空气钻井在BZ24井的应用

阳君奇， 申 彪， 叶素桃， 金 伟, 宋仁智, 刘成龙, 闵 鹏， 王全峰

1中国石油塔里木油田分公司勘探事业部 2中国石油塔里木油田分公司安全环保与工程监督中心 3中国石油西南油气田分公司川西北气矿抢险维修中心 4中国石油长城钻探工程有限公司 5中国石油川庆钻探工程公司新疆分公司

0 引言

气体钻井是一种利用可压缩空气及其他气体作为钻井循环流体，将井下岩屑由低压流体循环出地面的一种欠平衡钻井技术，该技术显著提高机械钻速，延长钻头使用寿命[1]。国内油田在CS1井、HS101井、GZ- 02井、LT126井等多口井因地下岩石致密坚硬、可钻性差、研磨性强、且裂缝、溶洞发育而钻进困难，常规钻井液钻井机械钻速低，钻井周期长，选用空气钻井可实现快速通过井下复杂地层，现场应用效果显著[2- 7]。

塔里木油田BZ24井设计井深7 295 m,三开裸眼段长，井壁失稳风险大，所在区块巨厚砾岩层沉积超5 000 m，地层可钻性差，研磨性强，裂缝发育，存在恶性漏失，常规机械钻井周期长。随着空气钻井在邻井BZ2、BZ8、BZ18井等多口井的成功运用，为BZ24井的空气钻井提供了安全、有效的经验借鉴，并在实钻中首次应用“Ø279.4 mm双扶钟摆钻具组合”，机械钻速显著提高，为博孜区块上部砾石层的快速钻进提供有效借鉴。

1 空气钻井

1.1 空气钻井设备

空气钻井相对于常规钻井液钻井，有一些特有的设备，地面设备包括：低压压缩机、增压机、注气管汇及排屑管线等，在管线连接中安装有单流阀、涤气器、注液泵及压力表与体积流量计等检测仪器，通过天然气检测器检测返出流体气体组分，并通过除尘器降尘[8]，见图1。井下钻头多采用空气锤钻头和牙轮钻头，空气锤钻头通过钻柱内流动的压缩空气，推动内部活塞，产生纵向冲击，进行井底破岩，不同于牙轮钻头的准静态碾压，空气锤钻头在岩石表面形成动态碾压，需要的钻压更小，因而钻速显著提高。

图1 空气钻井地面设备示意图

1.2 空气钻井与钻井液钻井的对比

空气钻井相较于常规钻井液钻井，环空中的液柱作用较小，钻头切削面上的围压较低，更加利于钻头破岩，因而机械钻速更高；同时井筒中的负压差也避免或减轻了储层伤害；在钻遇裂缝、联通性较好的孔隙溶洞时，钻井液钻井井漏频繁，严重时环空液面下降将导致井底压力过低，而诱发井下高压油气层涌入环空，造成井涌。然而在钻遇地层高孔隙压力或地层水时，高密度钻井液产生的液柱压力能较好的平衡孔隙压力，环空液柱压力将有效阻止流体通过裸眼井段进入井筒，空气钻井的抵御能力小于钻井液钻井。同时，若井筒中进水后，干燥的井筒会吸水膨胀造成井眼失稳，井下的粉末状岩屑见水会溶解，导致钻头发生泥包，因此实施空气钻井对地层的要求比钻井液钻井更为严苛[9]。

2 空气钻井的适用性与参数设计

2.1 BZ24井空气钻井的可行性分析

BZ24井是位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带博孜1区块BZ24号构造高点上的一口预探井，预测将钻遇5 825 m的巨厚砾岩层。其中砾岩层未成岩段为0～2 025 m，厚2 025 m; 准成岩段为2 025～2 825 m，厚800 m;成岩段为2 825～5 825 m，厚3 000 m。同时由于砾岩层的研磨性强，可钻性差，且下部地层压力系数不同，邻井BZ1、BZ101、BZ102井井漏频繁，采用常规钻井液钻井的普遍机械钻速较低，导致钻井周期进一步延长。

博孜区块砾石层压实较致密，井壁较为稳定，在井下2 500～4 000 m段，钻遇地下水层的可能性较小，同时根据塔里木油田在博孜区块多口井应用空气钻井的成功经验，对比了博孜区块7口空气钻井与2口常规机械钻井在2 500～5 000 m的钻井技术指标[10]。BZ18井在2 836.5～4 111.5 m段进行连续循环钻井，进尺1 275 m,平均机械钻速为6.4 m/h；而BZ1井在2 476～3 552 m进行常规钻井液钻井，平均机械钻速仅为0.97 m/h，BZ18井的机械钻速是BZ1井的6.6倍，空气钻井提速效果显著。因此，决定在BZ24井三开Ø333.4 mm井眼3 272～4 500 m井段实施连续循环空气钻井,提高机械钻速，缩短钻井周期。

2.2 钻井参数设计

BZ24井空气钻井的设计井段3 272～4 500 m，钻进层位为库车组(N2k)中下部及康村组(N1-2k)上部，岩性主要以巨厚层状杂色细砾岩、小砾岩、砂砾岩为主。空气连续循环钻井过程中，为消除接立柱、起下钻造成的沉砂卡钻风险, 对循环时间、钻井参数进行优化，确保空气钻井中的井下安全，钻井设计参数：钻压0～20 kN，转速60～70 r/min,排量200～400 m3/min。

空气钻井前，下入牙轮钻头进行钻水泥塞及套管附件作业，利用清水对井筒钻井液进行置换、洗井作业，气液混合排液后，调整注气量和注液量，直至液体注入量降为零。最后倒排砂管线干燥井筒作业，待进行空气钻进；空气钻井结束后进行钻井液转换工艺，进行井筒润湿性反转作业，最后大排量循环井下掉块转为常规钻井液钻井。

2.3 空气钻井防斜工艺

BZ24井三开设计Ø333.4 mm井眼，并首次采用“Ø279.4 mm双扶钟摆钻具组合”进行钻进,防斜打直效果显著。空气钻井设计下入“1°预弯短节+Ø279.4 mm钻铤”的钻具组合，由于刚性太强，入井难度较大，最后更换为“Ø279.4 mm双扶钟摆钻具组合”，安全顺利下入井底进行空气钻进，实现了塔里木油田博孜区块钻井技术的新突破。

空气钻井期间共下钻2趟，第一趟钻选用国产江钻Ø333.375 mm牙轮钻头，型号HJT537GK，钻进井深范围3 272.5～3 958.76 m，单趟进尺686.26 m,纯钻时间118.5 h,平均机械钻速为5.79 m/h;第二趟钻选用进口史密斯Ø333.375 mm牙轮钻头，型号GF128BCPS，钻进井深范围3 958.76～4 509.49 m，单趟进尺550.73 m,纯钻时间80.3 h,平均机械钻速为6.86 m/h。两趟钻除钻头型号不同，其他钻具组合不变，钻具组合为：Ø333.375 mm牙轮钻头+630×NC77母+Ø279.4 mm钻铤×2根+Ø331 mm扶正器+Ø279.4 mm钻铤×1根+Ø330 mm扶正器+Ø279.4 mm钻铤×1根+NC77公×NC61母+Ø228.6 mm浮阀(测斜座)+Ø228.6 mm钻铤×2柱+NC61公×NC56母+Ø203.2 mm钻铤×5柱+NC56公×520+Ø149.225 mm加重钻杆×5柱+ Ø149.225 mm钻杆。

2.4 钻井液转换工艺

由于空气钻井在钻井过程中没有形成稳固井壁的滤饼，且应力集中，在已钻开井眼的周围会形成钻进损伤带，井壁失稳风险较大，空气钻井结束后转换为钻井液钻井前，需要替入油基润湿反转液、随钻堵漏浆防井漏、井壁垮塌掉块等井下复杂[11- 13]，润湿反转井浆配方为：膨润土+NaOH+大分子聚合物+磺甲基酚醛树脂+褐煤树脂+阳离子乳化沥青+聚合醇+润滑剂+SP- 80 +KCl+加重剂。在气液转换过程中，BZ24井未出现明显井壁垮塌、掉块及井漏，空气钻井钻井液转换用时3 d，比设计周期提前1 d完成井浆转换，气液转换钻井液性能主要参数：密度1.45 g/cm3,塑性黏度42 mPa·s,高温高压失水小于10 mL，静切力8.5 Pa。

3 现场应用效果评价

3.1 井斜控制

BZ24井空气钻井实钻井段3 272～4 509 m，首次采用“Ø279.4 mm双扶钟摆钻具组合”，进行钻进，见图2，井斜范围0.67°～4.02°，最大井斜4.02°(井深4 472 m),平均井斜1.71°，而空气钻井中井斜增大主要与排量的提高有关。空气钻井结束后转为机械钻井，出现最大井斜4.6°，后选用“垂钻+双扶钟摆钻具组合”钻进，井斜迅速下降至0.3°以下；在5 453～5 754 m井斜明显增大至1.9°后呈线性下降，主要与该层位的地层可钻性及各向异性有关；在6 180～6 858 m更换钻具组合后井斜迅速降低，由此发现不同的钻具组合对井斜的影响差异较大。

图2 BZ24井井斜角变化

3.2 井径控制

塔里木盆地山前地区空气钻井的井径扩大率均在15%～28%左右，空气钻井常导致井眼不规则，存在“葫芦状”的井段，造成井下垮塌等复杂情况[14- 18]。如图3，BZ24井在二开2 500～3 272 m进行常规机械钻井，井径变化较小，平均井径Ø477.01 mm,井径扩大率为7.31%。三开3 272～4 509 m实施空气钻井，3 273～6 837 m为常规机械钻井，空气钻井结束后，继续常规机械钻井，钻至6 837 m进行三开中完电测，由于处于长期大段的裸眼井段，导致空气钻井段部分井段发生泥岩缩径。缩径井段3 329～3 502 m与4 096～4 509 m，其中3 329～3 502 m缩径严重，最小井径为Ø261 mm,最大井径扩大率为-21.71%；井深6 385 m处同样发生泥岩缩径，最小井径为Ø228.02 mm，井径扩大率为-31.60%。在不考虑后期因泥岩缩径的情况下，空气钻井设计井径为Ø333.375 mm，实钻最大井径为Ø376.43 mm，平均井径为Ø365.25 mm, 计算得平均井径扩大率为9.56%，平均井径扩大率小于10%，BZ24井空气钻井井径控制较好。

图3 BZ24井井径变化

3.3 提速效果

如图4所示，对比了BZ24井在空气钻井前后的机械钻速，在0～3 272 m段选用“Ø279.4 mm双扶钟摆钻具组合”，使用钻井液体系钻进，发现机械钻速整体井深的增加呈下降趋势，这主要与地层的压实程度有关，浅部地层压实程度较疏松，地层可钻性高，进而机械钻速较高，而下部地层压实紧密，导致机械钻速降低；在井段3 272～4 509 m进行空气钻井，同样采用“Ø279.4 mm双扶钟摆钻具组合”，仅消耗2只,平均机械钻速为6.22 m/h，是BZ1井钻井液钻井机械钻速的6.4倍。空气钻进结束后，在井段4 510～6 867 m，采用“垂钻/螺杆+双扶钟摆钻具组合”进行机械钻进，平均机械钻速为3.02m/h，采用空气钻井仅用时13 d，完成进尺1 237 m，提速效果显著。

图4 BZ24井机械钻速

3.4 经济效益

在油气勘探领域中，钻井的成本占据开发生产成本的70%，严重制约着油气勘探的成本投入[19]。塔里木油田博孜区块的平均井深6 828 m，平均钻井周期为406 d，砾石层平均厚度4 475 m，平均钻井周期215 d，占整体钻井周期的53%。BZ24井采用空气钻井，比同井段钻井液钻井缩短周期29 d，仅损耗牙轮钻头2只，而邻井BZ103井、BZ7井在同层段钻井液钻井耗用孕镶、PDC钻头分别为11、12只。按照塔里木油田博孜区块的钻井日费统计，平均综合日费25×104元，考虑到综合日费、钻井液维护费及钻头费用，最后计算得BZ24井节约钻井成本1 060.5万元，实施连续循环空气钻井的经济成本优势巨大。

4 结论

(1)BZ24井首次选用“Ø279.4 mm双扶钟摆钻具组合”，进行空气钻井，防斜打直效果显著，最大井斜为4.02°，平均井斜仅1.71°，空气钻井结束后选用“垂钻+双扶钟摆钻具组合”实施钻井液钻井，迅速将井斜下降至0.3°以下，为塔里木油田在博孜区块实施空气钻井提供技术借鉴。

(2)BZ24井空气钻井设计井径为Ø333.375 mm,实钻最大井径为Ø376.43 mm，计算得平均井径为Ø365.25 mm,平均井径扩大率为9.56%，为后期继续钻进及固井作业提供井下安全作业环境。

(3)BZ24井空气钻井消耗牙轮钻头2只，实现进尺1 237 m,平均机械钻速为6.22 m/h,是BZ1井在同井段采用常规钻井液钻井的机械钻速的6倍，提速明显。同时考虑空气钻井经济成本，节约钻井成本达千万元，经济效益显著。