庫車山前礫巖層鉆井提速技術(shù)探索

賈培娟，李萍，吳易霖，吳建平

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，天津 300452）

塔里木盆地從構(gòu)造結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上劃分，分為山前地區(qū)和臺盆地區(qū)。山前地區(qū)包括庫車坳陷、西南坳陶和東南隆起。其中庫車坳陷位于塔里木盆地北部，是一個(gè)以中、新生代沉積為主的疊加型前陸盆地。根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井難度，庫車山前地層分為三大類：巖上地層、復(fù)合地層和巖下地層。庫車山前鉆井難點(diǎn)頗多，本文著重分析鹽上礫石層鉆井難點(diǎn)及其技術(shù)措施，鹽上地層包括第四系、新近系（庫車組、康村組、吉迪克組）和古近系的蘇維依組。地質(zhì)特點(diǎn)：典型高陡構(gòu)造特征，最大傾角達(dá)80°；含大套礫石層，大北至博孜自東向西礫石層逐漸增厚，一般1000～3000m，最厚達(dá)5900m，且礫石大，膠結(jié)致密，抗壓強(qiáng)度高；康車—康村組承壓能力低、斷層發(fā)育。鉆井難點(diǎn)：鹽上地層防斜打快難度大；礫石層和含礫石層可鉆性極差，憋跳嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低；易發(fā)生井漏。

目前，針對礫石層提速的主要措施前人做了大量研究[1-9]，主要是采用空氣鉆井技術(shù)、渦輪+孕鑲鉆頭、鉆具中帶減震器的常規(guī)鉆具組合技術(shù)。本文通過對庫車山前礫石層空氣鉆井、渦輪+孕鑲鉆頭、帶減震器常規(guī)鉆具的鉆井技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況和兩口應(yīng)用液力推動(dòng)器的礫石層鉆井實(shí)例進(jìn)行分析，提出針對庫車山前礫巖層鉆進(jìn)的減震提速技術(shù)措施。

1 空氣鉆井技術(shù)

以博孜X1井為例，該井是一口六開直井，2014年6月完鉆，完鉆井深6950m，二開和三開井段使用空氣鉆井技術(shù)總進(jìn)尺1490.59m，平均機(jī)械鉆速為3.65m/h，遠(yuǎn)高于常規(guī)鉆井，提速效果明顯。為了進(jìn)一步分析鉆速增幅程度，選用同區(qū)塊常規(guī)井博孜X2相應(yīng)井段的鉆頭技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 鉆頭技術(shù)指標(biāo)對比分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及鉆井實(shí)際情況得出：

（1）空氣鉆井技術(shù)提速效果明顯。在同一區(qū)塊博孜X1和博孜X2井相同井段，前者采用空氣鉆井技術(shù)，提高機(jī)械鉆速2.35倍，但由于井壁失穩(wěn)，發(fā)生井下復(fù)雜，使行程鉆速反而降低，沒有達(dá)到縮短鉆井周期的目的。

（2）空氣鉆井使用2只牙輪鉆頭（S127G和T44）和一只空氣錘釬頭KQC330。而常規(guī)鉆井在相同井段使用了12只鉆頭，大幅度降低了鉆頭成本。

（3）博孜X1 井三開井段行程鉆速較低，主要原因是井壁失穩(wěn)發(fā)生卡鉆所致。鉆至井深3502m 中完，短起至2864m掛卡120kN，倒劃至2825.89m憋跳頂驅(qū)，發(fā)生卡鉆。爆炸松扣解卡，落魚入井，魚長246.52m，決定填眼側(cè)鉆。損失時(shí)間100.53d。

（4）博孜X1 井四開采用空氣鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，鉆至井深3992.59m，準(zhǔn)備接立柱，起至3964m 正常，下劃眼至3988.16m頂驅(qū)憋停，上提遇卡，上下活動(dòng)鉆具，注氣壓力13MPa 下降至6.7MPa，出口氣量加大，返出大量巖屑，解卡。損失時(shí)間1.28d，終止空氣鉆井，改為常規(guī)鉆井液體系鉆進(jìn)。

（5）氣體鉆井主要技術(shù)有待進(jìn)一步完善。

①地層出水條件下井壁失穩(wěn)。博孜X2 井主井眼2502～2525m、2588.34～2602m 存在滲透性水層，側(cè)鉆井段2530～2550m巖屑含泥質(zhì)砂巖，2502～2602m井段存在滲透性水層和泥質(zhì)含量較高的層段，故該井段坍塌掉塊風(fēng)險(xiǎn)較大。②空氣鉆井未實(shí)現(xiàn)隨鉆井測斜，吊測井斜影響鉆井時(shí)效。③巖性定性困難。空氣鉆井巖屑幾乎為粉末狀或砂狀，巖性定性困難，且無法對礫石層膠結(jié)物中泥質(zhì)含量、泥質(zhì)成分進(jìn)行定量分析，而這對于礫石層干眼條件下的力學(xué)井壁穩(wěn)定性評價(jià)和出水條件下的井壁穩(wěn)定性非常重要。④礫石層空氣鉆井井斜控制困難。博孜X1井最初采用釬頭+空氣錘+單扶鉆具空氣鉆進(jìn)，控時(shí)鉆井效果不理想，井斜最大增至3.96°/2913m，后采用瑞德T44 鉆頭+預(yù)彎短節(jié)+單扶鉆具組合空氣鉆進(jìn)，井斜仍持續(xù)增加，最大增至4.9°/2913m，最后采用牙輪鉆頭+預(yù)彎短節(jié)+雙扶鐘擺鉆具，鉆壓小于10kN，轉(zhuǎn)速55r/min，有效控制了井斜，井斜逐步控制在1°以內(nèi)，最深測點(diǎn)井斜0.63°/3407m。

綜上所述，礫巖層空氣鉆井可大幅度提高機(jī)械鉆速，但受制于苛刻地質(zhì)條件，地層不能出水，難以大范圍推廣。

2 渦輪+孕鑲鉆頭鉆井技術(shù)

該區(qū)塊博改X3、博孜X4井最近皆使用了渦輪+孕鑲鉆頭鉆井技術(shù)，但價(jià)格非常昂貴，以博孜X4井為例，博孜X4井設(shè)計(jì)井深7090m，目的層為白堊系巴什基奇克組，五開直井。對運(yùn)用該技術(shù)的鉆頭鉆井技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析。

由圖1和圖2可以可以看出：

圖1 博孜X4井二開部分井段鉆頭技術(shù)指標(biāo)

圖2 博孜X4三開渦輪鉆進(jìn)與博孜X2常規(guī)鉆進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)對比

（1）博孜X4 二開渦輪+孕鑲鉆頭鉆井技術(shù)指標(biāo)明顯高于鄰近鉆頭，但防斜效果欠佳。為了保證井身質(zhì)量，被迫中止渦輪鉆進(jìn)。

（2）博孜X4三開采用渦輪+孕鑲鉆頭鉆進(jìn)，鉆井技術(shù)指標(biāo)大幅度提高。正常情況下，渦輪鉆進(jìn)單只進(jìn)尺350m左右，純鉆時(shí)間約170h。

3 減震器+常規(guī)鉆具鉆進(jìn)

鹽上地層含大套礫石層，鉆進(jìn)過程中，鉆具憋跳嚴(yán)重，為了減輕鉆具磨損程度，一般鉆具組合帶有減震器。根據(jù)博孜X3井二開井段鉆井組合技術(shù)指標(biāo)分析：①未帶減震器鉆頭，跳鉆嚴(yán)重，造成鉆頭早期磨損，以致整個(gè)鉆頭的機(jī)械鉆速低于同地層鉆頭；②帶減震器鉆具組合的進(jìn)尺和鉆速明顯高于常規(guī)鉆具。

根據(jù)博孜X3 井鉆井日報(bào)分析二開井段的鉆具磨損情況，發(fā)現(xiàn)以下問題：①巖性可鉆性差，導(dǎo)致鉆具憋跳鉆，鉆具磨損嚴(yán)重。二開井段損壞10只減震器、磨損9只穩(wěn)定器和24只轉(zhuǎn)換接頭。②影響鉆井時(shí)效。為避免鉆具疲勞破壞，二開井段對鉆具進(jìn)行5次探傷檢查；每次起鉆，加重鉆桿、鉆鋌逐根卸開釋放應(yīng)力。③第四系鉆具憋跳嚴(yán)重。每一趟鉆更換一個(gè)減震器，隨著井深的增加，穩(wěn)定器磨損程度逐步減輕，使用壽命有所增加。④庫車組上部地層鉆具磨損程度趨緩。進(jìn)尺580m 僅更換一只穩(wěn)定器和4 只轉(zhuǎn)換接頭，例行一次鉆具探傷檢查。

4 液力推動(dòng)器技術(shù)

液力推力器主要由上接頭、活塞、缸體、活塞桿和心軸組成。上接頭與鉆鋌相連接，下接頭連鉆頭。TLQ液力推力器為多級活塞結(jié)構(gòu)，一般為2～5級。其主要功能是將其下部鉆具（鉆頭或井下馬達(dá)）的壓降轉(zhuǎn)換成鉆壓。①在直井段鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)定鉆壓減小震動(dòng)。②在水平井中，能解決托壓、防止鉆柱失效、提高鉆頭使用壽命等問題。

液力推力器是利用泥漿流過它以下鉆具（如馬達(dá)、鉆頭等）的壓降作用在其活塞上而產(chǎn)生鉆壓。設(shè)活塞面積為S，下部鉆具（鉆頭）壓力降為ΔP，則液力推力器產(chǎn)生的鉆壓F，F(xiàn)=ΔP×S。它產(chǎn)生鉆壓的大小只與活塞的面積和壓力降有關(guān)，當(dāng)活塞面積一定，可通過調(diào)整鉆井參數(shù)（如鉆頭水眼大小、泵排量等）改變壓力降ΔP從而得到合適的鉆壓。

推力計(jì)算公式：

式中：ΔP——液力推力器下部鉆具產(chǎn)生的壓力降；

S——活塞的有效面積。

式中：C——流量系數(shù)；

De——噴嘴當(dāng)量直徑。

式中：dn——第n級活塞的作用面積。

該技術(shù)在玉門油田青Y1井和中古Y2井得到了很好的應(yīng)用效果。

4.1 玉門油田青Y1井

（1）鉆井難點(diǎn)：青Y1 井在二開鉆進(jìn)過程中預(yù)計(jì)將鉆遇大量礫石層，從鄰井柳Z1、青Y3井鉆井情況來看，鉆進(jìn)過程中憋跳嚴(yán)重，鉆頭進(jìn)尺大大縮短。青西凹陷屬高陡構(gòu)造，地層傾角較大（15°～25°），而按照設(shè)計(jì)要求直井段控制井斜小于5°，為保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故直井段鉆進(jìn)時(shí)往往采用輕壓吊打方式鉆進(jìn)，極大影響了鉆井速度。

（2）鉆壓設(shè)計(jì)：TLQ203II 液力推力器安放于鉆頭之上，泥漿密度1.15g/cm3，排量32L/s，有效活塞作用面積446cm2，根據(jù)公式（1）計(jì)算，選用20 號噴嘴（直徑15.88mm）兩個(gè)、16 號噴嘴（直徑12.70mm）一個(gè)，鉆頭壓降2.32MPa，液力推力器產(chǎn)生推力103.4kN，約10.5t。采用鉆具組合：241.3mm 牙輪鉆頭（HJ517G）+203mm 液力推力器（TLQ203II）+203 鉆鋌（2 根）+240扶正器+172mm無磁鉆鋌+165mm鉆鋌（9根）+127mm加重鉆桿（12根）+127mm鉆桿（若干）。

（3）調(diào)試鉆壓，驗(yàn)證液力推力器有效鉆壓。調(diào)試鉆壓（80～120kN），觀察鉆具下放幅度，確定液力推力器有效鉆壓。當(dāng)鉆壓小于80kN時(shí)，鉆具下放幅度同常規(guī)鉆具一樣，隨著鉆具的下放，鉆壓逐步增大；當(dāng)鉆壓加到100～110kN 時(shí)，繼續(xù)下放鉆具0.5～0.6m 期間，指重表顯示鉆壓穩(wěn)定不變。繼續(xù)下放鉆具，指重表恢復(fù)常態(tài)，鉆壓逐漸增加到120kN。說明液力推力器產(chǎn)生推力在100kN左右，與理論計(jì)算值（103.4kN）大致相同。

（4）減小震動(dòng)，保護(hù)鉆具。青Y1 井鉆遇礫石層跳鉆現(xiàn)象明顯，若此時(shí)采用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，勢必造成機(jī)械鉆速降低；若采用大鉆壓鉆進(jìn)，則會嚴(yán)重影響鉆頭壽命，鉆柱也易發(fā)生疲勞破壞。而采用了液力推力器后，在行程范圍內(nèi)，鉆頭和鉆鋌之間為柔性連接，從而最大限度地吸收鉆柱振動(dòng)和鉆頭沖擊，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)本兼治。如圖3所示，在井隊(duì)指重表記錄紙上，可以明顯地觀察到在8:00～9:45這段時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定在100kN鉆壓時(shí)，振動(dòng)明顯減小，使得整個(gè)鉆進(jìn)過程中連續(xù)平穩(wěn)地進(jìn)行。較好地保護(hù)了鉆頭，提高了鉆頭使用壽命。

圖3 振幅比較

4.2 中古Y2井

（1）試驗(yàn)井段地層情況。該試驗(yàn)井段地層為二疊系，厚約671m，大套灰、褐色為基調(diào)的砂泥巖夾火山噴發(fā)巖。自上而下可分為四個(gè)巖性段。其中，第三巖性段為火山碎屑巖段，厚約160m，中部及下部為中厚層狀泥巖、凝灰質(zhì)砂巖粉砂巖略等厚互層，中上部夾中厚層狀玄武巖。

（2）鉆壓設(shè)計(jì)：中古Y2 井使用TLQ165Ⅱ液力推力器安放于螺桿之上，鉆頭使用川克(CKS605Z)PDC鉆頭，排量為33L/s，泥漿密度1.3g/cm3，TLQ165Ⅱ活塞面積S=208cm2，算出鉆頭壓降ΔP1=0.16MPa，螺桿壓降ΔP2=2～3MPa，總鉆壓F=(ΔP1+ΔP2)×S=45～66kN。鉆具組合：?215.9mm 鉆頭+?172mm 螺桿+?165mm液力推力器+浮閥+?215.9mm扶正器+?159mm 螺旋鉆鋌+?215.9mm 穩(wěn)定器+?178mm 測斜短接+?159mm 無磁鉆鋌+?159mm 螺旋鉆鋌（14根）+?127mm 加重鉆桿（15 根）+?127mm 鉆桿（若干）。

通過中古Y2井使用液力推力器和鄰井Y3井未使用液力推力器的鉆井參數(shù)進(jìn)行對比（見表2），可以得到：

表2 中古Y2井和中古Y3井鉆進(jìn)參數(shù)對比表

（1）提高了機(jī)械鉆速。中古Y2井使用液力推力器后機(jī)械鉆速有一定的提高（層位P提高30%，層位C1提高15%）。

（2）保護(hù)了鉆具。①使用TLQ165Ⅱ液力推力器后，消除了之前的輕微跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使得整個(gè)鉆進(jìn)過程中連續(xù)平穩(wěn)的進(jìn)行。②使鉆頭始終接觸井底，鉆壓穩(wěn)定，鉆進(jìn)平穩(wěn)，較好地保護(hù)了鉆頭，提高了鉆頭使用壽命。③隨TLQ 入井的螺桿使用后完好，并可以再次使用。④利用TLQ 工作行程減緩由于加壓不均造成的鉆具損傷，提高鉆柱的使用壽命。

總之，利用該工具的有效工作行程，在它的工作行程內(nèi)將鉆頭的縱向振動(dòng)與液力推力器以上的鉆具振動(dòng)隔開來，也即隔離了它們之間的軸向力聯(lián)系，可使鉆頭在穩(wěn)定的鉆壓下鉆進(jìn)，有效地克服了因礫巖層巖性的變化造成鉆頭的劇烈變化的縱向載荷對鉆柱的不良影響，消除了由于縱向振動(dòng)激發(fā)的橫向振動(dòng)，消除了鉆頭的劇烈跳動(dòng)，減少了峰值鉆壓對鉆頭的軸承及牙齒的破壞，從而增加了鉆頭在井底的有效工作時(shí)間，延長了鉆頭的使用壽命，提高了鉆頭的機(jī)械鉆速；并且可以預(yù)防頓鉆和溜鉆的發(fā)生，延長了鉆具疲勞失效時(shí)間，減少了鉆柱折斷和刺漏事故的發(fā)生，從而保護(hù)了鉆具。

4 結(jié)論和建議

綜上所述，空氣鉆井技術(shù)和渦輪+孕鑲鉆頭鉆井技術(shù)在庫車山前礫石層可大幅度提高礫巖層鉆井速度，但仍具有一定的局限性。前者在地層出水條件下井壁失穩(wěn)，易產(chǎn)生事故復(fù)雜；后者鉆具防斜效果欠佳，尤其在庫車有以上地層（二開井段底部），地質(zhì)傾角較大，難以保證井身質(zhì)量。常規(guī)鉆具鉆進(jìn)，鉆具磨損嚴(yán)重，鉆速慢。針對庫車山前礫巖鉆進(jìn)，提出減震提速措施建議：①二開井段17″井眼，若地質(zhì)條件許可，首選空氣鉆井技術(shù)，其次，建議使用9″液力推力器，穩(wěn)定鉆壓，抑制鉆具憋跳，提高生產(chǎn)時(shí)效；第三，進(jìn)入庫車組，礫巖減少，井斜穩(wěn)定，可以考慮使用渦輪鉆井技術(shù)；②三開井段13-1/8″井眼，地層傾角趨于平緩，使用渦輪鉆井技術(shù)，同時(shí)帶定向接頭，延緩增斜速度。

針對礫巖層的鉆井提速措施，本文對空氣鉆井、渦輪+孕鑲鉆頭、帶減震器常規(guī)鉆具以及使用液力推力器的現(xiàn)場應(yīng)用分析，對不同地層的礫石層情況的優(yōu)快鉆井有一定的參考意義。