库车山前砾岩层钻井提速技术探索

贾培娟，李萍，吴易霖，吴建平

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300452）

塔里木盆地从构造结构特点上划分，分为山前地区和台盆地区。山前地区包括库车坳陷、西南坳陶和东南隆起。其中库车坳陷位于塔里木盆地北部，是一个以中、新生代沉积为主的叠加型前陆盆地。根据地质特点及钻井难度，库车山前地层分为三大类：岩上地层、复合地层和岩下地层。库车山前钻井难点颇多，本文着重分析盐上砾石层钻井难点及其技术措施，盐上地层包括第四系、新近系（库车组、康村组、吉迪克组）和古近系的苏维依组。地质特点：典型高陡构造特征，最大倾角达80°；
含大套砾石层，大北至博孜自东向西砾石层逐渐增厚，一般1000～3000m，最厚达5900m，且砾石大，胶结致密，抗压强度高；
康车—康村组承压能力低、断层发育。钻井难点：盐上地层防斜打快难度大；
砾石层和含砾石层可钻性极差，憋跳严重，机械钻速低；
易发生井漏。

目前，针对砾石层提速的主要措施前人做了大量研究[1-9]，主要是采用空气钻井技术、涡轮+孕镶钻头、钻具中带减震器的常规钻具组合技术。本文通过对库车山前砾石层空气钻井、涡轮+孕镶钻头、带减震器常规钻具的钻井技术现场应用情况和两口应用液力推动器的砾石层钻井实例进行分析，提出针对库车山前砾岩层钻进的减震提速技术措施。

以博孜X1井为例，该井是一口六开直井，2014年6月完钻，完钻井深6950m，二开和三开井段使用空气钻井技术总进尺1490.59m，平均机械钻速为3.65m/h，远高于常规钻井，提速效果明显。为了进一步分析钻速增幅程度，选用同区块常规井博孜X2相应井段的钻头技术指标进行对比，如表1所示。

表1 钻头技术指标对比分析

根据统计数据及钻井实际情况得出：

（1）空气钻井技术提速效果明显。在同一区块博孜X1和博孜X2井相同井段，前者采用空气钻井技术，提高机械钻速2.35倍，但由于井壁失稳，发生井下复杂，使行程钻速反而降低，没有达到缩短钻井周期的目的。

（2）空气钻井使用2只牙轮钻头（S127G和T44）和一只空气锤钎头KQC330。而常规钻井在相同井段使用了12只钻头，大幅度降低了钻头成本。

（3）博孜X1 井三开井段行程钻速较低，主要原因是井壁失稳发生卡钻所致。钻至井深3502m 中完，短起至2864m挂卡120kN，倒划至2825.89m憋跳顶驱，发生卡钻。爆炸松扣解卡，落鱼入井，鱼长246.52m，决定填眼侧钻。损失时间100.53d。

（4）博孜X1 井四开采用空气钻井技术钻进，钻至井深3992.59m，准备接立柱，起至3964m 正常，下划眼至3988.16m顶驱憋停，上提遇卡，上下活动钻具，注气压力13MPa 下降至6.7MPa，出口气量加大，返出大量岩屑，解卡。损失时间1.28d，终止空气钻井，改为常规钻井液体系钻进。

（5）气体钻井主要技术有待进一步完善。

①地层出水条件下井壁失稳。博孜X2 井主井眼2502～2525m、2588.34～2602m 存在渗透性水层，侧钻井段2530～2550m岩屑含泥质砂岩，2502～2602m井段存在渗透性水层和泥质含量较高的层段，故该井段坍塌掉块风险较大。②空气钻井未实现随钻井测斜，吊测井斜影响钻井时效。③岩性定性困难。空气钻井岩屑几乎为粉末状或砂状，岩性定性困难，且无法对砾石层胶结物中泥质含量、泥质成分进行定量分析，而这对于砾石层干眼条件下的力学井壁稳定性评价和出水条件下的井壁稳定性非常重要。④砾石层空气钻井井斜控制困难。博孜X1井最初采用钎头+空气锤+单扶钻具空气钻进，控时钻井效果不理想，井斜最大增至3.96°/2913m，后采用瑞德T44 钻头+预弯短节+单扶钻具组合空气钻进，井斜仍持续增加，最大增至4.9°/2913m，最后采用牙轮钻头+预弯短节+双扶钟摆钻具，钻压小于10kN，转速55r/min，有效控制了井斜，井斜逐步控制在1°以内，最深测点井斜0.63°/3407m。

综上所述，砾岩层空气钻井可大幅度提高机械钻速，但受制于苛刻地质条件，地层不能出水，难以大范围推广。

该区块博改X3、博孜X4井最近皆使用了涡轮+孕镶钻头钻井技术，但价格非常昂贵，以博孜X4井为例，博孜X4井设计井深7090m，目的层为白垩系巴什基奇克组，五开直井。对运用该技术的钻头钻井技术指标进行分析。

由图1和图2可以可以看出：

图1 博孜X4井二开部分井段钻头技术指标

图2 博孜X4三开涡轮钻进与博孜X2常规钻进的技术指标对比

（1）博孜X4 二开涡轮+孕镶钻头钻井技术指标明显高于邻近钻头，但防斜效果欠佳。为了保证井身质量，被迫中止涡轮钻进。

（2）博孜X4三开采用涡轮+孕镶钻头钻进，钻井技术指标大幅度提高。正常情况下，涡轮钻进单只进尺350m左右，纯钻时间约170h。

盐上地层含大套砾石层，钻进过程中，钻具憋跳严重，为了减轻钻具磨损程度，一般钻具组合带有减震器。根据博孜X3井二开井段钻井组合技术指标分析：①未带减震器钻头，跳钻严重，造成钻头早期磨损，以致整个钻头的机械钻速低于同地层钻头；
②带减震器钻具组合的进尺和钻速明显高于常规钻具。

根据博孜X3 井钻井日报分析二开井段的钻具磨损情况，发现以下问题：①岩性可钻性差，导致钻具憋跳钻，钻具磨损严重。二开井段损坏10只减震器、磨损9只稳定器和24只转换接头。②影响钻井时效。为避免钻具疲劳破坏，二开井段对钻具进行5次探伤检查；
每次起钻，加重钻杆、钻铤逐根卸开释放应力。③第四系钻具憋跳严重。每一趟钻更换一个减震器，随着井深的增加，稳定器磨损程度逐步减轻，使用寿命有所增加。④库车组上部地层钻具磨损程度趋缓。进尺580m 仅更换一只稳定器和4 只转换接头，例行一次钻具探伤检查。

液力推力器主要由上接头、活塞、缸体、活塞杆和心轴组成。上接头与钻铤相连接，下接头连钻头。TLQ液力推力器为多级活塞结构，一般为2～5级。其主要功能是将其下部钻具（钻头或井下马达）的压降转换成钻压。①在直井段钻进时稳定钻压减小震动。②在水平井中，能解决托压、防止钻柱失效、提高钻头使用寿命等问题。

液力推力器是利用泥浆流过它以下钻具（如马达、钻头等）的压降作用在其活塞上而产生钻压。设活塞面积为S，下部钻具（钻头）压力降为ΔP，则液力推力器产生的钻压F，F=ΔP×S。它产生钻压的大小只与活塞的面积和压力降有关，当活塞面积一定，可通过调整钻井参数（如钻头水眼大小、泵排量等）改变压力降ΔP从而得到合适的钻压。

推力计算公式：

式中：ΔP——液力推力器下部钻具产生的压力降；

S——活塞的有效面积。

式中：C——流量系数；

De——喷嘴当量直径。

式中：dn——第n级活塞的作用面积。

该技术在玉门油田青Y1井和中古Y2井得到了很好的应用效果。

4.1 玉门油田青Y1井

（1）钻井难点：青Y1 井在二开钻进过程中预计将钻遇大量砾石层，从邻井柳Z1、青Y3井钻井情况来看，钻进过程中憋跳严重，钻头进尺大大缩短。青西凹陷属高陡构造，地层倾角较大（15°～25°），而按照设计要求直井段控制井斜小于5°，为保证达到设计要求，故直井段钻进时往往采用轻压吊打方式钻进，极大影响了钻井速度。

（2）钻压设计：TLQ203II 液力推力器安放于钻头之上，泥浆密度1.15g/cm3，排量32L/s，有效活塞作用面积446cm2，根据公式（1）计算，选用20 号喷嘴（直径15.88mm）两个、16 号喷嘴（直径12.70mm）一个，钻头压降2.32MPa，液力推力器产生推力103.4kN，约10.5t。采用钻具组合：241.3mm 牙轮钻头（HJ517G）+203mm 液力推力器（TLQ203II）+203 钻铤（2 根）+240扶正器+172mm无磁钻铤+165mm钻铤（9根）+127mm加重钻杆（12根）+127mm钻杆（若干）。

（3）调试钻压，验证液力推力器有效钻压。调试钻压（80～120kN），观察钻具下放幅度，确定液力推力器有效钻压。当钻压小于80kN时，钻具下放幅度同常规钻具一样，随着钻具的下放，钻压逐步增大；
当钻压加到100～110kN 时，继续下放钻具0.5～0.6m 期间，指重表显示钻压稳定不变。继续下放钻具，指重表恢复常态，钻压逐渐增加到120kN。说明液力推力器产生推力在100kN左右，与理论计算值（103.4kN）大致相同。

（4）减小震动，保护钻具。青Y1 井钻遇砾石层跳钻现象明显，若此时采用小钻压、低转速钻进，势必造成机械钻速降低；
若采用大钻压钻进，则会严重影响钻头寿命，钻柱也易发生疲劳破坏。而采用了液力推力器后，在行程范围内，钻头和钻铤之间为柔性连接，从而最大限度地吸收钻柱振动和钻头冲击，实现了标本兼治。如图3所示，在井队指重表记录纸上，可以明显地观察到在8:00～9:45这段时间内，稳定在100kN钻压时，振动明显减小，使得整个钻进过程中连续平稳地进行。较好地保护了钻头，提高了钻头使用寿命。

图3 振幅比较

4.2 中古Y2井

（1）试验井段地层情况。该试验井段地层为二叠系，厚约671m，大套灰、褐色为基调的砂泥岩夹火山喷发岩。自上而下可分为四个岩性段。其中，第三岩性段为火山碎屑岩段，厚约160m，中部及下部为中厚层状泥岩、凝灰质砂岩粉砂岩略等厚互层，中上部夹中厚层状玄武岩。

（2）钻压设计：中古Y2 井使用TLQ165Ⅱ液力推力器安放于螺杆之上，钻头使用川克(CKS605Z)PDC钻头，排量为33L/s，泥浆密度1.3g/cm3，TLQ165Ⅱ活塞面积S=208cm2，算出钻头压降ΔP1=0.16MPa，螺杆压降ΔP2=2～3MPa，总钻压F=(ΔP1+ΔP2)×S=45～66kN。钻具组合：∅215.9mm 钻头+∅172mm 螺杆+∅165mm液力推力器+浮阀+∅215.9mm扶正器+∅159mm 螺旋钻铤+∅215.9mm 稳定器+∅178mm 测斜短接+∅159mm 无磁钻铤+∅159mm 螺旋钻铤（14根）+∅127mm 加重钻杆（15 根）+∅127mm 钻杆（若干）。

通过中古Y2井使用液力推力器和邻井Y3井未使用液力推力器的钻井参数进行对比（见表2），可以得到：

表2 中古Y2井和中古Y3井钻进参数对比表

（1）提高了机械钻速。中古Y2井使用液力推力器后机械钻速有一定的提高（层位P提高30%，层位C1提高15%）。

（2）保护了钻具。①使用TLQ165Ⅱ液力推力器后，消除了之前的轻微跳转现象，使得整个钻进过程中连续平稳的进行。②使钻头始终接触井底，钻压稳定，钻进平稳，较好地保护了钻头，提高了钻头使用寿命。③随TLQ 入井的螺杆使用后完好，并可以再次使用。④利用TLQ 工作行程减缓由于加压不均造成的钻具损伤，提高钻柱的使用寿命。

总之，利用该工具的有效工作行程，在它的工作行程内将钻头的纵向振动与液力推力器以上的钻具振动隔开来，也即隔离了它们之间的轴向力联系，可使钻头在稳定的钻压下钻进，有效地克服了因砾岩层岩性的变化造成钻头的剧烈变化的纵向载荷对钻柱的不良影响，消除了由于纵向振动激发的横向振动，消除了钻头的剧烈跳动，减少了峰值钻压对钻头的轴承及牙齿的破坏，从而增加了钻头在井底的有效工作时间，延长了钻头的使用寿命，提高了钻头的机械钻速；
并且可以预防顿钻和溜钻的发生，延长了钻具疲劳失效时间，减少了钻柱折断和刺漏事故的发生，从而保护了钻具。

综上所述，空气钻井技术和涡轮+孕镶钻头钻井技术在库车山前砾石层可大幅度提高砾岩层钻井速度，但仍具有一定的局限性。前者在地层出水条件下井壁失稳，易产生事故复杂；
后者钻具防斜效果欠佳，尤其在库车有以上地层（二开井段底部），地质倾角较大，难以保证井身质量。常规钻具钻进，钻具磨损严重，钻速慢。针对库车山前砾岩钻进，提出减震提速措施建议：①二开井段17″井眼，若地质条件许可，首选空气钻井技术，其次，建议使用9″液力推力器，稳定钻压，抑制钻具憋跳，提高生产时效；
第三，进入库车组，砾岩减少，井斜稳定，可以考虑使用涡轮钻井技术；
②三开井段13-1/8″井眼，地层倾角趋于平缓，使用涡轮钻井技术，同时带定向接头，延缓增斜速度。

针对砾岩层的钻井提速措施，本文对空气钻井、涡轮+孕镶钻头、带减震器常规钻具以及使用液力推力器的现场应用分析，对不同地层的砾石层情况的优快钻井有一定的参考意义。