空氣鉆、泡沫鉆在柯坪斷壟帶上部地層的研究應用

周 孟 商國璽 張英露

北京京能油氣資源開發有限公司 北京 100020

柯探1 井在新疆維吾爾族自治區阿克蘇境內，為部署在塔里木盆地西北緣柯坪斷隆帶薩拉姆布拉克構造下寒武系頂面構造高點上的一口預探井。設計井深4500m，全井地質層位古老，表層即為泥盆系，可鉆性極差。該井西北方向7.8km 處為柯坪1 井，柯坪1 井鉆井周期長，機械鉆速低、易漏，鉆進至1000m 累計漏失8 次、漏失鉆井液1014m3，機械鉆速1.91m/ h。

柯坪斷壟帶鉆井難度大，主要表現在機速慢、極易井漏、易斜等特點，通過對地層的研究，為解決上述施工難點，首次將空氣鉆井、泡沫鉆井的鉆井技術應用到該類地層，實現鉆井提速。

1 對柯坪斷壟帶上部地層的分析

1.1 含油氣性、H2S 情況

通過地質對比分析，該區塊最上部的含油氣、H2S 層位可能在志留系下統塔塔埃爾塔格組上砂巖段。設計塔塔埃爾塔格組頂深為1175m，厚度為165m，鄰區巴楚隆起的方1 井在塔塔埃爾塔格組以下鉆遇油氣顯示一層。柯探1 井一開設計深度為1000m。考慮到區塊內第一口預探井，為保證井控安全，空氣鉆、泡沫鉆主要運用在柯探1井的一開1000m 井段。

1.2 地層硬度分析

柯探1 井的一開層位為泥盆系中下統克孜爾塔格組、志留系下統依木干他烏組。通過塔里木盆地，特別是巴楚隆起鉆遇的該地層情況以及鄰井柯坪1 井的地層情況，該層位巖性以粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、泥巖為主，碎屑成分以石英為主、含少（微）量長石，摩氏硬度在7 左右，性硬。由此可見，該井段可鉆性極差，特別是在表層大尺寸井眼的情況下，鉆井難度更大。

1.3 井眼穩定性分析

通過本區塊及巴楚隆起的資料總結，在為數不多的已鉆井中，有3 口井存在志留系掉塊、垮塌的案例，未造成事故或復雜。但柯探1 井的不同點是志留系埋深較淺，而其他井普遍有較新的上覆地層。該井如使用空氣鉆、泡沫鉆，有可能出現井壁失穩的情況，實鉆中需要密切注意各參數變化情況。

1.4 地層出水情況分析

從現有鄰井資料看，未見有水層描述，部分井在奧陶系、寒武系的試油過程中有過產水的案例，但與上部地層無可參照性。因此，不排除上部井段氣體鉆井施工過程中地層有出水的可能，如實鉆過程中地層出水，可以轉換循環介質由空氣轉為泡沫鉆井液。

1.5 井漏情況分析

鄰井柯坪1 井鉆井周期長，機械鉆速低、易漏，鉆進至1000m 累計漏失8 次、漏失鉆井液1014m3。因此，上部井段井漏是一個比較嚴重的問題，但空氣鉆、泡沫鉆能夠在一定程度上避免井漏的發生。

1.6 綜合結論

通過上述分析，為提高上部地層機械鉆速、解決上部地層井漏問題，在該井上部井段采用欠平衡（空氣鉆、泡沫鉆）鉆井工藝是比較理想的鉆井方案。通過實際施工，取得了較好的效果。

2 施工方案制定

2.1 導管施工

導管采用Φ660.4mm 鉆頭鉆至井深50m，下入Ф508mm 套管，水泥漿返至地面，封隔上部松散易塌易漏地層，安裝井口，為一開實施氣體鉆井提供條件。

2.2 欠平衡（空氣鉆、泡沫鉆）施工

（1）為確保上部井段防斜打直，使用牙輪鉆頭鉆穿水泥塞并進入新地層3～5m 左右，地層未出水、井壁穩定，起鉆更換Φ444.5mm 空氣錘鉆井。鉆至設計井深1009m，結束氣體鉆井，進行短起下鉆500m 左右，探井下沉砂，若沉砂小于2m，加大氣體排量循環攜砂，起鉆后直接下套管實施干法固井。

（2）鉆井期間如出現地層出水情況：若鉆遇地層出水小于5m3/ h，加大氣體排量循環觀察、烘干井壁，返砂正常恢復空氣鉆井；大于5m3/ h，直接轉換為泡沫鉆井，泡沫鉆井期間在條件允許的條件下盡量使用空氣錘，若風險較大，起鉆更換使用常規鉆頭鉆進；在空氣或泡沫鉆井過程中，若地層出水量超過20m3/ h，超過現場污水池承載能力，根據井下安全情況轉為鉆井液，進行充氣泡沫鉆井。

（3）泡沫鉆至中完井深，進行短起下鉆500m 左右，探井下沉砂，若沉砂小于2m，使用泡沫循環攜砂，起鉆后直接下套管實施干法固井。

3 空氣鉆、泡沫鉆的實鉆情況

3.1 空氣鉆、泡沫鉆鉆進井段概況

柯探1 井導管深度59m，一開使用Φ444.5mm 鉆頭開鉆，一開完鉆井深1009m，累計進尺950m，純鉆時間309h，機械鉆速3.07m/ h。欠平衡鉆進井段情況見表1。

表1 欠平衡鉆進井段情況統計

3.2 空氣鉆具體施工情況

3.2.1 空氣鉆+ 牙輪鉆頭施工

使用牙輪鉆頭鉆穿導管水泥塞后，轉換空氣鉆作業，氣舉、烘干井筒后，進行牙輪鉆頭試鉆。鉆具組合為：Ф444.5mm 牙輪鉆頭+ 浮閥+Φ228.6mm 鉆鋌×2 根+Φ203.2mm 鉆鋌×1 根+Φ127mm 斜坡鉆桿。鉆井參數：鉆壓:30kN、轉速:30～40r/ min、空氣排量:100～110m3/ min、立壓:1.3～1.4MPa。試鉆井段59～62m，進尺3m，純鉆時間9h，機械鉆速0.33m/ h。

試鉆期間，井下情況正常，返出砂樣干燥，試鉆成功，起鉆、換入空氣錘進行空氣鉆井。

3.2.2 空氣鉆+ 空氣錘施工

為充分發揮空氣鉆的快速鉆進優勢，起鉆下入空氣錘進行鉆進。鉆具組合為：Ф444.5mm 空氣錘鉆頭（京石KQC275）+ 浮閥+Φ228.6mm 鉆鋌×1 根+Φ228.6mm無磁鉆鋌×1 根+Φ228.6mm 鉆鋌×2 根+Φ203.2mm鉆鋌×1 根+Φ177.8mm 無磁鉆鋌×3 根+Φ127mm 加重鉆桿+Φ127mm 斜坡鉆桿。鉆井參數：鉆壓:20～40kN、轉速:25～40r/ min、空氣排量:110～135m3/ min、立壓:1.4～2.1MPa。鉆進井段62～207m，進尺145m，純鉆時間38h，機械鉆速3.82m/ h。鉆至207m，返砂量少、扭矩波動大、鉆時慢、立壓上漲0.2MPa，初步判斷地層出水，起鉆檢查。起出鉆具被潤濕巖屑包裹，空氣錘泥包，確定地層出水，起出空氣錘新度70%，直徑磨損3mm，牙齒碎裂36 顆，錘頭流道及本體被沖蝕。

換新空氣錘入井，試空氣烘干井筒，排砂管線出口持續有水成線流狀返出，未能烘干，無法滿足空氣鉆施工。按施工方案轉為泡沫鉆井，配置泡沫基液，準備泡沫鉆進。

3.3 泡沫鉆具體施工情況

3.3.1 泡沫鉆+ 空氣錘施工

按施工方案，優先采用泡沫鉆+ 空氣錘的鉆進方式進行試鉆進，根據試鉆進效果優選鉆進方式。鉆具組合為：Ф444.5mm 空氣錘鉆頭（京石KQC275）+ 浮閥+Φ228.6mm 鉆鋌×1 根+Φ228.6mm 無磁鉆鋌×1 根+Φ228.6mm 鉆鋌×2 根+Φ203.2mm 鉆鋌×1 根+Φ177.8mm 無磁鉆鋌×3 根+Φ127mm 加重鉆桿+Φ127mm 斜坡鉆桿。鉆井參數：鉆壓為20～40kN；轉速為25～40r/ min；空氣排量為100～110m3/ min；液排量為8～10L/ s；立壓為3.1～3.6MPa。鉆進井段207～246m，進尺39m，純鉆時間16.7h，機械鉆速2.34m/ h。

鉆至246m，鉆時由10～20 min/ m 下降至28～50min/ m，鉆時變慢，返出巖屑少，準備起出空氣錘。起出空氣錘后，新度80%，錘頭直徑磨損3mm，牙齒碎裂3 顆，從空氣錘的磨損情況，判斷泡沫+ 空氣錘工作效果不佳。

3.3.2 泡沫鉆+ 牙輪鉆頭施工

鉆具組合均為：Ф444.5mm 牙輪鉆頭+ 浮閥+Φ228.6mm 減 震 器 +Φ228.6mm 鉆 鋌×1 根 +Φ228.6mm 無磁鉆鋌×1 根+Φ228.6mm 鉆鋌×3 根+Φ203.2mm 鉆鋌×6 根+Φ177.8mm 鉆鋌×9 根+Φ127mm 加重鉆桿×9 根+Φ127mm 斜坡鉆桿。泡沫鉆+牙輪鉆進井段分段統計見表2。

表2 泡沫鉆+ 牙輪鉆進井段分段統計

3.3.3 泡沫鉆+PDC 鉆頭施工

鉆具組合均為：Ф444.5mmPDC 鉆頭+ 浮閥+Φ228.6mm 減 震 器 +Φ228.6mm 鉆 鋌×1 根 +Φ228.6mm 無磁鉆鋌×1 根+Φ228.6mm 鉆鋌×3 根+Φ203.2mm 鉆鋌×6 根+Φ177.8mm 鉆鋌×9 根+Φ127mm 加重鉆桿×9 根+Φ127mm 斜坡鉆桿。泡沫鉆+PDC 鉆進井段分段統計見表3。

表3 泡沫鉆+PDC鉆進井段分段統計

3.4 機械鉆速效果

通過實際鉆進情況比較，柯探1 井的機械鉆速較鄰井柯坪1 井的機械鉆速有顯著提高。柯坪1 井1000m 前的機械鉆速為1.91m/ h，柯探1 井為3.07m/ h。而在鉆頭的尺寸上，柯坪1 井為12 1/ 4"，柯探1 井為17 1/ 2"，更能體現出鉆速的提高。在上部井段鉆速得到提升的情況下，全井的平均機械鉆速有顯著的提升，與柯坪斷壟帶、巴楚隆起其他寒武系鹽下井的平均機械鉆速對比，柯探1 井全井平均機械鉆速最高。在柯坪斷壟帶，上部地層古老、成巖程度高，可鉆性差，在井控風險可控的情況下，使用欠平衡鉆進的提速理念效果較好。

該提速方案在區塊后續井的施工中，可能還有更好的改進措施，如使用高抗研磨性的鉆頭。

3.5 防漏效果

鄰井柯坪1 井一開使用常規鉆井液進行鉆進，發生了多次漏失，多次進行堵漏作業，由于井漏而耽誤的工期是比較長的，且井漏會導致很高的鉆井液消耗、堵漏材料的消耗，對整個鉆井成本會造成很大的影響。

柯探1 井在使用欠平衡鉆井后，在一開井段成功的杜絕了井漏的發生。從測井曲線看，700m 之前的地層孔隙度和滲透率都較高，如果使用常規鉆井液鉆進，大部分井段存在井漏風險。而采用欠平衡鉆井后，未發生井漏。

使用空氣、泡沫作為循環介質在很大程度上降低了井漏的風險，節約了堵漏損失時效，在柯坪斷壟帶上部井段防漏效果明顯。

3.6 防斜效果

柯探1 井屬于塔里木盆地山前構造井，山前井地層傾角普遍較大，鉆進時極易造成井斜，目前山前井常規鉆井液體系鉆進的防斜手段主要通過使用垂直鉆井系統來解決，其他防斜手段適用性均較差。

使用空氣作為循環介質鉆進時，配合使用空氣錘能夠有效的預防井斜，在不使用空氣錘而使用常規鉆頭鉆進時，就需要施加高鉆壓才能保證進尺，平均鉆壓在10～15t，鉆壓低于10t 后鉆時極慢。在防斜的手段上有很大的局限性。柯探1 井鉆進至207m 地層出水，無法繼續空氣鉆進，轉換為泡沫鉆，泡沫鉆期間使用常規鉆頭鉆進，井斜控制相對較差。一開最大井斜2.5°。地層傾角大及地層可鉆性差的綜合因素，導致了該區塊井斜不易控制。

3.7 環保效果

近年來，環境保護形勢嚴峻，管控嚴格，使用常規鉆井液體系，特別是磺化鉆井液體系，對于巖屑、廢液、鉆后鉆井液的處理均較為復雜，成本極高。而采用空氣鉆、環保泡沫鉆，全過程無污染，現場只需要提前修建好巖屑池，所有返出物進入巖屑池。空氣鉆、泡沫鉆施工結束后，巖屑池自動蒸發，巖屑干化后即可作為常規原料進行修路、填井場等，大幅度減少了環保的成本，降低了對環境的影響。

4 經驗和教訓

（1）空氣鉆、泡沫鉆在塔里木盆地柯坪斷壟帶施工井的上部井段試用效果較好，提速明顯，應用前景較好。

（2）后續應用中考慮使用能夠在泡沫循環介質中工作的空氣錘，在提速方面會有一定突破。

（3）使用泡沫鉆加常規鉆頭的鉆具組合鉆進時，優選防斜技術，加入防斜工具進行防斜打快。

（4）通過加快對該區塊的地質研究，優化井身結構，增長欠平衡鉆進井段，提速還有很大的空間。