新疆博孜区块空气钻井关键技术研究及应用

2021-06-17许期聪

钻采工艺 2021年2期

谭宾，许期聪，付强

1 中国石油川庆钻探工程有限公司 2 中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

新疆博孜区块是塔里木油田增储上产的重点区块之一，但该区块上部地层存在巨厚砾石层，导致常规钻井机械钻速低、钻头耗用多、钻井周期长、钻井成本高等问题，砾石层钻井提速提效俨然成为了该区块快速勘探开发的巨大挑战之一［1］。因此，开展了空气钻井关键技术研究和试验，形成了适合新疆博孜区块砾石层的空气钻井配套工艺技术。

1 砾石层特性

新疆博孜区块第四系—苏维依组砾石层发育，最厚约6 000 m。纵向上，未成岩段以砂泥质胶结为主，胶结强度低；成岩段碳酸钙含量逐渐增大，灰质胶结为主，胶结程度变强［2］。通过研究发现，砾岩弹性模量较大，如库车组岩样弹性模量为38.2 ～ 52.7 GPa；抗压强度较高，如库车组岩样抗压强度为48.6 ～ 71.1 MPa。另外，砾岩岩石中砾石颗粒的硬度约为基质的2 ～ 4倍，这是钻井中限制机械钻速及造成井下等复杂的关键因素。

2 砾石层空气钻井关键技术

2. 1 砾石层失稳机理模拟分析技术

针对新疆博孜区块砾石地层的非均质性分布，采用离散元方法对库车组砾石层井壁失稳过程进行模拟［3］，以库车组砾石层为例，模拟在载荷条件下的井周破裂过程。

模拟计算结果如图1所示，从图1（a）中可以看出，裂缝首先在井壁附近形成，当井壁周围有砾石大颗粒时，张性裂缝在砾石大颗粒周围形成，之后在砾石颗粒周围大量聚集并伴随有少量的剪切缝，裂缝相互连通造成砾石颗粒的脱落。在地应力的作用下，大量聚集的裂缝会沿着最小主应力方向传播，因此会形成一个长轴为纵向方向的椭圆井眼。从图1（b）中可以看出，井眼右侧砾石颗粒周围也造成了大量的掉块（蓝色圆），而井壁左侧没发生破坏，原因是井壁右侧分布较多砾石大颗粒，与胶结物胶结程度差，存在微裂缝，在剪切应力的作用下，裂缝扩展贯通，降低井壁岩石强度，引起井壁掉块。离散元模拟结果显示，胶结物及胶结物同砾石之间的强度对井壁稳定具有决定的作用，砾石层井壁失稳破坏的通常只是胶结物，之后砾石颗粒从井壁剥落。

图1 井眼裂缝扩展及破坏

2. 2 空气注入量优化技术

采用空气钻井时，井底压力越低，破岩效率越越高，随着空气注入量增加，井底、井口压力升高，对设备、管汇抗压能力要求也越高，设备材料消耗也越大。

当空气钻井井眼直径为333.4 mm时，利用欠平衡钻井专业软件计算可知，注气量随着钻屑直径、井径扩大率增大而增大（见图2）。假设井径扩大率为30%，岩屑直径为4 mm，井深为5 000 m，模拟计算出合理注气量为350 m3/min，基于井壁砾石颗粒易剥落的特点，需考虑附加注气量，故作业现场配备400 m3/min空气钻井设备。

图2 不同钻屑直径与排量之间的关系

2. 3 防斜打直技术

博孜区块砾石层地层倾角在8°～ 15°，井身质量要求高。空气锤一直是气体钻井防斜打直的有效利器，但是，前期空气锤在博孜区块试验效果不理想，主要是由于空气锤钎头近乎满眼设计，加上砾石层非均质性强，导致空气锤钻进过程中蹩卡严重，另外，则是由于空气锤井下处理复杂能力弱，导致空气锤应用受限，所以对防斜打直技术研究需要另辟蹊径。

当前，气体钻井缺少主动防斜措施，只有通过优化钻井参数和钻具组合来控制井斜。预弯曲防斜技术可以有效解决空气钻井控斜难的问题，其主要利用预弯曲动力学防斜打直钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个大于钟摆力的降斜力，从而使井眼保持垂直［4］。

通过计算分析和现场试验，优选出最优空气钻井预弯钟摆钻具组合：牙轮钻头＋0.75°预弯短节＋Ø228.6 mm钻铤2根+扶正器（比钻头尺寸小3 ～ 5 mm）+Ø228.6 mm钻铤1根+扶正器（比钻头尺寸小1 ～ 2 mm）+钻铤+钻杆。空气钻井过程中，钻压设计在10 ～ 60 kN，预弯钟摆钻具组合降斜力最大为1.39 kN，可以满足防斜打直的要求。图3为0.75°预弯短节剖面示意图，其外径尺寸为228.6 mm、内径为71.4 mm。

图3 Ø228.6 mm-0.75°预弯短节剖面示意图

2. 4 连续循环钻井技术

连续循环钻井技术在接单根（立柱）、起下钻过程中，需保持钻井介质连续循环，持续清洁井底，维持井底压力相对稳定，可避免因循环中断引发的井下复杂和事故，提高钻井效率［5-6］。阀式连续循环系统主要包括连续循环阀和地面控制装置，在接单根、起下钻时通过地面流道切换装置对正循环通道和侧循环通道进行切换，保持钻井循环介质始终处于连续循环状态。

空气钻井过程中，井壁圆周砾石颗粒存在易剥落的特点，进而发生井径扩大，导致井底沉砂多、携砂困难，存在沉砂卡钻风险，甚至可能因沉砂过多而提前结束空气钻井作业。新疆博孜区块采用连续循环空气钻井技术，有效避免了沉砂过多引起的井下复杂问题，不仅保障了井下安全，还大大延长了空气钻井进尺。连续循环空气钻井地面流程图如图4所示。

图4 连续循环空气钻井地面流程图

3 现场应用

3. 1 总体情况

2013年以来，在博孜区块先后开展了9井次气体钻井提速试验（见表1），累计进尺10 662.58 m，平均机械钻速4.81 m/h，取得了积极成效。

3. 2 取得的效果

在空气钻井中，通过应用砾石地层井壁失稳模拟分析技术、注气量优化技术、防斜打直技术和连续循环钻井技术，保障了空气钻井过程中井下安全，满足了井身质量的要求（3 168.50 m时，BZ8井最大井斜为4.75°），取得了显著的提速提效成果。从博孜区块整体钻井情况来看，空气钻井平均机械钻速为4.81 m/h，是其他钻井液钻井方式机械钻速的2.6倍以上（见图5），提速效果明显。尤其是连续循环钻井技术的配套应用，大大延长了空气钻井在博孜砾石层的进尺，单井单开井眼延长进尺占比最高达86.86%（见图6），博孜区块累计延长进尺6 921.76 m，占总进尺的64.57%。

表1 新疆博孜区块空气钻井应用统计

图5 同层段不同钻井方式机械钻速对比

图6 单井单开井眼延长进尺占比情况

此外，对比常规钻井液钻井方式，空气钻井方式大大降低了钻井成本。以BZ8井为例，其三开Ø333.4 mm井眼采用空气钻井方式，钻井井段为2 946.00～4 517.00 m，进尺为1 571.00 m，同比邻井BZ7井钻井液钻井方式，节约钻井周期52 d，共计节省综合成本约737.15万元。BZ7井钻井液钻井成本与BZ8井空气钻井成本情况对比见表2。