欠平衡钻井技术在元坝121H井的应用

张辉 ，刘功威 ，兰凯 ，肖冠琦

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001）

1 元坝121H井概况

元坝121H井是中国石化西南油气分公司部署的一口用于开发评价的超深水平井，位于四川盆地川东北巴中低缓构造带元坝Ⅰ块长兴—飞仙关组礁滩异常体南翼，设计垂深7 280.00 m，斜深8 158.00 m，目的层位为长兴组滩相。

元坝区块地层压力梯度高，气层多，特别是钻至千佛崖、自流井、须家河地层，采用常规钻井技术机械钻速低［1-3］，从而影响了油气勘探开发进程，这就要求钻井过程中需采用先进的技术手段，提高钻井效率和油气勘探开发的成功率。欠平衡钻井技术作为一种新兴的钻井技术［4］，在提高钻井效率上优势显著，已广泛应用于四川地区的钻井实践，并取得了良好效益。根据元坝121H井所处地层的地质特点和施工条件，利用元坝地区的实钻资料［5-6］，在不同井段采用相应的欠平衡钻井工艺，提高了钻井速度，缩短了钻井周期，为该地区的欠平衡钻井施工提供了宝贵经验。

2 欠平衡钻井液体系设计

在欠平衡钻井过程中，钻井液的井底压力要低于地层孔隙压力，这就要求欠平衡钻井液体系的密度在一定范围内是可调的。特别需要注意的是，欠平衡钻井液的最低密度要比给定的地层压力系数低，以便实际地层压力系数低于预测的地层压力系数时，能够降低钻井液密度，保证欠平衡钻井的实施［7-9］。因此，根据预测地层压力系数合理地选择钻井液密度和类型，是安全快速进行欠平衡钻井的前提（见表1）。

表1 钻井液类型选择

3 欠平衡钻井施工工艺

在研磨性较强的地层使用常规钻井液钻井时，机械钻速较低，钻井周期较长。为了有效地提高元坝121H井的机械钻速，缩短钻井周期，降低钻井成本，钻进过程中分别在一开、二开、三开井段使用了3种不同的欠平衡钻井技术，机械钻速提高到原来的1.2～6.0倍。

3.1 一开泡沫钻井

一开井段32.00～702.00 m采用泡沫钻井技术，分2趟进行钻进。

1）第1趟钻，井深32.00～76.00 m，钻压30～180 kN，转速25～60 r/min，空气排量140 m3/min，注气压力1.8～2.4 MPa。先采用泡沫基液钻透水泥塞，磨合钻头，轻压试钻，再逐步加压钻进。本次泡沫钻井累计纯钻时间35.50 h，累计进尺44.00 m，平均机械钻速1.24 m/h。

2）第2趟钻，井深 76.00～702.00 m，钻压160～260 kN，转速50～60 r/min，空气排量140 m3/min，注气压力2.0～3.8 MPa。在第1次泡沫钻井结束后更换钻头，下入组合钻具，进行循环、划眼，继续泡沫钻进。当钻压加到196 kN以上时，钻速明显提高。本次泡沫钻井累计纯钻时间144.50 h，累计进尺626.00 m，平均机械钻速4.33 m/h。

3.2 二开空气钻井

二开井段702.00～3 066.70 m采用空气钻井［10-12］，分3趟进行钻进。

1）第 1趟钻，井深 702.00～1 644.02 m，钻压 60～130 kN，转速 40～65 r/min，空气排量 100～260 m3/min，注气压力1.6～2.2 MPa。本趟累计纯钻时间119.33 h，累计进尺942.02 m，平均机械钻速7.89 m/h。

2）第2趟钻，井深1 644.02～2 756.87 m，钻压110～130 kN，转速 65 r/min，空气排量 240～300 m3/min，注气压力1.8～2.8 MPa。井底约有一根单根的沉砂，于是加大气体排量，由275 m3/min加至300 m3/min，继续空气钻进，恢复正常。本趟累计纯钻时间90.50 h，累计进尺1 112.85 m，平均机械钻速12.30 m/h。

3）第3趟钻，井深2 756.87～3 054.50 m，钻压 80～110 kN，转速 65 r/min，空气排量 300～320 m3/min，注气压力2.8～3.2 MPa。组合钻具下钻至2 686.82 m沉砂遇阻（井深2 756.87 m，沉砂29.95 m），于是加强循环继续钻进，但是在接单根时仍有沉砂，故结束空气钻井，转为钻井液钻进。本趟累计纯钻时间40.08 h，累计进尺297.63 m，平均机械钻速7.43 m/h。

在本次二开空气钻井过程中，出现了几次沉砂现象，分析认为：当使用空气钻井时，钻速会比较快，稍一停泵，悬浮的岩屑就会下沉，堵死环空，埋住钻头与部分钻具，形成卡钻。

3.3 三开液相欠平衡钻井

三开井段3 066.70～4 543.30 m采用钻井液欠平衡钻井技术。在钻进期间遇到自流井组井漏情况，随即配重浆压井作业，经多次压井在保证井控安全的前提下，继续三开欠平衡钻进。在钻遇地层交界破碎带和砾岩层段时，均发生严重蹩跳钻，提速效果不明显，因此终止欠平衡钻进，转为常规钻井液钻进。本次钻井过程累计纯钻时间1 318.39 h，累计进尺1 476.60 m，平均机械钻速为1.12 m/h。

4 效果分析

元坝121H井采用欠平衡钻井技术后的分井段提速效果对比如表2所示。

表2 提速效果对比

由表2可知：

1）一开钻井过程中，井很浅，使用泡沫钻井技术可以有效提高钻速。根据元坝地区实钻资料统计，一开井眼尺寸大，常规钻井液机械钻速慢，平均钻速只有0.76 m/h，本次一开泡沫钻井的平均钻速为3.72 m/h，是常规钻井液钻速的4.9倍。泡沫钻井结果表明：元坝区块属于地质圈闭构造，一开阶段利用泡沫钻井井斜小，且地层稳定，提速效果明显，适合欠平衡泡沫钻井。

2）二开钻井过程中，使用空气钻井技术可以极大地提高钻速。二开井段常规钻井液钻井平均钻速1.57 m/h，使用空气钻井后钻速可提升至9.41 m/h，是常规钻井液钻速的6.0倍。空气钻井结果表明：空气钻井能够强化钻进参数，明显提高了机械钻速，缩短了钻井周期。对于易漏地层，它能很好地避免井下复杂情况。

3）三开钻井过程中，在沙溪庙组、自流井组、须家河组使用钻井液欠平衡钻井技术并没有有效地提高钻速，常规钻井液三开钻速为0.92 m/h，而使用欠平衡技术中的钻井液钻速为1.12 m/h，钻速仅为常规钻井液钻速的1.2倍，远没有达到高效提速的效果。

由于三开井段为高压低渗裂缝性气层，地层压力当量密度窗口窄，沙溪庙组地层不稳定，自流井组为地层高压气层，须家河组地层井壁不稳定，容易垮塌，从而导致无法实施气相欠平衡钻井。当使用液体欠平衡钻井技术时，不仅钻穿须家河组难度比较大，而且提速效果并不明显。因此，实施液体欠平衡钻井虽然是自流井组和须家河组地层提速的重要技术手段，可以通过优化钻井液性能从而提高钻井液抑制井壁垮塌的能力，来实现欠平衡钻进；但是，综合考虑欠平衡钻井成本、井控风险、井壁稳定等因素，一旦提速效果不明显或出现其他复杂情况，就应该终止欠平衡钻井，转为常规钻井液钻井。

由本井三开井段的地层参数（见表3）可知，自流井组和须家河组大部分地层压力系数都超过了1.30。根据表1，当地层压力系数超过1.30时，应该选择常规水基钻井液。

表3 元坝121H井三开地层参数

而本井三开阶段实际选择了钻井液欠平衡钻井体系，提速效果并不明显，也从侧面证明了计算结果的合理性，同时表明当地层压力系数过高时不宜使用欠平衡钻井技术。

5 结论

1）元坝地区地层条件相对稳定，在保证其他技术条件可靠的前提下，在某些层段实施欠平衡钻井技术，并配合复合钻井等技术，合理匹配钻井液和钻进参数，优选钻头，可以实现优快钻进的目标。

2）当使用空气钻井技术时，要缩短接单根时间，停泵前要将钻具提离井底并随时活动钻具，避免发生沉砂卡钻。

3）在欠平衡钻井过程中，应详细研究、评估所测数据和相关资料，准确预测各阶段地层的压力系数，优选钻井液类型。当钻遇高压和井壁不稳定地层，提速效果不明显时，综合考虑欠平衡钻井成本、井控风险、井壁稳定等因素，应当终止欠平衡钻井，改为安全风险较小的钻井液钻井。

［1］高航献，翟佳，曾鹏珲.元坝地区钻井提速探索与实践［J］.石油钻探技术，2010，38（4）：26-29.

［2］高成军，张立春，张讲丽.欠平衡钻井技术的应用与认识［J］.断块油气田，2009，16（5）：116-119.

［3］杨昌学.元坝陆相欠平衡集成钻井技术［J］.钻采工艺，2012，35（3）：31-33.

［4］宋巍，李永杰，靳鹏菠，等.裂缝性储层控压钻井技术及应用［J］.断块油气田，2013，20（3）：362-365.

［5］葛鹏飞，马庆涛，张栋.元坝地区超深井井身结构优化及应用［J］.石油钻探技术，2013，41（4）：83-86.

［6］闫光庆，刘匡晓，郭瑞昌，等.元坝272H井超深硬地层侧钻技术［J］.石油钻探技术，2013，41（1）：113-117.

［7］杨先伦，李黔，袁本福.欠平衡钻井安全钻进控制参数评价［J］.断块油气田，2013，20（5）：671-673.

［8］杨虎，鄢捷年.欠平衡钻井中钻井液密度的确定与控制方法［J］.石油钻采工艺，2003，25（6）：5-9.

［9］刘刚，黄亮，金叶权，等.高压气井钻井过程中控制回压值研究［J］.断块油气田，2012，19（3）：370-372.

［10］魏武，许期聪，邓虎，等.气体钻井技术在七北101井的应用与研究［J］.天然气工业，2005，25（9）：48-50.

［11］孙继明，候树刚，李铁成.空气钻井技术在普光D-1井的应用［J］.石油钻探技术，2006，34（4）：24-26.

［12］田鲁财，刘永贵，白晓捷，等.空气钻井技术在徐深21井的应用［J］.石油钻探技术，2012，40（3）：370-372.