李露春 ，練章華，蒲克勇，顏 海

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢618300

引言

博孜區(qū)塊位于庫車拗陷克拉蘇構(gòu)造帶西部，天山南麓，其平面大致劃分為BZ1 井區(qū)與BZ3 井區(qū)兩個(gè)扇體控制區(qū)，在BZ1 井區(qū)地層大多發(fā)育著超5 000 m的巨厚礫石層，部署在該區(qū)塊的井位大部分屬于超深井；同時(shí)，該區(qū)域又屬于庫車拗陷山前高陡構(gòu)造，實(shí)鉆地層傾角甚至達(dá)到30°以上，給鉆井防斜打快帶來了諸多技術(shù)難點(diǎn)，導(dǎo)致了該區(qū)塊內(nèi)鉆井機(jī)械鉆速低、鉆井周期長[1-2]。

針對(duì)博孜區(qū)塊上部大尺寸井眼、礫石層機(jī)械鉆速低的難點(diǎn)，運(yùn)用氣體欠平衡鉆井的思維，開展了氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)提速實(shí)施方案研究，詳細(xì)分析了巨厚礫石層實(shí)施氣體連續(xù)循環(huán)鉆井時(shí)可能存在的技術(shù)難題，優(yōu)選了氣體連續(xù)循環(huán)鉆井礫石層段，制定了氣體連續(xù)循環(huán)鉆井防斜打快工藝技術(shù)措施，并開展了6 口井、9 井次現(xiàn)場應(yīng)用，平均機(jī)械鉆速達(dá)到了4.88 m/h，成倍地提高了該區(qū)塊機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期。

1 巨厚礫石層鉆井技術(shù)難點(diǎn)

博孜區(qū)塊目的層埋藏較深，BZ1 井區(qū)目的層大部分埋深在6 000 m 以上，BZ8 井設(shè)計(jì)與實(shí)鉆井深均超過8 000 m，深井超深井上部井眼尺寸大，再加上發(fā)育的巨厚礫石層硬度大、可鉆性差，使得該區(qū)塊鉆井單只鉆頭進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低，提速工具不能達(dá)到理想效果。

1.1 巨厚礫石硬度大、可鉆性差

礫石成分主要為花崗巖、變質(zhì)巖、玄武巖、石英礫、砂巖礫和灰?guī)r礫，分選差，磨圓以次棱––次圓為主（圖1）。室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，礫石平均硬度1 115.79 MPa，基質(zhì)平均硬度476.29 MPa，礫石硬度為基質(zhì)硬度的2～4 倍，可鉆性差，這是博孜區(qū)塊礫石層鉆井過程中限制機(jī)械鉆速的關(guān)鍵因素。博孜區(qū)塊BZ1 井區(qū)礫石層平均厚度4 968 m，其中，0～4000 m的變質(zhì)巖+石英礫占30%～50%，4 000～6 000 m的變質(zhì)巖+泥巖占70%～80%；博孜3 井區(qū)礫石層平均厚度2 863 m，0～1000 m的變質(zhì)巖+石英礫占40%～60%，1 000～2 000 m的灰?guī)r礫+變質(zhì)礫占70%～80%，2 000～4 000 m的灰?guī)r礫占70%～80%，巨厚的礫巖分布極大地影響了機(jī)械鉆速。

圖1 基巖礫石主要巖性分布Fig.1 Bedrock gravel main lithology distribution

表1 分別統(tǒng)計(jì)了BZ1 井區(qū)、BZ3 井區(qū)礫石層常規(guī)鉆井平均機(jī)械鉆速，顯示在博孜區(qū)塊礫石層常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速較低。

表1 BZ1、BZ3 井區(qū)礫石層常規(guī)鉆井平均機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)Tab.1 statistics of average ROP of conventional drilling in gravel layer in BZ1 Wellblock,BZ3 Wellblock

1.2 巨厚礫石層井眼尺寸大、提速效果不理想

博孜區(qū)塊BZ1 井區(qū)礫石層井眼尺寸結(jié)構(gòu)大致可劃分為：444.5 mm 井眼200～3 000 m，333.4 或311.2 mm 井眼3 000～6 500 m。隨著井深的增加，礫石層壓實(shí)程度變高，可鉆性變差，鉆頭易磨損，相應(yīng)機(jī)械鉆速降低，如何提升博孜區(qū)塊巨厚礫石層機(jī)械鉆速一直是困擾塔里木鉆井界的一個(gè)難題[3]，近年來，嘗試了不同工藝技術(shù)，效果仍然不理想（表2）。

表2 多種提速工具對(duì)比Tab.2 Comparison of various speed increasing tools

在常用的提速工藝中，渦輪+孕鑲在BZ103、BZ104 與BZ3 井444.5 mm 井眼試驗(yàn)3 井次，總進(jìn)尺309.00 m，平均單只鉆頭進(jìn)尺103.00 m，平均機(jī)速1.12 m/h，提速效果不明顯（圖2）；在333.40 mm井眼試驗(yàn)15 井次，總進(jìn)尺3 381.00 m，平均單只鉆頭進(jìn)尺199.00 m，較常規(guī)牙輪提高124%，平均機(jī)械鉆速1.75 m/h，較常規(guī)牙輪提速97%（圖3）。

圖2 444.5 mm 井眼試驗(yàn)渦輪+孕鑲對(duì)比Fig.2 444.5 mm hole test turbine+pregnant inlaid contrast

圖3 333.4 mm 井眼試驗(yàn)渦輪+孕鑲對(duì)比Fig.3 333.4 mm hole test turbine+pregnant inlaid contrast

由于使用垂鉆、扭沖、大扭矩螺桿等多種提速效果有限，故在該區(qū)域使用氣體連續(xù)循環(huán)鉆井工藝。

2 氣體連續(xù)循環(huán)鉆井工藝及方案研究

2.1 連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)

常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井在接單根（或立柱）時(shí)，需停泵中斷鉆井液循環(huán)，造成井底壓力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起井涌[4]。當(dāng)恢復(fù)循環(huán)時(shí)，開泵瞬間會(huì)造成井底壓力驟增，在窄安全密度窗口地層處，極易壓漏地層，引發(fā)井漏等一系列井下復(fù)雜情況[5]。1995 年，Laurie Ayling 提出了連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)（Continuous Circulation Drilling，CCD），在接單根（或立柱）以及起下鉆期間，保持鉆井液的連續(xù)循環(huán)，維持穩(wěn)定的鉆井循環(huán)排量和當(dāng)量循環(huán)密度，不間斷地排出巖屑，改善了井眼條件和鉆井的安全性，從而提高了復(fù)雜地層鉆井作業(yè)成功率，特別是在窄安全密度窗口下的鉆井作業(yè)[6-11]。

目前，連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)主要分為連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（Continuous Circulation System，CCS）和連續(xù)循環(huán)閥（Continuous Circulation Valve，CCV）兩類（圖4），國內(nèi)主要采用連續(xù)循環(huán)閥實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)作業(yè)[5]，它預(yù)先將連續(xù)循環(huán)閥配在立柱（單根）頂端，鉆完上一個(gè)帶有連續(xù)循環(huán)閥的立柱（單根），連接側(cè)循環(huán)管線至連續(xù)循環(huán)閥側(cè)閥，進(jìn)行側(cè)向循環(huán)通道切換，待立柱（單根）接卸完畢后再進(jìn)行正向倒換，實(shí)現(xiàn)了在起下鉆、接立柱（單根）過程中循環(huán)介質(zhì)不中斷的鉆井工藝[12-15]。目前，國外已有比較成熟的鉆井液鉆井連續(xù)循環(huán)技術(shù)[16-18]，國內(nèi)在其基礎(chǔ)上，研究了閥式連續(xù)循環(huán)氣體鉆井技術(shù)。

圖4 連續(xù)循環(huán)閥實(shí)物Fig.4 Material object of continuous circulation valve

2.1.1 巨厚礫石層氣體鉆井存在問題

（1）井壁穩(wěn)定性

地質(zhì)上將博孜地區(qū)礫石層按膠結(jié)強(qiáng)度劃分為未成巖段、準(zhǔn)成巖段和成巖段，礫石的硬度為基質(zhì)的2～4 倍，是鉆井中限制鉆速及造成卡鉆等情況的關(guān)鍵因素。未成巖段：地層欠壓實(shí)，膠結(jié)疏松，BZ1井區(qū)平均厚度1 500 m，平均行程鉆速1.17 m/h；準(zhǔn)成巖段：壓實(shí)程度增加，膠結(jié)程度趨于致密，BZ1井區(qū)平均厚度500 m，平均行程鉆速0.82 m/h；成巖段：礫石含量減少，地層壓實(shí)，BZ1 井區(qū)平均厚度2 500 m，平均行程鉆速0.88 m/h。在未成巖、準(zhǔn)成巖段地層松散，膠結(jié)程度低，由于氣體鉆井時(shí)，返速高，對(duì)井壁沖刷較大，形成不規(guī)則井壁，沉砂不能有效帶出井筒，導(dǎo)致井底沉砂較多，氣體連續(xù)循環(huán)技術(shù)可有效提升井眼凈化，減小井底沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

（2）地層出水

在BZ1 井區(qū)井深2 500 m 以前，水層分布較為集中，在井深2 500 m 以后水層少量分布，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，在博孜上部地層（200～2 500 m）泥質(zhì)含量約59%～81%，地層出水后，水化作用明顯，地層坍塌密度和井眼擴(kuò)大率明顯增大。

BZ8 井在井深200 m 地層出水量大于12 m3/h，實(shí)施空氣霧化鉆進(jìn)56 m 后，由于井壁失穩(wěn)結(jié)束氣體鉆井。

（3）井斜控制與測量

博孜區(qū)塊屬于庫車拗陷山前高陡構(gòu)造，地層傾角較大，實(shí)鉆過程甚至達(dá)到30°以上，井斜控制難度較大，常規(guī)鉆井主要采用垂鉆或犧牲鉆井時(shí)效進(jìn)行防斜。在目前技術(shù)條件下，電磁波和微波井斜測量技術(shù)在井深4 000 m 以下信號(hào)傳輸困難，氣體鉆井還未有成熟的隨鉆測量工具與井下動(dòng)力鉆具，氣體鉆井井斜控制與測量存在難度。

2.2 氣體連續(xù)循環(huán)鉆井方案及措施

綜合分析博孜區(qū)塊地質(zhì)特征和壓力體系，運(yùn)用氣體欠平衡鉆井降低壓持效應(yīng)的特征，針對(duì)礫石層井壁失穩(wěn)、沉砂多、地層出水等博孜區(qū)塊巨厚礫石層鉆井難點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，在整個(gè)氣體鉆井與起下鉆期間，持續(xù)懸浮巖屑，減少地層水在井底聚集，避免了因沉砂與地層水聚集引起的埋鉆具、卡鉆與井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜事故。

（1）氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)

由于氣體相對(duì)鉆井液對(duì)巖屑的懸浮、攜帶能力較弱，氣體鉆井主要靠較高的氣體返速來排出井筒巖屑，在氣體鉆井接立柱（或單根）期間，若停止循環(huán)，巖屑迅速沉降，將會(huì)引起沉砂埋鉆具、卡鉆等井下事故。采用氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，在鉆井期間，循環(huán)介質(zhì)不中斷，能有效解決這一類問題。同時(shí)，在微量出水地層，氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)能有效延長氣體鉆井進(jìn)尺。

（2）優(yōu)選氣體鉆井實(shí)施井段

在BZ1 井區(qū)井深2 500 m 以后，地層水分布較少，優(yōu)選在2 500～5 000 m 井段，在庫車組––康村組中下部地層實(shí)施氣體連續(xù)循環(huán)鉆井工藝，井壁穩(wěn)定性較好，較為適合氣體連續(xù)循環(huán)鉆井工藝。在鉆遇地層出水前，采用空氣連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，在鉆遇地層出水后，視出水量大小與井壁穩(wěn)定性，采取加大氣量烘干與轉(zhuǎn)空氣霧化鉆井工藝技術(shù)措施。

（3）井斜控制措施與井斜測量

礫石層氣體連續(xù)循環(huán)鉆井采用“牙輪鉆頭+預(yù)彎短接+雙扶正器”的鐘擺鉆具組合，輔以控時(shí)鉆進(jìn)方式，主動(dòng)防斜。運(yùn)用近鉆頭預(yù)彎短節(jié)隨鉆柱繞井眼中心軸線與鉆柱中心轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的渦動(dòng)效果，增加鉆具側(cè)向力，增強(qiáng)鐘擺鉆具的防斜效果。同時(shí)，在井斜3 000 m 以下，配套電纜測斜車方式，每鉆進(jìn)200～300 m 進(jìn)尺，進(jìn)行井斜監(jiān)測，適時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。在鉆井過程中，探索井斜與地層傾角、鉆井參數(shù)的規(guī)律，減少中途停止鉆進(jìn)測斜次數(shù)，提高氣體鉆井純鉆時(shí)效。

3 氣體連續(xù)循環(huán)鉆井應(yīng)用效果分析

截至目前，氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)已在博孜區(qū)塊BZ1 井區(qū)巨厚礫石層應(yīng)用6 口井、9 井次，其中，8 井次優(yōu)選在2 500～5 000 m 井段（表3），累計(jì)進(jìn)尺9 481.99 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)到4.88 m/h，顯著提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)正在成為博孜區(qū)塊巨厚礫石層提速的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

表3 BZ1 井區(qū)氣體連續(xù)循環(huán)鉆井應(yīng)用統(tǒng)計(jì)Tab.3 BZ1 Wellblock application statistics of gas continuous circulation drilling

3.1 延長了微出水層鉆井進(jìn)尺，節(jié)省了成本

如表3 所示，氣體連續(xù)循環(huán)鉆井在BZ8 井與BZ2 井微出水地層氣體鉆井進(jìn)尺達(dá)到1 500 m 以上，最長進(jìn)尺達(dá)到了2 180 m，實(shí)鉆表明，氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)有效減少了地層水在井筒的聚集以及對(duì)井壁的浸泡，克服了地層微量出水后純氣體鉆井難以實(shí)施的困難，延長了在微出水情況下，氣體鉆井進(jìn)尺。

統(tǒng)計(jì)對(duì)比BZ1 井區(qū)氣體連續(xù)循環(huán)鉆井與部分泥漿鉆井周期（圖5），氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)鉆井周期平均縮短50 d 以上，較大提升了礫石層大尺寸井眼鉆井時(shí)效。

圖5 BZ1 井區(qū)氣體連續(xù)循環(huán)鉆井、泥漿鉆井周期對(duì)比Fig.5 BZ1 Wellblock cycle comparison of gas continuous circulation drilling and mud drilling

統(tǒng)計(jì)分析博孜區(qū)塊BZ1 井區(qū)與BZ3 井區(qū)礫石層常規(guī)牙輪、垂鉆、渦輪+孕鑲、個(gè)性化鉆頭以及提速工具組合等鉆井工藝平均機(jī)械鉆速，如圖6所示。

圖6 BZ1、BZ3 井區(qū)礫石層提速工藝機(jī)械鉆速對(duì)比Fig.6 BZ1、BZ3 Wellblock comparison of ROP of gravel layer speed increasing technology

由圖6 可見，空氣鉆井（氣體連續(xù)循環(huán)鉆井）技術(shù)機(jī)械鉆速提高了2 倍以上，使用效果較好。對(duì)比BZ1 井區(qū)BZ7 與BZ2 井3 420～4 813 m 井段，同一井眼尺寸相同井段（表4），氣體連續(xù)循環(huán)鉆井提速3.34 倍，縮短鉆井時(shí)長57 d，節(jié)省鉆頭8 只，較大縮短了鉆井周期，節(jié)省了鉆井成本，提升了鉆井時(shí)效。

表4 BZ7 與BZ2 井3 420～4 813 m 井段對(duì)比分析Tab.4 Well BZ7 and Well BZ2 comparative analysis of 3 420～4 813 m well section

3.2 克服了沉砂30 m 以上無法接立柱困難

在博孜區(qū)塊BZ1 井區(qū)井深2 500～5 000 m 地層，礫石層為準(zhǔn)成巖與成巖地層，隨井深增加，礫石層成巖性變好，在氣體鉆井過程中，氣體高速?zèng)_刷與井壁不規(guī)則，井筒沉砂不能完全排出，停止循環(huán)后，井底沉砂較多，經(jīng)常存在沉砂超過30 m 以上。

礫石層鉆井沉砂厚度之所以有一個(gè)先增加再減少的過程，是由于博孜區(qū)塊巨厚礫石層成巖性隨井深增加而逐漸變好，平均井眼擴(kuò)大率變小，沉砂厚度就逐漸減小。其中，BZ18 井沉砂高達(dá)80 m，主要原因是BZ18 井鉆速最快達(dá)6.40 m/h，是同構(gòu)造平均機(jī)械鉆速4.88 m/h的1.31 倍，導(dǎo)致循環(huán)時(shí)間不夠，井下沉砂增加快（圖7）。氣體連續(xù)循環(huán)鉆井在鉆進(jìn)與接立柱期間循環(huán)介質(zhì)不中斷，持續(xù)懸浮巖屑，有效克服了超30 m 沉砂無法接立柱、無法鉆進(jìn)的困難，避免了因沉砂埋鉆具、卡鉆等復(fù)雜事故。

圖7 BZ1 井區(qū)氣體連續(xù)循環(huán)鉆井沉砂厚度統(tǒng)計(jì)Fig.7 BZ1 Wellblock statistics of deposition sand thickness in gas continuous circulation drilling

3.3 最大井斜控制在5°安全范圍內(nèi)

在庫車山前構(gòu)造地層，若不采取工藝措施對(duì)井斜進(jìn)行控制，極易造成井斜超標(biāo)，嚴(yán)重則造成井眼報(bào)廢，特別是在氣體鉆井機(jī)械鉆速較高的情況下，井斜控制更是重難點(diǎn)。礫石層氣體連續(xù)循環(huán)鉆井采用“預(yù)彎+雙扶正器”+控時(shí)鉆進(jìn)的主動(dòng)防斜方式，鉆具組合配以合理的預(yù)彎短節(jié)及扶正器大小，在鉆進(jìn)期間，根據(jù)監(jiān)測井斜數(shù)據(jù)，適時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，在提升機(jī)械鉆速的同時(shí)，有效地將最大井斜控制在5°的安全范圍內(nèi)（圖8），未影響后期技術(shù)套管下入以及完井改造工藝的實(shí)施。

圖8 BZ1 井區(qū)氣體連續(xù)循環(huán)鉆井井斜統(tǒng)計(jì)Fig.8 BZ1 Wellblock deviation statistics of gas continuous circulation drilling

4 結(jié)論

（1）氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)克服了博孜區(qū)塊巨厚礫石層，上部大尺寸井眼鉆井沉砂超30 m 無法接立柱的困難，有效避免了沉砂埋鉆具、卡鉆等復(fù)雜事故的發(fā)生。

（2）在微出水地層使用氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，可有效減少接立柱時(shí)井筒地層水在聚集，延長出水地層氣體鉆井進(jìn)尺，有效地提高了機(jī)械鉆速和鉆井時(shí)效，縮短鉆井周期，大幅節(jié)約鉆井成本。

（3）庫車山前高陡構(gòu)造氣體鉆井時(shí)，采用“預(yù)彎短節(jié)+雙扶正器+控時(shí)鉆進(jìn)”防斜方式，適時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，提高了機(jī)械鉆速，達(dá)到了防斜打直的目的，滿足了井身質(zhì)量的要求。

（4）為提高氣體連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)在博孜區(qū)塊的應(yīng)用效果，建議對(duì)該區(qū)塊水層分布進(jìn)行精細(xì)描述，并嘗試在井深2 500 m 以上地層實(shí)施氣體鉆井，進(jìn)一步擴(kuò)大氣體鉆井應(yīng)用范圍，同時(shí)，優(yōu)化氣液轉(zhuǎn)換時(shí)替漿工藝和鉆井液性能，減少替漿過程中的漏失，提高轉(zhuǎn)換時(shí)效。