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摘 要：临参1井是集团公司在吉林油田部署的一口重点参数井，设计井深4500m，三开井眼尺寸φ215.9mm，地层为侏罗系长白组，构造位置是长白坳陷，岩性为火山侵入的凝灰岩、安山角砾岩。由于地层埋藏深，岩性致密，非均质性强，研磨性强，可钻性差并伴有裂隙，钻进时钻时慢，易发生地层漏失，钻井难度较大。为提高钻井速度、缩短勘探周期，在对三开火成岩井段进行氮气钻井可行性评价后，进行了现场试验，试验达到了预期效果并为火成岩氮气钻井提供了经验借鉴。
关键词：长白坳陷 长白组 氮气钻井 火成岩 空气锤 机械钻速
一、前言
临参1井构造位置位于鸭绿江盆地长白坳陷，地理位置为吉林省长白县新房子镇北岗参场东北。该地区春季干旱多风、昼夜温差大；夏季短，温热多雨；秋季凉爽、温差大、多睛朗天气；灾害性地理地质现象时常发生，夏季多发生泥石流等；冬季漫长、干燥寒冷；本井位于人工林覆盖区的旱田内，公路欠发达，交通不便，可施工时间为4月中旬～10月。该井设计目的层埋藏深，岩性致密，非均质性极强，研磨性强，可钻性差并伴有裂隙，钻进时钻时慢，易发生地层漏失，钻井施工难度大。
该井设计井深4500m，于2012年10月9日开钻，当年仅钻进尺164m就因大雪封山而停钻，2013年4月初开始恢复钻进，截至7月，完成了二开钻进任务（2282m），7月16日，开始三开钻进，截至9月18日，钻进井深2770m，钻井周期64天、进尺488m、机械钻速1.39 m/h；为提高该井的钻井速度，在进行可行性分析的基础上，提出了采用氮气钻井施工方案，实施后，截至11月5日，在大雪封山前，完成了三开钻进任务，钻进井段2770～4021m、钻井周期42天、进尺1251 m、平均机械钻速3.14m/h，实施氮气钻井，见到较好效果。
二、临参1井氮气钻井可行性分析
由于氮气钻井技术受到井壁稳定、地层油、气、水和盐膏层等诸多条件的限制，同时该井为参数井，地质资料不详，给氮气钻井带来诸多不确定因素。本井三开下部井段通过对已取得的物探地震资料和上部常规钻井资料进行了综合分析和判断：
1.井壁稳定
上部已钻开的侏罗系长白组岩性为角砾岩和凝灰岩互层，岩性硬度大、致密，机械钻速慢，所钻岩性与地震资料分析相近，在常规钻进中井壁稳定性良好，未出现坍塌和掉块等情况；下部拟采用氮气钻井层位主要为长白组和三叠系小河口组，岩性为灰岩及石英岩，出现坍塌和掉块等情况的可能性较小，适合采用氮气钻井技术。
2.地层出水
地层是否出水是氮气钻井能否成功的重要因素之一。分析上部施工数据，该井从800m开始就出现火成岩凝灰岩地层；二开井段341～2282m，地层不含水层；三开2282～2770m钻进时未见水层，预测三开2770以下地层出水可能性小，可以进行氮气钻井施工，同时准备了雾化钻井和液相钻井两套替代钻井技术方案。
3.天然气
所钻层位预测天然气产层，氮气钻井设计中，设置了保障安全钻进钻遇天然气为5×104/d的高限值，吉林油田给出了2×104/d即可转换为液相钻井的底线，为氮气钻井钻遇天然气提供了更加安全的保障。
三、临参1井氮气钻井技术的现场应用
该井为该地区首口参数井，不确定因素较多，为应对可能产生的风险，制定了相关的技术措施：
1.井控措施
如钻遇天然气，井筒内天然气聚集，易發生井下燃爆，造成断钻具、卡钻和井口爆裂等事故，特别是天然气中若伴有H2S气体，处置不当将会造成严重后果。因此，该井设计循环介质为全氮气钻进，在此基础上井口采用全套防喷器组合加XK25-17.5/35高压旋转控制头（额定动密封压力为17.5Mpa、静密封压力为35Mpa）组合，在钻柱组合上，增加双套强制式止回阀，同时在地面储备了井筒容积1.5倍的钻井液保障随时可进行压井作业。
2.轨迹控制
由于地质的不确定性，在气体钻井条件下，没有钻井液的压持作用，井底岩石处于拉伸状态，地层各向异性突出，岩石应力差异大，井底岩石不再是三向压应力状态，局部转变为拉应力状态，在有利于岩石的破碎、提高机械钻速的同时，井眼轴线更容易向局部拉应力集中的方向发展，从而更容易导致井斜[1]。同时，当钻进时地层少量出水，地层水会导致岩屑粘结成团，部分离开钻头的岩屑团会因为重力和钻柱旋转、压实作用而留在下井壁，另一部分岩屑团可能会粘附于钻柱上，形成增加下部钻具组合外径的作用；当地层出水量很小，钻头已经安全钻过出水地层时，不断渗出的地层水会继续“发挥作用”，在原下部钻具与井壁支撑点与钻头之间形成足以影响钻头侧向力发生明显改变的岩屑团[2]。
在目前国内还没有气体测量仪器的情况下，空气锤钻井技术是目前公认最为有效的防斜打快技术之一[3]。所以本井采用了空气锤钻井+每钻进200m采用有线随钻仪器进行测斜的方式来实现对井眼轨迹的控制。
在钻具组合上，采用了防斜性能较好的塔式钻具组合，即：φ215.9mm空气锤（牙轮钻头）+φ168mm强制式止回阀2个+φ178mm钻铤3根+φ165mm钻铤3根+φ127mm加重钻杆5柱+φ127mm钻杆+φ165mm强制式止回阀1个+ φ165mm下旋塞。
3.扭矩及磨阻
气体钻井由于井筒内无钻井液作为缓冲和润滑剂，钻具和井眼、技术套管之间形成干摩擦（气体钻井时套管内的摩擦系数在0.45～0.55，裸眼段的摩擦系数在0.55～0.65；常规钻井液钻井的摩擦系数为0.20～0.35[4]），因此其摩阻相对常规钻井要大很多，气体钻井随着所钻新地层的增加，扭矩与磨阻将逐步增大。长城钻探之前施工的查深1井最终结束气体钻井的原因就是由于扭矩过大导致钻井难以继续进行而终止。
该井中设计采用不带扶正器的光钻铤塔式钻具组合，每钻进一个立柱，停钻大排量循环10分钟以上并配合上提下放活动钻柱，保障井筒清洁，降低扭矩和磨阻。若扭矩和磨阻不断增大，超过正常值30%时，及时停钻充分循环，并进行短起下钻来减少和消除非正常产生的扭矩和磨阻。 4.钻井参数设计及工艺流程
按照环空最低返速进行设计，即最小动能法进行计算。最小氮气注气量是80 m3/min，因此设计该井氮气钻井气量为80～120 m3/min。其钻井参数设计见表1
氮气钻井参数
表1
钻头类型 钻头尺寸
mm 喷嘴面积
mm2 气排量
m3/min 泵压
Mpa 钻压
kn 转速
r/min
牙轮 215.9 不装喷嘴 80～120 1.5～2 50 70
空气锤 215.9 80～120 2～2.5 30 35
工艺流程如下图所示：
图1 临参1井氮气钻井工艺流程
四、氮气钻井施工及效果
1.氮气钻井施工
1.1气举
氮气钻井准备完成后，下入钻具至预定的井深，开始进行分段气举，每400m气举一次，气举氮气排量为60m3/min，通过节流管汇及回收管线将井内钻井液排放到1#泥浆罐，气举过程中最大立管压力为8.5Mpa。
1.2干燥井眼
气举排液完成后，打开半封闸板防喷器，通过旋转控制头密封井口，气体通过排砂管线返出继续循环干燥井眼，直至排砂管线返出干灰为止。在干燥井眼过程中，上下活动钻具，并配合转盘慢慢旋转，干燥井眼时气体排量为80～120m3/min。该井在干燥井眼的过程中，应用120m3氮气进行干燥井眼作业28h，但未见粉尘，分析井下有出水点。试钻进11m，进行了大排量循环等措施，井口仍不见干燥粉尘。起钻检查，发现第10～18柱钻杆下台肩粘附湿泥饼，对粘附湿泥饼的PH值进行监测，PH值为10～11，与原钻井液PH值相同，由此判断是前期裸眼段2282～2770m井段井漏后反排出的钻井液，并不是由于地层出水造成的，因此决定下钻继续氮气钻进作业。
1.3氮气钻井施工
临参1井在三开2282～2770m采用常规钻井液进行钻进，进尺488m，纯钻时间351.1h，平均机械钻速1.39m/h。2770～4021m井段采用氮气钻井技术进行钻进，累计进尺1251m，纯钻时间358.42h，平均机械钻速3.14m/h。氮气钻井共下入牙轮钻头7只、空气锤3只。其中牙轮进尺892.38m，纯钻时间为315.82h，平均机械钻速为2.83m/h；空气锤进尺358.62m，纯钻时间为82.6h，平均机械钻速为4.34m/h。机械钻速对比如图2所示：
图2 临参1井三开机械钻速对比
阿特拉斯QL80型空气锤钻进主要参数如表1所示：
表1 QL80空气锤主要参数表
名称及描述 常规使用范围 最大 单位
锤体上扣扭矩（大扣） 10 13 13 KN.m
锤体4-1/2 API REG 16 22 22 KN.m
冲击器频率 无 无 1400 spm
转速 20 30 90 Rpm
钻压 1 2 6 T
空气排量 70 80 140 m3/min
最大抗拉 48 T
最大抗温 150 ℃
润滑油使用 1 3 无 L/h
三只空气锤使用效果：第一只空气锤进尺为351.48m，纯钻时间为77.26h，平均机械钻速为4.55m/h，该只空气锤起出后，地面测试锤体正常，锤头磨损严重，锤头主齿24个，掉18个，底部崩掉一块，长7cm，宽5cm，厚1cm，如图3所示。第二只空气锤下井后，由于井底不干净，钻进6.94m，发现钻时明显变慢起出，牙齿掉16个，保径齿全掉，且磨损严重，如图4所示。由于前两只空气锤锤头损坏，且备用锤头不足，第三只空气锤选用国产锤头、阿特拉斯锤体，该空气锤下井后，空气锤不能正常工作，起出检查，发现空气锤上部气缸被止回阀碎片损坏。
1.4施工效果
通过应用氮气钻井，机械钻速得到了较大提高，与上部钻井液所钻井段2282～2770m井段平均机械钻速1.39 m/h相比，氮气+牙轮钻头的机械钻速是常规钻井的2.03倍，氮气+空气锤的机械钻速是常规钻井的3.12倍。整体钻井周期与常规钻井周期相比，预计钻井周期可缩短60天以上，提速效果较为明显。
使用空气锤氮气钻进，井斜从3160m的5.6°降至3437m的3.7°，空气锤钻井技术的防斜打直优势在本井得到了较好体现。
五、结论和建议
1.临参1井在长白组火成岩井段进行的氮气钻井试验，是国内首次在火成岩中进行的氮气钻井，钻井提速效果较好，为火成岩氮气钻井积累了经验。
2.气体钻井中，空气锤匹配塔式钻具组合保直效果较好，体现了空气锤在钻井中的防斜打直、打快的优势。
3.在火成岩等高研磨地层中进行氮气钻井，应进行空气锤的优选以提高机械钻速。
4.上部井段发生井漏，对气体干燥井眼影响较大，气体钻井应尽量选择在钻穿水泥塞后实施。
5.空气锤使用对井底清洁要求较高，井底不清洁时要慎用。
（下转第页）
（上接第页）
6.在火成岩中进行气体钻井时，气体携带的岩屑颗粒对井口及地面設备、管线拐弯处冲蚀严重，应采用专用管线并定时更换。
参考文献：
[1]范希连等.《大邑地区氮气钻井设计及对策.西部探矿工程，2011年第6期》；
[2]曾义金.《空气和气体钻井手册[M].北京：中国石化出版社，2006》；
[3]耿瑞伦.《多工艺空气钻探[M].北京：北京地质出版社，1995》；
[4] 唐波.《气体钻井钻柱摩阻研究及其应用[D].成都：西南石油大学博士学位论文，2005》；
[5]李贵宾等.《氮气欠平衡钻井技术的研究与应用.石油天然气学报，2010年第1期》；
[6]何世明等.《满东2井氮气钻井实践与认识.石油钻采工艺，2008年第3期》；
作者简介：廖学华（1963），男，1983年江汉石油学院毕业，高级工程师，处长，主要从事钻探技术管理工作。
关键词：长白坳陷 长白组 氮气钻井 火成岩 空气锤 机械钻速
一、前言
临参1井构造位置位于鸭绿江盆地长白坳陷，地理位置为吉林省长白县新房子镇北岗参场东北。该地区春季干旱多风、昼夜温差大；夏季短，温热多雨；秋季凉爽、温差大、多睛朗天气；灾害性地理地质现象时常发生，夏季多发生泥石流等；冬季漫长、干燥寒冷；本井位于人工林覆盖区的旱田内，公路欠发达，交通不便，可施工时间为4月中旬～10月。该井设计目的层埋藏深，岩性致密，非均质性极强，研磨性强，可钻性差并伴有裂隙，钻进时钻时慢，易发生地层漏失，钻井施工难度大。
该井设计井深4500m，于2012年10月9日开钻，当年仅钻进尺164m就因大雪封山而停钻，2013年4月初开始恢复钻进，截至7月，完成了二开钻进任务（2282m），7月16日，开始三开钻进，截至9月18日，钻进井深2770m，钻井周期64天、进尺488m、机械钻速1.39 m/h；为提高该井的钻井速度，在进行可行性分析的基础上，提出了采用氮气钻井施工方案，实施后，截至11月5日，在大雪封山前，完成了三开钻进任务，钻进井段2770～4021m、钻井周期42天、进尺1251 m、平均机械钻速3.14m/h，实施氮气钻井，见到较好效果。
二、临参1井氮气钻井可行性分析
由于氮气钻井技术受到井壁稳定、地层油、气、水和盐膏层等诸多条件的限制，同时该井为参数井，地质资料不详，给氮气钻井带来诸多不确定因素。本井三开下部井段通过对已取得的物探地震资料和上部常规钻井资料进行了综合分析和判断：
1.井壁稳定
上部已钻开的侏罗系长白组岩性为角砾岩和凝灰岩互层，岩性硬度大、致密，机械钻速慢，所钻岩性与地震资料分析相近，在常规钻进中井壁稳定性良好，未出现坍塌和掉块等情况；下部拟采用氮气钻井层位主要为长白组和三叠系小河口组，岩性为灰岩及石英岩，出现坍塌和掉块等情况的可能性较小，适合采用氮气钻井技术。
2.地层出水
地层是否出水是氮气钻井能否成功的重要因素之一。分析上部施工数据，该井从800m开始就出现火成岩凝灰岩地层；二开井段341～2282m，地层不含水层；三开2282～2770m钻进时未见水层，预测三开2770以下地层出水可能性小，可以进行氮气钻井施工，同时准备了雾化钻井和液相钻井两套替代钻井技术方案。
3.天然气
所钻层位预测天然气产层，氮气钻井设计中，设置了保障安全钻进钻遇天然气为5×104/d的高限值，吉林油田给出了2×104/d即可转换为液相钻井的底线，为氮气钻井钻遇天然气提供了更加安全的保障。
三、临参1井氮气钻井技术的现场应用
该井为该地区首口参数井，不确定因素较多，为应对可能产生的风险，制定了相关的技术措施：
1.井控措施
如钻遇天然气，井筒内天然气聚集，易發生井下燃爆，造成断钻具、卡钻和井口爆裂等事故，特别是天然气中若伴有H2S气体，处置不当将会造成严重后果。因此，该井设计循环介质为全氮气钻进，在此基础上井口采用全套防喷器组合加XK25-17.5/35高压旋转控制头（额定动密封压力为17.5Mpa、静密封压力为35Mpa）组合，在钻柱组合上，增加双套强制式止回阀，同时在地面储备了井筒容积1.5倍的钻井液保障随时可进行压井作业。
2.轨迹控制
由于地质的不确定性，在气体钻井条件下，没有钻井液的压持作用，井底岩石处于拉伸状态，地层各向异性突出，岩石应力差异大，井底岩石不再是三向压应力状态，局部转变为拉应力状态，在有利于岩石的破碎、提高机械钻速的同时，井眼轴线更容易向局部拉应力集中的方向发展，从而更容易导致井斜[1]。同时，当钻进时地层少量出水，地层水会导致岩屑粘结成团，部分离开钻头的岩屑团会因为重力和钻柱旋转、压实作用而留在下井壁，另一部分岩屑团可能会粘附于钻柱上，形成增加下部钻具组合外径的作用；当地层出水量很小，钻头已经安全钻过出水地层时，不断渗出的地层水会继续“发挥作用”，在原下部钻具与井壁支撑点与钻头之间形成足以影响钻头侧向力发生明显改变的岩屑团[2]。
在目前国内还没有气体测量仪器的情况下，空气锤钻井技术是目前公认最为有效的防斜打快技术之一[3]。所以本井采用了空气锤钻井+每钻进200m采用有线随钻仪器进行测斜的方式来实现对井眼轨迹的控制。
在钻具组合上，采用了防斜性能较好的塔式钻具组合，即：φ215.9mm空气锤（牙轮钻头）+φ168mm强制式止回阀2个+φ178mm钻铤3根+φ165mm钻铤3根+φ127mm加重钻杆5柱+φ127mm钻杆+φ165mm强制式止回阀1个+ φ165mm下旋塞。
3.扭矩及磨阻
气体钻井由于井筒内无钻井液作为缓冲和润滑剂，钻具和井眼、技术套管之间形成干摩擦（气体钻井时套管内的摩擦系数在0.45～0.55，裸眼段的摩擦系数在0.55～0.65；常规钻井液钻井的摩擦系数为0.20～0.35[4]），因此其摩阻相对常规钻井要大很多，气体钻井随着所钻新地层的增加，扭矩与磨阻将逐步增大。长城钻探之前施工的查深1井最终结束气体钻井的原因就是由于扭矩过大导致钻井难以继续进行而终止。
该井中设计采用不带扶正器的光钻铤塔式钻具组合，每钻进一个立柱，停钻大排量循环10分钟以上并配合上提下放活动钻柱，保障井筒清洁，降低扭矩和磨阻。若扭矩和磨阻不断增大，超过正常值30%时，及时停钻充分循环，并进行短起下钻来减少和消除非正常产生的扭矩和磨阻。 4.钻井参数设计及工艺流程
按照环空最低返速进行设计，即最小动能法进行计算。最小氮气注气量是80 m3/min，因此设计该井氮气钻井气量为80～120 m3/min。其钻井参数设计见表1
氮气钻井参数
表1
钻头类型 钻头尺寸
mm 喷嘴面积
mm2 气排量
m3/min 泵压
Mpa 钻压
kn 转速
r/min
牙轮 215.9 不装喷嘴 80～120 1.5～2 50 70
空气锤 215.9 80～120 2～2.5 30 35
工艺流程如下图所示：
图1 临参1井氮气钻井工艺流程
四、氮气钻井施工及效果
1.氮气钻井施工
1.1气举
氮气钻井准备完成后，下入钻具至预定的井深，开始进行分段气举，每400m气举一次，气举氮气排量为60m3/min，通过节流管汇及回收管线将井内钻井液排放到1#泥浆罐，气举过程中最大立管压力为8.5Mpa。
1.2干燥井眼
气举排液完成后，打开半封闸板防喷器，通过旋转控制头密封井口，气体通过排砂管线返出继续循环干燥井眼，直至排砂管线返出干灰为止。在干燥井眼过程中，上下活动钻具，并配合转盘慢慢旋转，干燥井眼时气体排量为80～120m3/min。该井在干燥井眼的过程中，应用120m3氮气进行干燥井眼作业28h，但未见粉尘，分析井下有出水点。试钻进11m，进行了大排量循环等措施，井口仍不见干燥粉尘。起钻检查，发现第10～18柱钻杆下台肩粘附湿泥饼，对粘附湿泥饼的PH值进行监测，PH值为10～11，与原钻井液PH值相同，由此判断是前期裸眼段2282～2770m井段井漏后反排出的钻井液，并不是由于地层出水造成的，因此决定下钻继续氮气钻进作业。
1.3氮气钻井施工
临参1井在三开2282～2770m采用常规钻井液进行钻进，进尺488m，纯钻时间351.1h，平均机械钻速1.39m/h。2770～4021m井段采用氮气钻井技术进行钻进，累计进尺1251m，纯钻时间358.42h，平均机械钻速3.14m/h。氮气钻井共下入牙轮钻头7只、空气锤3只。其中牙轮进尺892.38m，纯钻时间为315.82h，平均机械钻速为2.83m/h；空气锤进尺358.62m，纯钻时间为82.6h，平均机械钻速为4.34m/h。机械钻速对比如图2所示：
图2 临参1井三开机械钻速对比
阿特拉斯QL80型空气锤钻进主要参数如表1所示：
表1 QL80空气锤主要参数表
名称及描述 常规使用范围 最大 单位
锤体上扣扭矩（大扣） 10 13 13 KN.m
锤体4-1/2 API REG 16 22 22 KN.m
冲击器频率 无 无 1400 spm
转速 20 30 90 Rpm
钻压 1 2 6 T
空气排量 70 80 140 m3/min
最大抗拉 48 T
最大抗温 150 ℃
润滑油使用 1 3 无 L/h
三只空气锤使用效果：第一只空气锤进尺为351.48m，纯钻时间为77.26h，平均机械钻速为4.55m/h，该只空气锤起出后，地面测试锤体正常，锤头磨损严重，锤头主齿24个，掉18个，底部崩掉一块，长7cm，宽5cm，厚1cm，如图3所示。第二只空气锤下井后，由于井底不干净，钻进6.94m，发现钻时明显变慢起出，牙齿掉16个，保径齿全掉，且磨损严重，如图4所示。由于前两只空气锤锤头损坏，且备用锤头不足，第三只空气锤选用国产锤头、阿特拉斯锤体，该空气锤下井后，空气锤不能正常工作，起出检查，发现空气锤上部气缸被止回阀碎片损坏。
1.4施工效果
通过应用氮气钻井，机械钻速得到了较大提高，与上部钻井液所钻井段2282～2770m井段平均机械钻速1.39 m/h相比，氮气+牙轮钻头的机械钻速是常规钻井的2.03倍，氮气+空气锤的机械钻速是常规钻井的3.12倍。整体钻井周期与常规钻井周期相比，预计钻井周期可缩短60天以上，提速效果较为明显。
使用空气锤氮气钻进，井斜从3160m的5.6°降至3437m的3.7°，空气锤钻井技术的防斜打直优势在本井得到了较好体现。
五、结论和建议
1.临参1井在长白组火成岩井段进行的氮气钻井试验，是国内首次在火成岩中进行的氮气钻井，钻井提速效果较好，为火成岩氮气钻井积累了经验。
2.气体钻井中，空气锤匹配塔式钻具组合保直效果较好，体现了空气锤在钻井中的防斜打直、打快的优势。
3.在火成岩等高研磨地层中进行氮气钻井，应进行空气锤的优选以提高机械钻速。
4.上部井段发生井漏，对气体干燥井眼影响较大，气体钻井应尽量选择在钻穿水泥塞后实施。
5.空气锤使用对井底清洁要求较高，井底不清洁时要慎用。
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6.在火成岩中进行气体钻井时，气体携带的岩屑颗粒对井口及地面設备、管线拐弯处冲蚀严重，应采用专用管线并定时更换。
参考文献：
[1]范希连等.《大邑地区氮气钻井设计及对策.西部探矿工程，2011年第6期》；
[2]曾义金.《空气和气体钻井手册[M].北京：中国石化出版社，2006》；
[3]耿瑞伦.《多工艺空气钻探[M].北京：北京地质出版社，1995》；
[4] 唐波.《气体钻井钻柱摩阻研究及其应用[D].成都：西南石油大学博士学位论文，2005》；
[5]李贵宾等.《氮气欠平衡钻井技术的研究与应用.石油天然气学报，2010年第1期》；
[6]何世明等.《满东2井氮气钻井实践与认识.石油钻采工艺，2008年第3期》；
作者简介：廖学华（1963），男，1983年江汉石油学院毕业，高级工程师，处长，主要从事钻探技术管理工作。