王 沫， 杜 歡， 伊爾齊木， 白彬珍， 鄒書強(qiáng)， 馬宏原

(1.中國石化西北油田分公司鉆井完井工程管理處，新疆烏魯木齊 830011；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

順南井區(qū)優(yōu)快鉆井技術(shù)

王 沫1， 杜 歡1， 伊爾齊木1， 白彬珍2， 鄒書強(qiáng)1， 馬宏原1

(1.中國石化西北油田分公司鉆井完井工程管理處，新疆烏魯木齊 830011；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

順南區(qū)塊具有儲層埋藏深、地層溫度異常高等特點(diǎn)，鉆井中易出現(xiàn)鉆井液抗溫性能不足、井壁失穩(wěn)、發(fā)生井斜等問題，導(dǎo)致鉆井周期長、鉆井成本高，嚴(yán)重影響了該區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程。為此，進(jìn)行了優(yōu)快鉆井技術(shù)研究。首先，根據(jù)順南區(qū)塊的地質(zhì)條件和三壓力剖面，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。其次，在分析井壁失穩(wěn)原因的基礎(chǔ)上，通過大量試驗(yàn)，優(yōu)選了抗高溫防塌鉆井液配方。然后，針對卻爾卻克組地層鉆進(jìn)過程中易發(fā)生井斜的問題，采用成本低、控斜效果較好的“MWD+單彎螺桿”防斜打快技術(shù)。最后，為解決氣層安全密度窗口窄、易發(fā)生井涌和井漏的問題，采用控壓鉆井技術(shù)鉆進(jìn)氣層?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，應(yīng)用優(yōu)快鉆井技術(shù)后，提高了井身質(zhì)量，縮短了鉆井周期，實(shí)現(xiàn)了安全鉆井。這表明，該優(yōu)快鉆井技術(shù)適用于順南區(qū)塊，可以解決該區(qū)塊鉆井中存在的問題，可為加快該區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程提供技術(shù)支持。

優(yōu)快鉆井 井身結(jié)構(gòu) 鉆井液 控壓鉆井 順南區(qū)塊

順南區(qū)塊是中國石化西北油田分公司的天然氣勘探開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域，具有橫向分布區(qū)域廣、縱向上鉆遇地層地質(zhì)年代跨度大、儲層埋藏深等特點(diǎn)。該區(qū)塊前期已經(jīng)完鉆的5口井，因存在地溫梯度高、鉆井液抗溫性能不足、卻爾卻克組地層垮塌、對奧陶系縫洞型氣層的氣侵規(guī)律認(rèn)識不清等問題，造成鉆井周期長、鉆井成本高，影響了該區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程。為此，開展了適用于順南區(qū)塊的優(yōu)快鉆井技術(shù)研究，研究成果在現(xiàn)場取得了很好的應(yīng)用效果。

1 順南區(qū)塊鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 鉆遇地層的主要特點(diǎn)

順南區(qū)塊完鉆井深6 500.00～7 000.00 m，自上而下鉆遇第四系、新近系、古近系、白堊系、三疊系、石炭系、泥盆系、志留系和奧陶系地層。第四系至三疊系地層以砂泥巖互層為主，地層疏松，可鉆性好。三疊系上部地層局部含有粒徑2～40 mm的礫巖，中部地層含有玄武巖，不適宜用PDC鉆頭鉆進(jìn)。石炭系、泥盆系和志留系地層以泥巖為主，局部含有灰?guī)r。奧陶系上統(tǒng)卻爾卻克組地層上部為泥巖夾粉砂巖和泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，區(qū)域地層傾角2.7°左右，且地溫梯度異常。奧陶系一間房組和鷹山組氣層活躍，蓬萊壩組是主要的目的層，儲層為孔洞-裂縫性儲層。

1.2 主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1) 奧陶系上統(tǒng)和中統(tǒng)地層地溫梯度異常。順南1井測井解釋顯示，井深7 050.00 m處的溫度達(dá)174 ℃，折算地溫梯度2.32 ℃/100m；順南2井測井解釋顯示井深6 875.00 m處的溫度達(dá)181 ℃，折算地溫梯度2.47 ℃/100m。

2) 卻爾卻克組地層穩(wěn)定性差，易掉塊、垮塌。前期所鉆井在該井段的井徑擴(kuò)大率平均達(dá)到18.4%(見表1)，因井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的鉆井復(fù)雜時(shí)效達(dá)15%。順南3井在卻爾卻克組地層和四開井段鉆進(jìn)過程中，因井壁失穩(wěn)反復(fù)通井劃眼，用時(shí)長達(dá)126.8 d。

表1 順南區(qū)塊已完鉆井卻爾卻克組地層井徑擴(kuò)大率

Table 1 The hole enlargement rate of Shunnan Block at Queerquek Formation

3) 一間房組、鷹山組氣層異常活躍，對鉆井、固井安全造成嚴(yán)重影響。一間房組、鷹山組地層壓力當(dāng)量密度1.21～1.25 g/cm3，鉆進(jìn)期間氣測全烴值10%～40%，提高鉆井液密度和長時(shí)間循環(huán)排氣均不能有效降低氣測全烴值，進(jìn)出口鉆井液密度差大于0.15 g/cm3。尾管封固段因氣層活躍，難以有效壓穩(wěn)，固井難度高。

4) 受地層沉積環(huán)境影響，順南區(qū)塊為單斜構(gòu)造，在鉆進(jìn)卻爾卻克組地層過程中易井斜。順南區(qū)塊隸屬塔中北坡構(gòu)造，卻爾卻克組地層整體傾角2.7°左右，區(qū)域發(fā)育多組北東走向斷裂帶，斷裂帶或斷裂帶附近存在較大傾角，最高可達(dá)26°。為了控制井斜，前期在鉆進(jìn)卻爾克組地層時(shí)，采用鐘擺鉆具組合進(jìn)行輕壓吊打，但井斜角難以控制在4°以內(nèi)，且嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速，機(jī)械鉆速小于2 m/h。

5) 蓬萊壩組孔洞型儲層鉆井安全密度窗口窄，易發(fā)生惡性井漏及井涌。蓬萊壩組地層壓力當(dāng)量密度大于1.44 g/cm3。高溫縫洞型儲層防漏堵漏難度大，井漏和溢流同時(shí)存在，井控風(fēng)險(xiǎn)高。

2 優(yōu)快鉆井技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用Drillworks地層壓力分析軟件對已完鉆井的測井資料進(jìn)行分析計(jì)算，建立了順南區(qū)塊地層三壓力剖面(見圖1)[1]。計(jì)算分析可知：1)恰爾巴克組以上屬正常壓力體系，一間房組、鷹山組地層壓力當(dāng)量密度1.21～1.25 g/cm3；2)蓬萊壩組地層壓力當(dāng)量密度大于1.44 g/cm3；奧陶系卻爾卻克組地層坍塌壓力較高(當(dāng)量密度1.15～1.32 g/cm3)，容易發(fā)生井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致井壁垮塌。

順南區(qū)塊前期采用直井開發(fā)，鷹山組和蓬萊壩組用一個(gè)開次揭示，井身結(jié)構(gòu)為：一開井段φ660.4 mm鉆頭×300.00 m，φ508.0 mm套管×300.00 m；二開井段φ444.5 mm鉆頭×1 500.00 m，φ339.7 mm套管×1 498.00 m；三開井段φ311.1 mm鉆頭×4 971.00 m，φ244.5 mm套管×4 969.00 m；四開井段φ215.9 mm鉆頭×7 280.00 m，下入φ177.8 mm生產(chǎn)尾管，完鉆后回接至井口；五開井段φ149.2 mm鉆頭×7 565.00 m，裸眼完井。該井身結(jié)構(gòu)存在以下問題：1)井眼尺寸大，開次多，施工周期長；2)鷹山組和蓬萊壩組屬不同的壓力體系，在鷹山組低壓層易發(fā)生壓差卡鉆；3)φ244.5 mm套管的扣型為非氣密扣，揭開氣層至φ177.8 mm套管回接期間風(fēng)險(xiǎn)較高。

針對順南區(qū)塊井深及地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，綜合考慮安全、快速、物資裝備等因素，結(jié)合西部超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)[2]，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：

1) 一開井段φ508.0 mm套管下深100.00 m；

2) 將三開井段φ244.5 m×11.99 mm技術(shù)套管的P110S偏梯扣調(diào)整為TP155V鋼級TP-CQ扣套管，抗內(nèi)壓強(qiáng)度從原設(shè)計(jì)套管的63 MPa提高至87 MPa；

3) 以鷹山組為主要目的層的井，鷹山組頂界為必封點(diǎn)，四開井段采用φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至鷹山組頂界中完，φ177.8 mm生產(chǎn)尾管由長圓扣調(diào)整為TIGER氣密扣；

4) 以蓬萊壩組為主要目的層的井，目的層頂界為必封點(diǎn)，四開采用φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至距奧陶系蓬萊壩組第一個(gè)串珠頂部50.00 m中完，φ177.8 mm生產(chǎn)尾管由長圓扣調(diào)整為TIGER氣密扣；

5) 五開井段采用φ149.2 mm鉆頭鉆至完鉆井深，裸眼完井；

6) 由于井深，受φ88.9 mm鉆桿抗拉強(qiáng)度的限制，φ177.8 mm生產(chǎn)套管完鉆后回接至井口，其扣型由長圓扣調(diào)整為TIGER氣密扣。

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，提高了四開和五開井段套管的氣密性和承載能力，降低了井控風(fēng)險(xiǎn)；不同壓力體系的鷹山組與蓬萊壩組分開次揭開，降低了壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 抗高溫鉆井液技術(shù)

針對卻爾卻克組地層巨厚泥巖易垮塌的問題，進(jìn)行了巖屑X衍射、電鏡掃描和理化性能測試。結(jié)果表明：地層黏土礦物含量15%～38%，其中伊/蒙混層含量41%～73%；巖心SEM電鏡(放大5 000倍)掃描多見鱗片狀的伊利石和假六片狀結(jié)晶良好的高嶺石(見圖2)，表現(xiàn)出較強(qiáng)分散性，地層微裂隙發(fā)育。

鉆井液極易沿膠結(jié)性差的泥砂巖互層微裂隙進(jìn)入地層內(nèi)部，產(chǎn)生較大的水化斥力，同時(shí)鉆井液濾液進(jìn)入微裂隙后產(chǎn)生水力尖劈作用，進(jìn)一步擴(kuò)大微裂隙，產(chǎn)生應(yīng)力性剝落垮塌。微裂隙是導(dǎo)致泥巖地層井壁失穩(wěn)的主要原因。

通過優(yōu)化鉆井液來解決卻爾卻克組地層失穩(wěn)的問題，鉆井液優(yōu)化思路為：以現(xiàn)有聚磺鉆井液為基礎(chǔ)，優(yōu)選抗高溫降濾失劑控制鉆井液的高溫高壓濾失量；優(yōu)選抗高溫抑制封堵劑，減少鉆井液侵入地層微裂隙的量，改善濾餅質(zhì)量，穩(wěn)定井壁；增強(qiáng)鉆井液的潤滑性，減小鉆進(jìn)時(shí)的摩阻。經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，優(yōu)選了抗高溫降濾失劑、磺化處理劑、封堵防塌劑及抗高溫潤滑劑，評價(jià)了氯化鉀和聚合醇的協(xié)同作用，形成了適應(yīng)于卻爾卻克組地層的抗180 ℃高溫的防塌鉆井液，其配方為3.0%膨潤土+0.1%Na2CO3+0.2%NaOH+0.2%KPAM+0.3%PFL-LV+0.5%AMPS+6.0%SMP-3+3.0%SPNH+0.5%抗鹽抗高溫降濾失劑+4.0%HTLM+5.0%KCl+0.5%聚胺+2.0%聚合醇+0.3%SP-80+2.0%超細(xì)碳酸鈣。該鉆井液在不同溫度下的主要性能見表2。

2.3 控壓鉆井技術(shù)

天然氣氣侵有溶解、置換和負(fù)壓3種方式。鉆遇裂縫性氣藏后，天然氣主要通過置換和溶解的方式進(jìn)入井筒。順南區(qū)塊一間房組和鷹山組地層鉆進(jìn)過程中，提高鉆井液密度和長時(shí)間循環(huán)排氣都不能有效降低氣測全烴值，其主要原因可能是甲烷在水中的溶解度隨著溫度和壓力的升高而升高[3]。

順南7井在鷹山組地層鉆遇活躍氣層，循環(huán)全烴值維持在30%以上，鉆井液進(jìn)出口密度差0.05～0.10 kg/L。逐步將鉆井液密度從1.47 kg/L提高至1.97 kg/L，鉆井液進(jìn)出口密度差仍保持0.05～0.10 kg/L，循環(huán)氣測全烴值仍保持在30%以上，油氣上竄速度沒有明顯改善(見圖3)，而且鉆井液密度提高至1.97 kg/L發(fā)生了井漏，表現(xiàn)出地層壓力當(dāng)量密度窗口窄的特性。

控壓鉆井技術(shù)通過控制井底壓力保證井底壓力等于或略大于地層壓力，不需中斷鉆井即可控制涌、漏，達(dá)到安全高效鉆過油氣層的目的[4-5]，是安全快速鉆進(jìn)窄鉆井液密度窗口地層的有效手段。因此，順南區(qū)塊在鉆遇活躍氣層時(shí)應(yīng)用了控壓鉆井技術(shù)。

2.4 三開井段井斜控制技術(shù)

目前，常用的井斜控制技術(shù)有垂直鉆井、導(dǎo)向鉆井、偏心鉆具組合、鐘擺鉆具組合和“MWD+單彎螺桿”。垂直鉆井和導(dǎo)向鉆井是控制井斜的最佳手段，但是成本高；偏心鉆具組合在高轉(zhuǎn)速條件下易導(dǎo)致鉆具失效，且控制井斜的能力有限；利用鐘擺鉆具組合控制井斜時(shí)要求采用小鉆壓，從而降低機(jī)械鉆速；“MWD+單彎螺桿”配合轉(zhuǎn)盤可在小鉆壓低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速下控制井斜，其成本低、控斜效率高。轉(zhuǎn)盤和單彎螺桿配合可提高鉆頭轉(zhuǎn)速，增加鉆頭切削下井壁的次數(shù)，既能提高被動(dòng)防斜的效果，也不會(huì)對破巖效率造成大的影響，且MWD能實(shí)時(shí)監(jiān)測井斜角，便于通過定向主動(dòng)糾斜。因此，采用“MWD+單彎螺桿”技術(shù)鉆進(jìn)卻爾卻克組地層。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

上述優(yōu)快鉆井技術(shù)在2014年新部署的井進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，鉆井效率大幅提高，易斜井段的井斜角得到控制，機(jī)械鉆速明顯提高，三開以上井段鉆井周期明顯縮短。

3.1 鉆井液抗溫性能明顯提高

抗高溫鉆井液在順南井區(qū)新部署的6口井進(jìn)行了應(yīng)用，鉆進(jìn)卻爾卻克組地層過程中未發(fā)現(xiàn)明顯掉塊，起下鉆通暢，井徑規(guī)則，井徑擴(kuò)大率平均小于5%，最小僅為1.90%(見表3)，保障了該井段的安全快速鉆進(jìn)。

3.2 卻爾卻克組防斜打快效果顯著

順南501井、順南5-1井、順南4-1井和順南5-2井的易斜井段使用“MWD+單彎螺桿”鉆進(jìn)，井斜角均控制在2.3°以內(nèi)，機(jī)械鉆速較順南4井和順南5井提高79.35%，鉆井周期縮短32.63%(見表4)，防斜打快效果顯著。

3.3 氣測異常段實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)

順南501井鷹山組地層鉆進(jìn)時(shí)氣測異常活躍，試驗(yàn)應(yīng)用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，通過回壓泵自動(dòng)控制井底壓力恒定，用質(zhì)量流量計(jì)監(jiān)測出口流量，保持鉆進(jìn)期間氣測全烴值穩(wěn)定，讓天然氣穩(wěn)定可控地進(jìn)入井筒，并通過液氣分離器分離出天然氣，實(shí)現(xiàn)了氣測異常段快速安全鉆進(jìn)。起鉆、中完測井和下套管前采用重漿帽測試安全時(shí)間，滿足安全時(shí)間要求后再進(jìn)行起鉆作業(yè)，順利完成了四開井段測井和下套管作業(yè)。

3.4 三開以上井段機(jī)械鉆速大幅提高

與未應(yīng)用優(yōu)快鉆井技術(shù)的順南4井和順南5井相比，應(yīng)用優(yōu)快鉆井技術(shù)的順南401井和順南501井等6口井三開以上井段的機(jī)械鉆速平均提高67.1%，鉆井周期平均縮短14.5%(見表5)。

表5 三開以上井段的鉆井速度和鉆井周期

Table 5 The drilling speeds and drilling cycles before the 3rd spudding

4 結(jié)論與建議

1) 提高技術(shù)套管的強(qiáng)度和分開次揭示不同壓力體系的地層，可提高井控控制能力、降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

2) 根據(jù)巖屑X衍射、電鏡掃描分析和理化性能測試結(jié)果，分析井壁失穩(wěn)的主要影響因素，并據(jù)此優(yōu)選鉆井液配方，可解決井壁失穩(wěn)問題。

3) 采用“MWD+單彎螺桿”技術(shù)，可解決順南井區(qū)卻爾卻克地層易發(fā)生井斜的問題。

4) 采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，用重漿帽控制安全時(shí)間，可保障氣測異?；钴S段鉆進(jìn)和中完的安全。

5) 建議開展深層高溫高壓裂縫和溶洞堵漏技術(shù)研究，以擴(kuò)大安全密度窗口，實(shí)現(xiàn)加深鉆進(jìn)。

References

[1] 葛鵬飛，馬慶濤，張棟.元壩地區(qū)超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(4):83-86. Ge Pengfei，Ma Qingtao，Zhang Dong.Optimization and application of ultra-deep well casing program in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(4):83-86.

[2] 易浩，杜歡，賈曉斌，等.塔河油田及周緣超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油鉆探技術(shù)，2015，43(1):75-81. Yi Hao，Du Huan，Jia Xiaobin，et al.The optimal design of a casing program for ultra-deep wells in the Tahe Oilfield and its periphery[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(1):75-81.

[3] 郝石生，張振英.天然氣在地層水中的溶解度變化特征及地質(zhì)意義[J].石油學(xué)報(bào)，1993，14(2)：12-22. Hao Shisheng，Zhang Zhenying.The characteristics of the solubility of natural gas in formation water and it’s geological significance[J].Acta Petrolei Sinica，1993，14(2)：12-22.

[4] 宋巍，李永杰，靳鵬菠，等.裂縫性儲層控壓鉆井技術(shù)及應(yīng)用[J].斷塊油氣田，2013，20(3)：362-365. Song Wei，Li Yongjie，Jin Pengbo，et al.MPD technology on fractured reservoir and its application[J].Fault-Block Oil and Gas Field，2013，20(3)：362-365.

[5] 蘇勤，趙向陽.一種精細(xì)控壓鉆井流動(dòng)模型的研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(1)：8-13. Su Qin，Zhao Xiangyang.The research and application of a fine MPD flow model[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(1)：8-13.

[編輯 劉文臣]

Optimal and Fast Drilling Technology for Shunnan Block

Wang Mo1，Du Huan1，Eerqm1，Bai Binzhen2，Zou Shuqiang1，Ma Hongyuan1

(1.DrillingandCompletionDepartmentofSinopecNorthwestBranch,Urumqi,Xinjiang,830011,China;2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China)

Since the reservoirs are deep and geothermal temperature is abnormally high in Shunnan Block,some drilling problems are related to the deficiencies of drilling fluid performance；problems,such as the wellbore lost stability and the well was easily deviated and so on,caused long drilling time and high drilling cost,have seriously slowed down the progress of exploration and development of the block.Some studies on optimal and fast drilling techniques had been made to solve the problems mentioned above.Based on the geological conditions in Shunnan Block and curves of three formation pressures foreseen,the casing program design had been further optimized.On the basis of analysis of wellbore instability,through a lot of tests,new recipe of drilling fluid was selected to solve high temperature and wellbore sloughing problem.To cope with the problem of hole deviation in Queerquek Formation,BHA of MWD+single bent PDM motor was used for drilling fast,which is cheap and has good function of anti-deviation.To overcome the problem that safe window for mud density adjustment is narrow in gas reservoir and gas kick or losses easily to happen,MPD technique was applied to drill gas reservoir zones.Field applications showed that fast drilling technique could improve the wellbore quality,shorten the drilling time and achieve a safe drilling.This indicated that fast drilling technique was applicable to Shunnan Block,could solve the existing problems of drilling and could provide technical support to the acceleration of exploration and development of the block.

optimal and fast drilling；casing program；drilling fluid；managed pressure drilling；Shunnan Block

2014-12-06；改回日期：2015-02-26。

王沫(1984—)，男，四川達(dá)州人，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，2009年獲西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事鉆井工程生產(chǎn)和管理工作。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201503010

TE242

A

1001-0890(2015)03-0050-05

聯(lián)系方式：(0996)4689827，swpuwangmo@sina.com。