艾克1井风城组氮气钻井技术研究与应用

周鹏高 彭 俊 刘 杨 甘一风

（1.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油新疆油田分公司百口泉采油厂，新疆 克拉玛依 834000）

0 引言

艾克1井位于准噶尔盆地中央坳陷玛湖凹陷内，是一口主探二叠系风城组一段（P1f1）的风险探井。风城组自下而上分为风一段（P1f1）、风二段（P1f2）和风三段（P1f3）。该井第三次开钻采用常规方式钻进至风三段后，机械钻速为0.63～0.95 m／h。为了提高钻井速度，拟在第四次开钻风三段和风二段实施氮气钻井。

1 氮气钻井可行性论证

艾克1井第三次开钻，钻至4 700 m中完，钻进揭开风三段115 m。为了避免储层段气体钻井井下燃爆风险，注入气体选用氮气。氮气钻井的主要风险有井壁失稳、地层出油／水和井控问题。

1.1 井壁稳定性分析

艾克1井实施氮气钻井前，其最近的邻井风南7井钻至4 450 m中完，钻进揭开风城组约1 100 m。艾克1井第三次开钻的井径曲线表明，进入风城组后井径规则，井眼稳定性好。应用风南7井电测资料分析风城组井壁稳定性［1-3］，风南7井进入风二段后，泊松比下降，抗压强度增大，将逐渐超过上覆压力，井眼稳定性变好；风二段坍塌压力系数小于0.6，并有减小趋势。

综合上述分析认为，艾克1井第四次开钻，在风三段和风二段实施氮气钻井，不会发生大段的井眼力学失稳。由于风城组含有泥岩夹层，易坍塌、崩落，且井壁掉块具有较强的随机性和不可预知性，因此，需制定现场应急措施。

1.2 井控风险分析

艾克1井预测储层埋藏深为5 013～5 330 m，该区域邻井在风城组地层压力系数最高达1.60。针对氮气钻井钻遇异常高压的井控风险，采取以下对策：①选用105 MPa压力等级的井控装备和FX35—17.5／35旋转控制头，以满足关井时井口最高关井压力和氮气钻井动密封要求；② 第三次开钻中完后，下入复合套管：244.5 mm SM125TT套管0～2 750 m+244.5 mm VM110HC套管2 750～4 700 m，套管抗外挤强度分别为53.9 MPa和70.8 MPa，能满足氮气钻井要求；③ 选用耐压105 MPa的浮阀和旋塞等内防喷工具。

预计风三段和风二段出现高产油气流的可能性不大，井控风险可控。

1.3 地层出油／水预测

氮气钻井过程中，地层出油／水易引起卡钻和井壁失稳。根据已钻邻井录井、测井、试井资料，预测风三段和风二段大量出液的可能性不大。氮气钻井期间若地层少量出液影响携岩，可增大注气量转换为氮气雾化钻井；地层出液速度较大（大于5 m3／h）时，可转为常规钻井液钻井［4-5］。

2 井筒流场模拟与注气参数优化

2.1 最小注气量分析

根据最小动能理论［6］，对艾克1井第四次钻215.9 mm井眼的注气量进行模拟，计算出满足环空节点处携岩率为30%的最小注气量（见图1a）。地层出油／水时，需要转化为雾化钻井，雾化钻井所需最小注气量如图1b所示。从图1可看出，若氮气钻井机械钻速为3～9 m／h，地层无液体产出，保证环空节点处携岩率为30%的最小注气量为49～540 m3／min；若地层产液量为1～5 m3／h，所需的最小注气量为68～121 m3／min，地层出液后，携岩所需气量急剧增加。

图1 最小注气量分析图

2.2 合理注气量分析

改变氮气注入量，环空携岩率变化规律如图2所示。随着注气量的增大，携岩率显著增大，注气量增大到一定程度后，携岩率的变化较小。注气量过大，会造成经济与动力的浪费，且对管线的冲蚀严重［7］。根据最小注气量和携岩率模拟结果，井段4 700～5 000 m时，合理注气量为90～110 m3／min；井段5 000～5 400 m时，合理注气量为110～130 m3／min。

2.3 井筒压力分析

图3是注气量为100 m3／min，地层出水量为0～5 m3／min时的氮气钻井井筒压力剖面。从图3可以看出，地层不出水时，井口立压仅为1.23 MPa。随着出水量的增大，立压逐渐增大，当出水量达到5 m3／min时，立压接近2.0 MPa。地层出水时立压绝对值变化不明显，但相对幅度较大，因此氮气钻进过程中应加强对立压的精细监测，以利于井下复杂的识别。

图2 携岩率与注气量的关系图

图3 氮气钻井井筒压力图

3 现场试验

3.1 氮气钻井设备配置

根据井筒流场模拟结果，氮气钻井正常钻进时，合适的气量为90～130 m3／min，当地层少量出液（小于5 m3／h）时需转换为雾化钻井，所需气量为130～180 m3／min。为了提高处理井下复杂能力，配备满足200 m3／min的氮气供给设备：供气量为27 m3／min的空压机15台，处理量为60 m3／min、额定压力为15 MPa的增压机4台，处理量为70 m3／min的制氮设备3套。

3.2 氮气钻井情况

艾克1井第四次开钻采用氮气钻进，井段4 700～5 386 m，总进尺为686 m，共经历了3趟钻，使用了3只F215.9 mm钻头，历时12 d。氮气钻井参数与技术指标如表1所示。

氮气钻进至井深5 177.08 m处，扭矩上升至30～40 kN·m，立管压力由1.56 MPa上升至1.98 MPa，转盘憋停，卡具卡死，通过震击解卡。根据井底返出岩屑判断，造成卡钻的原因是风二段盐质泥岩掉块。在后续钻进过程中控制机械钻速，每钻进3 m划眼1次，继续钻进至5 187 m处提钻换钻头。

表1 艾克1井氮气钻井参数与技术指标表

氮气钻进至井深5 386 m时，岩屑潮湿，团块增加，返出岩屑减少。由于携岩困难，钻具悬重接近钻杆抗拉强度，且地质预告显示进入主探层风一段8 m，因此终止氮气钻井，经过21 h顺利转换为常规钻井液钻井。

艾克1井氮气钻井平均钻速为5.12 m／h，与邻井风南7井相同层位及井段对比，机械钻速提高了6.92倍，节省钻头13只，技术效果明显。

4 结论

1）风城组地层适合氮气钻井，不会发生大段的井眼力学失稳问题。氮气钻井的主要难点是地层出水后的携岩问题，现场应根据井口立压等工程参数变化特征和岩屑返出情况，灵活调整注入参数，必要时可适当控制钻速。

3）在氮气钻井期间应强化现场管理，应严密监测井下异常，将工程施工与地质分析紧密结合，选准合适的转换时机，高效转换。

［1］陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［2］周英操，翟洪军，等.欠平衡钻井技术与应用［M］.北京：石油工业出版社，2003.

［3］刘飞.空气钻井地层适应性研究［J］.辽宁化工，2010，39（12）：1292-1294.

［4］吴志均，唐红君.浅谈气体钻井需要关注的问题［J］.钻采工艺，2008，31（3）：28-30.

［5］翟应虎，李祖光，张旭.空气钻井的技术难点剖析及发展前景展望［J］. 天然气工业，2009，29（5）：67-69.

［6］杨虎，王利国.欠平衡钻井基础理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，2009.

［7］郭建华，佘朝毅，李黔，等.气体钻井井筒冲蚀作用定量分析及控制方法［J］. 石油学报，2007，28（6）：129-132.