丁麗芳 周寶義 王小月 王立輝 肖成才

（大港油田石油工程研究院，天津 300280）

新港1 井是部署在新港潛山構(gòu)造帶的一口超深定向井，是目前大港油田實(shí)施的最深重點(diǎn)探井，主要目的是鉆探奧陶系峰峰組、上馬家溝組兼探東營(yíng)組和沙河街組。該井原設(shè)計(jì)為四開(kāi)井，后加深為五開(kāi)井，設(shè)計(jì)井深6 700 m，實(shí)際完鉆井深6 716 m，完鉆層位奧陶系。本井從2 342 m 開(kāi)始造斜，最大井斜角27.59°，設(shè)計(jì)井底井斜角20.26°，實(shí)際井底井斜角16.13°。設(shè)計(jì)井底閉合方位角151.84°，實(shí)際井底閉合方位角149.70°。本井2011 年1 月22 日開(kāi)鉆，于2012 年3 月11 日完鉆，鉆井周期414 d 7.3 h，平均機(jī)械鉆速1.98 m/h。

1 主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)

新港1 井是一口定向超深探井，設(shè)計(jì)井深6 700 m。地層變化大，地質(zhì)條件變化大，存在多套壓力系統(tǒng)，東營(yíng)組、沙河街組存在大套玄武巖，易垮易漏，加上地質(zhì)預(yù)告的不準(zhǔn)確，給井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困難；該井主要目的層埋藏深，地層巖性堅(jiān)硬，機(jī)械鉆速低；三開(kāi)裸眼段長(zhǎng)達(dá)2 380 m，上下溫差大，固井質(zhì)量難以保障；井底溫度高，對(duì)鉆井液性能要求高；造斜、穩(wěn)斜段巖性復(fù)雜，井眼軌跡控制難度大。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到科學(xué)、合理、可行的目的，尤其是技術(shù)套管，必須滿足封固復(fù)雜井段、固井工藝和井控安全的要求。在初步設(shè)計(jì)階段，確定為四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 新港1 井四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)

在圖1 中，技術(shù)套管1 要求封固?hào)|營(yíng)組，即封固館陶底部易漏底礫巖地層，同時(shí)封固?hào)|營(yíng)組大段的泥巖，避免下部鉆井出現(xiàn)垮塌情況。技術(shù)套管2 要求封固石炭系，為?215.9 mm 鉆頭成功鉆至設(shè)計(jì)井底奠定良好的基礎(chǔ)。四開(kāi)完井采用?139.7 mm 套管回接?177.8 mm 套管方式，上部回接?177.8 mm 套管主要考慮到后期作業(yè)的需要，下部下?139.7 mm是為了在產(chǎn)層段固井時(shí)，環(huán)空間隙不至于太小，固井質(zhì)量能得到一定程度的保證。

在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，因?yàn)殂@至5 894 m 仍未鉆到奧陶系地層，為實(shí)現(xiàn)鉆探奧陶系潛山的地質(zhì)目的，設(shè)計(jì)更改加深至6 700 m（斜深），原設(shè)計(jì)的四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)更改為五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

圖2 新港1 井五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（加深）

井身結(jié)構(gòu)變更為五開(kāi)，鑒于這種情況，既為了后期作業(yè)需要，也為了下部安全鉆進(jìn)需要，四開(kāi)原設(shè)計(jì)的下部懸掛?139.7 mm 套管改為懸掛?177.8 mm套管，這樣五開(kāi)鉆進(jìn)中，可以順利下入?152.4 mm 鉆頭鉆井，完井采用懸掛?127 mm 尾管方式，實(shí)現(xiàn)目的層有效鉆探。

3 超深井套管磨損問(wèn)題及防護(hù)

新港1 井三開(kāi)裸眼段長(zhǎng)，地層可鉆性差，鉆井周期長(zhǎng)，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿對(duì)?339.7 mm 套管產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。在鉆井過(guò)程中，套管磨損的形式主要有：黏附磨損、磨粒磨損和犁溝狀磨損。是鉆柱（主要是鉆桿接頭）、鉆井液、套管在井內(nèi)作用的結(jié)果，它與鉆桿接頭的材質(zhì)和表面處理，井眼尺寸和軌跡（狗腿嚴(yán)重度）、鉆井液性能、套管材料以及鉆柱旋轉(zhuǎn)速度和鉆進(jìn)時(shí)間密切相關(guān)，套管磨損的計(jì)算公式為

式中，V 為套管磨損體積，m3；E 為磨損效率，無(wú)量綱；H 為布氏硬度，Pa；K為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；L 為滑動(dòng)距離，m；F 為側(cè)向力，N。

式（1）中E 與套管鋼級(jí)、鉆井液類型有關(guān)，常用套管E/H 值見(jiàn)表1。

表1 常用套管E/H 值 10–12Pa–1

利用WELLPIAN 軟件求得本井鉆具產(chǎn)生的側(cè)向力，如圖3，將計(jì)算結(jié)果帶入式（1），求取磨損體積。

圖3 新港1 井三開(kāi)鉆進(jìn)側(cè)向力圖

式（1）中F、L 計(jì)算如下

式中，F(xiàn) 為30.48 m 井段內(nèi)側(cè)向力，N；T 為下部鉆具拉力，N；a 為30.48 m 井段內(nèi)井眼曲率，（°）；D 為 鉆桿接頭外徑，m；n 為旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，r/min。

把式（2）、（3）帶入式（1），可得

計(jì)算出的磨損量分布于30.48 m 長(zhǎng)度套管內(nèi)。由此得出單位長(zhǎng)度內(nèi)磨損體積，即磨損面積S 計(jì)算公式如下

套管經(jīng)過(guò)鉆桿長(zhǎng)期偏磨后將會(huì)形成月牙形。假設(shè)套管內(nèi)截面圓圓點(diǎn)為O，其半徑為R，對(duì)應(yīng)圓心角θ；O1為鉆桿接頭外截面圓圓點(diǎn)，其半徑為r，對(duì)應(yīng)圓心角θ1，設(shè)e 為最大磨損厚度，計(jì)算方法如下

又

即

利用上述方法可以預(yù)測(cè)套管磨損壁厚，如圖4。

圖4 新港1 井預(yù)測(cè)磨損壁厚示意圖

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在造斜井段井深2 304.09～2 587.2 m 處套管磨損嚴(yán)重，2 304.09 m 處12.19 mm 壁厚套管的剩余壁厚僅為6.96 mm。 鑒于預(yù)測(cè)本井鉆進(jìn)過(guò)程中技術(shù)套管磨損嚴(yán)重，實(shí)鉆過(guò)程中采用減阻防磨套對(duì)套管進(jìn)行保護(hù)。減阻防磨套主要由鉆桿公扣端、鉆桿、卡箍、鉸鏈切面、卡箍螺栓、低阻惰性面、膠筒插銷等部分組成，見(jiàn)圖5。

圖5 非旋轉(zhuǎn)保護(hù)套示意圖

減阻防磨套特點(diǎn)：（1）減震防磨，降低摩阻，保護(hù)和防止鉆桿和套管的磨損；（2）保護(hù)套采用特殊高分子材料， 具有良好耐磨性、耐水性、耐霉菌性，耐酸、堿、油等，回彈性好，力學(xué)性能優(yōu)良，適用于各種鉆井液類型；（3）卡箍采用特殊鋁合金，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大；（4）耐溫150 ℃；（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，拆卸容易。

本井減阻防磨套從井深3 850 m 開(kāi)始入井使用，至5 720 m 采用蘭德公司S-550、HT-550 型減阻防磨套，累計(jì)入井使用111 d，完成進(jìn)尺1 636 m。使用過(guò)程中，沒(méi)有產(chǎn)生附加摩阻，循環(huán)泵壓沒(méi)有上升，扭矩相對(duì)降低。期間起下鉆具及最終拆卸后，每套減阻防磨套經(jīng)檢查完好無(wú)損，無(wú)脫落，無(wú)位移，臨近鉆桿接頭外徑無(wú)磨損，起到了保護(hù)套管和鉆桿的作用。

4 抗高溫鉆井液體系的應(yīng)用

鉆井液技術(shù)在任何類型的深井鉆井施工中始終是核心問(wèn)題之一。

首先，在高溫條件下，普通鉆井液中的組分易發(fā)生降解、發(fā)酵、增稠及失效等變化，從而使鉆井液性能發(fā)生劇變，并且不易調(diào)整和控制，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致鉆井作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行。

其次，由于深井和超深井在客觀條件上的特殊性，保證鉆井液體系的穩(wěn)定性成為核心技術(shù)。從常規(guī)鉆井液使用經(jīng)驗(yàn)看，在深井高溫狀態(tài)下，造漿材料的性質(zhì)、用量對(duì)體系穩(wěn)定性的影響更大。

第三，除溫度問(wèn)題外，為了抑制地層坍塌，施工時(shí)需要使用較高密度的鉆井液，這種情況會(huì)導(dǎo)致井底壓持效應(yīng)高，不僅嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速，而且更困難的是高密度體系的維護(hù)問(wèn)題。

在鉆井液抗溫抗壓研究方面，目前國(guó)內(nèi)最成熟的技術(shù)是深井、超深井聚磺鉆井液體系。該體系兼有聚合物鉆井液和三磺鉆井液的優(yōu)點(diǎn)，既有很強(qiáng)的抑制性，又改善了高溫高壓條件下鉆井液性能。

4.1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

本井是一口風(fēng)險(xiǎn)探井，由于該地區(qū)地層較復(fù)雜，巖性混亂，特殊巖性多，設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，大井眼井段達(dá)到5 700 m，技術(shù)難點(diǎn)如下。

（1）高溫。三開(kāi)井底溫度高達(dá)180 ℃，到五開(kāi)完井井底溫度達(dá)220 ℃，鉆井液高溫穩(wěn)定性和高溫高壓條件下的抑制防塌性能面臨挑戰(zhàn)。

（2）攜巖洗井能力。攜帶巖屑洗井是本口井的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，一、二、三開(kāi)都是大井眼，井深達(dá)5 700 m，在環(huán)空返速和鉆井設(shè)備受限的情況下，初期采用低黏高切鉆井液，后期考慮到高溫減稠采用高黏高切（60～70 s）鉆井液，通過(guò)采取不定期過(guò)稠塞、打封閉配合工程短起下、變換排量等措施解決了攜砂問(wèn)題，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。

（3）抑制防塌能力。該井從館陶組至中生界有大段玄武巖及礫石，二疊系至石炭系為碳質(zhì)泥巖和煤層，為了預(yù)防井壁垮塌，在鉆井液性能方面保持較高的黏切，嚴(yán)格控制中壓失水小于4 mL，高溫高壓失水小于12 mL，加大抗高溫防塌材料投入，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況逐步提高鉆井液密度等措施有效抑制井壁垮塌。在加大抗高溫材料投入的同時(shí)，不斷補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)預(yù)水化膨潤(rùn)土漿。

（4）防漏。在沙一段玄武巖層段（預(yù)計(jì)斜深3 385～4 056 m）、沙一段底斷層（斜深4 822 m）、沙三段底斷層（斜深5 405 m）、石炭系、奧陶系頂，注意防止井漏。

（5）H2S 侵。在奧陶系可能存在H2S 氣體。

4.2 鉆井液使用情況

一開(kāi)：0～1 502 m（?660.4 mm 井眼）。技術(shù)難點(diǎn)： 大井眼抑制造漿攜巖洗井。采用聚合物鉆井液，配方：4%～6%膨潤(rùn)土漿+ 0.2% ～0.4%CMC + 0.5%～0.8%NH4-HPAN + 1%～1.5% HFT-201 + 1%～1.5%低熒光SAS + 0.3%～0.5%KPAM+片堿。應(yīng)用情況：鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)及時(shí)調(diào)整鉆井液黏切、提高排量、定期短起下鉆等工程措施確保井眼清潔，提高鉆井液懸浮攜砂能力，強(qiáng)化固控設(shè)備使用安全，確保入井鉆井液清潔。根據(jù)短起下鉆情況，通過(guò)采取過(guò)稠塞措施，保證井眼清潔暢通以及井下施工安全。

二開(kāi)：1 502～3 354 m（?444.5 mm 井眼）。技術(shù)難點(diǎn)：大井眼抑制造漿、攜巖洗井、玄武巖防塌卡。采用淡水聚磺強(qiáng)抑制鉆井液，配方：0.3%BZBBJ+2%～3%BZ-YZJ + 2% 高溫降濾失劑SD-101 + 1%高溫降濾失劑SD-202 + 2%高溫防塌封堵劑BZ-YFT + 2%～3% FRT-I + 2% NH4-HPAN。應(yīng)用情況：明化鎮(zhèn)井段造漿快，井眼大，進(jìn)尺快，鉆井液消耗量大，鉆進(jìn)中定期補(bǔ)充BZ-BBJ 和NH4-HPAN 膠液，確保其有效含量，控制地層造漿。 2 120～2 224 m 館陶底為較純礫巖中間夾黑色玄武巖，2 228～2 398 m、2 572～2 602 m 東營(yíng)組大段黑色玄武巖，為了防止玄武巖垮塌，穩(wěn)定井壁，提高大井眼攜砂能力，黏度提至60 s 左右，密度逐步提高至1.30 g/cm3。

三開(kāi)：3 354～5 720 m（?311.1 mm 井眼）。技術(shù)難點(diǎn)：攜巖洗井、潤(rùn)滑防卡、抗高溫防塌。采用淡水聚磺強(qiáng)抑制鉆井液，配方：0.1%BZ-BBJ + 2%～3%BZ-YZJ + 6%高溫降濾失劑SD-101 + 6%高溫降濾失劑SD-202 + 4%高溫防塌封堵劑BZ-YFT + 2%～3%FRT。應(yīng)用情況：淡水聚磺強(qiáng)抑制鉆井液體系使用BZ-BBJ 膠液稀釋，降低固相含量和劣質(zhì)土含量，套管內(nèi)循環(huán)加入BZ-YFT、SD101、SD202，提高鉆井液密度至1.35 g/cm3，黏度控制在55～60 s，中壓濾失量小于3.5 mL。

四開(kāi)：5 720～6 450 m（?215.9 mm 井眼）。技術(shù)難點(diǎn)：攜巖洗井、潤(rùn)滑防塌卡、高溫穩(wěn)定性。采用淡水聚磺強(qiáng)抑制鉆井液，配方：0.1%BZ-BBJ + 2%～3%BZ-YZJ + 6%高溫降濾失劑SD-101 + 6%高溫降濾失劑SD-202 + 4%高溫防塌封堵劑BZYFT + 2%～3%FRT。應(yīng)用情況：鉆進(jìn)過(guò)程中補(bǔ)充SD-101、SD-201、磺化瀝青、抗鹽降濾劑、SD-YFT膠液，控制濾失量小于4 mL，HTHP 失水（180 ℃）控制在12 mL 以內(nèi)，黏度在60～75 s 之間，含砂小于0.3%，為了穩(wěn)定井壁，將鉆井液密度由1.25 g/cm3逐步提高到1.45 g/cm3，并加大瀝青和降失水材料的投入。

五開(kāi)：6 450～6 716 m（?152.4 mm 井眼）。技術(shù)難點(diǎn)：攜巖洗井、井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑防卡、防漏。采用淡水聚磺強(qiáng)抑制鉆井液，配方：0.3%BZ-BBJ + 2%～3%BZ-YZJ + 6%高溫降濾失劑SD-101 + 6%高溫降濾失劑SD-202 + 4%高溫防塌封堵劑BZYFT + 2%～3%FRT + 堿式碳酸鋅。應(yīng)用情況：補(bǔ)充SD-101、SD-201、磺化瀝青、BZ-BBJ 等大分子抗高溫防塌膠液，增強(qiáng)鉆井液抗高溫抑制防塌能力，至6 458 m 煤層后，井口返出大量煤層掉塊，為了穩(wěn)定井壁，鉆井液密度由1.30 g/cm3逐步提高到1.40 g/cm3，適當(dāng)提高黏切，黏度控制在60～70 s 之間，有效抑制了煤層的掉塊現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 井眼軌跡控制技術(shù)

三開(kāi)3 354～5 720 m 井段，設(shè)計(jì)井斜角為24.55°，方位角151.84°，段長(zhǎng)為2 366 m，穩(wěn)斜井段較長(zhǎng)，井眼軌跡控制是該井的重點(diǎn)之一，也是該井工程技術(shù)難點(diǎn)。由于該井地層復(fù)雜多變，大直徑鉆頭深部鉆進(jìn)，巖石可鉆性差，鉆時(shí)長(zhǎng)，給滑動(dòng)鉆進(jìn)帶來(lái)很大困難。為了控制好井身質(zhì)量，采取如下措施進(jìn)行井眼軌跡控制。

（1）井下工具。采用耐溫180 ℃的威德福導(dǎo)向馬達(dá)，解決了井下高溫難題。設(shè)計(jì)中三開(kāi)穩(wěn)斜段采用MWD，實(shí)際施工上部采用MWD，鉆至約4 435 m，井斜角增至27.57°，為保證井眼軌跡不至于偏離靶點(diǎn)，下部采用LWD 繼續(xù)鉆進(jìn)。

（2）鉆進(jìn)方式。上部井段盡量采取導(dǎo)向鉆具組合，既可以加快鉆井速度又可以及時(shí)對(duì)軌跡進(jìn)行調(diào)整，確保中靶。5 000 m 以下井段在確保中靶的基礎(chǔ)上，為了防止掉塊卡鉆、便于堵漏、避免PDC 鉆頭先期損壞，盡量采用常規(guī)鉆具組合。

（3）測(cè)斜方式。下入常規(guī)穩(wěn)斜鉆具時(shí)必須帶隨鉆測(cè)斜儀器，及時(shí)發(fā)現(xiàn)常規(guī)鉆具的軌跡規(guī)律。

為保證準(zhǔn)確中靶，在四開(kāi)鉆井施工過(guò)程中，采用了鐘擺鉆具組合，換用不同尺寸的欠尺寸穩(wěn)定器進(jìn)行降斜，選擇好欠尺寸穩(wěn)定器的外徑尺寸與安放位置，鉆至6 450 m，將井斜角降至20.26°，成功控制住了井眼軌跡的急劇變化。

6 抗高溫固井水泥漿體系的優(yōu)選

高溫高壓對(duì)注水泥施工影響很大，在高溫高壓條件下，水泥漿流動(dòng)性能變差，流動(dòng)阻力增加，稠化時(shí)間變短，凝固時(shí)間變短，頂替泵壓較高，安全作業(yè)時(shí)間變短，增加了施工難度。

該井在生產(chǎn)尾管固井設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)選了一套抗高溫水泥漿體系：四川嘉華G 級(jí)+水+微硅+硅粉+BXF-200L 降失水劑+BXR-300L 高溫緩凝劑+G603 消泡劑+CF40S 分散劑+BCT-800L 膠乳+D50 抑泡劑+BCS-020S 防腐劑。在該體系中采用了新型固井降失水劑BXF-200L，這種共聚物具有很好的抗高溫性能，加量增加也不會(huì)增加水泥漿稠度；高溫緩凝劑BXR-300L 在井底循環(huán)溫度超過(guò)120 ℃情況下使用能保證水泥漿有足夠的凝固時(shí)間。該體系加入了一定百分比的硅粉，較好地改善了固井水泥石的耐高溫強(qiáng)度。

?177.8 mm 生產(chǎn)尾管1 下入深度5 566.4～6 446.23 m，水泥漿配方：四川嘉華G 級(jí)+水+硅粉+BXF-200L 降失水劑+BXR-300L 高溫緩凝劑+G603 消泡劑+ GF-1 分散劑+BCT-800L 膠乳+D50 抑泡劑。固井后固井質(zhì)量為合格。?127 mm 生產(chǎn)尾管2 下入深度6 242.47～6 714.69 m，水泥漿配方：四川嘉華G級(jí)+水+硅粉+BXF-200 L 降失水劑+BXR-300 L高溫緩凝劑+G603 消泡劑+ GF-1 分散劑。固井后固井質(zhì)量合格。

7 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)能滿足井控細(xì)則和安全鉆井、固井工藝要求，減阻防磨套起到了保護(hù)套管和鉆桿的作用；為滿足該井高溫、強(qiáng)抑制和對(duì)測(cè)井無(wú)干擾的需要，開(kāi)發(fā)出了淡水聚磺強(qiáng)抑制鉆井液體系，解決了地層易坍塌問(wèn)題，體系中提前加入防漏材料，有效封堵了砂巖地層孔隙；新型高溫固井水泥漿保證了生產(chǎn)尾管的固井質(zhì)量；建議今后在該區(qū)塊超深井鉆井中，進(jìn)一步優(yōu)選與地層匹配的PDC 鉆頭并對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期獲得單只鉆頭較高的機(jī)械鉆速和更多的鉆井進(jìn)尺。

［1］ 張發(fā)展.復(fù)雜鉆井工藝技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006-05.

［2］ 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2001-05.

［3］ 《鉆井工程》編寫組.鉆井手冊(cè)（甲方）上冊(cè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990：328-330.

［4］ 于會(huì)援，張來(lái)斌，樊見(jiàn)春.深井超深井中套管磨損機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展綜述［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（4）：4-7.