巨厚礫石層空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)實踐與認(rèn)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(shù)研究院，四川德陽618300；2.油氣鉆井技術(shù)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(qū)塊位于庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶西部，天山南麓，其平面大致劃分為博孜1井區(qū)與博孜3井區(qū)兩個扇體控制區(qū)，分別發(fā)育著平均厚度為4968m、2863m的巨厚礫石層，同時該區(qū)域又是山前高陡構(gòu)造，給鉆井帶來了諸多技術(shù)難點，導(dǎo)致了該區(qū)塊內(nèi)鉆井機(jī)械鉆速過低、鉆井周期過長[1]。

1 巨厚礫石層鉆井技術(shù)難點

博孜—大北區(qū)塊萬億方大氣區(qū)正在逐步形成，計劃到2025年實現(xiàn)博孜—大北區(qū)塊100×108m3產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)。巨厚礫石層在鉆進(jìn)過程中時常發(fā)生井漏、遇阻、憋跳鉆、掛卡、垮塌、斷鉆具等復(fù)雜情況，近年來，如何提升博孜區(qū)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(qū)礫石層平均鉆速統(tǒng)計表

近年來，博孜區(qū)塊礫石層提速不斷嘗試，對比常規(guī)牙輪、垂鉆、渦輪+孕鑲、空氣連續(xù)循環(huán)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(shù)，發(fā)現(xiàn)空氣連續(xù)循環(huán)鉆井效果相對較好，見圖1。

圖1 博孜1、博孜3井區(qū)礫石層提速工藝機(jī)械鉆速統(tǒng)計圖

截止目前博孜區(qū)塊空氣連續(xù)循環(huán)鉆井集中在博孜1井區(qū)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(shù)條件下空氣連續(xù)循環(huán)鉆井難以避免的難點與重點，但從現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)是巨厚礫石提速的一項關(guān)鍵技術(shù)。

2 空氣連續(xù)循環(huán)鉆井工藝

連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)主要采用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)和連續(xù)循環(huán)閥兩種方式[2]。川慶空氣連續(xù)循環(huán)鉆井工藝采用連續(xù)循環(huán)閥控制方式（見圖2），預(yù)先將連續(xù)循環(huán)閥配在立柱（單根）頂端，鉆完上一個帶有連續(xù)循環(huán)閥的立柱（單根），連接側(cè)循環(huán)管線至連續(xù)循環(huán)閥側(cè)閥，進(jìn)行側(cè)向循環(huán)通道切換，待立柱（單根）接卸完畢后再進(jìn)行正向倒換，實現(xiàn)了在起下鉆、接立柱（單根）過程中循環(huán)介質(zhì)不中斷的鉆井工藝[3]。

圖2 連續(xù)循環(huán)閥本體圖

采用空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)在起下鉆、接卸立柱過程中，保持循環(huán)介質(zhì)連續(xù)循環(huán)，持續(xù)懸浮巖屑，避免了因沉砂沉降引起的埋鉆具、卡鉆等復(fù)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(jìn)尺。

截止目前，空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)已在博孜巨厚礫石層應(yīng)用10井次，如表2所示，在微出水礫石層已實現(xiàn)單開空氣鉆井最長進(jìn)尺2180m，有效延長了空氣鉆井進(jìn)尺，提升了鉆井時效。

表2 博孜1井區(qū)空氣連續(xù)循環(huán)鉆井井次統(tǒng)計表

3 現(xiàn)場應(yīng)用實踐與認(rèn)識

博孜1井區(qū)上部礫石層厚度平均厚度5000m左右，礫石硬度高，常規(guī)鉆壓高、憋跳鉆嚴(yán)重，采用空氣連續(xù)循環(huán)鉆井，鉆壓低，機(jī)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(wěn)現(xiàn)象，影響空氣鉆井井下安全，因此，空氣連續(xù)循環(huán)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(xù)循環(huán)鉆井，發(fā)現(xiàn)采用空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)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(qū)空氣連續(xù)循環(huán)鉆井、泥漿鉆井周期對比圖

博孜區(qū)塊構(gòu)造地層傾角較大，在目前技術(shù)條件下，空氣連續(xù)循環(huán)鉆井無有效的實時糾斜方式，只有通過調(diào)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(xù)循環(huán)鉆井的時效提升。通過對空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)在博孜區(qū)塊的應(yīng)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(gòu)造地層，若不采取工藝措施對井斜進(jìn)行控制，極易造成井斜超標(biāo)，嚴(yán)重則造成井眼報廢。通過對博孜區(qū)塊空氣連續(xù)循環(huán)鉆井井斜統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)庫車組地層井斜隨著井深增漲規(guī)律大致相同，當(dāng)鉆至康村組地層后，由于地層傾角變化，井斜增漲規(guī)律發(fā)生變化，如圖4所示，分析認(rèn)為，影響礫石層空氣連續(xù)循環(huán)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(qū)空氣連續(xù)循環(huán)鉆井井斜統(tǒng)計圖

從力學(xué)角度分析，礫石層空氣鉆井鉆壓較小，鉆柱不會發(fā)生一次彎曲與二次彎曲[4]，鉆頭側(cè)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(huán)空返速高，對井壁沖刷較大，井眼擴(kuò)大率較常規(guī)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(qū)塊主要防斜方式是控時鉆進(jìn)，其原理是減小地層對鉆頭的側(cè)向力，從而控制井斜的增漲，因此，井斜控制與機(jī)械鉆速提升是一個矛盾的復(fù)合體。建議在鉆井過程中，若要提升空氣連續(xù)循環(huán)鉆井機(jī)械鉆速，應(yīng)在不影響后期技術(shù)套管下入以及完井改造工藝實施的前提下，適當(dāng)放寬井斜控制范圍，以提升機(jī)械鉆速。

3.2 沉砂清理

在博孜區(qū)塊2500～5000m地層，存在礫石層準(zhǔn)成巖與成巖地層，準(zhǔn)成巖地層膠結(jié)較為疏松，經(jīng)過空氣大排量沖刷井徑擴(kuò)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(dá)到80m，如圖5所示。分析發(fā)現(xiàn)，在空氣連續(xù)循環(huán)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(qū)空氣連續(xù)循環(huán)鉆井沉砂厚度統(tǒng)計圖

從理論分析角度發(fā)現(xiàn)，在井眼擴(kuò)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(jié)論，在空氣連續(xù)循環(huán)鉆井過程中，巖屑按粒徑大小在環(huán)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(dāng)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(huán)排量關(guān)系圖

分析認(rèn)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(qū)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(kuò)大率越來越小，而同時，隨著井深增加，巖屑粒徑在環(huán)空中分布逐步下移，在上部擴(kuò)大率較大井段，巖屑粒徑已經(jīng)足夠小到返出井筒。因此，可以說隨著井深增加，平均井眼擴(kuò)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(huán)空中循環(huán)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(yīng)的減少；排量大小變化會改變環(huán)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(xù)循環(huán)鉆井起下鉆、測斜過程中，適當(dāng)延長循環(huán)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(nèi)。

4 結(jié)論與建議

（1）通過對比分析，認(rèn)為在目前技術(shù)條件下，空氣連續(xù)鉆井技術(shù)是巨厚礫石層提速一項關(guān)鍵技術(shù)。

（2）采用空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)能有效延長了微出水礫石層鉆井進(jìn)尺，提升巨厚礫石層鉆井時效。

（3）礫石層空氣連續(xù)循環(huán)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(shù)套管下入以及完井改造工藝實施的前提下，適當(dāng)放寬井斜控制范圍可以提升機(jī)械鉆速。

（4）空氣連續(xù)循環(huán)鉆井沉砂厚度主要受成巖性影響，循環(huán)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(dāng)延長循環(huán)碰撞時間，改變排量大小，可以有效控制沉砂厚度。