摘要：位于LG地区的X井，以145d钻完6530m井深的深度在国内钻井界引起了强烈反响，两个储层的试油也仅耗时23d，创造了超深井钻井试油速度的最新纪录。为此，介绍了以气体钻井、氮气加压射孔-酸化-测试联作试油等为代表的在该井钻井、试油中发挥了重要作用的新工艺新技术，并针对应用中存在的空气锤缩径、珍珠冲组地层坍塌和以OMNI阀代替LPR-N阀进行测试作业等问题以及需要进一步探索的技术提出了近期的研究目标。
关键词：气体钻井PDC钻头；氮气加压射孔；空气锤；超深井；酸化
0 引言
在LG地区X井钻井工程中，由于在钻井完井方案论证与工程设计、气体钻井技术施工和完井试油技术施工中的周密计划与创新实践，最终以145d的时间钻完6530m井深的成绩，创造了碳酸盐岩超深井钻井新纪录；长兴组和飞仙关组两个储层的试油测试也仅用23d就完成，创造了超深井试油速度的最新纪录；并实现全井零事故、零污染、零组织停工的目标。这些成绩的取得，除了参战各单位的重视和支持外，新工艺新技术的应用发挥了极其重要的作用。
1 工程设计方案
根据“在确保安全钻井施工作业，顺利完成地质任务的前提下，充分应用新技术、新工艺，尽可能地提高机械钻速，缩短钻井周期”的原则，在钻井工程设计中把尽可能延长气体钻井井段作为x井提速的首要措施来考虑。但该井作为LG构造的第一口井，无准确的资料可供参考，只能根据邻近构造以及川东类似井深的实钻井进行类比推测：X井可能存在的高压盐水层、浅层油气、地层水、井壁失稳、含硫化氢等因素将影响甚至随时终止气体钻井的实施，目的层井段的高含硫和高井温可能给钻井、固井和试油作业增大难度和风险。工程设计经过反复论证修改，最终形成了以安全提速为核心内容、以详尽完备的应急预案为保障体系的钻井完井工程设计方案[1～6]。
钻井方面，在非储层上部井段采用空气钻井提速，在可能含气且最难钻的须家河组层段采用氮气钻井，在深部地层推广PDC钻头配合螺杆钻具技术、抗高温优质钻井液提速。
完井方面，在长兴组层位采用射孔(氮气加压)-酸化-测试联作方式，尽可能降低井筒压力，释放地层能量，快速见到油气显示；飞仙关组层位，在不减少井下管柱功能的前提下，简化管柱结构，降低作业风险，提高试油效率。
为了从源头上控制风险，设计过程中根据区域地质情况，认真分析该井的构造背景和可预见的工程地质问题，从井身结构优化、钻井方式、钻井液性能等细节入手，对可能出现的高压、高温、高含硫、井深差异等各种情况均做出了细致预测，明确了识别标准，制定了详尽的应对措施。
2 气体钻井新技术的研究与完善
四川地区超深井钻速慢、周期长是一个公认的难题。2005年气体钻井作为一项新技术应用于超深井，提高钻速见到了惊人效果。气体钻井先后在七里北101井、东升1井等多口井上应用，创造了七里北101井深5287m用156d完钻、东升1井井深6288m用245d完钻的新纪录，显示出气体钻井对于超深井提速的重要意义。但是气体钻井过去的试验也暴露出井斜、空气锤寿命短、现场制氮能力不足等问题，提速潜力尚待进一步挖掘。
X井属复杂地质区域，岩层硬度大、研磨性强，埋藏于4000m以深的须家河组层厚达600m以上；地层剖面存在潜在的低压漏失、高压盐水、浅气层等复杂情况；储层埋藏深度超过6500m。从相邻构造采用常规钻井的7口实钻深井情况看，平均井深比X井少911m，钻井周期却长达487d。X井要想在七里北101、东升1井的基础上更上一层楼，至关重要的是完善工艺技术和工具，实现技术上的新突破。
2.1 气体钻井防斜技术研究
针对过去试验中多口井出现比较突出的井斜问题，能否在打快的前提下有效控制井斜是首先必须解决的技术难题。研究中收集了过去试验存在井斜问题井的资料，通过大量的分析对比认为：导致井斜的主要因素是气体钻井相对于钻井液钻井而言存在不同程度井壁失稳，并由此产生井径扩大率较钻井液钻井大。由于气体钻井井径扩大，其施工参数受到限制。通过大量调研分析认为：空气锤的工作原理决定了其能够在低钻压条件下获得理想的机械钻速，有利于防斜打快，确立了X井上部地层主要采用空气锤防斜的试验方案。
长期以来，气体钻井不敢采用扶正器的主要原因是，一旦地层出水，极易导致卡钻事故，但采用扶正器能强化钻压、有利于防斜。通过对邻区已钻井资料分析，认为X井须家河组一嘉陵江组层段出水的可能性小，据此，确立了须家河组以下井段实施气体钻井采用双扶正器防斜的试验方案。
2.2 气体钻井施工参数优化研究
在对气体钻井施工参数有了一些认识后，如何优化、气体钻井提速的潜力到底有多大、是否可以追求更高的目标等问题进行了深入的研究。运用多相流理论和数值模拟的方法，分析了注气排量与井眼尺寸、钻具尺寸、井内温度、岩屑尺寸、井底流压、井口套压、岩屑浓度、机械钻速等的关系，建立了实现目标机械钻速所需注气量的计算方法，为气体钻井设备配套、进一步提高机械钻速找到了理论依据，同时，为少量出水、井径扩大提供了足够的气量配置。
2.3 氮气混合空气钻井的探索
为应付在储层氮气钻井时出现井下复杂情况，对氮气混合空气钻井的可行性进行了研究。根据燃爆理论研究，若氧气的浓度低于某一临界极限，空气、氮气和烃的混合物不能燃烧。因此，用来防止井下燃烧的循环气体不必用纯氮气；鉴于可燃混合物燃烧所需氧气的最低浓度受压力、温度的影响，可以通过对X井井底压力、温度的分析计算，将混合气体的氧气浓度控制在临界值以下，再配合燃爆监测，控制井下安全。
2.4 空气锤使用寿命研究
针对过去试验中因空气锤钎头磨损严重导致空气锤使用寿命缩短的问题。对多口井空气锤的使用数据进行了收集整理，深入地分析了空气锤钎头磨损的机理和影响因素。经对比分析认为：空气锤钎头磨损包括纵向震动磨损和周向转动磨损，转盘转速和钻压大小是钎头磨损的重要影响因素。在深入分析空气锤工作原理和破岩机理的基础上，提出了增加保径齿、控制空气锤使用时间、采用递减尺寸或设计偏心扩眼钎头的改进意见，计算出了优化的转盘转速和钻压参数范围，使其既能满足空气锤正常发挥功能、又能最大限度减缓磨损、延长使用寿命。
3 气体钻井提速实践
145d完成一口6530m的超深井，这在我国钻井历史上创造了一个最新纪录。通过周密的组织与技术策划，实钻中在井深加深214m的情况下，全井比设计提前62.5d完钻，节约周期30%以上；在X井6530m进尺中，气体钻井进尺3303.62m，占50.6%；在X井145d实钻周期中，气体钻井32d，仅占22%。即气体钻井仅用1/5强的时间完成了X井一半以上的进尺，对该井提速起到了决定性作用。
3.1 合理增加气体排量，挖掘提速潜力
根据理论研究成果，提高设备配套供气能力，进一步提高了机械钻速，显示了气体钻井的提速潜力。创造了日进尺557.32m的新纪录。
3.2 气体钻井井斜控制
运用空气锤或双扶正器钻具组合在直井中成功地控制井斜，该井使用空气锤钻进井段的井斜控制在2.3°以内(最大井斜2.09°)，为解决气体钻井井斜难题找到了有效途径。
3.3 空气锤的磨损控制
针对过去试验中空气锤钎头磨损严重导致空气锤寿命缩短的难题，在强化钎头保径措施的同时，通过适当降低转盘转速，确定适当的钻压，成功地减少了钎头磨损，延长了空气锤的使用寿命，创造了单只空气锤进尺1712.82m的使用纪录。由于上述创新实践的有效开展，X井取得了新的钻井技术指标：X井在Ø311.2mm井眼采用空气加空气锤或牙轮钻头从791m井深钻进至3441m井深，平均机械钻速为24.17m/h；在Ø215.9mm井眼采用纯氮气、氮气混合空气带双稳定器组合从3589m钻至4243m井深，平均机械钻速为10.78m/h；整个气体钻井平均机械钻速为19.4m/h。创造了4项气体钻井全国纪录：①单井气体钻井总进尺最长(3304m，占全井设计井深的52.3%)；②氮气钻井井深最深(4243m)；③单只空气锤进尺最长(1712.82m)；④气体钻井日进尺最高(557.32m)。X井与相邻构造7口超深井的平均数据对比，平均钻速提高420%，在比7口井平均井深多911m的情况下，缩短钻井周期70%以上。
4 深井完井试油安全快速作业工艺
4.1 管柱优化技术
飞仙关组层位在进行试油测试的时候，井下测试管柱中只使用了OMNI阀，而没有使用LPR-N阀。基于对该层位地质资料的分析，推断该层储层较好，在进行测试作业时井筒储集效应的影响会很小，确信利用井口进行开关井，同样能很快求取到地层压力。因此，首先精简掉LPR-N阀，这样，测试作业时就不用再进行环空压力操作，减少了井下测试阀开关失灵的风险，大大提高了测试的成功率；其次，在管柱中加入了OMNI阀，利用其所具备的循环孔，能够在射孔前将酸液替至储层，在替酸结束后，关闭循环孔完成试油。
4.2 H2S在线监测仪的现场应用
X井在每一层次的放喷测试作业中都使用了H2S在线监测仪，监测测试管线中实时的H2S含量值。该监测仪所获取的数据经过与专业分析单位的人工化验分析结果相对比，二者相差很小，说明该仪器测试结果真实、可靠。而该设备通过电脑自动实时数据采集、分析及存储的优越性是其他方式不能替代的。使用该仪器设备能有效地提供现场决策参考，以便让作业人员采取及时的防范措施，具有广泛的推广前景。
4.3 综合防腐技术应用
飞仙关组二次完井管柱综合应用多项H2S防腐措施，充分保证了飞仙关组井下完井管柱的长久使用安全。X井采用了多项先进技术，长兴组和飞仙关组两个储层的试油测试仅用23d就完成，创造了深井试油速度的最新纪录。长兴组试油，测试阀以上油管柱掏空5134m，创造了新的掏空深度纪录。克服了两大困难：第一、由于要利用注入氮气平衡测试阀上、下的压差开关测试阀和引爆射孔枪。因此，要求现场作业人员能够准确计算井底的氮气柱压力。事实上由于受到温度及管柱摩阻等因素的影响，井越深，井底氮气柱压力计算的结果误差越大，工艺成功的保障越低。第二、由于气体压缩系数较大，在氮气引爆射孔枪之后，井底压力会趋向地层压力，但在较短的时间内地面压力变化却很小，地面难以准确判断射孔情况。但是技术人员通过攻关，提出了精确计算井口氮气操作压力的方法，同时，配合井口精密的数据采集系统，很敏锐地捕捉到了射孔后井口压力的微妙变化，从而在很短的时间内准确判断出射孔枪引爆，为下步措施的实施提供了依据。
5 认识与建议
1) 空气锤没能形成系列规范产品，如采用Ø315～311mm系列空气锤有望一只空气锤打完Ø311.2mm井段。建议生产厂家生产规格齐全的空气锤。
2) 针对珍珠冲组层段出现接单根沉砂严重，替浆后井下又处理井漏耗时过长的问题，可考虑探索试验牙轮钻头强钻、气体测井技术和空井下套管固井技术，以期避免替浆后的被动局面。以OMNI阀代替LPR-N阀进行测试作业的管柱结构，仅在川渝地区开始初步探索，虽然效果比较理想，但还需在以后的高压、超深井测试作业中推广完善。
参考文献
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[6] 王维斌，马廷虎，邓团，等.川东宣汉-开江地区恶性井漏特征及地质因素[J].天然气工业，2005，25(2)：90-92.
(本文作者：孙海芳 韩烈祥 川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院)
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