氣體鉆井井斜控制技術(shù)與應(yīng)用

摘 要

摘要：川渝地區(qū)的深探井，由于初次開鉆井眼尺寸大，地層復(fù)雜，鉆井機(jī)械鉆速極低，不僅鉆井周期長(zhǎng)且極易發(fā)生斷鉆具、惡性井漏等井下復(fù)雜事故。如何提高鉆井速度二直是該區(qū)鉆井工作的一
摘要：川渝地區(qū)的深探井，由于初次開鉆井眼尺寸大，地層復(fù)雜，鉆井機(jī)械鉆速極低，不僅鉆井周期長(zhǎng)且極易發(fā)生斷鉆具、惡性井漏等井下復(fù)雜事故。如何提高鉆井速度二直是該區(qū)鉆井工作的一道難題。為此，總結(jié)了近幾年來氣體鉆井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①采用氣體鉆井技術(shù)能夠顯著地提高鉆井速度，鉆井機(jī)械鉆速可以提高3～15倍；②采用常規(guī)的牙輪鉆頭鉆井容易發(fā)生井斜，雖然采用恰當(dāng)?shù)你@井參數(shù)能有效地控制井斜，但增加了氣體鉆井的難度，而且鉆井速度會(huì)明顯降低；③采用空氣錘不僅能夠保證良好的井身質(zhì)量，而且能保持較高的機(jī)械鉆速。通過幾口井的試驗(yàn)研究已形成了有效地控制井斜的工藝技術(shù)和方法，大大提高了鉆井效率，節(jié)約了鉆井成本。
關(guān)鍵詞：氣體鉆井；井斜；井漏；鉆壓；鉆井速度；空氣錘；鉆井效率；鉆井成本
0 引言
川渝地區(qū)的深井，由于井眼尺寸大，裸眼長(zhǎng)，地層復(fù)雜，鉆井機(jī)械鉆速極低，全井平均機(jī)械鉆速一般只有1m/h左右，不僅鉆井周期長(zhǎng)而且極易發(fā)生斷鉆具、惡性井漏等井下復(fù)雜事故，嚴(yán)重制約了該區(qū)的天然氣勘探開發(fā)進(jìn)程，如何提高鉆井速度一直是一道難題。
在近幾年的氣體鉆井的試驗(yàn)過程中，在部分地區(qū)選擇合適的深井進(jìn)行氣體鉆井試驗(yàn)研究，結(jié)果表明氣體鉆井技術(shù)能夠顯著地提高鉆井速度，機(jī)械鉆速能夠提高3～15倍，解決了多年來川渝部分地區(qū)鉆井周期長(zhǎng)的難題，同時(shí)氣體鉆井還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層，能夠克服井漏造成的井下復(fù)雜情況。但在氣體鉆井的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，如果沒有很好地掌握氣體鉆井的固有規(guī)律和技術(shù)特點(diǎn)，采取了不正確的鉆井參數(shù)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的井斜，造成井身質(zhì)量差等系列問題。因此，解決氣體鉆井過程中的井斜問題是更好地發(fā)揮氣體鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵[1～5]。
1 氣體鉆井井斜分析
雖然我們?cè)诖ㄓ宓貐^(qū)采用氣體鉆井技術(shù)加快了勘探開發(fā)進(jìn)程，但也遇到了氣體鉆井易井斜的鉆井難題，表1是3口空氣鉆井的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，3口井井眼尺寸同為Ф311.2mm，鉆具組合采用塔式鉆具組合，均使用的牙輪鉆頭，東升1井從井深700m開始空氣鉆井，初始井斜為1.83°，該井淺層較平緩，地層傾角為4°，鉆進(jìn)過程中保持鉆壓為180～200kN，鉆至井深2900m時(shí)井斜控制還是比較理想，最大井斜在1100m時(shí)為4.15°；2900m時(shí)的井斜為3.89°，在鉆井參數(shù)、層位和巖性未發(fā)生任何變化的情況下，鉆至井深3050m后測(cè)斜發(fā)現(xiàn)井斜突增到12.93°，為了試驗(yàn)鉆壓對(duì)井斜的影響我們將鉆壓由180kN降至30kN，當(dāng)鉆至井深3298m后，井斜降至7.82°；第2口試驗(yàn)井黃金1井淺層地層傾角為64°，是四川油氣田在川渝地區(qū)高陡構(gòu)造上試驗(yàn)的第1口空氣鉆井，從井深974m開始空氣鉆井，初始井斜為5.86°，保持鉆壓160kN左右，鉆至1900m前測(cè)量的井斜基本保持在6°左右，鉆至井深1900m時(shí)井斜出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，井斜達(dá)到9.11°，隨即調(diào)整鉆壓，第1次將鉆壓降至120kN左右鉆井試驗(yàn)，即便如此在鉆至井深2000m時(shí)測(cè)斜井斜角仍然增至13.8°，井斜不但不降反而增加較多，難道在氣體鉆井條件下該井降低鉆壓不能起到降低井斜的效果？我們繼續(xù)進(jìn)行降低鉆壓的試驗(yàn)，把鉆壓降至80kN，鉆至井深2213m時(shí)測(cè)斜井斜降為7.20°，這次降低鉆壓達(dá)到了降低井斜的目的，為什么黃金1井會(huì)在第1次降低鉆壓井斜仍然會(huì)增加很多呢？但總體上來講，從3口井的井斜變化和鉆壓變化規(guī)律來看(表1)，無論井下條件如何，只要把鉆壓值降至足夠低，就能達(dá)到降低井斜的目的，但是鉆壓值達(dá)到多少才能夠達(dá)到降低井斜的目的呢？在多口井的氣體鉆井試驗(yàn)研究中沒有找到直接的定量函數(shù)關(guān)系，這說明井斜在氣體鉆井過程中的影響因素較多，各種因素對(duì)每口井的影響都不一樣。
經(jīng)過研究分析認(rèn)為，影響井斜的主要因素一是鉆井參數(shù)；二是地層因素，在巖性相同的地層且地層傾角變化不大的前提條件下鉆壓是影響氣體鉆井井斜最主要的因素，當(dāng)然地層傾角的變化大小在鉆井參數(shù)一定的條件下又將是影響井斜的主要因素，二者相互影響，誰是主要影響因素可依井下具體情況互為轉(zhuǎn)換。
我們分析認(rèn)為東升1井、黃金1井和七里北2井在氣體鉆井中的井斜大小和各鉆井井段的地層傾角大小有很大的直接關(guān)系，在同一口井表現(xiàn)為相同鉆井參數(shù)的條件下，即使地質(zhì)層位相同，但鉆井井斜變化規(guī)律不一樣，如東升1井在沙溪廟組地層2900m以后井斜增加很快，而鉆井參數(shù)基本相同，說明地層傾角很可能發(fā)生了較大的變化。黃金1井和七里北2井的個(gè)別井段也有類似的情況發(fā)生。根據(jù)目前的研究結(jié)果，在地層傾角較大的井，氣體鉆井時(shí)的平均井斜也相應(yīng)較大，符合常規(guī)鉆井的井斜規(guī)律(見表1)。黃金1井的地層傾角比東升1井和七里北2井的地層傾角大得多，所以井斜的控制難度也相應(yīng)增加，通過試驗(yàn)證實(shí)調(diào)整鉆壓能夠達(dá)到控制井斜的目的，但是要損失鉆井速度(見表1)。東升1井在井深3050m前后鉆壓由180kN降低到30kN，平均鉆井機(jī)械鉆速由16.8m/h降到了7.6m/h，鉆壓降低了83%，鉆速降低了54%；黃金1井在井深1900m前后鉆壓由160kN逐漸降低到80kN，平均鉆井機(jī)械鉆速由14.1m/h降為4.3m/h，鉆壓降低了50%，鉆速降低了70%；七里北2井在井深1500m前后鉆壓由160kN降低到140kN，平均鉆井機(jī)械鉆速由8.2m/h降到了5.6m/h，鉆壓降低了13%，鉆速降低了32%。
在氣體鉆井過程中，如何保證井身質(zhì)量是一個(gè)必須研究的問題，我們?cè)跉怏w鉆井中一般采取降低鉆壓達(dá)到降低井斜角來保證井身質(zhì)量(表1)。針對(duì)某一口井的氣體鉆井的井斜規(guī)律來看，基本上符合鉆壓越小井斜越小的常規(guī)鉆井井斜規(guī)律，由于井斜和鉆壓的關(guān)系不是一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系，受到多種因素的影響，在部分井段會(huì)發(fā)生降低鉆壓井斜仍然增加的情況，但并不能因此簡(jiǎn)單理解為降低鉆壓會(huì)增加井斜，我們認(rèn)為是其他。地質(zhì)原因例如地層傾角的突然增大等原因，主導(dǎo)了井斜增加。降低鉆壓無論井斜是否增加仍然可以理解為減緩了井斜的增加速率，不至于井斜變得更大，由于影響井斜存在多種因素，而在試驗(yàn)井中并沒有找到定量的函數(shù)關(guān)系，也為我們?cè)跉怏w鉆井的井斜控制上帶來了一定的困難。
表1 牙輪鉆頭空氣鉆井?dāng)?shù)據(jù)表
東升1井(地層傾角為4°)
黃金1井(地層傾角為64°)
七里北2井(地層傾角為15°)
井深(m)
斜度(°)
鉆壓(kN)
層位
鉆速(m/h)
井深(m)
斜度(°)
鉆壓(kN)
層位
鉆速(m/h)
井深(m)
斜度(°)
鉆壓(kN)
層位
鉆速(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
為了保證井身質(zhì)量不得不采取低鉆壓的鉆井技術(shù)措施，同時(shí)還要增加井斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，便于及時(shí)調(diào)整鉆壓，從而鉆井機(jī)械鉆速變慢，周期變長(zhǎng)，使得氣體鉆井的效率大大降低。有沒有更好的辦法既能保證高的鉆井機(jī)械鉆速也能夠保證井斜較小，滿足井身質(zhì)量的要求呢？這將是我們氣體鉆井技術(shù)要研究的主要內(nèi)容之一。
2 氣體鉆井防斜技術(shù)研究與應(yīng)用
通過前面的井斜研究，我們知道了空氣錘的破巖機(jī)理與牙輪鉆頭的破巖機(jī)理有很大的區(qū)別，空氣錘通過空氣錘鉆頭沖擊破巖，而且破巖的動(dòng)力并非完全來自鉆頭上的鉆壓，而是靠空氣錘所產(chǎn)生的沖擊力，每分鐘上千次的高頻沖擊破巖變得非常容易，同時(shí)鉆壓只有20～50kN，比起常規(guī)鉆井鉆壓低得多，能夠很自然地實(shí)現(xiàn)鉆井中常用的輕壓吊打的防斜技術(shù)措施，采用此技術(shù)方法，在川渝地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，找到了既能保證低鉆壓又能保證高鉆速的氣體鉆井防斜技術(shù)，即空氣錘鉆井技術(shù)，大大加快了氣體鉆井速度，通過3口氣體鉆井的防斜打快試驗(yàn)，在川渝地區(qū)獲得了研究成果。
空氣錘鉆井技術(shù)是20世紀(jì)初開始試驗(yàn)，50～60年代獲得生產(chǎn)應(yīng)用，并于70～80年代推廣應(yīng)用形成的，空氣錘鉆井技術(shù)具有鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)/鉆井質(zhì)量好的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)空氣錘結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，工作性能優(yōu)化，鉆頭類型、工藝方法等方面進(jìn)行研究，使其適應(yīng)多種工程應(yīng)用的要求。國(guó)內(nèi)在石油天然氣鉆井方面的應(yīng)用幾乎是空白，在近幾年中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司開展了這方面的研究，目前空氣錘使用最深井深在4000m左右，耐溫100℃以上。自行研制的KQC系列空氣錘通過3口井的試驗(yàn)井斜控制很好，完全達(dá)到了鉆井設(shè)計(jì)井身質(zhì)量要求(見表2)。在3口井使用空氣錘的鉆進(jìn)井段測(cè)得最大井斜為2.35°，同時(shí)仍然保持了很高的鉆井機(jī)械鉆速，見到了較好的防斜打快效果。從安全角度考慮，鉆具組合選擇塔式鉆具組合，這樣盡最大可能地降低鉆具扭矩，達(dá)到減少鉆具事故和避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生。
表2 空氣錘空氣鉆井?dāng)?shù)據(jù)表
七北101井(地層傾角為15°)
LG1井(地層傾角為25°)
普光B-2井(地層傾角為25°)
井深(m)
斜度(°)
鉆壓(kN)
層位
鉆速(m/h)
井深(m)
斜度(°)
鉆壓(kN)
層位
鉆速(m/h)
井深(m)
斜度(°)
鉆壓(kN)
層位
鉆速(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 結(jié)論與建議
1) 氣體鉆井使用牙輪鉆頭只要選擇正確的鉆井參數(shù)，雖然難度增加，但井斜可以控制在鉆井設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。氣體鉆井使用牙輪鉆頭在地層傾角較大的地層鉆井速度會(huì)大大降低，仍然是常規(guī)鉆井速度的數(shù)倍，但不能最大限度地發(fā)揮氣體鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
2) 使用空氣錘鉆井技術(shù)，由予鉆進(jìn)方式的改變，不僅鉆井速度比牙輪鉆頭鉆井速度快而且防斜效果極佳，是氣體鉆井的最佳配套技術(shù)。由于空氣錘鉆井不需帶扶正器，采用塔式鉆具組合，井下鉆具扭矩相對(duì)較小，減少了井下鉆具事故，因此建議在氣體鉆井中廣泛推廣使用空氣錘鉆井技術(shù)。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：魏武 許期聰 鄧虎 川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院)