风古001井二叠系地层钻井提速技术探讨

宋　琳，韩先柱，罗　增，张文波，武建国

（1.中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000；2.中国石油新疆油田公司监理公司，新疆克拉玛依834000）

风古001井二叠系地层钻井提速技术探讨

宋琳*1，韩先柱2，罗增1，张文波1，武建国2

（1.中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000；2.中国石油新疆油田公司监理公司，新疆克拉玛依834000）

风古001井钻遇二叠系地层具有埋深浅、厚度大且凝灰岩、白云岩、凝灰质砂砾岩优势明显的特点，呈现出岩石研磨性强、可钻性差（可钻性级值5～8）的特征，造成机械钻速低，钻井周期长；同时，下盘二叠系风城组储集空间类型均以裂缝、溶孔为主，造成风古001井井漏复杂时有发生。为提高本井机械钻速，缩短建井周期，根据风古001井钻遇地层的特性，分别从钻井工具和钻井工艺2个方面改进风古001井钻井提速技术措施，从而为可钻性差的研磨性硬地层钻井提速提供新的技术途径。

二叠系；提速工具；气体钻井可行性分析；氮气钻井

1　风古001井概况

风古001井是准噶尔盆地西北缘乌夏断裂带西端的一口重点开发评价井，钻探目的为探索浅层下二叠系含油特征，落实储层及油层展布。本井钻遇地层为白垩系吐谷鲁组，侏罗系齐古组，上盘二叠系中统混层、风城组。上部白垩系吐谷鲁群（K1Tg）—上盘二叠系中统（P2l）为碎屑岩、砂泥岩互层。进入上盘风城组（P1fl）开始至井底为一大套凝灰岩［1］。

表1　风古001井实钻地质分层表

图1　风古001井石炭系凝灰岩录井照片

图2　风古001井二叠系风城组（P1f）XRMI成像识别裂缝

表2　风古001井井身结构表

2　风古001井钻井提速技术难点

（1）该井二开地层为风城组，其岩石呈现灰质和白云质特征，胶结性差，易发生井壁掉块及坍塌；

（2）实钻期间三叠系岩石特征未表现，常规的地质层位缺失，给钻井期间工程方案执行提出挑战；

（3）该井二叠系风城组，凝灰岩及白云质岩石优势明显，其地层可钻性差、地层倾角大、裂缝带多，致使机速低，钻头选型和井斜控制难度大；

（4）XRMI测量井段为3118.0～3690.0m，结果表明：二叠系风城组层理发育，根据白云质泥岩绿模式，地层倾角在40°～50°之间，倾向偏北，防斜打直难度较高；

（5）对本井下盘二叠系风城组进行经铸体薄片分析，其储集空间类型以裂缝、溶孔为主，易发生失返性井漏，井控风险大。该井二开期间共发生11次井漏，增加了钻井周期和成本；

（6）地层岩石强度大，研磨性高，可钻性级值在5～8之间，钻头牙齿损坏严重。

3　钻速提高工艺选择

3.1提速工具的应用

3.1.1几种提速工具介绍

风古001井二开自井深600m开始钻进，钻进至井深1250m后机械钻速明显降低。该井二叠系和石炭系岩石可钻性差，本井二开机械钻速严重偏低，采用了多种提速方法（主要是特殊工具在钻井中应用）。

经过筛选，风古001井主要应用了涡轮钻具、液力推进器、减震器等特殊钻井工具。

涡轮钻具是一种自身具有压降较大、无橡胶元件、抗高温能力更强的井下动力钻具，它能够提供更高的钻速、扭矩。针对深井、超深井及高温高压井的钻井提速，涡轮钻具的应用较为广泛，能够适应井下高温、高密度钻井液体系。然而，由于涡轮钻具的结构较复杂，目前国内涡轮钻具性能参差不齐，使用成本高，而且对钻井液固相含量和固体颗粒大小要求严格，导致推广使用受限。

液力推进器连接在钻头和钻铤之间，将下部的压力降转换为轴向的钻压传递给钻头，在钻进过程中起到减震的作用，能改善井下钻柱受力状态，从而提高钻速并防止钻柱损坏。

减震器可以提高钻头使用寿命，在功能上满足3点要求：传递钻压，将上部钻铤的钻压传递到钻头上；传递扭矩，将来自转盘的扭矩传递到钻头上；减震，吸收来自钻头的轴向冲击能量，减缓钻柱的震动及对钻头的冲击载荷，从而延长钻头使用寿命［4］。

3.1.2现场应用

风古001井二叠系地层高致密性凝灰岩硬度大，研磨性极强，钻进过程中偶发憋跳，常规钻具组合钻进时，钻头牙轮多次出现断齿现象，钻井提速困难。二开后期钻进考虑采用多种特殊工具配合三牙轮钻头。

风古001井使用的几种特殊工艺钻具组合：

涡轮钻具组合：∅311.15mm孕镶式钻头+涡轮钻具+ ∅203mm钻铤×9根+∅178mm钻铤×3根+∅127mm加重钻杆×6根+∅127mm钻杆。

液力推进器钻具组合：∅311.15mm钻头+∅240mm液力推进器+∅228.60mm钻铤2根+∅311mm稳定器+ ∅228.60mm钻铤1根+∅203.2mm钻铤5根+∅177.80mm钻铤9根+∅178mm随钻震击器+∅177.80mm钻铤3 根+∅127mm钻杆。

减震器钻具组合：∅311.15mm钻头+∅229mm减震器+ ∅228.60mm钻铤2根+∅311mm稳定器+∅228.60mm钻铤1根+∅203.2mm钻铤6根+∅177.80mm钻铤9根+ ∅178mm随钻震击器+∅177.80mm钻铤3根+∅127mm钻杆。

3.1.3效果分析

采用多种提速方法均无明显效果，在1281～3120m地层分段钻井情况显示：常规钻井平均机速为0.58m/h，其他提速工具平均机速为0.52m/h，液力推进器平均机速为1.36m/h。在同一地层，使用液力推进器井段的机械钻速相对较高（如表3所示）。

表3　风古001井不同提速工具机械钻速对比表

3.2氮气钻井

3.2.1氮气钻井的特点

欠平衡氮气钻井技术主要具有4方面的优点：①可减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的产量的效果，有利于及时发现低压低渗油气层，为勘探开发整体方案设计提供准确依据；②减少大量用水，氮气取得方便，成本低；③大幅度提高机械钻速，延长钻头使用寿命，从而缩短钻井周期；④有效地控制漏失，并减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生，同时减少或免去油层改造等作业措施及昂贵的费用。

但是，氮气钻井对地层稳定性要求很高，要求先期对地层有足够的了解，井下掌握准确；同时，氮气钻井井内为负压，属欠平衡钻井，从平衡钻井角度来看，大大增加了井控风险，对现场操作提出了挑战。

3.2.2氮气钻井的应用情况

3.2.2.1可行性分析

结合风古001井二叠系钻速缓慢情况，提出应用欠平衡氮气钻井的可行性。

风古001井三开将可能钻遇夏子街组（P2x）、风城组（P1f），参考邻井相同地层对三开二叠系地层的井壁稳定性及钻井风险展开评价。

（1）若钻遇P2x组。从准噶尔盆地西北缘玛湖地区的钻井地质情况来看，P2x组地层稳定性较好，岩性为白云质砂泥岩，地层基本不存在发生水化坍塌的风险［3］。风南8井P2x井眼扩大率小于10%，坍塌压力小于0.2。白22井夏子街组实施泡沫欠平衡钻井，未出现井壁失稳现象。因此，夏子街组（P2x）地层稳定性较好，具备实施气体钻井条件。

（2）若钻遇P1f组。根据邻井风19井、风南8井测井资料分析及实钻情况来看，风城组P1f组属于力学稳定地层，岩性以云化的白云岩为主，基本不存在井壁坍塌的风险，该地层井段具备实施气体钻井的条件［2-3］。

（3）氮气钻井地层出油/水后钻井风险预测分析。氮气钻井条件下，若没有地层水/原油进入井筒，环空中的钻屑不会结块且排砂口返屑正常。但当氮气钻井钻遇水层/油层后，环空中的粉尘遇到少量水/或油会相互结块，形成单位重量较大的块状岩屑。大尺寸岩屑随钻运移到钻铤和钻杆连接处顶点，该处环空面积突然增大，上返速度减小，使得岩屑在该处发生因环空返速不够而导致携岩不畅，在工程上则有可能导致卡钻。同时，形成因流道面积变化而可能产生井下燃爆［3］。

图3　风南8井坍塌压力剖面及井径扩大率

此外，地层出水后随钻进入井筒的地层水，在气流携带作用下沿井筒向上运移，地层水与井壁接触，则有可能导致部分层段吸水后的坍塌卡钻。而井壁坍塌后，则有可能发生因环空面积增加、流速不够而导致卡钻。因此，地层出水后，根据井眼稳定及出水情况，进行钻井工艺的转换。

根据邻井风南5井和风南7井在风城组多段解释为油气层，风南3井、风南4井在风城组风一段解释有水层，同时本井地质认识尚不完全清楚，钻遇地层具有一定的不确定性，即在三开氮气钻井中存在因地层出水导致携岩不畅卡钻的风险。就现有技术而言，气体钻井泥饼环导致的卡钻风险尚无有效工艺予以完全消除。因此，如果地层出水出油影响到携岩时，必须考虑到及时进行工艺转换，保证钻井安全。

（4）氮气钻井井控风险分析。地质设计提示本井风城组井段3060～3660m有良好油气显示可能，预测目的层压力系数达到1.38g/cm3，井底底层压力高达51MPa。另外，本井地质认识模糊，在钻井中存在着因地质预测误差导致的潜在井控风险。因此，要求在氮气/氮气雾化钻井阶段，做好可能钻遇高压油气藏的井筒压力控制应急方案。

本设计应对井控风险的技术措施：①目的层上层技术套管按照管内全掏空的情况下，对套管进行强度校核，下入套管必须满足其强度要求。②选用70MPa压力级别井控装备；③旋转控制头需达到设计试压标准；④所用钻具达到一级钻具标准。

施工方做好钻遇油气层应急预案，在氮气钻进作业期间，做好地层流体监测工作，一旦钻遇高压高产油气，立即执行应急预案。

3.2.2.2氮气钻井提速效果

现场的氮气钻井钻具组合为：∅215.9mm钻头+∅165mm单流阀+∅158.8mm钻铤2根+∅215mm扶正器+∅158.8mm钻铤20根+∅165mm随钻震击器+∅158.8mm钻铤3 根+∅127mm钻杆。

将三牙轮钻头更换空气锤后的钻具组合：PKQC180-216I空气锤+∅165mm单流阀+∅158.8mm钻铤2根+∅215mm扶正器+∅158.8mm钻铤20根+∅165mm随钻震击器+∅158.8mm钻铤3根+∅127mm钻杆。

从表4可以看出，在风古001井应用氮气钻井工艺，其机械钻速为转盘钻井机械钻速的4倍，提速效果明显，既缩短了钻井周期，又有效避免了风古001井持续的井漏复杂情况。

4　建议及结论

（1）通过分析乌夏地区二叠系风城组钻井、地质资料，二叠系地层岩性纵横变化大，均质性差，深部地层硬、研磨性强、岩石可钻性差，要选用具有抗冲击和抗研磨性的钻头；

表4　氮气钻井与常规转盘钻井机械钻速情况表

（2）为保证提速应用的成功率，建议做好不同钻井方式的钻前可行性论证，减少和避免不必要的深井起下钻；

（3）类似乌夏地区二叠系风城组地层倾角大、穿越断层多，且地层压力低，容易造成失返性漏失的特点，建议应用气基流体欠平衡钻井为提速的最优钻井方式；

（4）无论采取何种类型的流体介质，何种作业工况，均必须能够实现对所钻井井底压力的有效控制，即钻井必须在井控安全的前提下进行。

［1］阮彪.新疆油田乌夏地区二叠系地层岩石特性及钻井提速技术研究［R］.长江大学，2013.

［2］风古001井三开氮气钻井工程设计［R］.新疆油田公司工程技术研究院，2014.

［3］陈廷根，管志川.钻井工程理论与技术［M］.东营：中国石油大学出版社，2000.

［4］赵金洲，张桂林.钻井工程技术手册［M］.中国石化出版社，2007.

Technology Discussion to Improve Drilling Speed of Fenggu 001 Well in Permian Strata

SONG Lin1，HAN Xian-zhu2，LUO Zeng1，ZHANG Wen-bo1，WU Jian-guo2
（1.Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oil Field Co.，PetroChina，Karamay Xinjiang 834000，China；2.China Petroleum Xinjiang Oil Field Co.Supervision Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

Permian strata in which Fenggu 001 Well was in the drilling have characteristics of superficial buried depth，big thickness and dominant amount of tuff，dolomite，tuffaceous sandstone，showing the features of strong rock abrasivenesss and poor drillability（drillability value is from 5 to 8），which lead to low rate of penetration and long drilling cycle.Meanwhile the reservoir space types of footwall Permian Fengcheng Formation are mainly fracture and corroded hollow which occasionally caused lost circulation of Fenggu 001 Wells.In order to improve the penetration rate and shorten the construction cycle，according to the drilling strata characteristics of Fenggu 001 Well，this paper improves the technical measures to increase the drilling rate of the Fenggu 001well，respectively from two aspects of drilling tools and drilling technics. This can provide new technical way to improve drilling speed for hard formation with strong rock abrasivenesss and poor drillability.

Permian；speed raising tool；feasibility analysis of gas drilling；nitrogen drilling

TD82.72

A

1004-5716（2016）05-0027-05

2015-05-07

2015-05-08

宋琳（1989-），男（汉族），山东阳谷人，助理工程师，现从事油气井固完井工程设计工作。