摘 要

摘　要：塔里木盆地山前某构造沉积巨厚砾石层，钻井液钻井存在着钻速低、钻头消耗多等问题，而采用空气钻井来提速又面临井斜控制和井眼失稳两大技术难题。为此，在大量试验研究基础

摘　要：塔里木盆地山前某构造沉积巨厚砾石层，钻井液钻井存在着钻速低、钻头消耗多等问题，而采用空气钻井来提速又面临井斜控制和井眼失稳两大技术难题。为此，在大量试验研究基础上提出了空气钻井的实施技术方案。根据最小动能法判断准则，落实不同条件下的合理注气量；应用连续循环空气钻井技术避免沉砂卡钻，延长钻井进尺，提高钻井时效；基于钻具动力学特性分析，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；优配“二强二高一低”(强抑制、强封堵、高防塌性、高润滑性、低滤失)的聚磺一KCl转换用钻井液体系，给出钻井液转换工艺措施。通过在A井现场试验，空气钻井井段最大井斜角仅2.19°，仅用2d时间就顺利完成钻井液转换作业，同比钻井液钻井机械钻速提高3～5倍，节省钻井时间119d，取得良好应用效果，该配套技术的形成可对该区深部天然气勘探钻井提速发挥积极的推动作用。

关键词：砾石层  空气钻井  井斜控制  注气量  连续循环钻井  动力学特性  钻井液转换

Technologies in enhancing the ROP by air drilling through the piedmont gravel layers with huge thickness in the Tarim Basin

Abstract：Heavily thick gravel layers were deposited in a piedmont gas reservoir in the Tarim Basin，where mud drilling has been encountered by a low ROP，high bit wear and so on．A high ROP was expected to achieve by air drilling，however，well deviation control and wellbore instability were two technical bottlenecking problems．In view of this，based on a huge number of experimental studies，a technical scheme was proposed for air drilling in this study area．First，reasonable air injection rates were determined at different downhole conditions by use of the minimum kinetic energy judgment criteria．Second，the continuous circulating air drilling technology was employed to prevent solids setting sticking，thus to extend footage and increase drilling efficiency．Third，the dynamic air drilling deviation control technology was recommended after the analysis of BHA dynamic characteristics，on this basis，the optimal design was suggested of the”bent nipple+double centralizer”BHA．Fourth，the polysulfonate KCL converting fluid system was optimized with strong inhibition and sealing performance，high anti collapse ability and lubricitv，and low filtration,and some drilling fluid conversion measures were also figured out．In a pilot case of air drilling with the above technical scheme in Well A，the maximum deviation angle was only 2.19° and the drilling fluid was converted within 2days；the ROP was enhanced by 3 to 5 times and the drilling time was saved by 119days compared with mud drilling．This supporting technology will play a positive role in improving the drilling speed in this study area．

Keywords：gravel foreland，air drilling，deviation control，air injection rate，continuous circulating drilling，dynamic characteristics,fltujd conversion

塔里木盆地山前某构造储层埋藏深度大于7000m，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：l]确定合理沣气量，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Æ431.8mm和Æ333.4mm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)。

 

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

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。

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Æ431.8mm和Æ333.4mm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(a°)+Æ228.6mm钻铤+扶正器+Æ228.6mm钻铤+扶正器+Æ228.6mm钻铤……

 

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％KC1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含油聚磺一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。

 

5　应用实例

塔里木山前某构造A井设计井深7200m，上部沉积巨厚砾石层(厚约5100m)，空气钻井施工井段为Æ431.8mm井眼2502～3602m井段和Æ333.4mm井眼3602～4652m井段，累计进尺2150m，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

在Æ431.8mm井眼及Æ333.4mm井眼钻进及通井划眼全过程采用连续循环钻井技术，连续循环钻井系统运转时间累计达921h，入井连续循环短节28只，满足现场施工需求。本井采用连续循环钻井技术，延长了空气钻井进尺，在Æ333.4mm井眼空气钻井期间，从3602m钻进至3740m，井底沉砂达30m，采用连续循环钻井技术顺利钻至井深4652m，延长进尺912m。

5．2　井斜控制

该井在Æ431.8mm井眼及Æ333.4mm井眼采用“弯短节+双扶正器”钻具组合(表4)，井斜控制效果好，最大井斜角仅2.19°(图5)，满足了钻井工程要求。

 

 

5．3　钻井液转换

本井Æ333.4mm井眼钻至井深4652m结束空气钻井，起钻更换“光钻杆+铣齿”钻具组合下钻至套管鞋3592m，依次替入润湿反转剂31.2m³，特殊堵漏浆60m³，密度1.40g／cm³聚磺-KC1混油钻井液486.8m³，出口见返，再替入携砂浆清洁井眼，仅用2d时间完成钻井液转换作业，未出现井塌、井漏井下复杂。

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。

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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本文作者：邓虎  胥志雄  王怀金  许期聪  邓柯

作者单位：中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院

  中国石油塔里木油田公司

  中国石油西南油气田公司

  中国石油川庆钻探工程公司国际工程公司