摘要：川渝地区的深探井，由于初次开钻井眼尺寸大，地层复杂，钻井机械钻速极低，不仅钻井周期长且极易发生断钻具、恶性井漏等井下复杂事故。如何提高钻井速度二直是该区钻井工作的一道难题。为此，总结了近几年来气体钻井的现场实践经验，结果发现：①采用气体钻井技术能够显著地提高钻井速度，钻井机械钻速可以提高3～15倍；②采用常规的牙轮钻头钻井容易发生井斜，虽然采用恰当的钻井参数能有效地控制井斜，但增加了气体钻井的难度，而且钻井速度会明显降低；③采用空气锤不仅能够保证良好的井身质量，而且能保持较高的机械钻速。通过几口井的试验研究已形成了有效地控制井斜的工艺技术和方法，大大提高了钻井效率，节约了钻井成本。
关键词：气体钻井；井斜；井漏；钻压；钻井速度；空气锤；钻井效率；钻井成本
0 引言
川渝地区的深井，由于井眼尺寸大，裸眼长，地层复杂，钻井机械钻速极低，全井平均机械钻速一般只有1m/h左右，不仅钻井周期长而且极易发生断钻具、恶性井漏等井下复杂事故，严重制约了该区的天然气勘探开发进程，如何提高钻井速度一直是一道难题。
在近几年的气体钻井的试验过程中，在部分地区选择合适的深井进行气体钻井试验研究，结果表明气体钻井技术能够显著地提高钻井速度，机械钻速能够提高3～15倍，解决了多年来川渝部分地区钻井周期长的难题，同时气体钻井还能及时发现和保护油气层，能够克服井漏造成的井下复杂情况。但在气体钻井的试验研究中发现，如果没有很好地掌握气体钻井的固有规律和技术特点，采取了不正确的钻井参数就会发生严重的井斜，造成井身质量差等系列问题。因此，解决气体钻井过程中的井斜问题是更好地发挥气体钻井技术优势的关键[1～5]。
1 气体钻井井斜分析
虽然我们在川渝地区采用气体钻井技术加快了勘探开发进程，但也遇到了气体钻井易井斜的钻井难题，表1是3口空气钻井的试验数据，3口井井眼尺寸同为Ф311.2mm，钻具组合采用塔式钻具组合，均使用的牙轮钻头，东升1井从井深700m开始空气钻井，初始井斜为1.83°，该井浅层较平缓，地层倾角为4°，钻进过程中保持钻压为180～200kN，钻至井深2900m时井斜控制还是比较理想，最大井斜在1100m时为4.15°；2900m时的井斜为3.89°，在钻井参数、层位和岩性未发生任何变化的情况下，钻至井深3050m后测斜发现井斜突增到12.93°，为了试验钻压对井斜的影响我们将钻压由180kN降至30kN，当钻至井深3298m后，井斜降至7.82°；第2口试验井黄金1井浅层地层倾角为64°，是四川油气田在川渝地区高陡构造上试验的第1口空气钻井，从井深974m开始空气钻井，初始井斜为5.86°，保持钻压160kN左右，钻至1900m前测量的井斜基本保持在6°左右，钻至井深1900m时井斜出现明显的增加趋势，井斜达到9.11°，随即调整钻压，第1次将钻压降至120kN左右钻井试验，即便如此在钻至井深2000m时测斜井斜角仍然增至13.8°，井斜不但不降反而增加较多，难道在气体钻井条件下该井降低钻压不能起到降低井斜的效果？我们继续进行降低钻压的试验，把钻压降至80kN，钻至井深2213m时测斜井斜降为7.20°，这次降低钻压达到了降低井斜的目的，为什么黄金1井会在第1次降低钻压井斜仍然会增加很多呢？但总体上来讲，从3口井的井斜变化和钻压变化规律来看(表1)，无论井下条件如何，只要把钻压值降至足够低，就能达到降低井斜的目的，但是钻压值达到多少才能够达到降低井斜的目的呢？在多口井的气体钻井试验研究中没有找到直接的定量函数关系，这说明井斜在气体钻井过程中的影响因素较多，各种因素对每口井的影响都不一样。
经过研究分析认为，影响井斜的主要因素一是钻井参数；二是地层因素，在岩性相同的地层且地层倾角变化不大的前提条件下钻压是影响气体钻井井斜最主要的因素，当然地层倾角的变化大小在钻井参数一定的条件下又将是影响井斜的主要因素，二者相互影响，谁是主要影响因素可依井下具体情况互为转换。
我们分析认为东升1井、黄金1井和七里北2井在气体钻井中的井斜大小和各钻井井段的地层倾角大小有很大的直接关系，在同一口井表现为相同钻井参数的条件下，即使地质层位相同，但钻井井斜变化规律不一样，如东升1井在沙溪庙组地层2900m以后井斜增加很快，而钻井参数基本相同，说明地层倾角很可能发生了较大的变化。黄金1井和七里北2井的个别井段也有类似的情况发生。根据目前的研究结果，在地层倾角较大的井，气体钻井时的平均井斜也相应较大，符合常规钻井的井斜规律(见表1)。黄金1井的地层倾角比东升1井和七里北2井的地层倾角大得多，所以井斜的控制难度也相应增加，通过试验证实调整钻压能够达到控制井斜的目的，但是要损失钻井速度(见表1)。东升1井在井深3050m前后钻压由180kN降低到30kN，平均钻井机械钻速由16.8m/h降到了7.6m/h，钻压降低了83%，钻速降低了54%；黄金1井在井深1900m前后钻压由160kN逐渐降低到80kN，平均钻井机械钻速由14.1m/h降为4.3m/h，钻压降低了50%，钻速降低了70%；七里北2井在井深1500m前后钻压由160kN降低到140kN，平均钻井机械钻速由8.2m/h降到了5.6m/h，钻压降低了13%，钻速降低了32%。
在气体钻井过程中，如何保证井身质量是一个必须研究的问题，我们在气体钻井中一般采取降低钻压达到降低井斜角来保证井身质量(表1)。针对某一口井的气体钻井的井斜规律来看，基本上符合钻压越小井斜越小的常规钻井井斜规律，由于井斜和钻压的关系不是一个简单的函数关系，受到多种因素的影响，在部分井段会发生降低钻压井斜仍然增加的情况，但并不能因此简单理解为降低钻压会增加井斜，我们认为是其他。地质原因例如地层倾角的突然增大等原因，主导了井斜增加。降低钻压无论井斜是否增加仍然可以理解为减缓了井斜的增加速率，不至于井斜变得更大，由于影响井斜存在多种因素，而在试验井中并没有找到定量的函数关系，也为我们在气体钻井的井斜控制上带来了一定的困难。
表1 牙轮钻头空气钻井数据表
|
东升1井(地层倾角为4°)
|
黄金1井(地层倾角为64°)
|
七里北2井(地层倾角为15°)
|
||||||||||||
|
井深(m)
|
斜度(°)
|
钻压(kN)
|
层位
|
钻速(m/h)
|
井深(m)
|
斜度(°)
|
钻压(kN)
|
层位
|
钻速(m/h)
|
井深(m)
|
斜度(°)
|
钻压(kN)
|
层位
|
钻速(m/h)
|
|
700
|
1.83
|
180
|
J3p
|
|
975
|
5.86
|
70
|
J2s
|
|
700
|
0.99
|
200
|
J2s
|
|
|
900
|
2.92
|
200
|
J3p
|
11.3
|
1100
|
5.99
|
70
|
J2s
|
8.2
|
1000
|
1.63
|
200
|
J2s
|
7.3
|
|
1100
|
4.13
|
200
|
J3p
|
18.5
|
1300
|
5.32
|
150
|
J2s
|
5.5
|
1300
|
4.44
|
180
|
J2s
|
12.2
|
|
1500
|
3.11
|
200
|
J3s
|
16.1
|
1500
|
5.19
|
160
|
J2s
|
13.4
|
1500
|
8.17
|
160
|
J2s
|
8.2
|
|
1900
|
3.71
|
200
|
J2s
|
9.9
|
1700
|
6.30
|
160
|
J2s
|
11.7
|
1700
|
6.46
|
140
|
J2s
|
5.6
|
|
2300
|
3.10
|
180
|
J2s
|
12.1
|
1900
|
9.11
|
160
|
J2s
|
14.1
|
1900
|
3.78
|
140
|
J2s
|
4.3
|
|
2700
|
1.05
|
180
|
J2s
|
13.9
|
2000
|
13.84
|
120
|
J2s
|
11.8
|
2100
|
2.53
|
140
|
J2s
|
6.3
|
|
2900
|
3.89
|
180
|
J2s
|
16.8
|
2213
|
7.20
|
80
|
J2s
|
4.3
|
2200
|
2.40
|
140
|
J1l
|
7.4
|
|
3050
|
12.93
|
180
|
J2s
|
16.8
|
2395
|
8.50
|
100
|
J2s
|
5.9
|
2427
|
1.00
|
120
|
J1l
|
9.6
|
|
3298
|
7.48
|
30
|
J2s
|
7.6
|
2493
|
6.80
|
90
|
J2s
|
4.6
|
2700
|
1.32
|
120
|
T3x
|
9.5
|
为了保证井身质量不得不采取低钻压的钻井技术措施，同时还要增加井斜监测点，便于及时调整钻压，从而钻井机械钻速变慢，周期变长，使得气体钻井的效率大大降低。有没有更好的办法既能保证高的钻井机械钻速也能够保证井斜较小，满足井身质量的要求呢？这将是我们气体钻井技术要研究的主要内容之一。
2 气体钻井防斜技术研究与应用
通过前面的井斜研究，我们知道了空气锤的破岩机理与牙轮钻头的破岩机理有很大的区别，空气锤通过空气锤钻头冲击破岩，而且破岩的动力并非完全来自钻头上的钻压，而是靠空气锤所产生的冲击力，每分钟上千次的高频冲击破岩变得非常容易，同时钻压只有20～50kN，比起常规钻井钻压低得多，能够很自然地实现钻井中常用的轻压吊打的防斜技术措施，采用此技术方法，在川渝地区进行了现场试验研究，找到了既能保证低钻压又能保证高钻速的气体钻井防斜技术，即空气锤钻井技术，大大加快了气体钻井速度，通过3口气体钻井的防斜打快试验，在川渝地区获得了研究成果。
空气锤钻井技术是20世纪初开始试验，50～60年代获得生产应用，并于70～80年代推广应用形成的，空气锤钻井技术具有钻进效率高、钻头寿命长/钻井质量好的特点，国内外研究者对空气锤结构不断改进，工作性能优化，钻头类型、工艺方法等方面进行研究，使其适应多种工程应用的要求。国内在石油天然气钻井方面的应用几乎是空白，在近几年中国石油天然气集团公司开展了这方面的研究，目前空气锤使用最深井深在4000m左右，耐温100℃以上。自行研制的KQC系列空气锤通过3口井的试验井斜控制很好，完全达到了钻井设计井身质量要求(见表2)。在3口井使用空气锤的钻进井段测得最大井斜为2.35°，同时仍然保持了很高的钻井机械钻速，见到了较好的防斜打快效果。从安全角度考虑，钻具组合选择塔式钻具组合，这样尽最大可能地降低钻具扭矩，达到减少钻具事故和避免井下复杂情况的发生。
表2 空气锤空气钻井数据表
|
七北101井(地层倾角为15°)
|
LG1井(地层倾角为25°)
|
普光B-2井(地层倾角为25°)
|
||||||||||||
|
井深(m)
|
斜度(°)
|
钻压(kN)
|
层位
|
钻速(m/h)
|
井深(m)
|
斜度(°)
|
钻压(kN)
|
层位
|
钻速(m/h)
|
井深(m)
|
斜度(°)
|
钻压(kN)
|
层位
|
钻速(m/h)
|
|
600
|
1.92
|
120
|
J2s
|
|
800
|
1.39
|
150
|
J3p
|
|
500
|
1.50
|
100
|
J2s
|
|
|
900
|
1.54
|
30
|
J2s
|
20.0
|
1100
|
1.51
|
50
|
J3p
|
28.6
|
575
|
1.50
|
30
|
J2s
|
15.4
|
|
1200
|
0.79
|
30
|
J2s
|
18.1
|
1400
|
1.85
|
50
|
J3s
|
28.6
|
991
|
1.00
|
30
|
J2s
|
15.4
|
|
1500
|
0.93
|
30
|
J2s
|
18.2
|
1700
|
2.35
|
50
|
J3s
|
30.1
|
1277
|
0.75
|
30
|
J2s
|
12.8
|
|
1800
|
0.72
|
30
|
J2s
|
17.1
|
2000
|
1.10
|
50
|
J3s
|
30.1
|
1980
|
0.25
|
30
|
J2s
|
14.2
|
|
2050
|
2.09
|
30
|
J2s
|
15.1
|
2300
|
1.63
|
50
|
J2s
|
20.4
|
2587
|
2.00
|
30
|
J2s
|
13.1
|
|
|
|
|
|
|
2500
|
1.78
|
50
|
J2s
|
20.4
|
2845
|
1.00
|
30
|
J2l
|
13.3
|
3 结论与建议
1) 气体钻井使用牙轮钻头只要选择正确的钻井参数，虽然难度增加，但井斜可以控制在钻井设计范围之内。气体钻井使用牙轮钻头在地层倾角较大的地层钻井速度会大大降低，仍然是常规钻井速度的数倍，但不能最大限度地发挥气体钻井技术的优势。
2) 使用空气锤钻井技术，由予钻进方式的改变，不仅钻井速度比牙轮钻头钻井速度快而且防斜效果极佳，是气体钻井的最佳配套技术。由于空气锤钻井不需带扶正器，采用塔式钻具组合，井下钻具扭矩相对较小，减少了井下钻具事故，因此建议在气体钻井中广泛推广使用空气锤钻井技术。
参考文献
[1] LUBINSKI A.A study of the bucking of rotary drilling strings[M].Drilling and Production Practice，1950：178.
[2] 李克向.钻井手册(甲方)[M].北京：石油工业出版社，1990.
[3] 高德利.钻压防斜技术的实践与理论探讨[J].石油钻采工艺，1995，17(6)：1-6.
[4] 吴华.川东高陡构造上部大倾角地层钻井防斜技术研究[J].天然气工业，2003，23(5)：64-65.
[5] 韩来聚.大倾角地层防斜打直技术[J].石油钻探技术，2001，29(4)：36-38.
(本文作者：魏武 许期聪 邓虎 川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院)
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