库车山前巨厚砾石层钻井提速技术分析

刘金龙，王春生，吕晓刚，申 彪，徐亚南，吕 策

(中国石油塔里木油田分公司勘探事业部)

巨厚砾石层发育是库车山前前陆盆地地层的显著特点，尤其在构造带西部的BZ地区，因沉积过程中持续的构造抬升形成了持续的、多期次的冲积扇，经过沉积压实与胶结作用，形成的巨厚砾岩层横向厚度变化快，各向异性突出[1-3]。

随着构造的不断认识与资源需要，BZ地区已经成为现阶段库车山前油气勘探的重点领域，钻井提速俨然成为区域高效开发的迫切需要。依据地震资料，已经具备精细刻画提前预测砾岩纵横向变化的能力，但巨厚砾石层段的高效钻进技术，依然是制约全井提速的瓶颈。

一、砾石层特点与钻井难点

1.砾石层的发育特点

根据实钻情况，库车山前前陆砾石层主要发育在第四系与新近系库车组、康村组、吉迪克组，砾石成分有变质岩块、石英及火成岩块等，部分取心实测粒径在1～45 mm，一般粒径范围为1～10 mm。砾石矿物成分分析表明，随井深增加，以水敏性为代表的黏土矿物逐渐减少，以钙质为代表的黏土矿物逐渐增多。胶结物的碳酸盐岩含量测定表明，地层纵向上钙质胶结呈递增趋势，泥质胶结物含量呈递减趋势[4]。

以地层压实胶结程度为标准，将BZ地区浅层砾岩划分为未成岩段、准成岩段和成岩段。随着井深增加，砾石矿物与胶结中的钙质成分增多，砾岩整体强度增大，可钻性变差，井壁稳定性变好。

2.砾石层钻井难点

2.1 可钻性差，行程机械钻速低

巨厚砾石层因其强非均质特点，钻进过程中普遍蹩跳钻严重，井底钻头工作不稳定，强冲击负荷限制常规PDC钻头使用，多使用高效牙轮钻头钻进，实钻机械钻速普遍较低[4-6]。以砾石层比较发育的上部Ø444.5 mm井眼尺寸为例，BZ-DB区块因砾石含量及厚度较高，平均单趟钻进尺仅为KS及ZQ地区的50%左右，平均行程机械钻速为后者的57%。

2.2 对钻头及井下工具非正常磨损

常规PDC钻头砾石层钻进极易因切削齿冲击崩裂后自切，加快钻头的磨损，形成本体环形槽甚至磨掉整个冠部。

牙轮钻头应对非均质砾石具备一定抗冲击效果，但仍需保证旋转活动部位的可靠性，进口Ø444.5 mm牙轮钻头砾石层的推荐使用总转数在80～90万转内，超出易导致牙轮巴掌失效脱落。

含砾地层钻进过程中，下部钻具的强振动会导致井下提速与测量工具的元件损坏，以及钻具特别是转换接头发生疲劳破坏。且砾石层的强研磨性会导致垂直钻井工具的扶正块磨损，影响使用效果。

2.3 防斜打直难度大

图1为BZ103井巨厚砾石层段钻进井斜变化情况，井斜控制效果差，不利于强化钻压钻进参数提速、中完期间的电测及大尺寸套管的下入。

图1 BZ103井巨厚砾石层段钻进井斜变化情况

2.4 井漏与溢流频发

BZ1井未成岩段钻进过程中累计漏失相对密度1.04～1.14 g/cm3的钻井液2 312 m3，BZ101井在未成岩段钻进过程中累计漏失相对密度1.05～1.08 g/cm3的钻井液785 m3。BZ1井和BZ101井在浅层共有三处发生溢流和盐水侵。

二、巨厚砾石层钻井提速技术

1.垂直钻井系统

目前在库车山前成熟应用的有斯伦贝谢的Power-V垂直钻井系统与国产的BH-VDT、VDS垂直钻井系统。

在巨厚砾石比较突出的BZ地区，垂直钻井系统的进尺比例由相邻区域的80%左右降至59%,因井下仪器无信号、井斜增大等工具原因起钻的比例占到43.3%，远高于其他区块的平均27.0%。

2.空气钻井

空气钻井利用连续循环钻井技术可以有效解决钻具不能活动期间的环空沉砂问题。其应用前必须开展以井眼清洁、井壁稳定、地层流体产出等核心问题的适应性评价[5]。

库车山前巨厚砾石层开展空气钻井的有BZ101、BZ102、BZ8与BZ18井，各井应用情况如表1。其中BZ8井创塔里木油田气体钻井单开次最长进尺纪录，平均机械钻速创区块最快纪录。

表1 BZ101、BZ102、BZ8与BZ18井空气钻井实钻情况

3.涡轮+孕镶钻头

图2为BZ7井砾石层段3 465～4 813 m使用涡轮+孕镶钻头与常规钟摆钻具的机械钻速对比，该段钻进共使用10趟钻，其中7趟钻使用涡轮+孕镶钻头，进尺占比84%。使用涡轮+孕镶钻头的平均单趟钻进尺161.7 m，相比常规钟摆钻具提升125%；平均机械钻速1.5 m/h，相比常规钟摆钻具提速124%。

图2 BZ7井砾石层段.465～.813 m使用涡轮+孕镶钻头与常规钟摆钻具的机械钻速对比

4.双摆工具

双摆工具以钻井液液力能量为动力，驱动工具中的陀螺仪转动，利用陀螺仪的自稳性与进动性特征主动抑制底部钻具组合产生的振动与涡动，提高钻头的有效破岩效率，同时具备一定的井斜控制能力[6]。

图3为BZ22井二开Ø444.5 mm井眼井段1 606～3 152 m使用双摆钻具与常规钟摆钻具的机械钻具及井斜对比。该段钻进共使用7趟钻，其中2趟钻使用双摆钻具。使用双摆钻具的单趟钻进尺305 m，相比常规钟摆钻具提升30%；平均机械钻速1.6 m/h，相比常规钟摆钻具提速23%。

图3 BZ22井砾石层段.606～.152 m使用双摆钻具与常规钟摆钻具的机械钻速对比

三、应用实例

1.BZ7井

BZ7井钻前预测将钻遇约5 140 m的巨厚砾岩，其中未成岩段0～2 650 m、准成岩段2 650～3 150 m、成岩段3 150～5 140 m。实钻钻遇砾石层段0～5 844 m，其中一开Ø660.4 mm钻头钻揭0～202 m、二开Ø444.5 mm钻头钻揭202～3 420 m、Ø311.2 mm钻头钻揭3 420～5 844 m。图4为BZ7井巨厚砾石层段不同钻进工具下机械钻速对比情况，随着井深的加深进入准成岩段，地层的可钻性变差，牙轮+钟摆钻具组合钻进机械钻速逐渐降低，单只牙轮钻头进尺由400 m以上降低至150 m左右，井下强振动不具备使用PDC钻头条件，此时使用涡轮+孕镶钻头具有较好的综合提速效果。进入成岩段下部以后，砾石含量逐渐降低、粒径逐渐减小，下部钻具的振动逐渐减弱，此时下入PDC钻头配合垂钻系统、大扭矩螺杆具有较好的综合提速效果。

图4 BZ7井巨厚砾石层段不同钻进工具机械钻速对比情况

2.BZ18井

BZ18井钻前预测将钻遇约5 750 m的巨厚砾岩，其中未成岩段0～2 100 m、准成岩段2 100～2 750 m、成岩段2 750～5 750 m。实钻钻遇砾石层段0～5 334 m，其中一开Ø660.4 mm钻头钻揭0～246 m、二开Ø444.5 mm钻头钻揭202～2 836 m、Ø311.2 mm钻头钻揭3 420～5 334 m。

图5为BZ18井巨厚砾石层段不同钻进工具机械钻速对比情况，对比牙轮+钟摆钻具组合，使用垂直钻井系统可通过强化参数达到提升机械钻速与单趟钻行程的目的，但幅度有限。空气钻井能最大程度降低井底岩石破碎围压，实现机械钻速相比牙轮+钟摆钻具组合提升约3倍，平均单趟钻进尺提升2倍以上，取得巨厚砾石层钻井提速重大突破。

图5 BZ18井巨厚砾石层段不同钻进工具机械钻速对比情况

四、结论

(1)垂直钻井系统已发展成为库车山前盐上及盐层钻进不可缺的提速利器，但在巨厚砾石层钻进过程中，特别在未成岩与准成岩段，垂直钻井系统的应用受到推靠模块耐磨性不适应、内部元件抗振不适应、井斜控制效果差、测量信号接收失效高等新的问题制约，相关技术仍需进一步升级。实践证明将垂直钻井系统与双摆工具结合，利用后者在抑制底部钻具组合振动与涡动方面优势，可起到保护垂钻工具与强化参数提速的效果。

(2)涡轮+孕镶钻头较强适应于不同成岩段的巨厚砾石地层，但其仍面临山前高陡构造钻进易斜的问题，应用时需控制钻井参数，加强井眼轨迹监测。

(3)空气钻井技术在库车山前巨厚砾石层钻进提速效果最为显著，利用连续循环钻井技术有效解决了钻具活动期间的环空沉砂问题，目前在BZ地区的应用成功率达到50%。但空气钻井技术受地层出水及井眼清洁、井壁稳定、井斜控制等问题的限制，应用前需开展系统的适应性评价。