花岗岩地层空气钻井应用实践

代 锋，文永林，李 勇，王兴忠

（中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院,四川德阳618000）

位于第三纪的浦项盆地，是韩国高温地热资源的有利聚集区，作为地热勘探的重点区块，韩国政府计划2年时间部署3口井，利用增强型地热系统开发深层地热资源。为加快勘探进程，提高机械钻速，缩短钻井周期，在充分论证空气钻井可行性基础上，在PX-2井三开实施了花岗岩地层的空气钻井试验。

1 空气钻井可行性分析

1.1 邻井PX-1井三开钻井施工难点分析

（1）花岗岩岩性致密、硬度高。三开地层（2406～4127m）岩性为致密花岗岩（顶界2356m），在整套花岗岩地层中含大段角闪岩脉，其硬度高，组成矿物含石英（＜20%～35%）、云母、正长石、粉红色长石、绿泥石、角闪石，共8段，厚度2～130m不等，整个井段均较硬，不易破碎。

（2）花岗岩地层钻头选型困难，磨损严重、使用数量多。致密花岗岩地层可钻性差、研磨性强，钻头选型困难，本井优选SMITH高效钻头，整个三开井段累计使用∅215.9mm钻头10只，单只钻头进尺78～227m不等，平均进尺172.1m，钻头使用数量多、费用高，如表1所示。

表1 PX-1井三开钻头使用统计

（3）机械钻速慢，钻井周期长。三开井段使用1.14～1.25g/cm3的低密度钻井液，配合SMITH钻头，平均机械钻速仅为1.67m/h，钻井周期长达94.68d。

1.2 PX-2井三开空气钻井可行性分析

PX-2井与PX-1井同井场，井口距离仅相隔6m，因此PX-1井的实钻工程地质资料对PX-2井具有较强的指导作用。PX-2井井身结构设计如表2所示。

（1）地层上满足空气钻井施工的条件。

表2 PX-2井井身结构设计

①井壁稳定性较好：PX-2井自2375m开始进入致密花岗岩地层，且上部下∅244.5mm技术套管至2443.56m（进入花岗岩地层68.56m），封隔上部火山砾石岩、凝灰岩等地层，为空气钻井创造了较好的井筒条件；邻井花岗岩地层钻进期间，使用钻井液密度低（未超过1.25g/cm3），井壁较稳定，无垮塌现象发生；

②常压地层：预测地层压力系数1.0～1.25；

③油气水分布：自上而下无油气和H2S显示，地层基本不出水。

（2）工程上有提速的需求。浦项地热井下部花岗岩地层井段长（超过2000m）、可钻性差，使用常规钻井液钻井钻速低、周期长，优选高性能破岩工具成本高，同时业主对项目阶段性进度要求高，有必要开展空气钻井提速试验。

2 花岗岩地层特性分析及空气钻井参数设计

2.1 花岗岩地层特性分析

花岗岩是岩浆在地下深处经冷凝形成的深成酸性火成岩，主要组成矿物为长石、石英、云母等，石英含量10%～50%、长石含量约占2/3，另外含有辉石和角闪石等。

表3 花岗岩主要物理参数

如表3所示，花岗岩的主要特性有[1]：

（1）岩性致密，密度高达2.79～3.07g/cm3，如表4所示，较泥岩密度大1/3，较砂岩密度大1/4，相同体积的花岗岩岩屑，比砂泥岩岩屑重25%～30%。因此，为将钻头破碎的岩屑顺利携带出井，空气钻井排量需提高25%左右。

表4 花岗岩与泥岩、砂岩、石英砂岩密度比较

（2）花岗岩抗压强度高，硬度大，同比元坝地区自流井组平均抗压强度113.82MPa、须家河组地层平均抗压强度119.23MPa，花岗岩地层属于高抗压强度极硬难钻地层。若采用钻井液钻井，国内外使用复合钻井技术，优选孕镶金刚石钻头配合高速涡轮，但费用高昂。

（3）花岗岩属于硬脆性岩性，使用空气钻井技术，由于井底压差小，可有效改善井底岩石的围压状态[2]，岩石极易破碎，选用牙轮钻头即可，成本低廉。

2.2 空气钻井注气量优化设计

采用欠平衡钻井专用设计软件HUBS，模拟计算了PX-2井三开花岗岩地层空气钻井排量。计算结果表明，井深2500～2800m注气量100m3/min即可满足携带0.35mm干燥花岗岩岩屑顺利出井，环空岩屑浓度0.03%，远小于国际标准4%的要求[3]。这与国内在长宁区块韩家店、石牛栏组砂泥岩地层相同钻头尺寸、相同井深条件下实际所需氮气排量75～80m3/min相比，注气排量增加了25%左右，符合致密花岗岩地层的实际携砂需求[4]。

通过模拟计算，增加注入空气排量，可以携带更大尺寸的花岗岩岩屑，如表5所示，但是仍然极其细小，180m3/min注气量情况下，能携带的最大岩屑尺寸仅为0.55mm，呈粉末状。

表5 不同空气排量与携带最大花岗岩岩屑尺寸对应关系表

3 现场试验

3.1 空气钻井钻具组合及施工参数

PX-2井三开花岗岩地层试验空气钻井技术，采用塔式钻具组合:8-1/2″牙轮钻头+强制止回阀+6-1/2″钻铤+5″加重钻杆+柔性短节+随钻震击器+5″加重钻杆+5″钻杆。主要施工参数：钻压10～80kN，转速40～50r/min，空气排量100～150m3/min，立 压 2.1～4.5MPa。

3.2 施工过程和关键措施描述

PX-2井三开干燥井筒做好准备工作后，自井深2450m正式开始空气钻进。按照施工过程，大致经历了微出水发现及处理、控时平稳观察钻进、不稳定地层的诊断及处理和终止空气钻进施工等过程。

（1）微出水处理。本井空气钻进30m（2450～2480）后发现地层出水，主要表现为：井深2480m取砂样发现有润湿颗粒，2484m接立柱后供气循环时取样口发现水滴，立压由2.1MPa增加至3.1MPa。

采取的措施主要有：①停止钻进，上下活动钻具，循环观察；②以0.5m为单位进行试钻进，试钻2m后，取样口基本无岩屑返出，排砂口无粉尘，停止试钻进，甩钻具继续循环；③增加空气排量，由100m3/min上提至140m3/min，循环活动钻具，观察岩屑返出情况和参数变化情况，考虑花岗岩岩屑细（粉末状）、吸水性差（不膨胀）、井径扩大率小、井下温度高（超过80℃），在确保井下安全的情况下，继续试钻进观察，至该立柱钻进完，岩屑逐渐返出正常、参数恢复正常，开始正常钻进。本井预测出水2～3m3/h，属于微量出水。

（2）控时钻进。基于花岗岩岩性致密、重度高，同时考虑上部进入裸眼30m有一个持续出水的小水层，本井空气钻井施工时始终保持控时钻进，控制钻压10～80kN，钻时8～12min/m，以充分循环携带井底的岩屑。实钻中在2511～2512m、2631～2644m井段先后出现加不上钻压、快钻时井段，实钻中控制钻时在10min左右，采取勤循环、勤划眼等技术措施，确保钻屑能较多地带出井筒，避免形成砂桥或者硬卡。

（3）不稳定地层的诊断与处理。为验证上部持续出水对下部裸眼段的影响、套管内钻具的阻卡情况以及快钻时井段地层的稳定性，空气钻井期间进行了一次短起下钻。短起时，裸眼段正常，进入套管内21m遇阻，接顶驱供气循环倒划眼起钻至套管内正常井段。说明出水后在套管内壁最下部200m井段粘附有致密细小的花岗岩屑，较常规砂泥岩更不易清除。

下钻时在井深2634m遇阻，遇阻井深处于2631～2644m快钻时井段，供气循环划眼到底，增加空气排量至150m3/min钻进至井深2743m，钻井期间井口返砂量大，有大颗粒出现，立压上升较快（3.6MPa↑4.5MPa），扭矩变化大（6～14↑18kN·m），加大排量、增加循环时间，立压逐渐下降恢复正常。现场判断：上部2631～2644m快钻时井段属岩性变化、断层界面或地层应力破碎带，属不稳定地层。

（4）终止施工。基于起钻验证牙轮钻头磨损情况和通过起下钻检验井壁不稳定地层对井下状况影响的考虑，实施了起下钻作业。下钻至井深2576m遇阻，供气长时间循环划眼至2675m，其中2631～2634m岩屑湿润，地层出水，2660～2675m井段，反复划眼，仍有阻卡现象，磨圆的岩屑异常多，最大颗粒大小20mm，分析地层垮塌，起钻转换钻井液，结束空气钻井施工。

3.3 应用效果分析

本井使用一只牙轮钻头，累计纯钻时间56h，在高抗压强度的致密花岗岩硬地层中施工井段2450～2743m，累计进尺293m，平均机械钻速5.23m/h，取得了较明显的提速效果。与邻井PX-1井相同井段使用高性能钻头平均机械钻速1.67m/h相比，提速2.13倍，单只钻头进尺长，钻头起出新度高，实现了空气钻井的优快钻进。

4 结论与建议

（1）花岗岩具有致密、高抗压强度、硬脆性等特性，常规钻井破岩效率低、钻头磨损快，适合采用空气钻井技术以提高机械钻速。

（2）空气钻井配合牙轮钻头，通过优化空气排量、控时钻进、密切观察等措施，可有效确保花岗岩地层中的安全钻进。

（3）纯花岗岩具有很好的井壁稳定性，但由于含有角闪石、裂隙充填物等组分，存在交界面和微裂缝发育、松散等情况，导致地层易破碎、井壁不稳定。建议通过地震、录井、测井等手段，认真分析井壁稳定情况，确保施工的安全性和持续性。

[1]顾晓鲁.地基与基础[M].北京：中国建筑工业出版社,1993.

[2]陈鹏,王玺,陈江浩,等.乍得潜山花岗岩地层欠平衡钻井试验[J].石油钻采工艺,2014,36(2):19-22.

[3]杨虎,王利国.欠平衡钻井基础理论与实践[M].北京：石油工业出版社，2009：39-46.

[4]肖洲.气体钻井技术在长宁页岩气区块的应用[J].钻采工艺,2016,39（3）:125-126.