑粒徑已經足夠小到返出井筒。因此，可以說隨著井深增加，平均井眼擴大率變小，沉砂厚度就逐漸減小了，這與在實鉆中后期返出粉末較多、巖屑粒徑變小的實際相符合。

同時，沉砂厚度也受巖屑在環空中循環碰撞時間長短、排量大小變化影響，碰撞時間越長，巖屑平均粒徑越小，沉砂厚度會有一個相應的減少；排量大小變化會改變環空巖屑粒徑分布，再次形成新的碰撞條件，從而影響改變沉砂厚度。

因此，建議在空氣連續循環鉆井起下鉆、測斜過程中，適當延長循環碰撞時間，改變排量大小，可以有效地將沉砂厚度控制在一定范圍內。

4 結論與建議

（1）通過對比分析，認為在目前技術條件下，空氣連續鉆井技術是巨厚礫石層提速一項關鍵技術。

（2）采用空氣連續循環鉆井技術能有效延長了微出水礫石層鉆井進尺，提升巨厚礫石層鉆井時效。

（3）礫石層空氣連續循環鉆井影響井斜控制的主要因素是地層傾角，建議在不影響后期技術套管下入以及完井改造工藝實施的前提下，適當放寬井斜控制范圍可以提升機械鉆速。

（4）空氣連續循環鉆井沉砂厚度主要受成巖性影響，循環碰撞時間長短與排量大小變化也會影響沉砂厚度，建議在起下鉆、測斜過程中，適當延長循環碰撞時間，改變排量大小，可以有效控制沉砂厚度。