BZ701空气钻井方案设计优化与现场应用

蒲克勇，杜松涛，郭晓明

（川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川德阳618300）

随着勘探开发的纵深发展，塔里木油田BZ-DB区块万亿方大气区正在逐步形成，预计到2025 年将实现BZ-DB 区块 100×108m3产能建设目标。BZ 区块特别是BZ1井区地层发育着平均厚度达5000m的巨厚砾石层，采用常规泥浆钻井方式，其机械钻速低，钻井周期长[1]，单只钻头进尺少，严重制约着该井区钻井工程提速提效。前期在该井区试验空气钻井技术，试验效果较好，但在实施井段选择、井斜控制以及井壁稳定性、地层出水等方面还存在制约因素，需要从方案设计进行优化，才能进一步确保空气钻井的成功实施。

1 空气钻井可行性分析

影响空气钻井成败有两大地层客观因素，井壁稳定性与水层分布，一旦井壁失稳，就会影响到空气钻井井下安全，而地层出水会加剧井壁失稳现象，特别是深井中这种现场更为明显。

1.1 井壁稳定性

按照地层压实程度，地质上将BZ1 井区巨厚砾石层划分为未成岩段、准成岩段和成岩段，未成岩段，地层松散，胶结程度低，可钻性好；准成岩段处于未压实—压实过渡段地层，可钻性中等；而成岩段压实程度变高，可钻性变差。地质预测BZ701井将钻遇5600m的巨厚砾岩层，按压实程度划分如表1所示。

表1 BZ701井砾石层压实程度划分表

未成岩段砾岩地层欠压实，在常规泥浆钻井过程中易发生井漏、遇阻、挂卡、憋跳钻、断钻具、垮塌等复杂情况；若采用空气钻井工艺，无液柱压力支撑井壁，井壁将更容易发生失稳现象，BZ8 井200～256m 采用空气/雾化钻井方式，因井壁出现失稳现象而结束空气钻井，实践证明巨厚砾岩未成岩段不适合开展空气钻井工艺。同时，未成岩段由于其可钻性较好，从钻井成本方面考虑，常规泥浆钻井方式更适合。

准成岩段—成岩段地层较未成岩地层压实程度变好，随着井深增加其井壁稳定性越好，可钻性变差，统计分析BZ701周边三口邻井BZ2、BZ8、BZ18空气钻井工艺试验成果，如表2所示，三口邻井在准成岩段—成岩段地层实施空气钻井未出现井壁失稳现象，井壁稳定性较好，空气钻井工艺实施取得良好效果。

表2 BZ701井三口邻井空气钻井试验成果表

1.2 水层分布

砾石层属于粘土胶结，水化作用明显，容易出现井下垮塌，出水后地层坍塌现象和井眼扩大率也会明显增大。收集分析BZ1 井区泥浆实钻资料分析显示，第四系—库车组上部2100m 为水层集中分布段，库车组中上部2100～2600m 分布有少量水层，库车组2600m以下—康村组中下部不含水层。 BZ101、BZ102 上部地层可能水层分布如图1所示。

图1 BZ101、BZ102上部地层可能水层分布图

三口邻井BZ2、BZ8、BZ18 在空气钻井过程中，未见明显水层分布，在BZ701井出水可能性较小。

2 空气钻井方案设计优化

根据可行性与周边邻井分析，在BZ701 井准成岩段2800m 以下，不含水层分布，井壁稳定性相对较好，适合实施空气钻井工艺，方案设计中考虑在BZ701 井3000～5000m 井段实施空气钻井，在准成岩地层，有效避开水层分布，有利于空气钻井工艺的实施，但还得综合考虑沉砂清理、井斜控制与测量工艺。

2.1 沉砂清理

BZ701 井3000～5000m 井段存在砾石层准成岩与成岩地层，准成岩地层胶结较为疏松，经过大排量空气冲刷会形成不规则井眼，会造成沉砂不能完全带出井筒现象，这种情况在成岩段同样存在，预测BZ701井在空气钻井过程中，沉砂厚度最高可达30m 左右，因此，设计采用阀式连续循环钻井工艺技术。

阀式连续循环钻井工艺预先将连续循环阀配在立柱（单根）顶端，钻完上一个带有连续循环阀的立柱（单根），连接侧循环管线至连续循环阀侧阀，进行侧向循环通道切换，待立柱（单根）接卸完毕后再进行正向倒换，实现了在起下钻、接立柱（单根）过程中循环介质不中断的钻井工艺[2-5]，实现了沉砂的持续悬浮，为沉砂超过30m实现接立柱、钻进创造了条件。

从理论分析角度出发，由于空气钻井主要靠极高的返速来带出井底岩屑，举升能力有限，然而，大排量又存在对井壁冲刷作用，形成不规则井眼，因此，深井空气钻井都存在沉砂现象，井壁稳定性越好，沉砂会越少；同时，在清理井底沉砂时，通过适当调整参数，可以有效减少井底沉砂。

2.2 井斜控制与测量工艺

空气钻井目前在BZ区块防斜打直主要依靠钻具组合的钟摆力与控制钻时相结合方式，其原理是延长钻时，有效增加井眼低边的重复切削次数，牺牲机械钻速来达到降斜的目的，因此，需要钻具组合具有更强的钟摆力、更大的刚性。统计分析BZ区块深井空气钻井钻具组合使用效果发现相似规律，使用11寸钻铤非标钻具组合在17寸以下井眼，具有更强的钟摆力、更大的刚性，相同参数条件下稳斜降斜效果更好，如表3所示，BZ701井空气钻井方案设计钻具组合为11寸双扶与11寸塔式钻具组合。

空气钻井目前还未有成熟的随钻测量与井下动力工具，无法实时监测到井斜、方位等参数，特别是在实施井深超过3000m 的井中，目前试验的随钻测量仪器都尚未成功传输数据，因此，超3000m以上深井空气钻井井斜测量只能依靠电缆测斜车测量。

表3 BZ区块17寸以下井眼深井空气钻井钻具组合使用效果表

BZ区块空气钻井在有沉砂条件下，在测斜前须尽量带出井筒沉砂，为井斜测量创造条件，其工艺流程为：钻进至测斜井深—循环—连续循环起钻—停气—下钻探沉砂面—甩单根—测斜。

3 现场应用

BZ701井空气钻井现场实施井段为3088～5000m，有效避开了未成岩段及水层的影响，进入准成岩段300m以上，空气钻井进尺1912m，钻井周期23d，两趟钻，平均机速为4.91m/h，较邻井常规泥浆钻井提高了3～4倍，节省了钻井周期30d以上，节约了钻头费用超100万元。

第一趟钻具组合11寸双扶由于使用9寸本体扶正器，扶正器发挥作用有限，井斜呈微增趋势；第二趟钻具组合采用11 寸塔式（井段4208～5000m），增加了11寸钻铤使用，增强了钻具组合刚性与钟摆力，达到了降斜的效果。

通过使用非标钻具组合，适时调整参数、延长循环时间等方式，沉砂厚度控制在20m以内，如表4所示。

表4 BZ701井测斜沉砂厚度统计表

井斜控制如图2 所示，对比BZ2 井使用预弯+9 寸双扶，BZ701 井在库车组下部4200～4720m 井段使用11 寸非标钻具组合降斜效果明显，而BZ2 在库车组下部4200～4530m 井段井斜处于增加趋势；在康村组地层，BZ701井11寸非标钻具组合降斜效果更加明显。

通过对比分析，也可以发现，BZ2与BZ701井在库车组与库村组有相同的井斜变化趋势，库车组地层增斜，康村组地层降斜。

4 结论与建议

（1）通过BZ区块砾石层井壁稳定性与水层分布统计分析，优选出BZ701 井适合空气钻井3000～5000m井段，并针对沉砂情况设计了连续循环钻井工艺，现场应用效果较为理想；

（2）通过深井空气钻井钻具组合使用效果分析，设计了刚性更强、钟摆力更大的11寸非标钻具组合，达到了理想的井斜控制效果；

（3）通过现场应用对比，发现在相同条件下库车组地层增斜能力较强，而康村组降斜能力较强；

图2 BZ701井、BZ2井空气钻井井斜对比图

（4）地层为客观不可改变因素，建议在地面针对地层出水，做好预案与准备工作；同时加快随钻测量与井下动力工具的研制。