空氣鉆井在BZ24井的應(yīng)用

陽君奇， 申 彪， 葉素桃， 金 偉, 宋仁智, 劉成龍, 閔 鵬， 王全峰

1中國石油塔里木油田分公司勘探事業(yè)部 2中國石油塔里木油田分公司安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心 3中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦搶險維修中心 4中國石油長城鉆探工程有限公司 5中國石油川慶鉆探工程公司新疆分公司

0 引言

氣體鉆井是一種利用可壓縮空氣及其他氣體作為鉆井循環(huán)流體，將井下巖屑由低壓流體循環(huán)出地面的一種欠平衡鉆井技術(shù)，該技術(shù)顯著提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭使用壽命[1]。國內(nèi)油田在CS1井、HS101井、GZ- 02井、LT126井等多口井因地下巖石致密堅硬、可鉆性差、研磨性強(qiáng)、且裂縫、溶洞發(fā)育而鉆進(jìn)困難，常規(guī)鉆井液鉆井機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，選用空氣鉆井可實現(xiàn)快速通過井下復(fù)雜地層，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著[2- 7]。

塔里木油田BZ24井設(shè)計井深7 295 m,三開裸眼段長，井壁失穩(wěn)風(fēng)險大，所在區(qū)塊巨厚礫巖層沉積超5 000 m，地層可鉆性差，研磨性強(qiáng)，裂縫發(fā)育，存在惡性漏失，常規(guī)機(jī)械鉆井周期長。隨著空氣鉆井在鄰井BZ2、BZ8、BZ18井等多口井的成功運(yùn)用，為BZ24井的空氣鉆井提供了安全、有效的經(jīng)驗借鑒，并在實鉆中首次應(yīng)用“?279.4 mm雙扶鐘擺鉆具組合”，機(jī)械鉆速顯著提高，為博孜區(qū)塊上部礫石層的快速鉆進(jìn)提供有效借鑒。

1 空氣鉆井

1.1 空氣鉆井設(shè)備

空氣鉆井相對于常規(guī)鉆井液鉆井，有一些特有的設(shè)備，地面設(shè)備包括：低壓壓縮機(jī)、增壓機(jī)、注氣管匯及排屑管線等，在管線連接中安裝有單流閥、滌氣器、注液泵及壓力表與體積流量計等檢測儀器，通過天然氣檢測器檢測返出流體氣體組分，并通過除塵器降塵[8]，見圖1。井下鉆頭多采用空氣錘鉆頭和牙輪鉆頭，空氣錘鉆頭通過鉆柱內(nèi)流動的壓縮空氣，推動內(nèi)部活塞，產(chǎn)生縱向沖擊，進(jìn)行井底破巖，不同于牙輪鉆頭的準(zhǔn)靜態(tài)碾壓，空氣錘鉆頭在巖石表面形成動態(tài)碾壓，需要的鉆壓更小，因而鉆速顯著提高。

圖1 空氣鉆井地面設(shè)備示意圖

1.2 空氣鉆井與鉆井液鉆井的對比

空氣鉆井相較于常規(guī)鉆井液鉆井，環(huán)空中的液柱作用較小，鉆頭切削面上的圍壓較低，更加利于鉆頭破巖，因而機(jī)械鉆速更高；同時井筒中的負(fù)壓差也避免或減輕了儲層傷害；在鉆遇裂縫、聯(lián)通性較好的孔隙溶洞時，鉆井液鉆井井漏頻繁，嚴(yán)重時環(huán)空液面下降將導(dǎo)致井底壓力過低，而誘發(fā)井下高壓油氣層涌入環(huán)空，造成井涌。然而在鉆遇地層高孔隙壓力或地層水時，高密度鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力能較好的平衡孔隙壓力，環(huán)空液柱壓力將有效阻止流體通過裸眼井段進(jìn)入井筒，空氣鉆井的抵御能力小于鉆井液鉆井。同時，若井筒中進(jìn)水后，干燥的井筒會吸水膨脹造成井眼失穩(wěn)，井下的粉末狀巖屑見水會溶解，導(dǎo)致鉆頭發(fā)生泥包，因此實施空氣鉆井對地層的要求比鉆井液鉆井更為嚴(yán)苛[9]。

2 空氣鉆井的適用性與參數(shù)設(shè)計

2.1 BZ24井空氣鉆井的可行性分析

BZ24井是位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶博孜1區(qū)塊BZ24號構(gòu)造高點上的一口預(yù)探井，預(yù)測將鉆遇5 825 m的巨厚礫巖層。其中礫巖層未成巖段為0～2 025 m，厚2 025 m; 準(zhǔn)成巖段為2 025～2 825 m，厚800 m;成巖段為2 825～5 825 m，厚3 000 m。同時由于礫巖層的研磨性強(qiáng)，可鉆性差，且下部地層壓力系數(shù)不同，鄰井BZ1、BZ101、BZ102井井漏頻繁，采用常規(guī)鉆井液鉆井的普遍機(jī)械鉆速較低，導(dǎo)致鉆井周期進(jìn)一步延長。

博孜區(qū)塊礫石層壓實較致密，井壁較為穩(wěn)定，在井下2 500～4 000 m段，鉆遇地下水層的可能性較小，同時根據(jù)塔里木油田在博孜區(qū)塊多口井應(yīng)用空氣鉆井的成功經(jīng)驗，對比了博孜區(qū)塊7口空氣鉆井與2口常規(guī)機(jī)械鉆井在2 500～5 000 m的鉆井技術(shù)指標(biāo)[10]。BZ18井在2 836.5～4 111.5 m段進(jìn)行連續(xù)循環(huán)鉆井，進(jìn)尺1 275 m,平均機(jī)械鉆速為6.4 m/h；而BZ1井在2 476～3 552 m進(jìn)行常規(guī)鉆井液鉆井，平均機(jī)械鉆速僅為0.97 m/h，BZ18井的機(jī)械鉆速是BZ1井的6.6倍，空氣鉆井提速效果顯著。因此，決定在BZ24井三開?333.4 mm井眼3 272～4 500 m井段實施連續(xù)循環(huán)空氣鉆井,提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

2.2 鉆井參數(shù)設(shè)計

BZ24井空氣鉆井的設(shè)計井段3 272～4 500 m，鉆進(jìn)層位為庫車組(N2k)中下部及康村組(N1-2k)上部，巖性主要以巨厚層狀雜色細(xì)礫巖、小礫巖、砂礫巖為主。空氣連續(xù)循環(huán)鉆井過程中，為消除接立柱、起下鉆造成的沉砂卡鉆風(fēng)險, 對循環(huán)時間、鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保空氣鉆井中的井下安全，鉆井設(shè)計參數(shù)：鉆壓0～20 kN，轉(zhuǎn)速60～70 r/min,排量200～400 m3/min。

空氣鉆井前，下入牙輪鉆頭進(jìn)行鉆水泥塞及套管附件作業(yè)，利用清水對井筒鉆井液進(jìn)行置換、洗井作業(yè)，氣液混合排液后，調(diào)整注氣量和注液量，直至液體注入量降為零。最后倒排砂管線干燥井筒作業(yè)，待進(jìn)行空氣鉆進(jìn)；空氣鉆井結(jié)束后進(jìn)行鉆井液轉(zhuǎn)換工藝，進(jìn)行井筒潤濕性反轉(zhuǎn)作業(yè)，最后大排量循環(huán)井下掉塊轉(zhuǎn)為常規(guī)鉆井液鉆井。

2.3 空氣鉆井防斜工藝

BZ24井三開設(shè)計?333.4 mm井眼，并首次采用“?279.4 mm雙扶鐘擺鉆具組合”進(jìn)行鉆進(jìn),防斜打直效果顯著。空氣鉆井設(shè)計下入“1°預(yù)彎短節(jié)+?279.4 mm鉆鋌”的鉆具組合，由于剛性太強(qiáng)，入井難度較大，最后更換為“?279.4 mm雙扶鐘擺鉆具組合”，安全順利下入井底進(jìn)行空氣鉆進(jìn)，實現(xiàn)了塔里木油田博孜區(qū)塊鉆井技術(shù)的新突破。

空氣鉆井期間共下鉆2趟，第一趟鉆選用國產(chǎn)江鉆?333.375 mm牙輪鉆頭，型號HJT537GK，鉆進(jìn)井深范圍3 272.5～3 958.76 m，單趟進(jìn)尺686.26 m,純鉆時間118.5 h,平均機(jī)械鉆速為5.79 m/h;第二趟鉆選用進(jìn)口史密斯?333.375 mm牙輪鉆頭，型號GF128BCPS，鉆進(jìn)井深范圍3 958.76～4 509.49 m，單趟進(jìn)尺550.73 m,純鉆時間80.3 h,平均機(jī)械鉆速為6.86 m/h。兩趟鉆除鉆頭型號不同，其他鉆具組合不變，鉆具組合為：?333.375 mm牙輪鉆頭+630×NC77母+?279.4 mm鉆鋌×2根+?331 mm扶正器+?279.4 mm鉆鋌×1根+?330 mm扶正器+?279.4 mm鉆鋌×1根+NC77公×NC61母+?228.6 mm浮閥(測斜座)+?228.6 mm鉆鋌×2柱+NC61公×NC56母+?203.2 mm鉆鋌×5柱+NC56公×520+?149.225 mm加重鉆桿×5柱+ ?149.225 mm鉆桿。

2.4 鉆井液轉(zhuǎn)換工藝

由于空氣鉆井在鉆井過程中沒有形成穩(wěn)固井壁的濾餅，且應(yīng)力集中，在已鉆開井眼的周圍會形成鉆進(jìn)損傷帶，井壁失穩(wěn)風(fēng)險較大，空氣鉆井結(jié)束后轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井前，需要替入油基潤濕反轉(zhuǎn)液、隨鉆堵漏漿防井漏、井壁垮塌掉塊等井下復(fù)雜[11- 13]，潤濕反轉(zhuǎn)井漿配方為：膨潤土+NaOH+大分子聚合物+磺甲基酚醛樹脂+褐煤樹脂+陽離子乳化瀝青+聚合醇+潤滑劑+SP- 80 +KCl+加重劑。在氣液轉(zhuǎn)換過程中，BZ24井未出現(xiàn)明顯井壁垮塌、掉塊及井漏，空氣鉆井鉆井液轉(zhuǎn)換用時3 d，比設(shè)計周期提前1 d完成井漿轉(zhuǎn)換，氣液轉(zhuǎn)換鉆井液性能主要參數(shù)：密度1.45 g/cm3,塑性黏度42 mPa·s,高溫高壓失水小于10 mL，靜切力8.5 Pa。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果評價

3.1 井斜控制

BZ24井空氣鉆井實鉆井段3 272～4 509 m，首次采用“?279.4 mm雙扶鐘擺鉆具組合”，進(jìn)行鉆進(jìn)，見圖2，井斜范圍0.67°～4.02°，最大井斜4.02°(井深4 472 m),平均井斜1.71°，而空氣鉆井中井斜增大主要與排量的提高有關(guān)。空氣鉆井結(jié)束后轉(zhuǎn)為機(jī)械鉆井，出現(xiàn)最大井斜4.6°，后選用“垂鉆+雙扶鐘擺鉆具組合”鉆進(jìn)，井斜迅速下降至0.3°以下；在5 453～5 754 m井斜明顯增大至1.9°后呈線性下降，主要與該層位的地層可鉆性及各向異性有關(guān)；在6 180～6 858 m更換鉆具組合后井斜迅速降低，由此發(fā)現(xiàn)不同的鉆具組合對井斜的影響差異較大。

圖2 BZ24井井斜角變化

3.2 井徑控制

塔里木盆地山前地區(qū)空氣鉆井的井徑擴(kuò)大率均在15%～28%左右，空氣鉆井常導(dǎo)致井眼不規(guī)則，存在“葫蘆狀”的井段，造成井下垮塌等復(fù)雜情況[14- 18]。如圖3，BZ24井在二開2 500～3 272 m進(jìn)行常規(guī)機(jī)械鉆井，井徑變化較小，平均井徑?477.01 mm,井徑擴(kuò)大率為7.31%。三開3 272～4 509 m實施空氣鉆井，3 273～6 837 m為常規(guī)機(jī)械鉆井，空氣鉆井結(jié)束后，繼續(xù)常規(guī)機(jī)械鉆井，鉆至6 837 m進(jìn)行三開中完電測，由于處于長期大段的裸眼井段，導(dǎo)致空氣鉆井段部分井段發(fā)生泥巖縮徑。縮徑井段3 329～3 502 m與4 096～4 509 m，其中3 329～3 502 m縮徑嚴(yán)重，最小井徑為?261 mm,最大井徑擴(kuò)大率為-21.71%；井深6 385 m處同樣發(fā)生泥巖縮徑，最小井徑為?228.02 mm，井徑擴(kuò)大率為-31.60%。在不考慮后期因泥巖縮徑的情況下，空氣鉆井設(shè)計井徑為?333.375 mm，實鉆最大井徑為?376.43 mm，平均井徑為?365.25 mm, 計算得平均井徑擴(kuò)大率為9.56%，平均井徑擴(kuò)大率小于10%，BZ24井空氣鉆井井徑控制較好。

圖3 BZ24井井徑變化

3.3 提速效果

如圖4所示，對比了BZ24井在空氣鉆井前后的機(jī)械鉆速，在0～3 272 m段選用“?279.4 mm雙扶鐘擺鉆具組合”，使用鉆井液體系鉆進(jìn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械鉆速整體井深的增加呈下降趨勢，這主要與地層的壓實程度有關(guān)，淺部地層壓實程度較疏松，地層可鉆性高，進(jìn)而機(jī)械鉆速較高，而下部地層壓實緊密，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低；在井段3 272～4 509 m進(jìn)行空氣鉆井，同樣采用“?279.4 mm雙扶鐘擺鉆具組合”，僅消耗2只,平均機(jī)械鉆速為6.22 m/h，是BZ1井鉆井液鉆井機(jī)械鉆速的6.4倍。空氣鉆進(jìn)結(jié)束后，在井段4 510～6 867 m，采用“垂鉆/螺桿+雙扶鐘擺鉆具組合”進(jìn)行機(jī)械鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速為3.02m/h，采用空氣鉆井僅用時13 d，完成進(jìn)尺1 237 m，提速效果顯著。

圖4 BZ24井機(jī)械鉆速

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

在油氣勘探領(lǐng)域中，鉆井的成本占據(jù)開發(fā)生產(chǎn)成本的70%，嚴(yán)重制約著油氣勘探的成本投入[19]。塔里木油田博孜區(qū)塊的平均井深6 828 m，平均鉆井周期為406 d，礫石層平均厚度4 475 m，平均鉆井周期215 d，占整體鉆井周期的53%。BZ24井采用空氣鉆井，比同井段鉆井液鉆井縮短周期29 d，僅損耗牙輪鉆頭2只，而鄰井BZ103井、BZ7井在同層段鉆井液鉆井耗用孕鑲、PDC鉆頭分別為11、12只。按照塔里木油田博孜區(qū)塊的鉆井日費(fèi)統(tǒng)計，平均綜合日費(fèi)25×104元，考慮到綜合日費(fèi)、鉆井液維護(hù)費(fèi)及鉆頭費(fèi)用，最后計算得BZ24井節(jié)約鉆井成本1 060.5萬元，實施連續(xù)循環(huán)空氣鉆井的經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢巨大。

4 結(jié)論

(1)BZ24井首次選用“?279.4 mm雙扶鐘擺鉆具組合”，進(jìn)行空氣鉆井，防斜打直效果顯著，最大井斜為4.02°，平均井斜僅1.71°，空氣鉆井結(jié)束后選用“垂鉆+雙扶鐘擺鉆具組合”實施鉆井液鉆井，迅速將井斜下降至0.3°以下，為塔里木油田在博孜區(qū)塊實施空氣鉆井提供技術(shù)借鑒。

(2)BZ24井空氣鉆井設(shè)計井徑為?333.375 mm,實鉆最大井徑為?376.43 mm，計算得平均井徑為?365.25 mm,平均井徑擴(kuò)大率為9.56%，為后期繼續(xù)鉆進(jìn)及固井作業(yè)提供井下安全作業(yè)環(huán)境。

(3)BZ24井空氣鉆井消耗牙輪鉆頭2只，實現(xiàn)進(jìn)尺1 237 m,平均機(jī)械鉆速為6.22 m/h,是BZ1井在同井段采用常規(guī)鉆井液鉆井的機(jī)械鉆速的6倍，提速明顯。同時考慮空氣鉆井經(jīng)濟(jì)成本，節(jié)約鉆井成本達(dá)千萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。