塔里木盆地山前巨厚砾石层快速钻井技术

邓 虎 胥志雄 王怀金 许期聪 邓 柯

1.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院 2.中国石油塔里木油田公司 3.中国石油西南油气田公司4.中国石油川庆钻探工程公司国际工程公司

塔里木盆地山前某构造储层埋藏深度大于7 000 m，上部沉积了巨厚的砾石层，钻井液钻井钻速低、钻头消耗多、周期长，严重制约了勘探开发效益，开展空气钻井提速具有广阔前景。通过前期气体钻井现场应用表明，山前构造砾石层空气钻井时存在井壁失稳、井斜控制难度大等技术瓶颈，笔者通过开展注入参数优化设计、连续循环钻井技术、动力学防斜技术及钻井液转换技术研究，形成了山前构造砾石层空气钻井配套技术，通过在A井现场试验，取得良好应用效果。

1 空气注入参数优化

采用最小动能法判断标准［1］确定合理注气量，该方法认为：当环空空气最小返速不小于15.24m／s时，能将井底产生的岩屑携带至地面。根据实际钻屑情况，模拟计算了431.8mm和333.4mm两种井眼尺寸，考虑不同井眼扩大率，不同岩屑颗粒尺寸条件下的最小环空返速，参照最小动能法判断标准，确定出合理注气量（表1，图1、2）。

表1 计算参数与注气量表

根据最小动能法判断准则，给出不同条件下合理注气量（图1、2）。综合考虑地面海拔影响，需要配套500m3／min空气注入设备。

2 连续循环钻井技术

图1 431.8mm井眼注气量与最小环空返速曲线图

图2 333.4mm井眼注气量与最小环空返速曲线图

连续循环钻井技术实现了在接单根、起下钻期间保持介质的连续循环［2－5］，避免井底积液引起的井壁垮塌，降低卡钻风险，提高钻井效率。

阀式连续循环系统［6］主要由两部分组成：连续循环阀、地面切换装置（图3）。其工作原理为：预先将连续循环阀配在单根顶端，连接一条侧循环管线至连续循环阀，在接单根、起下钻时通过地面切换装置对正循环通道和侧循环通道进行切换，保持钻井介质始终处于连续循环状态。

砾石层空气钻井过程中，易发生井径扩大，导致携砂困难，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。采用连续循环钻井技术，具备以下优点。

2.1 节省接立柱时间，提高钻井效率

常规空气钻井采用“接双根”方式进行，连续循环空气钻井接立柱程序简捷，节省了泄压、倒换钻具、压力恢复等工序，相比常规“接立柱”节省时间近60%。

常规接立柱程序：划眼、循环清砂→上提钻具至上单根出转盘面→停止注气、泄压→倒出上单根→接立柱→注气，待立压恢复至正常压力值后，划眼、钻进。

连续循环钻井接立柱程序：划眼→倒换闸阀，建立侧循环通道→接立柱→倒换闸阀，建立主循环通道，恢复钻进。

图3 连续循环空气钻井技术工作原理图

2.2 提高复杂井段起下钻作业安全性

当井底沉砂多时，在沉砂堆积井段进行连续循环起下钻作业，可避免沉砂卡钻，提高钻井安全性。

2.3 延长空气钻井进尺

井底沉砂过多可导致提前结束空气钻井，而采用连续循环钻井技术可避免沉砂卡钻，满足空气钻井安全作业需求，延长空气钻井进尺。

3 井斜控制

塔里木山前高陡构造井斜控制［7］是空气钻井难题之一，空气锤防斜技术［8］难以奏效，基于钻具动力学特性分析，提出一种“弯钻具动力学防斜技术”［9－10］，对4种不同钻具组合的动态钟摆力进行了分析，优选出431.8mm和333.4mm井眼的“弯短节＋双扶正器”的动力学防斜钻具组合（表2），其底部钻具组成为：钻头＋弯短节（α°）＋228.6mm钻铤＋扶正器＋228.6mm钻铤＋扶正器＋228.6mm钻铤……

表2 4种弯钻具防斜钻具组合的动态钟摆力表

4 钻井液转换

针对塔里木山前砾石层钻井液转换过程中易发生井壁失稳、井漏［11－12］等难题，通过室内研究，形成了“强抑制、强封堵、高防塌性、高润滑性、低滤失”特点的“二强二高一低”含油聚磺－KCl钻井液体系（表3），基本配方如下：3%～4%的膨润土＋0.1%～0.3%NaOH＋0.05%～0.1%KPAM 或80A51＋2%～3%润滑剂＋3%～5%SMP－1＋3%～4%SPNH＋2%～3%YL－80＋0.5%～0.6%PAC－LV＋2%～3%聚合醇＋5%～6%柴油＋1%～1.5%SP－80（占柴油体积）＋3%～5%KCl和适量的加重剂。

该转换用钻井液体系的组成为：①特殊前置液，配方：油基润湿反转剂＋柴油＋氧化沥青粉，利用油基润湿反转剂特性，改变岩石表面性质，变亲水表面为憎水表面，阻止水分进入地层，防止井壁坍塌。②特殊堵漏浆，通过钻井液中加入适量无渗透、聚合醇、阳离子乳化沥青等处理剂来实现钻井液的防漏作用。③含油聚磺－KCl钻井液，具有“二强二高一低”特征。④举砂液，建立井筒循环之后清洁井眼所用，通过高密度、高黏度的特点充分携带井筒岩屑。形成了一套适合塔里木山前砾石层地质特征的钻井液转换工艺技术（图4），保障安全实施。

图4 替浆转换工艺流程图

表3 “二强二高一低”钻井液性能指标表

5 应用实例

塔里木山前某构造A井设计井深7 200m，上部沉积巨厚砾石层（厚约5 100m），空气钻井施工井段为431.8mm井眼2 502～3 602m井段和333.4 mm井眼3 602～4 652m井段，累计进尺2 150m，占设计井深29.86%，平均机械钻速4.34m／h，钻井周期仅49d，同比钻井液钻井提高钻速3～5倍，节省钻井时间119d。

5.1 连续循环钻井系统应用

5.2 井斜控制

表4 A井空气钻井动力学防斜钻具组合表

5.3 钻井液转换

6 结论

1）连续循环钻井技术避免沉砂卡钻，延长钻井进尺，提高钻井时效，成为塔里木山前构造砾石层空气钻井重要配套技术之一。

图5 A井空气钻井井斜曲线图

2）基于钻具动力学理论研究，提出空气钻井动力学防斜技术，优选出“弯短节＋双扶正器”防斜钻具组合，为山前高陡构造空气钻井井斜控制提供了一条有效途径。

3）优配了“二强二高一低”的含油聚磺－KCl转换用钻井液体系，形成了适合山前砾石层地质特征的钻井液转换工艺技术，保障钻井液转换作业的安全性、高效性。

4）通过在A井空气钻井现场试验，提高机械钻速3～5倍，节省钻井时间119d，井斜满足工程要求，取得良好应用效果。

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