塔里木盆地山前巨厚礫石層快速鉆井技術(shù)

鄧 虎 胥志雄 王懷金 許期聰 鄧 柯

1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石油塔里木油田公司 3.中國(guó)石油西南油氣田公司4.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司國(guó)際工程公司

塔里木盆地山前某構(gòu)造儲(chǔ)層埋藏深度大于7 000 m，上部沉積了巨厚的礫石層，鉆井液鉆井鉆速低、鉆頭消耗多、周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了勘探開(kāi)發(fā)效益，開(kāi)展空氣鉆井提速具有廣闊前景。通過(guò)前期氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，山前構(gòu)造礫石層空氣鉆井時(shí)存在井壁失穩(wěn)、井斜控制難度大等技術(shù)瓶頸，筆者通過(guò)開(kāi)展注入?yún)?shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)、動(dòng)力學(xué)防斜技術(shù)及鉆井液轉(zhuǎn)換技術(shù)研究，形成了山前構(gòu)造礫石層空氣鉆井配套技術(shù)，通過(guò)在A井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得良好應(yīng)用效果。

1 空氣注入?yún)?shù)優(yōu)化

采用最小動(dòng)能法判斷標(biāo)準(zhǔn)［1］確定合理注氣量，該方法認(rèn)為：當(dāng)環(huán)空空氣最小返速不小于15.24m／s時(shí)，能將井底產(chǎn)生的巖屑攜帶至地面。根據(jù)實(shí)際鉆屑情況，模擬計(jì)算了431.8mm和333.4mm兩種井眼尺寸，考慮不同井眼擴(kuò)大率，不同巖屑顆粒尺寸條件下的最小環(huán)空返速，參照最小動(dòng)能法判斷標(biāo)準(zhǔn)，確定出合理注氣量（表1，圖1、2）。

表1 計(jì)算參數(shù)與注氣量表

根據(jù)最小動(dòng)能法判斷準(zhǔn)則，給出不同條件下合理注氣量（圖1、2）。綜合考慮地面海拔影響，需要配套500m3／min空氣注入設(shè)備。

2 連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)

圖1 431.8mm井眼注氣量與最小環(huán)空返速曲線圖

圖2 333.4mm井眼注氣量與最小環(huán)空返速曲線圖

連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在接單根、起下鉆期間保持介質(zhì)的連續(xù)循環(huán)［2－5］，避免井底積液引起的井壁垮塌，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井效率。

閥式連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)［6］主要由兩部分組成：連續(xù)循環(huán)閥、地面切換裝置（圖3）。其工作原理為：預(yù)先將連續(xù)循環(huán)閥配在單根頂端，連接一條側(cè)循環(huán)管線至連續(xù)循環(huán)閥，在接單根、起下鉆時(shí)通過(guò)地面切換裝置對(duì)正循環(huán)通道和側(cè)循環(huán)通道進(jìn)行切換，保持鉆井介質(zhì)始終處于連續(xù)循環(huán)狀態(tài)。

礫石層空氣鉆井過(guò)程中，易發(fā)生井徑擴(kuò)大，導(dǎo)致攜砂困難，存在沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能因沉砂過(guò)多而提前結(jié)束空氣鉆井作業(yè)。采用連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，具備以下優(yōu)點(diǎn)。

2.1 節(jié)省接立柱時(shí)間，提高鉆井效率

常規(guī)空氣鉆井采用“接雙根”方式進(jìn)行，連續(xù)循環(huán)空氣鉆井接立柱程序簡(jiǎn)捷，節(jié)省了泄壓、倒換鉆具、壓力恢復(fù)等工序，相比常規(guī)“接立柱”節(jié)省時(shí)間近60%。

常規(guī)接立柱程序：劃眼、循環(huán)清砂→上提鉆具至上單根出轉(zhuǎn)盤(pán)面→停止注氣、泄壓→倒出上單根→接立柱→注氣，待立壓恢復(fù)至正常壓力值后，劃眼、鉆進(jìn)。

連續(xù)循環(huán)鉆井接立柱程序：劃眼→倒換閘閥，建立側(cè)循環(huán)通道→接立柱→倒換閘閥，建立主循環(huán)通道，恢復(fù)鉆進(jìn)。

圖3 連續(xù)循環(huán)空氣鉆井技術(shù)工作原理圖

2.2 提高復(fù)雜井段起下鉆作業(yè)安全性

當(dāng)井底沉砂多時(shí)，在沉砂堆積井段進(jìn)行連續(xù)循環(huán)起下鉆作業(yè)，可避免沉砂卡鉆，提高鉆井安全性。

2.3 延長(zhǎng)空氣鉆井進(jìn)尺

井底沉砂過(guò)多可導(dǎo)致提前結(jié)束空氣鉆井，而采用連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)可避免沉砂卡鉆，滿足空氣鉆井安全作業(yè)需求，延長(zhǎng)空氣鉆井進(jìn)尺。

3 井斜控制

塔里木山前高陡構(gòu)造井斜控制［7］是空氣鉆井難題之一，空氣錘防斜技術(shù)［8］難以奏效，基于鉆具動(dòng)力學(xué)特性分析，提出一種“彎鉆具動(dòng)力學(xué)防斜技術(shù)”［9－10］，對(duì)4種不同鉆具組合的動(dòng)態(tài)鐘擺力進(jìn)行了分析，優(yōu)選出431.8mm和333.4mm井眼的“彎短節(jié)＋雙扶正器”的動(dòng)力學(xué)防斜鉆具組合（表2），其底部鉆具組成為：鉆頭＋彎短節(jié)（α°）＋228.6mm鉆鋌＋扶正器＋228.6mm鉆鋌＋扶正器＋228.6mm鉆鋌……

表2 4種彎鉆具防斜鉆具組合的動(dòng)態(tài)鐘擺力表

4 鉆井液轉(zhuǎn)換

針對(duì)塔里木山前礫石層鉆井液轉(zhuǎn)換過(guò)程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)、井漏［11－12］等難題，通過(guò)室內(nèi)研究，形成了“強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵、高防塌性、高潤(rùn)滑性、低濾失”特點(diǎn)的“二強(qiáng)二高一低”含油聚磺－KCl鉆井液體系（表3），基本配方如下：3%～4%的膨潤(rùn)土＋0.1%～0.3%NaOH＋0.05%～0.1%KPAM 或80A51＋2%～3%潤(rùn)滑劑＋3%～5%SMP－1＋3%～4%SPNH＋2%～3%YL－80＋0.5%～0.6%PAC－LV＋2%～3%聚合醇＋5%～6%柴油＋1%～1.5%SP－80（占柴油體積）＋3%～5%KCl和適量的加重劑。

該轉(zhuǎn)換用鉆井液體系的組成為：①特殊前置液，配方：油基潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑＋柴油＋氧化瀝青粉，利用油基潤(rùn)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，阻止水分進(jìn)入地層，防止井壁坍塌。②特殊堵漏漿，通過(guò)鉆井液中加入適量無(wú)滲透、聚合醇、陽(yáng)離子乳化瀝青等處理劑來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井液的防漏作用。③含油聚磺－KCl鉆井液，具有“二強(qiáng)二高一低”特征。④舉砂液，建立井筒循環(huán)之后清潔井眼所用，通過(guò)高密度、高黏度的特點(diǎn)充分?jǐn)y帶井筒巖屑。形成了一套適合塔里木山前礫石層地質(zhì)特征的鉆井液轉(zhuǎn)換工藝技術(shù)（圖4），保障安全實(shí)施。

圖4 替漿轉(zhuǎn)換工藝流程圖

表3 “二強(qiáng)二高一低”鉆井液性能指標(biāo)表

5 應(yīng)用實(shí)例

塔里木山前某構(gòu)造A井設(shè)計(jì)井深7 200m，上部沉積巨厚礫石層（厚約5 100m），空氣鉆井施工井段為431.8mm井眼2 502～3 602m井段和333.4 mm井眼3 602～4 652m井段，累計(jì)進(jìn)尺2 150m，占設(shè)計(jì)井深29.86%，平均機(jī)械鉆速4.34m／h，鉆井周期僅49d，同比鉆井液鉆井提高鉆速3～5倍，節(jié)省鉆井時(shí)間119d。

5.1 連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)應(yīng)用

5.2 井斜控制

表4 A井空氣鉆井動(dòng)力學(xué)防斜鉆具組合表

5.3 鉆井液轉(zhuǎn)換

6 結(jié)論

1）連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)避免沉砂卡鉆，延長(zhǎng)鉆井進(jìn)尺，提高鉆井時(shí)效，成為塔里木山前構(gòu)造礫石層空氣鉆井重要配套技術(shù)之一。

圖5 A井空氣鉆井井斜曲線圖

2）基于鉆具動(dòng)力學(xué)理論研究，提出空氣鉆井動(dòng)力學(xué)防斜技術(shù)，優(yōu)選出“彎短節(jié)＋雙扶正器”防斜鉆具組合，為山前高陡構(gòu)造空氣鉆井井斜控制提供了一條有效途徑。

3）優(yōu)配了“二強(qiáng)二高一低”的含油聚磺－KCl轉(zhuǎn)換用鉆井液體系，形成了適合山前礫石層地質(zhì)特征的鉆井液轉(zhuǎn)換工藝技術(shù)，保障鉆井液轉(zhuǎn)換作業(yè)的安全性、高效性。

4）通過(guò)在A井空氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提高機(jī)械鉆速3～5倍，節(jié)省鉆井時(shí)間119d，井斜滿足工程要求，取得良好應(yīng)用效果。

［1］王存新，孟英峰，鄧虎，等.氣體鉆井注氣量計(jì)算方法研究進(jìn)展［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（12）：97－99.WANG Cunxin，MENG Yingfeng，DENG Hu，et al.Study advances in gas volume requirement calculation for gas drilling［J］.Natural Gas Industry，2006，26（12）：97－99.

［2］AYLING L J，JENNER J W，ELKINS H.Continuous circulation drilling［C］∥paper 14269presented at the Offshore Technology Conference，6－9May 2002，Houston，Texas，USA.Houston：OTC，2002.

［3］周爽.連續(xù)循環(huán)鉆井［J］.國(guó)外油田工程，2003，19（10）：25－26.ZHOU Shuang.Continuous circulation drilling technology［J］.Foreign Oilfield Engineering，2003，19（10）：25－26.

［4］JENNER J W，ELKINS H L，SPRINGETT F，et al.The continuous circulation system：An advance in constant pressure drilling［J］.SPE Drilling ＆ Completion，2005，20（3）：168－178.

［5］TORSVOLL A，HORSRUD P，REIMERS N.Continuous circulation during drilling utilizing a drill string integrated valvethe continuous circulation valve［C］∥paper 98947－MS presenled at the IADC／SPE Drilling Conference，21－23February 2006，Miami，F(xiàn)lorida，USA.New York：SPE，2006.

［6］許期聰，鄧虎，周長(zhǎng)虹，等.連續(xù)循環(huán)閥氣體鉆井技術(shù)及其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（8）：83－87.XU Qicong，DENG Hu，ZHOU Changhong，et al.Field tests of gas drilling technology with continuous circulation valves［J］.Natural Gas Industry，2013，33（8）：83－87.

［7］項(xiàng)德貴，葛云華，孫夢(mèng)慈，等.空氣鉆井井斜控制問(wèn)題的探討［J］.鉆采工藝，2005，28（5）：1－3.XIANG Degui，GE Yunhua，SUN Mengci，et al.Discussion on the wellbore deviation controlling in air drilling［J］.Drilling ＆ Production Technology，2005，28（5）：1－3.

［8］鄧虎，伍賢柱，余銳.氣體鉆井井斜的原因及防斜技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（1）：58－60.DENG Hu，WU Xianzhu，YU Rui.Causes of well deviation during gas drilling and its control［J］.Natural Gas Industry，2009，29（1）：58－60.

［9］狄勤豐，朱衛(wèi)平，姚建林，等.預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打快鉆具組合動(dòng)力學(xué)模型［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28（6）：118－121.DI Qinfeng，ZHU Weiping，YAO Jianlin，et al.Dynamic model of Bottom hole assembly used in pre－bending dynamic vertical and fast drilling technology［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28（6）：118－121.

［10］狄勤豐，朱衛(wèi)平，姚建林，等.空氣鉆井鉆具動(dòng)力學(xué)特征及井斜機(jī)理研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2008，29（6）：917－920.DI Qinfeng，ZHU Weiping，YAO Jianlin，et al.Dynamic features of bottom hole assembly and borehole deviation mechanism in air drilling［J］.Acta Petrolei Sinica，2008，29（6）：917－920.

［11］周成華，王平全，張珍，等.氣體鉆井替換過(guò)程中保持井壁穩(wěn)定的對(duì)策［J］.鉆采工藝，2007，30（5）：1－3.ZHOU Chenghua，WANG Pingquan，ZHANG Zhen，et al.Countermeasure for protecting wellbore stability while gas－liquid transformation during drilling［J］.Drilling ＆Production Technology，2007，30（5）：1－3.

［12］劉翔，王娟，金承平.氣體鉆井轉(zhuǎn)化常規(guī)鉆井的替入鉆井液技術(shù)［J］.鉆采工藝，2008，31（4）：37－39.LIU Xiang，WANG Juan，JIN Chengping.Drilling fluid technique of gas drilling translation into conventional drilling［J］.Drilling ＆ Production Technology，2008，31（4）：37－39.