探讨加快克拉2 气田上部地层钻井速度新思路.docx
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探讨加快克拉2气田上部地层钻井速度新思路
探讨加快克拉2气田上部地层钻井速度新思路
郭海洲
摘要克拉2气田天然气储量相当可观，是西气东输的主要气源之一，但由于克拉2区块地层复杂，长期以来钻速低、周期长、复杂、事故时率高一直困扰着克拉2区块的开发进程，为了尽可能加快该区快的钻井速度，提高勘探开发综合效益，在该区块找到一种能大幅提高钻速的方法势在必行。
所以有必要对如何加快克拉2气田上部地层钻井速度进行探索。
关键词克拉2气田气体钻井机械钻速可行性
1克拉2气田地质概况
1.1地质分层及岩性描述
表1地质分层及岩性描述
系
组
底界深度
厚度
岩性描述
可钻级别
上第三系
康村组
1082
1082
中上部巨厚黄褐色泥岩与杂色小砾岩不等厚互层夹黄灰色泥质粉砂岩，下部浅灰色粉砂岩含砾粉砂岩，灰褐色砂砾岩、杂色小砾岩与褐色泥岩不等厚互层
中软3—4级
吉迪克组
2565
1483
杂色小砾岩同中厚层状褐色、紫红色泥岩不等厚互层，下部岩性以灰褐色粉砂岩、黄褐色泥质粉砂岩与泥岩互层，底部含砾粉砂岩夹褐色泥岩
中软—中硬3—5级
下第三系
苏维依组
2843
278
中厚层状褐色泥岩与灰白、灰褐色灰质粉砂岩、泥质砂岩频繁互层，局部见少量膏质泥岩
中硬4—5级
库姆格列木组
3602
759
泥岩、膏岩和岩盐、泥质岩盐互层，泥岩、硬石膏、白云岩、硬石膏、泥岩、含砾砂岩、粉砂岩
软—中硬
3—5级
白垩系
巴什基奇克组
3897
295
细砂岩、粉砂岩及含砾砂岩加少量薄层泥岩
中硬4—5级
巴西盖组
3976
79
细砂岩、粉砂岩及含砾砂岩加少量薄层褐色泥岩
中硬
舒善河组
4969
993
细砂岩、粉砂岩及含砾砂岩加少量薄层褐色泥岩
中硬
1.2上部地质特点
（1）上第三系地层倾角大（40°—60°），为高陡构造。
（2）下第三系苏维依组以上地层岩性结构简单，主要为泥岩、小砂砾岩互层。
（3）下第三系库姆格列木组有近500米的大段复合盐层。
（4）下第三系库姆格列木组下部有5米的白云岩高压气层，该段孔洞比较发育。
1.3地层压力分布
图1地层压力剖面
2克拉2气田钻井技术难点分析
2.1上部地层钻速慢、周期长。
其主要原因有两点：
一是上部地层倾角大（40°—60°），自然造斜能力强，常规钻具组合，控制井斜与提高机械钻速矛盾突出；二是下第三系苏维依组以上地层虽然岩性结构简单，但地层可钻性差。
为控制井斜，西气东输项目部不惜重金，租用斯伦贝谢的Power—V（自动垂直钻井系统）取得了很好的效果，在解放钻压的同时，井斜也得到了很好的控制，但由于地层可钻性差，机械钻速尽管比以往有了很大的突破，但仍然维持在一个较低的水平，从而导致了上部钻井周期过长。
表2是该区块使用Power—V部分井的统计数据。
表2使用Power—V部分井统计
井号
井段（m）
平均机械钻速（m/h）
钻井周期（d）
备注
kl2-4
0-149.6
1.54
19.19
其中中完14.5天
149.6-2976
2.44
92.65
2976-3548
1.72
42.54
3548-3888
1.73
33.2
其中完井20天
kl2-8
0-151
1.74
6.58
151-3215
2.96
77.59
3215-3604
2.31
30.87
3604-4246
1.1
83.63
其中完井32.5天
kl2-7
0-105.12
2.11
6.8
150.12-3071
2.1
91.88
3071-3558
1.43
41.56
3558-3944
1.08
84.2
其中完井38天
kl2-13
0-147
2.01
6.71
147-2887
2.92
62.12
2887-3558
1.58
由于等换套管头，使用1-2吨钻压钻进10天
2.2下第三系库姆格列木组的复杂问题。
库姆格列木组上部有近500米的复合盐层，该地层的可钻性非常好，但其吸水后极易蠕变缩径，常常导致卡钻，近年来采用高密度（2.2g/cm3）饱和盐水KCL聚黄钻井液体系，工程上配合一定的措施，有效地解决了复合盐层的钻井难题。
但岩下有5米的白云岩高压气层，该段孔洞比较发育，绝大多数井打开此地层后随即发生严重井漏。
一旦井漏就会造成液柱压力下降，继而引发缩径、溢流等复杂情况的发生，由于安全密度窗口很小（0.05g/cm3），处理起来十分复杂。
表3复杂统计
井号
漏失井段
漏失层位
漏失次数
漏失量（方）
损失时间（小时）
Kl2-4
3533.19
库姆格列木组
2
147.3
101.17
Kl2-8
3604-3621
库姆格列木组
3
83.85
57.7
Kl2-7
3076-3577
库姆格列木组
8
811
不详
Kl2-3
2800-4066
库姆格列木组、巴什基奇克、巴西盖
17
816
不详
Kl2-13
3540-3558
库姆格列木组
6
643
215
2.3钻具事故。
由于该区块存在多套压力系统，为满足安全钻井的需要，井身结构一般设计为五层套管。
上部井眼尺寸较大，泥浆固相含量高，钻进时扭矩较大，钻具极易发生疲劳、断裂。
在实际钻井施工过程中，钻具事故时有发生，严重制约了钻井速度的提高。
如kl2-8井共发生断钻具事故3次，损失时间138小时；kl2-7掉钻头事故损失时间378.8小时。
3加快克拉2气田上部地层钻井速度的设想
如前面所述，为控制井斜、加快钻井速度，西气东输项目部采用Power—V（自动垂直钻井系统）以控制井斜、解放钻压，同时全程使用PDC钻头以减少提下钻次数、提高机械钻速，两项措施取得了较好的效果，井斜得到了很好的控制，机械钻速也有了很大的突破（平均3.5米/小时），但由于使用Power—V费用很高（日费9000美元/日，另加68美元/米），只能部分井段使用，在没有使用该系统的井段的机械钻速却很低（平均1.8米/小时），从统计数据来看整个上部井段的机械钻速在2.1~2.8米/小时，因而导致了上部钻井周期过长（70—90天）。
钻井周期过长会带来一系列问题，如：
成本上升、井眼失稳、钻具疲劳、设备长期满负荷状态下的损伤等。
那么有没有一种技术使该区快上部地层的机械钻速得到大幅的提高呢？
经过大量的调研，我们提出这样一个设想：
在该区块上部地层使用气体钻井。
下面先让我们了解一下国内外气体钻井技术。
3.1国内外气体钻井成功的实例
3.1.1伊朗项目空气钻井
（1）项目概况
2002年3月伊朗项目空气钻井在伊朗南部位于TABNAK山脉的TABNAK气田，所钻地层多以碳酸盐为主，由于造山运动等多种因素使得该地层裂缝、孔隙极为发育，从井深40米左右开始不断出现井漏，大部分井段泥浆漏失极为严重，常规泥浆难以维持正常钻进，但采用空气钻井非常成功，机械钻速大幅提高（比常规泥浆钻井提高5~10倍），钻井周期从234d减至66d。
445mm三开采用空气钻井井段，所钻地层以页岩、粘土质灰岩为主，该地层遇水极易垮塌。
311mm四开采用空气钻井井段，所钻地层以石灰石、白云岩为主，钻至1200米左右开始由大段无水石膏和盐水层出现，下部地层也存在多个盐水层，该井段岩石孔隙极为发育。
（2）伊朗第1口空气钻井施工概况
Ф444.5mm井眼空气钻井井段25~956m，钻井参数：
钻压50~100KN；转速70r/min；泵压2.35~3.15MPa；空气排量240m3/min；空气钻井安全钻至井深956m结束，顺利下套管至固井井深，该井段空气钻井总进尺931m，平均机械钻速10m/h。
Ф311.2mm井眼空气钻井井段956~1824m，钻井参数：
钻压70~100KN；转速60~70r/min；泵压1.35~3.15MPa；空气排量140m3/min；安全钻至井深1824m，由于地层出水严重，结束空气钻井，改为空气泡沫钻井，空气钻井总进尺868m，平均机械钻速13.7m/h，泡沫钻井进尺639m，平均机械钻速6.66mh。
3.1.2川东矿区正坝1井空气钻井
（1）正坝1井概况
该井位于温泉井构造正坝高点偏西，设计井深2400m的1口预探井，目的是了解高点飞仙关组岩性的构造复合圈闭的含气情况，获取储层参数，探索飞仙关组气藏的分布聚集规律，发现后备升级资源，该井钻至井深30m开始发生井漏，漏失以失返的恶性井漏为主。
（2）空气钻井施工概况
Ф311.2mm井眼空气钻井井段138.46~518m，层位须家河组以砂岩、页岩为主，钻井参数：
钻压80~120KN；转速60r/min；泵压1.7~3.5MPa；空气排量110~150m3/min；安全快速钻至井深518m结束，顺利下入套管，空气钻井总进尺379.54m，平均机械钻速15.68m/h，机械钻速是川东地区相同层位泥浆钻井的7倍以上。
3.1.3窿9井空气/雾化钻井
（1）窿9井概况
该井位于甘肃玉门酒西凹陷祁连山北缘逆冲断裂带，于2002年4月22日一开，所钻地层均为逆演推覆体地层，所钻地层层位为志留系，旱峡组（0~510m）—泉脑组（1160m）—肮脏沟组（3223m）—中沟组（3331m），肮脏沟组岩性上部为大套灰黑色、浅灰色千枚岩、板岩；下部为深灰色、灰黑色、千枚岩、板岩、绿灰色白云质砂岩夹灰色凝灰岩、浅灰色凝灰岩、浅灰色白云岩、糜棱岩，千枚岩硬度达到8~9级，可钻性极差，同时地层倾角达到70°，机械钻速很低，到2003年3月7日钻井周期近11个月，进尺仅为2970m，为了提高该区快的钻井速度，业主决定试用空气钻井工艺技术来提高钻井速度。
（2）窿9井空气/雾化钻井施工概况
Ф216mm井眼空气/雾化钻井井段2970~3307.5m，所钻地层为肮脏沟组，岩性为千枚岩、糜棱岩。
钻井参数：
钻压10~40KN；转速55~65r/min；泵压1.0~3.5MPa；空气排量70~90m3/min；由于该井多达8次纠斜，井身质量差，在进行空气钻进食扭矩达（3.0~3.8KNm）转盘负荷重，不得不采用雾化钻井，泵入基液量100~150l/min，当钻至井深3224m进入中沟组后，在井深3300m左右径下开始阻卡严重，起钻后下不到底，有14m沉砂，钻至3307.5m转为常规泥浆钻进，空气/雾化钻进进尺337.5m，平均机械钻速2.48m/h，其中空气钻进进尺45.10m平均机械钻速4.72m/h；泡沫钻进进尺57.8m，平均机械钻速1.74m/h；雾化钻进进尺234.6m，平均机械钻速2.70m/h。
空气钻井比常规泥浆钻井机械钻速（0.54m/h）提高了近8倍，雾化钻井提高了5倍。
3.1.4长庆苏39-14-1天然气钻井
（1）苏里格气田地质概况
苏里格气田主要储层为上古生界下石盒子组和山西组，埋深3000m左右，从白垩系至三叠系延长组砂泥岩交互，而且水层较多。
三叠系纸坊组至二叠系上石盒子组以泥岩为主，水层较少。
为保护储层、提高钻速业主决定在苏39-14-1井上实施天然气钻井。
（2）苏39-14-1天然气钻井现场试验情况
2003年5月30日在苏39-14-1井实施小井眼天然气欠平衡钻井，该井钻进地层为延长组，共用了2只休斯公司的152STX—20DX钻头，第一只钻进井段1309m~1685m，进尺376m/h，机械钻速25.17m/h。
由于地层出水量大，供气量不足使得井眼净化不良，导致钻头早期损坏。
第二只钻头钻进井段1685m~2092.7m，进尺407.7m，机械钻速18.03m/h。
由于地层大量出水、井壁坍塌，被迫转为泥浆钻井。
该次天然气钻井试验井段1309~2092.7m，进尺783.7m，平均机械钻速20.87m/h，从2092.7~3460m井段采用泥浆钻井，进尺1367.3m，平均机械钻速2.78m/h，天然气钻井速度是泥浆钻井钻速的7.7倍。
3.1.5下表是对近年来国内空气/泡沫、雾化钻井的统计
表3近年国内空气/泡沫、雾化钻井统计
油田
井号
井眼尺寸（mm）
循环
介质
井段
进尺（m）
机械钻速（m/h）
新疆局
夏1023
216
雾化
1407.72-1512.02
104.3
14.58
夏1016
216
雾化
1745.00-1865.00
120
12.7
乌24
216
雾化
1626.00-2106.92
480.92
22.7
百1841
216
雾化
1763.17-1823.62
60.45
14.45
216
空气
1823.62-1957.05
123.46
23.9
216
雾化
1937.89-2180.98
233.9
17.3
百1827
216
雾化
1715.36-1820.53
66.72
18.8
216
空气
1769.5-1835.68
53.6
25.94
216
雾化
1836.2-1940.00
103.8
15.89
1653
216
雾化
827.37-1147.37
320
5.14
1671
216
雾化
985.85-1250.00
264.15
14.59
82026
216
雾化
2318.58-2389.52
70.94
14.05
216
雾化
2362.03-2487.63
125.6
13.55
9663
216
雾化
1015.09-1310.00
294.91
12.53
彩28
216
雾化
1603.00-1650.00
46.98
14.58
9143
311
泡沫
194-244.96
50.96
43.2
9625
216
泡沫
1069.92-1330.8
260.96
12.66
H050
216
泡沫
1587.24-1610.81
23.57
9.74
G2068
216
泡沫
3381-3461
81
12.56
呼3
311
泡沫
2195-2461
266
28.6
吐哈
牛102
216
泡沫
1698-2090
392
35
恰102
216
泡沫
1760-2023.53
242.53
7.26
长庆
塞6-41
216
泡沫
971-992
21
6.9
塞29-3
216
泡沫
1069.2-1124.5
55.3
5.78
陕242
152
天然气
3030-3190
157
11.77
苏35-18
152
天然气
3230-3335
105
18
苏39-14-1
152
天然气
1309-2092.7
783.7
20.87
玉门
窿9井
216
泡沫
2970-3307.5
337.5
2.48
四川
正坝1井
311
空气
138.46-518
379.54
15.68
3.2气体钻井技术提高机械钻速的理论依据
下图为L.W.库珀等人用印地安纳石灰岩石岩的压差对钻速的影响曲线，从图中可以看出压差对钻速的影响极大。
由于气体的密度低，井内液柱压力达到最低值，使井底形成一个很大的负压，钻头在负压下旋转导致岩石爆裂、破碎，从而最大限度的提高了地层的可钻性，空气/泡沫钻井比使用常规钻井液的机械钻速可提高5—10倍。
缺点是对付大量地层水侵入环空的能力是有限的。
上述理论在前一节“国内外气体钻井成功的实例”中得到证实。
印地安纳石灰岩渗透率为150-450Md
11/4in三亚轮钻头
上覆地层压力为6.000Ib/in2
钻压为10000Ib
图2压差钻速关系图
3.3克拉2气田上部地层实施气体钻井的可行性论证
3.3.1实施气体钻井的地质条件
地质资料较清楚，地层压力较稳定且较单一。
地层压力是欠平衡钻井中最主要的参数之一，地层压力多大、是否单一、稳定是决定能否实施气体钻井工艺技术的关键参数，所以钻前必须详细、精确地了解地质资料。
地层不含H2S或H2S含量低于20mg/cm3。
H2S是剧毒无色气体，少量吸入即可造成人和动物的死亡，H2S气体溶于水后形成弱酸，对钻具和设备有腐蚀性。
气体钻进段井壁稳定。
井壁不稳定都可归结为井壁岩石所受的应力超过其本身的强度，使其产生剪切或拉伸破坏而造成的，凡是影响井壁受力状态及井壁岩石强度的因素都将直接影响到井壁的稳定。
克拉2气田上第三系地层较稳定，下第三系苏维依组褐色泥岩坍塌最主要的原因是岩石吸水后水化，岩石强度降低，井壁所受的应力超过其本身的强度；库姆格列木组盐膏层的缩径，也是因为膏盐吸水后产生蠕变。
地层不产水或产水较低。
地层出水严重会造成携水能力差的循环流体的携带困难，造成钻进地层水淹、缩径、井塌等井下复杂，还会对钻井循环流体进行加重，失去气体钻进的效果。
所钻地层不含天然气。
空气/泡沫钻进中如果遇到天然气，就会引起井下爆炸事故。
3.3.2克拉2气田上部地层条件
目前克拉2气田上部地层地质资料已经比较清楚，从已钻井的情况来看有以下几个特征：
井眼较稳定。
在严格控制失水的情况下，大部分井上部地层都未出现井塌的现象。
上部地层压力稳定。
该区快上部地层（下第三系库姆格列木组泥岩段以上）压力系数为1.15—1.45。
个别井在上第三系康村组发现浅层气，钻井夜最高密度1.27g/cm3。
部分井在上第三系吉迪克组出盐水，量不大，压力也不高。
钻井夜最高1.32g/cm3。
评价结果：
通过对比，克拉2气田上部地层基本具备气体钻井的地质条件。
3.4实施气体钻井的效果预测
（1）机械钻速将大幅提高。
通过大量的统计对比，我们基本上可以得到一个这样的结论，空气/泡沫钻井的机械钻速是泥浆钻井的5—10倍；天然气钻井的机械钻速又比空气/泡沫钻井的快。
如果在克拉2气田上部井段实施空气钻井，预计上部地层机械钻速将达到9米以上。
（2）井身结构有可能得到简化。
目前该区快一般采用五层套管的井身结构，如果实施空气钻井后，将有可能直接钻完膏盐层，再下技术套管，从而简化了井身结构。
（3）钻井周期缩短、综合成本降低。
4实施气体钻井亟待解决的问题
（1）空气钻井条件下的防斜手段，Power—V能否继续使用？
（2）满足大尺寸井眼空气钻井的成套设备。
（3）摸清浅层气的构成。
（4）研究膏盐层进行空气钻井的可行性。
5认识和建议
（1）气体钻井能够大幅提高钻井速度，具有良好的前景。
（2）开展气体钻井技术在克拉2气田的可行性研究，不仅有利于加快克拉2气田的开发进程，而且也有利于形成一套在复杂地层更加完善、切实可行的高效钻井技术，为后续油田高效开发提供可借鉴或直接的成功经验。
（3）气体钻井技术是一项系统工程，它不但包含诸如理论、工艺、设备等相关联的整套技术本身，同时也关联着其他技术如勘探、开发、完井、测井、试采等系统。
（4）气体钻井应用前的论证和区域、井位的选择、地层特性的分析至关重要，直接关系到钻井循环介质的选择、施工参数的制定等，并直接影响到气体钻井施工的成败及其优势的发挥。
（5）结合克拉2气田的地质特征，对气体钻井技术进一步研究和应用形成一套高效钻井技术，对提高克拉2气田勘探开发综合效益具有重要的意义。
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