塔里木博孜区块巨厚砾石层气体钻井实践与认识

陆灯云, 王春生, 邓 柯, 史永哲, 阳君奇

(1中石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2塔里木油田公司勘探事业部)

博孜区块位于库车坳陷克拉苏构造带西部，是塔里木油田“十四五”3 500×104t建设增储上产工作的重点区块。该构造第四系至吉迪克组沉积巨厚砾石层，钻井液钻井机械钻速低，钻头耗用多，钻井周期长，大幅增加钻井成本，严重制约勘探开发进程。针对博孜区块砾石层钻井液钻井出现的技术难题，开展了空气钻井提速研究，为加快博孜区块勘探开发进程提供理论基础和技术支撑。

一、砾石层地质特征

博孜区块砾石层沉积厚度约2 000～6 000 m，在国内外实属唯一。从冲击扇沉积特征分析，分为扇根砾石层沉积厚度3 000～4 000 m(博孜6、15井)，扇中砾石层沉积厚度最厚5 000～6 000 m(博孜1井及邻井)，扇端砾石层沉积厚度500～1 000 m(博孜9井及邻井)，扇两翼砾石层沉积厚度2 000～4 000 m(东翼博孜22、104及邻井、西翼博孜3、13及邻井)。从扇根到扇端，砾石粒径逐渐减小，可钻性也逐渐变好。从纵向沉积特征分析，砾石层分为未成岩段、准成岩段及成岩段。未成岩段平均厚度1 500 m，砾石胶结疏松，基质以砂泥质胶结为主，遇水易失稳；准成岩段平均厚度500 m，胶结趋于致密；成岩段平均厚度2 500 m，胶结强度高，CaCO3含量逐渐增大，基质以灰质胶结为主。以博孜1井区为例，经过近10年常规钻井提速探索与试验，优选改进了多种个性化钻头与提速工具，但巨厚砾石层平均机械钻速约2.0 m/h，仍不高，砾石层平均钻井周期在150 d，提速仍是博孜区块砾石层的一大瓶颈。

二、砾石层气体钻井技术难点

博孜区块砾石层气体钻井技术难题体现在以下四方面。

(1)防塌[1]。未成岩段、准成岩段砾石层胶结强度不高，又多为水层集中段，基质充填以泥砂质为主，一旦钻遇地层出水，将大幅降低基质充填物强度，引发砾石垮塌，如库车组上部露头岩样浸泡前抗压强度为61.1～71.1 MPa，浸泡后抗压强度仅为30.2～39.0 MPa。

(2)防斜打快。博孜区块砾石层地层倾角在8°～15°，井身质量要求高，当前气体钻井缺少主动防斜措施，通过寻求最优钻具组合以获得控斜和提速的双赢局面。

(3)防沉砂卡钻。砾石密度高3.0～4.0 g/cm3，是泥页岩密度的1.5倍，不易破碎，且砾石层气体钻井平均井眼扩大率约为30%，进一步加大了深井段砾石携带难度，易形成沉砂。

(4)钻井液转换。从转换工艺和钻井液性能方面确保转换过程中的井壁稳定与清砂需要。

三、砾石层气体钻井工艺措施

1.连续循环气体钻井技术

对巨厚砾石层开展气体钻井地质适应性评价研究，优选出无水层分布、成岩性好的库车组中部(2 500 m)～康村组中下部(5 200 m)中深部砾石层作为气体钻井提速层段。针对清砂难题，配套实施连续循环气体钻井工艺[2]。

连续循环气体钻井工艺，即将注气管线与连续循环地面控制系统串联，控制系统分为主侧两个循环通道，主循环通道与立管相连实现正常钻井，侧循环通道与连续循环阀相连实现在接单根、起下钻等过程气体介质循环，连续循环气体钻井地面流程见图1。

图1 连续循环气体钻井地面流程图

该工艺实现了气体介质的连续循环，有效解决砾石层气体钻井沉砂卡钻难题，延长气体钻井进尺，提升复杂井段作业安全性，已成为砾石层气体钻井的标配技术。

2.气体钻井装备配套

按Ø333.4 mm井眼气体钻井井段为2 500～5 200 m，层位库车组～康村组，按400 m3/min注气量[3]配套的主体设备见表1。

表1 主体设备配置方案

3.预弯钟摆钻具组合优化

根据三开Ø333.4 mm井眼气体钻井钻井参数，计算条件：地层倾角8°，钻压60 kN，转速60 r/min，采用专用软件仿真[4]分析了0.75°弯短接与三种不同扶正器安放位置所对应的BHA动态钟摆力(表2)，优选出钟摆力最大预弯钟摆钻具组合BHA-1作为气体钻进钻具组合：Ø333.4 mm牙轮钻头+0.75°预弯短接+止回阀+Ø228.6 mm无磁钻铤1根+Ø228.6 mm钻铤+Ø330 mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤1根+Ø331 mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤3根…。

表2 Ø333.4 mm井眼三种预弯钟摆钻具组合模拟数据

从BHA-1的侧向力相图(图2)和涡动轨迹(图3)可看出，BHA-1的平均动态降斜力最大1.39 kN，钻具围绕井眼中心有序涡动，且钟摆段与井壁没有接触点。

图2 BHA-1侧向力相图

图3 BHA-1的涡动轨迹

4.钻井液转换技术

博孜区块三开Ø333.4 mm/Ø311.2 mm井眼气体钻井井段2 500～5 200 m为成岩砾石层，较上部未成岩及准成岩段，该段胶结强度高，但存在气体钻井干井眼而形成的应力性微裂缝，因此进行钻井液转换应重点考虑防塌、防漏和清砂三方面因素[5]。

博孜区块转换用钻井液由四部分构成：①油基前置液40～60 m3，配方：油基钻井液+大分子聚合物，利用油基前置液润湿反转剂特性，改变岩石表面性质，变亲水表面为憎水表面，阻止水份进入地层，防止井壁坍塌;②随钻堵漏浆60～80 m3，由“KCl-聚磺钻井液中加入7%～10%随钻堵漏剂”配制而成，用以实现钻井液的防漏作用;③KCl-聚磺钻井液，具有“强抑制、强封堵、高防塌性、高润滑性、低滤失”特征，其性能指标见表3;④黏度120 s稠浆30～40 m3，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。

表3 “二强二高一低”KCl-聚磺钻井液性能指标

室内研究形成的“二强二高一低”KCl-聚磺钻井液体系，基本配方如下：3%～5%的膨润土+0.2%～0.5%NaOH+0.05%～0.1%KPAM或80A51+1%～3%润滑剂+3%～6%SMP-1+3%～5%SPNH+2%～5%YL-80+0.5%～0.6%PAC-LV+2%～3%聚合醇+1%～1.5%SP-80(占柴油体积)+7%～10%KCl和适量的加重剂。

为确保钻井液转换期间钻具安全，博孜区块钻井液转换工艺为：“光钻杆+铣齿”钻具组合下至距井底3柱替浆，替浆工艺流程见图4。

图4 替浆工艺流程图

四、现场应用及效果分析

2019年在博孜区块三开Ø333.4 mm/Ø311.2 mm井眼实施气体钻井作业3井次，层位库车组中部～康村组上部，累计进尺5 026 m，平均行程钻速70.3 m/d，应用效果良好，见表4。全程配套连续循环钻井技术，有效解决沉砂卡钻风险，3口井累计延长气体钻井进尺3624.68 m，占气体钻井总进尺72%，成为博孜区块气体钻井重要配套技术之一。

表4 博孜区块气体钻井应用数据统计

1.提速效果显著

博孜区块气体钻井平均行程钻速66.1～82.26 m/d，耗用国产牙轮钻头3～4只，平均单只钻头进尺392.75～545 m，同比常规钻井，行程钻速平均提高3.4倍(图5)，节省钻头7只以上，单只钻头进尺平均提高3.5倍(图6)。

图5 博孜区块气体钻井与常规钻井行程钻速对比

图6 博孜区块气体钻井与常规钻井钻头数据对比

2.井斜控制取得成效

博孜18、8和2井三开空气钻井期间采用预弯钟摆钻具组合，控制一定钻时钻进，井斜满足了井身轨迹控制要求，三口井井斜范围0.43°～4.19°(图7)，最大井斜为博孜2井4.19°/4 290 m。

图7 博孜区块气体钻井井斜曲线

五、结论

(1)博孜区块库车组中部～康村组中下部为成岩砾石层，岩石胶结强度高，地层不出水或微出水，井壁稳定，适合开展气体钻井提速。

(2)配套连续循环钻井技术、预弯钟摆钻具组合、钻井液转换技术有效解决博孜区块砾石层气体钻井沉砂卡钻、井斜控制等难题，初步形成了适合博孜区块砾石层气体钻井工艺。

(3)在博孜区块开展应用3井次，与常规钻井相比，气体钻井提速效果明显，行程钻速平均提高3.4倍，节省钻头7只以上，单只钻头进尺平均提高3.5倍。