庫車山前巨厚礫石層鉆井提速技術分析

劉金龍，王春生，呂曉剛，申 彪，徐亞南，呂 策

(中國石油塔里木油田分公司勘探事業(yè)部)

巨厚礫石層發(fā)育是庫車山前前陸盆地地層的顯著特點，尤其在構造帶西部的BZ地區(qū)，因沉積過程中持續(xù)的構造抬升形成了持續(xù)的、多期次的沖積扇，經過沉積壓實與膠結作用，形成的巨厚礫巖層橫向厚度變化快，各向異性突出[1-3]。

隨著構造的不斷認識與資源需要，BZ地區(qū)已經成為現階段庫車山前油氣勘探的重點領域，鉆井提速儼然成為區(qū)域高效開發(fā)的迫切需要。依據地震資料，已經具備精細刻畫提前預測礫巖縱橫向變化的能力，但巨厚礫石層段的高效鉆進技術，依然是制約全井提速的瓶頸。

一、礫石層特點與鉆井難點

1.礫石層的發(fā)育特點

根據實鉆情況，庫車山前前陸礫石層主要發(fā)育在第四系與新近系庫車組、康村組、吉迪克組，礫石成分有變質巖塊、石英及火成巖塊等，部分取心實測粒徑在1～45 mm，一般粒徑范圍為1～10 mm。礫石礦物成分分析表明，隨井深增加，以水敏性為代表的黏土礦物逐漸減少，以鈣質為代表的黏土礦物逐漸增多。膠結物的碳酸鹽巖含量測定表明，地層縱向上鈣質膠結呈遞增趨勢，泥質膠結物含量呈遞減趨勢[4]。

以地層壓實膠結程度為標準，將BZ地區(qū)淺層礫巖劃分為未成巖段、準成巖段和成巖段。隨著井深增加，礫石礦物與膠結中的鈣質成分增多，礫巖整體強度增大，可鉆性變差，井壁穩(wěn)定性變好。

2.礫石層鉆井難點

2.1 可鉆性差，行程機械鉆速低

巨厚礫石層因其強非均質特點，鉆進過程中普遍蹩跳鉆嚴重，井底鉆頭工作不穩(wěn)定，強沖擊負荷限制常規(guī)PDC鉆頭使用，多使用高效牙輪鉆頭鉆進，實鉆機械鉆速普遍較低[4-6]。以礫石層比較發(fā)育的上部?444.5 mm井眼尺寸為例，BZ-DB區(qū)塊因礫石含量及厚度較高，平均單趟鉆進尺僅為KS及ZQ地區(qū)的50%左右，平均行程機械鉆速為后者的57%。

2.2 對鉆頭及井下工具非正常磨損

常規(guī)PDC鉆頭礫石層鉆進極易因切削齒沖擊崩裂后自切，加快鉆頭的磨損，形成本體環(huán)形槽甚至磨掉整個冠部。

牙輪鉆頭應對非均質礫石具備一定抗沖擊效果，但仍需保證旋轉活動部位的可靠性，進口?444.5 mm牙輪鉆頭礫石層的推薦使用總轉數在80～90萬轉內，超出易導致牙輪巴掌失效脫落。

含礫地層鉆進過程中，下部鉆具的強振動會導致井下提速與測量工具的元件損壞，以及鉆具特別是轉換接頭發(fā)生疲勞破壞。且礫石層的強研磨性會導致垂直鉆井工具的扶正塊磨損，影響使用效果。

2.3 防斜打直難度大

圖1為BZ103井巨厚礫石層段鉆進井斜變化情況，井斜控制效果差，不利于強化鉆壓鉆進參數提速、中完期間的電測及大尺寸套管的下入。

圖1 BZ103井巨厚礫石層段鉆進井斜變化情況

2.4 井漏與溢流頻發(fā)

BZ1井未成巖段鉆進過程中累計漏失相對密度1.04～1.14 g/cm3的鉆井液2 312 m3，BZ101井在未成巖段鉆進過程中累計漏失相對密度1.05～1.08 g/cm3的鉆井液785 m3。BZ1井和BZ101井在淺層共有三處發(fā)生溢流和鹽水侵。

二、巨厚礫石層鉆井提速技術

1.垂直鉆井系統

目前在庫車山前成熟應用的有斯倫貝謝的Power-V垂直鉆井系統與國產的BH-VDT、VDS垂直鉆井系統。

在巨厚礫石比較突出的BZ地區(qū)，垂直鉆井系統的進尺比例由相鄰區(qū)域的80%左右降至59%,因井下儀器無信號、井斜增大等工具原因起鉆的比例占到43.3%，遠高于其他區(qū)塊的平均27.0%。

2.空氣鉆井

空氣鉆井利用連續(xù)循環(huán)鉆井技術可以有效解決鉆具不能活動期間的環(huán)空沉砂問題。其應用前必須開展以井眼清潔、井壁穩(wěn)定、地層流體產出等核心問題的適應性評價[5]。

庫車山前巨厚礫石層開展空氣鉆井的有BZ101、BZ102、BZ8與BZ18井，各井應用情況如表1。其中BZ8井創(chuàng)塔里木油田氣體鉆井單開次最長進尺紀錄，平均機械鉆速創(chuàng)區(qū)塊最快紀錄。

表1 BZ101、BZ102、BZ8與BZ18井空氣鉆井實鉆情況

3.渦輪+孕鑲鉆頭

圖2為BZ7井礫石層段3 465～4 813 m使用渦輪+孕鑲鉆頭與常規(guī)鐘擺鉆具的機械鉆速對比，該段鉆進共使用10趟鉆，其中7趟鉆使用渦輪+孕鑲鉆頭，進尺占比84%。使用渦輪+孕鑲鉆頭的平均單趟鉆進尺161.7 m，相比常規(guī)鐘擺鉆具提升125%；平均機械鉆速1.5 m/h，相比常規(guī)鐘擺鉆具提速124%。

圖2 BZ7井礫石層段.465～.813 m使用渦輪+孕鑲鉆頭與常規(guī)鐘擺鉆具的機械鉆速對比

4.雙擺工具

雙擺工具以鉆井液液力能量為動力，驅動工具中的陀螺儀轉動，利用陀螺儀的自穩(wěn)性與進動性特征主動抑制底部鉆具組合產生的振動與渦動，提高鉆頭的有效破巖效率，同時具備一定的井斜控制能力[6]。

圖3為BZ22井二開?444.5 mm井眼井段1 606～3 152 m使用雙擺鉆具與常規(guī)鐘擺鉆具的機械鉆具及井斜對比。該段鉆進共使用7趟鉆，其中2趟鉆使用雙擺鉆具。使用雙擺鉆具的單趟鉆進尺305 m，相比常規(guī)鐘擺鉆具提升30%；平均機械鉆速1.6 m/h，相比常規(guī)鐘擺鉆具提速23%。

圖3 BZ22井礫石層段.606～.152 m使用雙擺鉆具與常規(guī)鐘擺鉆具的機械鉆速對比

三、應用實例

1.BZ7井

BZ7井鉆前預測將鉆遇約5 140 m的巨厚礫巖，其中未成巖段0～2 650 m、準成巖段2 650～3 150 m、成巖段3 150～5 140 m。實鉆鉆遇礫石層段0～5 844 m，其中一開?660.4 mm鉆頭鉆揭0～202 m、二開?444.5 mm鉆頭鉆揭202～3 420 m、?311.2 mm鉆頭鉆揭3 420～5 844 m。圖4為BZ7井巨厚礫石層段不同鉆進工具下機械鉆速對比情況，隨著井深的加深進入準成巖段，地層的可鉆性變差，牙輪+鐘擺鉆具組合鉆進機械鉆速逐漸降低，單只牙輪鉆頭進尺由400 m以上降低至150 m左右，井下強振動不具備使用PDC鉆頭條件，此時使用渦輪+孕鑲鉆頭具有較好的綜合提速效果。進入成巖段下部以后，礫石含量逐漸降低、粒徑逐漸減小，下部鉆具的振動逐漸減弱，此時下入PDC鉆頭配合垂鉆系統、大扭矩螺桿具有較好的綜合提速效果。

圖4 BZ7井巨厚礫石層段不同鉆進工具機械鉆速對比情況

2.BZ18井

BZ18井鉆前預測將鉆遇約5 750 m的巨厚礫巖，其中未成巖段0～2 100 m、準成巖段2 100～2 750 m、成巖段2 750～5 750 m。實鉆鉆遇礫石層段0～5 334 m，其中一開?660.4 mm鉆頭鉆揭0～246 m、二開?444.5 mm鉆頭鉆揭202～2 836 m、?311.2 mm鉆頭鉆揭3 420～5 334 m。

圖5為BZ18井巨厚礫石層段不同鉆進工具機械鉆速對比情況，對比牙輪+鐘擺鉆具組合，使用垂直鉆井系統可通過強化參數達到提升機械鉆速與單趟鉆行程的目的，但幅度有限。空氣鉆井能最大程度降低井底巖石破碎圍壓，實現機械鉆速相比牙輪+鐘擺鉆具組合提升約3倍，平均單趟鉆進尺提升2倍以上，取得巨厚礫石層鉆井提速重大突破。

圖5 BZ18井巨厚礫石層段不同鉆進工具機械鉆速對比情況

四、結論

(1)垂直鉆井系統已發(fā)展成為庫車山前鹽上及鹽層鉆進不可缺的提速利器，但在巨厚礫石層鉆進過程中，特別在未成巖與準成巖段，垂直鉆井系統的應用受到推靠模塊耐磨性不適應、內部元件抗振不適應、井斜控制效果差、測量信號接收失效高等新的問題制約，相關技術仍需進一步升級。實踐證明將垂直鉆井系統與雙擺工具結合，利用后者在抑制底部鉆具組合振動與渦動方面優(yōu)勢，可起到保護垂鉆工具與強化參數提速的效果。

(2)渦輪+孕鑲鉆頭較強適應于不同成巖段的巨厚礫石地層，但其仍面臨山前高陡構造鉆進易斜的問題，應用時需控制鉆井參數，加強井眼軌跡監(jiān)測。

(3)空氣鉆井技術在庫車山前巨厚礫石層鉆進提速效果最為顯著，利用連續(xù)循環(huán)鉆井技術有效解決了鉆具活動期間的環(huán)空沉砂問題，目前在BZ地區(qū)的應用成功率達到50%。但空氣鉆井技術受地層出水及井眼清潔、井壁穩(wěn)定、井斜控制等問題的限制，應用前需開展系統的適應性評價。