新疆博孜區塊空氣鉆井關鍵技術研究及應用

譚 賓，許期聰，付 強

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研究院

0 引言

新疆博孜區塊是塔里木油田增儲上產的重點區塊之一，但該區塊上部地層存在巨厚礫石層，導致常規鉆井機械鉆速低、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塊快速勘探開發的巨大挑戰之一［1］。因此，開展了空氣鉆井關鍵技術研究和試驗，形成了適合新疆博孜區塊礫石層的空氣鉆井配套工藝技術。

1 礫石層特性

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

2 礫石層空氣鉆井關鍵技術

2. 1 礫石層失穩機理模擬分析技術

針對新疆博孜區塊礫石地層的非均質性分布，采用離散元方法對庫車組礫石層井壁失穩過程進行模擬［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。

模擬計算結果如圖1所示，從圖1（a）中可以看出，裂縫首先在井壁附近形成，當井壁周圍有礫石大顆粒時，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。在地應力的作用下，大量聚集的裂縫會沿著最小主應力方向傳播，因此會形成一個長軸為縱向方向的橢圓井眼。從圖1（b）中可以看出，井眼右側礫石顆粒周圍也造成了大量的掉塊（藍色圓），而井壁左側沒發生破壞，原因是井壁右側分布較多礫石大顆粒，與膠結物膠結程度差，存在微裂縫，在剪切應力的作用下，裂縫擴展貫通，降低井壁巖石強度，引起井壁掉塊。離散元模擬結果顯示，膠結物及膠結物同礫石之間的強度對井壁穩定具有決定的作用，礫石層井壁失穩破壞的通常只是膠結物，之后礫石顆粒從井壁剝落。

圖1 井眼裂縫擴展及破壞

2. 2 空氣注入量優化技術

采用空氣鉆井時，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，對設備、管匯抗壓能力要求也越高，設備材料消耗也越大。

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

圖2 不同鉆屑直徑與排量之間的關系

2. 3 防斜打直技術

博孜區塊礫石層地層傾角在8°～ 15°，井身質量要求高。空氣錘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塊試驗效果不理想，主要是由于空氣錘釬頭近乎滿眼設計，加上礫石層非均質性強，導致空氣錘鉆進過程中蹩卡嚴重，另外，則是由于空氣錘井下處理復雜能力弱，導致空氣錘應用受限，所以對防斜打直技術研究需要另辟蹊徑。

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

通過計算分析和現場試驗，優選出最優空氣鉆井預彎鐘擺鉆具組合：牙輪鉆頭＋0.75°預彎短節＋?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，鉆壓設計在10 ～ 60 kN，預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°預彎短節剖面示意圖，其外徑尺寸為228.6 mm、內徑為71.4 mm。

圖3 ?228.6 mm-0.75°預彎短節剖面示意圖

2. 4 連續循環鉆井技術

連續循環鉆井技術在接單根（立柱）、起下鉆過程中，需保持鉆井介質連續循環，持續清潔井底，維持井底壓力相對穩定，可避免因循環中斷引發的井下復雜和事故，提高鉆井效率［5-6］。閥式連續循環系統主要包括連續循環閥和地面控制裝置，在接單根、起下鉆時通過地面流道切換裝置對正循環通道和側循環通道進行切換，保持鉆井循環介質始終處于連續循環狀態。

空氣鉆井過程中，井壁圓周礫石顆粒存在易剝落的特點，進而發生井徑擴大，導致井底沉砂多、攜砂困難，存在沉砂卡鉆風險，甚至可能因沉砂過多而提前結束空氣鉆井作業。新疆博孜區塊采用連續循環空氣鉆井技術，有效避免了沉砂過多引起的井下復雜問題，不僅保障了井下安全，還大大延長了空氣鉆井進尺。連續循環空氣鉆井地面流程圖如圖4所示。

圖4 連續循環空氣鉆井地面流程圖

3 現場應用

3. 1 總體情況

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

3. 2 取得的效果

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

表1 新疆博孜區塊空氣鉆井應用統計

圖5 同層段不同鉆井方式機械鉆速對比

圖6 單井單開井眼延長進尺占比情況

此外，對比常規鉆井液鉆井方式，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，進尺為1 571.00 m，同比鄰井BZ7井鉆井液鉆井方式，節約鉆井周期52 d，共計節省綜合成本約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 結論

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

（2） 通過空氣鉆井參數優化和預彎鉆具組合優選，不僅保障了空氣快速鉆井過程中井下安全，又達到了防斜打直的目的，滿足了井身質量的要求。

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

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