新疆博孜區(qū)塊空氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

譚 賓，許期聰，付 強(qiáng)

1 中國石油川慶鉆探工程有限公司 2 中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

新疆博孜區(qū)塊是塔里木油田增儲上產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)塊之一，但該區(qū)塊上部地層存在巨厚礫石層，導(dǎo)致常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低、鉆頭耗用多、鉆井周期長、鉆井成本高等問題，礫石層鉆井提速提效儼然成為了該區(qū)塊快速勘探開發(fā)的巨大挑戰(zhàn)之一［1］。因此，開展了空氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究和試驗(yàn)，形成了適合新疆博孜區(qū)塊礫石層的空氣鉆井配套工藝技術(shù)。

1 礫石層特性

新疆博孜區(qū)塊第四系—蘇維依組礫石層發(fā)育，最厚約6 000 m。縱向上，未成巖段以砂泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)強(qiáng)度低；成巖段碳酸鈣含量逐漸增大，灰質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度變強(qiáng)［2］。通過研究發(fā)現(xiàn)，礫巖彈性模量較大，如庫車組巖樣彈性模量為38.2 ～ 52.7 GPa；抗壓強(qiáng)度較高，如庫車組巖樣抗壓強(qiáng)度為48.6 ～ 71.1 MPa。另外，礫巖巖石中礫石顆粒的硬度約為基質(zhì)的2 ～ 4倍，這是鉆井中限制機(jī)械鉆速及造成井下等復(fù)雜的關(guān)鍵因素。

2 礫石層空氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2. 1 礫石層失穩(wěn)機(jī)理模擬分析技術(shù)

針對新疆博孜區(qū)塊礫石地層的非均質(zhì)性分布，采用離散元方法對庫車組礫石層井壁失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬［3］，以庫車組礫石層為例，模擬在載荷條件下的井周破裂過程。

模擬計(jì)算結(jié)果如圖1所示，從圖1（a）中可以看出，裂縫首先在井壁附近形成，當(dāng)井壁周圍有礫石大顆粒時(shí)，張性裂縫在礫石大顆粒周圍形成，之后在礫石顆粒周圍大量聚集并伴隨有少量的剪切縫，裂縫相互連通造成礫石顆粒的脫落。在地應(yīng)力的作用下，大量聚集的裂縫會沿著最小主應(yīng)力方向傳播，因此會形成一個(gè)長軸為縱向方向的橢圓井眼。從圖1（b）中可以看出，井眼右側(cè)礫石顆粒周圍也造成了大量的掉塊（藍(lán)色圓），而井壁左側(cè)沒發(fā)生破壞，原因是井壁右側(cè)分布較多礫石大顆粒，與膠結(jié)物膠結(jié)程度差，存在微裂縫，在剪切應(yīng)力的作用下，裂縫擴(kuò)展貫通，降低井壁巖石強(qiáng)度，引起井壁掉塊。離散元模擬結(jié)果顯示，膠結(jié)物及膠結(jié)物同礫石之間的強(qiáng)度對井壁穩(wěn)定具有決定的作用，礫石層井壁失穩(wěn)破壞的通常只是膠結(jié)物，之后礫石顆粒從井壁剝落。

圖1 井眼裂縫擴(kuò)展及破壞

2. 2 空氣注入量優(yōu)化技術(shù)

采用空氣鉆井時(shí)，井底壓力越低，破巖效率越越高，隨著空氣注入量增加，井底、井口壓力升高，對設(shè)備、管匯抗壓能力要求也越高，設(shè)備材料消耗也越大。

當(dāng)空氣鉆井井眼直徑為333.4 mm時(shí)，利用欠平衡鉆井專業(yè)軟件計(jì)算可知，注氣量隨著鉆屑直徑、井徑擴(kuò)大率增大而增大（見圖2）。假設(shè)井徑擴(kuò)大率為30%，巖屑直徑為4 mm，井深為5 000 m，模擬計(jì)算出合理注氣量為350 m3/min，基于井壁礫石顆粒易剝落的特點(diǎn)，需考慮附加注氣量，故作業(yè)現(xiàn)場配備400 m3/min空氣鉆井設(shè)備。

圖2 不同鉆屑直徑與排量之間的關(guān)系

2. 3 防斜打直技術(shù)

博孜區(qū)塊礫石層地層傾角在8°～ 15°，井身質(zhì)量要求高?？諝忮N一直是氣體鉆井防斜打直的有效利器，但是，前期空氣錘在博孜區(qū)塊試驗(yàn)效果不理想，主要是由于空氣錘釬頭近乎滿眼設(shè)計(jì)，加上礫石層非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致空氣錘鉆進(jìn)過程中蹩卡嚴(yán)重，另外，則是由于空氣錘井下處理復(fù)雜能力弱，導(dǎo)致空氣錘應(yīng)用受限，所以對防斜打直技術(shù)研究需要另辟蹊徑。

當(dāng)前，氣體鉆井缺少主動防斜措施，只有通過優(yōu)化鉆井參數(shù)和鉆具組合來控制井斜。預(yù)彎曲防斜技術(shù)可以有效解決空氣鉆井控斜難的問題，其主要利用預(yù)彎曲動力學(xué)防斜打直鉆具組合在井眼中的渦動特征，在鉆頭上形成一個(gè)大于鐘擺力的降斜力，從而使井眼保持垂直［4］。

通過計(jì)算分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，優(yōu)選出最優(yōu)空氣鉆井預(yù)彎鐘擺鉆具組合：牙輪鉆頭＋0.75°預(yù)彎短節(jié)＋?228.6 mm鉆鋌2根+扶正器（比鉆頭尺寸小3 ～ 5 mm）+?228.6 mm鉆鋌1根+扶正器（比鉆頭尺寸小1 ～ 2 mm）+鉆鋌+鉆桿。空氣鉆井過程中，鉆壓設(shè)計(jì)在10 ～ 60 kN，預(yù)彎鐘擺鉆具組合降斜力最大為1.39 kN，可以滿足防斜打直的要求。圖3為0.75°預(yù)彎短節(jié)剖面示意圖，其外徑尺寸為228.6 mm、內(nèi)徑為71.4 mm。

圖3 ?228.6 mm-0.75°預(yù)彎短節(jié)剖面示意圖

2. 4 連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)

連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)在接單根（立柱）、起下鉆過程中，需保持鉆井介質(zhì)連續(xù)循環(huán)，持續(xù)清潔井底，維持井底壓力相對穩(wěn)定，可避免因循環(huán)中斷引發(fā)的井下復(fù)雜和事故，提高鉆井效率［5-6］。閥式連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)主要包括連續(xù)循環(huán)閥和地面控制裝置，在接單根、起下鉆時(shí)通過地面流道切換裝置對正循環(huán)通道和側(cè)循環(huán)通道進(jìn)行切換，保持鉆井循環(huán)介質(zhì)始終處于連續(xù)循環(huán)狀態(tài)。

空氣鉆井過程中，井壁圓周礫石顆粒存在易剝落的特點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)生井徑擴(kuò)大，導(dǎo)致井底沉砂多、攜砂困難，存在沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能因沉砂過多而提前結(jié)束空氣鉆井作業(yè)。新疆博孜區(qū)塊采用連續(xù)循環(huán)空氣鉆井技術(shù)，有效避免了沉砂過多引起的井下復(fù)雜問題，不僅保障了井下安全，還大大延長了空氣鉆井進(jìn)尺。連續(xù)循環(huán)空氣鉆井地面流程圖如圖4所示。

圖4 連續(xù)循環(huán)空氣鉆井地面流程圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3. 1 總體情況

2013年以來，在博孜區(qū)塊先后開展了9井次氣體鉆井提速試驗(yàn)（見表1），累計(jì)進(jìn)尺10 662.58 m，平均機(jī)械鉆速4.81 m/h，取得了積極成效。

3. 2 取得的效果

在空氣鉆井中，通過應(yīng)用礫石地層井壁失穩(wěn)模擬分析技術(shù)、注氣量優(yōu)化技術(shù)、防斜打直技術(shù)和連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，保障了空氣鉆井過程中井下安全，滿足了井身質(zhì)量的要求（3 168.50 m時(shí)，BZ8井最大井斜為4.75°），取得了顯著的提速提效成果。從博孜區(qū)塊整體鉆井情況來看，空氣鉆井平均機(jī)械鉆速為4.81 m/h，是其他鉆井液鉆井方式機(jī)械鉆速的2.6倍以上（見圖5），提速效果明顯。尤其是連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的配套應(yīng)用，大大延長了空氣鉆井在博孜礫石層的進(jìn)尺，單井單開井眼延長進(jìn)尺占比最高達(dá)86.86%（見圖6），博孜區(qū)塊累計(jì)延長進(jìn)尺6 921.76 m，占總進(jìn)尺的64.57%。

表1 新疆博孜區(qū)塊空氣鉆井應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

圖5 同層段不同鉆井方式機(jī)械鉆速對比

圖6 單井單開井眼延長進(jìn)尺占比情況

此外，對比常規(guī)鉆井液鉆井方式，空氣鉆井方式大大降低了鉆井成本。以BZ8井為例，其三開?333.4 mm井眼采用空氣鉆井方式，鉆井井段為2 946.00～4 517.00 m，進(jìn)尺為1 571.00 m，同比鄰井BZ7井鉆井液鉆井方式，節(jié)約鉆井周期52 d，共計(jì)節(jié)省綜合成本約737.15萬元。BZ7井鉆井液鉆井成本與BZ8井空氣鉆井成本情況對比見表2。

4 結(jié)論

（1） 通過模擬分析礫石層井壁破裂的過程，明確了膠結(jié)物及膠結(jié)物同礫石之間的強(qiáng)度對井壁穩(wěn)定具有決定的作用，礫石層井壁失穩(wěn)通常破壞的只是膠結(jié)物，之后礫石顆粒從井壁剝落。

（2） 通過空氣鉆井參數(shù)優(yōu)化和預(yù)彎鉆具組合優(yōu)選，不僅保障了空氣快速鉆井過程中井下安全，又達(dá)到了防斜打直的目的，滿足了井身質(zhì)量的要求。

（3） 連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的配套應(yīng)用，大大突破了前期空氣鉆井的應(yīng)用邊界，極大拓展了礫石層空氣鉆井的延伸極限，已成為該區(qū)塊空氣鉆井不可缺少的配套技術(shù)。

（4） 新疆博孜區(qū)塊先后開展了9井次空氣鉆井提速探索試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速達(dá)4.81 m/h，取得了良好的提速成效，大幅節(jié)約了鉆井成本，為該區(qū)塊的快速上產(chǎn)、效益開發(fā)提供了支撐。