巨厚砾石层空气连续循环钻井技术实践与认识

蒲克勇,李忠飞,王 虎,2

（1.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川德阳618300；2.油气钻井技术国家工程实验室欠平衡与气体钻井试验分基地，四川德阳618300）

博孜区块位于库车坳陷克拉苏构造带西部，天山南麓，其平面大致划分为博孜1井区与博孜3井区两个扇体控制区，分别发育着平均厚度为4968m、2863m的巨厚砾石层，同时该区域又是山前高陡构造，给钻井带来了诸多技术难点，导致了该区块内钻井机械钻速过低、钻井周期过长[1]。

1 巨厚砾石层钻井技术难点

博孜—大北区块万亿方大气区正在逐步形成，计划到2025年实现博孜—大北区块100×108m3产能建设目标。巨厚砾石层在钻进过程中时常发生井漏、遇阻、憋跳钻、挂卡、垮塌、断钻具等复杂情况，近年来，如何提升博孜区块巨厚砾石层钻井时效一直是困扰塔里木钻井界的一个难题。见表1。

表1 博孜1、博孜3井区砾石层平均钻速统计表

近年来，博孜区块砾石层提速不断尝试，对比常规牙轮、垂钻、涡轮+孕镶、空气连续循环钻井，以及个性化钻头及提速工具组合等钻井工艺、工具和技术，发现空气连续循环钻井效果相对较好，见图1。

图1 博孜1、博孜3井区砾石层提速工艺机械钻速统计图

截止目前博孜区块空气连续循环钻井集中在博孜1井区实施，从实施情况分析，井斜控制与沉砂清理仍然是目前技术条件下空气连续循环钻井难以避免的难点与重点，但从现场应用效果来看，空气连续循环钻井技术是巨厚砾石提速的一项关键技术。

2 空气连续循环钻井工艺

连续循环钻井技术主要采用连续循环系统和连续循环阀两种方式[2]。川庆空气连续循环钻井工艺采用连续循环阀控制方式（见图2），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[3]。

图2 连续循环阀本体图

采用空气连续循环钻井技术在起下钻、接卸立柱过程中，保持循环介质连续循环，持续悬浮岩屑，避免了因沉砂沉降引起的埋钻具、卡钻等复杂事故，同时，这项工艺能有效延长沉砂较多、微量出水地层空气钻井进尺。

截止目前，空气连续循环钻井技术已在博孜巨厚砾石层应用10井次，如表2所示，在微出水砾石层已实现单开空气钻井最长进尺2180m，有效延长了空气钻井进尺，提升了钻井时效。

表2 博孜1井区空气连续循环钻井井次统计表

3 现场应用实践与认识

博孜1井区上部砾石层厚度平均厚度5000m左右，砾石硬度高，常规钻压高、憋跳钻严重，采用空气连续循环钻井，钻压低，机械钻速快，但在2500m以前井段，地层水分布较多，地层出水后浸泡易引起井壁失稳现象，影响空气钻井井下安全，因此，空气连续循环钻井井段多选择在2500～5000m井段。

在2500～5000m井段，地层压实程度较高，成岩性较上部地层好，对比分析泥浆钻井与空气连续循环钻井，发现采用空气连续循环钻井技术大大缩短了砾石层钻井周期，提升了钻井时效，如图3所示。

图3 博孜1井区空气连续循环钻井、泥浆钻井周期对比图

博孜区块构造地层倾角较大，在目前技术条件下，空气连续循环钻井无有效的实时纠斜方式，只有通过调整钻具组合、控制钻时被动防斜，同时，在钻井过程中，沉砂较多，这些都极大地限制了空气连续循环钻井的时效提升。通过对空气连续循环钻井技术在博孜区块的应用实践，分析了井斜控制与沉砂清理的影响因素，并提出了建议。

3.1 井斜控制

在山前构造地层，若不采取工艺措施对井斜进行控制，极易造成井斜超标，严重则造成井眼报废。通过对博孜区块空气连续循环钻井井斜统计分析，发现库车组地层井斜随着井深增涨规律大致相同，当钻至康村组地层后，由于地层倾角变化，井斜增涨规律发生变化，如图4所示，分析认为，影响砾石层空气连续循环钻井井斜控制的主要因素为地层倾角大小。

图4 博孜1井区空气连续循环钻井井斜统计图

从力学角度分析，砾石层空气钻井钻压较小，钻柱不会发生一次弯曲与二次弯曲[4]，钻头侧向力主要受地层与钻头交界面所影响，也就是地层倾角影响。同时，由于空气钻井环空返速高，对井壁冲刷较大，井眼扩大率较常规钻井偏大，因此，钻具组合中扶正器大小等影响因素相对较小。

空气钻井目前在博孜区块主要防斜方式是控时钻进，其原理是减小地层对钻头的侧向力，从而控制井斜的增涨，因此，井斜控制与机械钻速提升是一个矛盾的复合体。建议在钻井过程中，若要提升空气连续循环钻井机械钻速，应在不影响后期技术套管下入以及完井改造工艺实施的前提下，适当放宽井斜控制范围，以提升机械钻速。

3.2 沉砂清理

在博孜区块2500～5000m地层，存在砾石层准成岩与成岩地层，准成岩地层胶结较为疏松，经过空气大排量冲刷井径扩大率偏大，成岩地层稍好，但在钻井过程中，沉砂厚度也时常超过30m，甚至达到80m，如图5所示。分析发现，在空气连续循环钻井过程中，沉砂厚度有一个先增加再减少的过程。

图5 博孜1井区空气连续循环钻井沉砂厚度统计图

从理论分析角度发现，在井眼扩大率一定的情况下，岩屑粒径越大，所需要的举升空气排量就越大，同样也可以得出结论，在空气连续循环钻井过程中，岩屑按粒径大小在环空中分布，如图6所示。因此，在空气排量一定的情况下，只有当岩屑粒径碰撞到足够小的尺寸才能返出井筒。

图6 空气钻井岩屑直径与循环排量关系图

分析认为，砾石层钻井沉砂厚度之所以有一个先增加再减少的过程，是由于博孜区块巨厚砾石层成岩性随井深增加而逐渐变好，也就是说，随着井深增加，井筒被空气冲刷扩大率越来越小，而同时，随着井深增加，岩屑粒径在环空中分布逐步下移，在上部扩大率较大井段，岩屑粒径已经足够小到返出井筒。因此，可以说随着井深增加，平均井眼扩大率变小，沉砂厚度就逐渐减小了，这与在实钻中后期返出粉末较多、岩屑粒径变小的实际相符合。

同时，沉砂厚度也受岩屑在环空中循环碰撞时间长短、排量大小变化影响，碰撞时间越长，岩屑平均粒径越小，沉砂厚度会有一个相应的减少；排量大小变化会改变环空岩屑粒径分布，再次形成新的碰撞条件，从而影响改变沉砂厚度。

因此，建议在空气连续循环钻井起下钻、测斜过程中，适当延长循环碰撞时间，改变排量大小，可以有效地将沉砂厚度控制在一定范围内。

4 结论与建议

（1）通过对比分析，认为在目前技术条件下，空气连续钻井技术是巨厚砾石层提速一项关键技术。

（2）采用空气连续循环钻井技术能有效延长了微出水砾石层钻井进尺，提升巨厚砾石层钻井时效。

（3）砾石层空气连续循环钻井影响井斜控制的主要因素是地层倾角，建议在不影响后期技术套管下入以及完井改造工艺实施的前提下，适当放宽井斜控制范围可以提升机械钻速。

（4）空气连续循环钻井沉砂厚度主要受成岩性影响，循环碰撞时间长短与排量大小变化也会影响沉砂厚度，建议在起下钻、测斜过程中，适当延长循环碰撞时间，改变排量大小，可以有效控制沉砂厚度。