順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井優(yōu)快鉆井技術(shù)

翟科軍， 于 洋， 劉景濤， 白彬珍

（1. 中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2. 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830011；3. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

順北油氣田儲(chǔ)層埋深 7 600～8 800 m，超深井鉆井存在二疊系火成巖地層易發(fā)生井漏、志留系泥巖地層井眼易垮塌、古生界深部地層可鉆性差等難題[1-8]。特別是，該油氣田桑塔木組發(fā)育有火成巖侵入體（火成巖侵入體覆蓋區(qū)域面積達(dá)117 km2），井眼坍塌壓力非常高。因此，順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井鉆井時(shí)，既要解決二疊系、志留系地層和古生界深部地層存在的共性問題，又要解決火成巖侵入體帶來的鉆井難題。為了抑制火成巖侵入體覆蓋區(qū)井眼垮塌，該油氣田采取了提高鉆井液密度的方法，并優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)火成巖侵入體進(jìn)行了專封，但效果不佳；完鉆井眼直徑僅120.7 mm，小井眼定向工具的故障率高，導(dǎo)致鉆井效率較低。為此，筆者建立了地層三壓力剖面，根據(jù)壓力剖面確定了鉆井必封點(diǎn)，優(yōu)化了火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井井身結(jié)構(gòu)，將完鉆井眼直徑由120.7 mm增大為143.9 mm，研究了二疊系防漏技術(shù)、志留系井眼穩(wěn)定技術(shù)、火成巖侵入體安全鉆井技術(shù)及分層鉆井提速技術(shù)，形成了順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井優(yōu)快鉆井技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該集成技術(shù)提速效果明顯。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)與解決思路

1.1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1）順北油氣田二疊系厚410～480 m，英安巖（厚約200 m）與凝灰?guī)r互層微裂縫發(fā)育，易發(fā)生井漏。如XB1-1H井鉆進(jìn)二疊系地層時(shí)發(fā)生井漏25 次，漏失鉆井液 2 245.4 m3，漏失水泥漿 260.8 m3，處理井下復(fù)雜情況時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致鉆井周期延長(zhǎng)45.96 d。

2）順北油氣田志留系地層黏土礦物含量6%～29%，以伊/蒙混層和伊利石為主，裂縫寬度1.188～1.836 μm，屬硬脆性泥巖，易垮塌。如XB1井鉆遇志留系地層后阻卡頻發(fā)，劃眼處理22.1 d，平均井徑擴(kuò)大率達(dá)23.14%。

3）順北油氣田奧陶系桑塔木組含火成巖侵入體，地層坍塌壓力高，鉆井中極易發(fā)生應(yīng)力垮塌。如XB1井在五開鉆入侵入體后頻繁蹩停頂驅(qū)，為抑制侵入體井段掉塊，將鉆井液密度由1.38 kg/L提高至1.86 kg/L，但隨即發(fā)生了井漏。

4）順北油氣田前期完鉆井眼直徑為120.7 mm，小井眼所用的鉆具柔性大，井下振動(dòng)劇烈，且井底溫度高達(dá)170 ℃，小井眼降溫能力差，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器故障率達(dá)到60%以上。

5）順北油氣田古生界深部地層巖石軟硬交錯(cuò)，巖石強(qiáng)度大于100 MPa，可鉆性差，嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速。

1.2 解決思路

針對(duì)順北油氣田奧陶系桑塔木組火成巖侵入體帶來的鉆井難題，以及該油氣田存在的志留系泥巖地層易塌、二疊系火成巖地層易漏和古生界深部地層可鉆性差等問題，開展了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和優(yōu)快鉆井配套技術(shù)研究。具體思路是：先求取地層三壓力剖面，確定必封點(diǎn)和套管序列，以擴(kuò)大完鉆井眼直徑、使之能夠使用常規(guī)定向工具為目的，優(yōu)化形成火成巖侵入體覆蓋區(qū)井身結(jié)構(gòu)；然后，在優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，配套二疊系地層防漏、志留系地層井眼穩(wěn)定、火成巖侵入體安全鉆井技術(shù)和分層提速技術(shù)。順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井鉆井中集成應(yīng)用以上配套技術(shù)，以解決各種鉆井難題，提高機(jī)械鉆速。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 地層三壓力剖面計(jì)算

為了給井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，采用地層壓力計(jì)算軟件GMI，結(jié)合順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)的測(cè)井資料、鉆井資料及測(cè)試資料，計(jì)算了該區(qū)域地層的三壓力剖面，結(jié)果見表1。

由表1可知：各地層孔隙壓力正常，不存在異常高壓；火成巖侵入體地層坍塌壓力異常，當(dāng)量密度高達(dá) 1.55～1.65 kg/L。

2.2 超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

順北油氣田奧陶系桑塔木組火成巖侵入體地層坍塌壓力高，而志留系地層承壓能力較低，不能在同一開次揭示，因此確定侵入體頂部為必封點(diǎn)。同時(shí)，碳酸鹽巖裂縫性、縫洞型油藏易發(fā)生井漏，為滿足儲(chǔ)層測(cè)試條件和保障井控安全，確定目的層頂部為必封點(diǎn)。

根據(jù)地層三壓力剖面和必封點(diǎn)位置，火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井設(shè)計(jì)采用四開井身結(jié)構(gòu)。為提高定向鉆井效率，將四開井眼直徑由120.7 mm優(yōu)化為143.9 mm，鉆頭直徑和套管序列則由目的層向上逐級(jí)進(jìn)行反推[1-2, 9-10]。三開井段，采用 φ190.5 mm 鉆頭鉆進(jìn)，φ168.3 mm套管封隔火成巖侵入體及目的層以上地層（套管內(nèi)徑要求能夠通過φ143.9 mm鉆頭）；二開井段，用 φ269.9 mm 鉆頭鉆進(jìn)，φ219.1 mm套管封隔火成巖侵入體以上地層（套管內(nèi)徑要求能通過 φ190.5 mm 鉆頭）；一開井段，采用 φ374.7 mm鉆頭鉆進(jìn)，φ298.5 mm套管封隔淺表地層（套管內(nèi)徑要能通過φ269.9 mm鉆頭）。火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井原井身結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)（新井身結(jié)構(gòu)）見表2。

表 2 火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井優(yōu)化前后的井身結(jié)構(gòu)Table 2 The original casing program and the casing program in igneous invasion coverage area

由表2可知，與原井身結(jié)構(gòu)相比，新井身結(jié)構(gòu)中的完鉆井眼直徑增大為143.9 mm，采用常規(guī)鉆桿、測(cè)量?jī)x器和螺桿鉆具即可施工，并可滿足地質(zhì)資料錄取及后期完井的要求。

3 優(yōu)快鉆井配套技術(shù)

順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)不同地層的巖性特征不同，超深井鉆井時(shí)應(yīng)針對(duì)地層巖性特征采用不同的鉆井提速技術(shù)。

3.1 二疊系防漏技術(shù)

順北油氣田二疊系為英安巖、凝灰?guī)r互層，裂縫發(fā)育，易井漏，漏失壓力較低，應(yīng)以預(yù)防為主[7-11]，由“堵漏為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙苑罏橹?，防堵結(jié)合”。

鉆進(jìn)前封堵微裂縫，強(qiáng)化井壁穩(wěn)定性。通過室內(nèi)封堵評(píng)價(jià)試驗(yàn)，得到封堵劑配方：2%超細(xì)碳酸鈣+1%竹纖維+1%單向壓力封堵劑+2%陽離子瀝青+2%納米乳液。

鉆進(jìn)時(shí)采用低密度（1.23～1.25 kg/L）、低塑性黏度（15～20 mPa·s）、低切力（4～6 Pa）的鉆井液，并采用低排量（30～33 L/s），利用固控設(shè)備控制鉆井液固相含量，控制起下鉆速度，避免產(chǎn)生較大的激動(dòng)壓力，使井底壓力小于漏失壓力。起鉆前注入10%～15%封閉漿（主要配方為1%聚合物凝膠+3%竹纖維+2%瀝青+2%單向壓力封堵劑+2%SQD-98（細(xì)）+1%CXD），避免起下鉆過程中發(fā)生井漏。

3.2 志留系井壁穩(wěn)定技術(shù)

順北油氣田志留系地層微裂縫發(fā)育，黏土礦物含量高達(dá)29.0%，以伊/蒙混層和伊利石為主。該類硬脆性泥巖易坍塌掉塊，鉆井液濾液進(jìn)入裂縫會(huì)增大膨脹壓力和發(fā)生水敏垮塌。

為降低液相侵入量，保證井壁穩(wěn)定，采用“抑制水化+成膜隔離”協(xié)同防塌的理念，優(yōu)選成膜劑、強(qiáng)抑制聚胺復(fù)配KCl[12]，形成了鉀胺基聚磺成膜鉆井液，其主要配方為1.0%成膜劑+2.0%乳化瀝青+0.5%聚陰離子纖維素+5.0%KCl+0.8%聚胺抑制劑+2.0%磺化酚醛樹脂+3.0%褐煤樹脂。該鉆井液的巖屑滾動(dòng)回收率為93.7%，頁巖膨脹率為1.76%。

3.3 火成巖侵入體安全鉆井技術(shù)

順北油氣田奧陶系桑塔木組火成巖侵入體為巖漿向上侵入而形成的巖石，泊松比0.206～0.268，彈性模量 29.1～37.9 MPa，抗壓強(qiáng)度普遍高于 150 MPa，坍塌壓力系數(shù)1.55～1.65，體現(xiàn)出硬脆性巖石的力學(xué)特征[13]?；鸪蓭r會(huì)對(duì)鉆頭造成嚴(yán)重的損傷，且井壁極易發(fā)生垮塌掉塊。

火成巖在冷卻過程中會(huì)形成微裂縫，防塌的重點(diǎn)是封堵微裂縫，阻止和減緩孔隙壓力傳遞。為此，鉆井液中加入2.0%～3.0%瀝青類材料+2.0%超細(xì)碳酸鈣+0.5%～1.0%PB-1+5.0%強(qiáng)封堵劑，以增強(qiáng)鉆井液的封堵性能。鉆進(jìn)火成巖侵入體前，鉆井液密度調(diào)整為1.65 kg/L，強(qiáng)化應(yīng)力支撐；鉆進(jìn)過程中及時(shí)采用漏斗黏度大于120 s的稠漿塞攜帶井下掉塊，工程上采用“進(jìn)一退二”的方式鉆進(jìn)，以避免發(fā)生井下故障。

3.4 分層鉆井提速技術(shù)

采用測(cè)井參數(shù)反演，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取了各層位巖石的抗壓強(qiáng)度、可鉆性級(jí)值等巖石力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行了PDC鉆頭優(yōu)選和鉆井工藝研究[14-16]，在此基礎(chǔ)上形成了順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井分層鉆井提速技術(shù)。

二疊系以上地層抗壓強(qiáng)度40～80 MPa，可鉆性級(jí)值2～5，為軟—中硬地層，采用“PDC鉆頭+螺桿鉆具”快速鉆進(jìn)。選用五刀翼、φ19.0 mm切削齒的PDC鉆頭，增強(qiáng)其攻擊性和防泥包功能。

二疊系火成巖地層抗壓強(qiáng)度90～160 MPa，可鉆性級(jí)值6～7，為硬—極硬地層，選用五刀翼、φ13.0 mm切削齒的PDC鉆頭與扭力沖擊器配合使用，以減少井下振動(dòng)。

二疊系至火成巖侵入體上部為砂泥巖互層，地層軟硬交錯(cuò)，抗壓強(qiáng)度80～150 MPa，可鉆性級(jí)值5～7，屬于硬地層，選用五刀翼、φ16.0 mm 切削齒的PDC鉆頭與等壁厚大扭矩螺桿配合使用，以達(dá)到提速的目的。

火成巖侵入體抗壓強(qiáng)度140～170 MPa，可鉆性級(jí)值7～8，為極硬地層，選用進(jìn)口鑲齒牙輪鉆頭或HJ637牙輪鉆頭，配硬質(zhì)合金圓偏楔齒并進(jìn)行梯度硬質(zhì)合金處理，強(qiáng)化金剛石保徑和掌背扶正塊。

火成巖侵入體以下地層抗壓強(qiáng)度70～150 MPa，可鉆性級(jí)值4～7，為硬地層，選用五刀翼、φ13.0 mm切削齒的PDC鉆頭與螺桿鉆具配合使用，以達(dá)到提速的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井優(yōu)快鉆井技術(shù)在XB1-11H井等7口超深井中進(jìn)行了應(yīng)用，與未用該技術(shù)的XB1井相比，完鉆井眼直徑由120.7 mm 擴(kuò)大至 143.9 mm，鉆井周期縮短了 94 d，機(jī)械鉆速提高了1.3 m/h。

5口井應(yīng)用了二疊系防漏技術(shù)。在鉆井液中加入1%～2%不同粒徑的超細(xì)碳酸鈣和1%～2%竹纖維，采用隨鉆防漏方式鉆穿二疊系地層，鉆井液的黏度和切力保持在較低的狀態(tài)，井底循環(huán)當(dāng)量密度為1.32 kg/L。5口井鉆進(jìn)過程中均未發(fā)生井漏，而未應(yīng)用該技術(shù)的鄰井均出現(xiàn)不同程度的漏失。

7口井應(yīng)用了志留系井眼穩(wěn)定技術(shù)。采用密度1.26～1.32 kg/L的鉆井液，并加入1.0%～1.5%納米乳液成膜劑+5.0%～7.0%KCl+0.5%～1.0%聚胺抑制劑，強(qiáng)化聚胺、氯化鉀協(xié)同抑制作用和納米乳液成膜封堵性能。7口井平均井徑擴(kuò)大率僅為9.01%（前期井眼擴(kuò)大率達(dá)16.05%），且鉆進(jìn)及中完過程中未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。

7口井應(yīng)用了火成巖侵入體安全鉆井技術(shù)。通過加入超細(xì)碳酸鈣、防塌瀝青、變形封堵劑，鉆井液密度由 1.70～1.86 kg/L 降至 1.60～1.65 kg/L。7 口井鉆井期間未發(fā)生阻卡，扭矩正常，降低了高密度鉆井液條件下的巖石壓實(shí)效應(yīng)。

7口井應(yīng)用了分層提速技術(shù)。不同地層采用不同特點(diǎn)的鉆頭與提速工具配合實(shí)現(xiàn)提速，7口井平均機(jī)械鉆速由 4.2 m/h提高至 5.5 m/h，提高了31.0%。三開 φ190.5 mm 井段應(yīng)用 φ16.0 mm 尖圓齒鉆頭與等壁厚螺桿配合，機(jī)械鉆速由2.1 m/h提高至 3.1 m/h，提高了 47.6%。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）在根據(jù)地層三壓力剖面確定必封點(diǎn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井井身結(jié)構(gòu)，將完鉆井眼直徑由120.7 mm增大至143.9 mm，提高了定向鉆井時(shí)效。

2）順北油氣田二疊系裂縫性地層易井漏，堅(jiān)持“以防為主，防堵結(jié)合”的思路，采用低密度、低黏切的鉆井液低排量鉆進(jìn)，遏制了井漏的發(fā)生。

3）根據(jù)“抑制水化+成膜隔離”的協(xié)同防塌理念，優(yōu)選成膜劑，并復(fù)配聚胺抑制劑和KCl，解決了順北油氣田鉆進(jìn)志留系水敏性、硬脆性泥巖時(shí)易垮塌的問題。

4）順北油氣田奧陶系桑塔木組火成巖侵入體井眼易垮塌，通過采用專封結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)封堵防塌，配合稠漿塞洗井和細(xì)化工程措施，實(shí)現(xiàn)了火成巖侵入體井段安全鉆進(jìn)。

5）根據(jù)不同地層的巖石力學(xué)參數(shù)，優(yōu)選PDC鉆頭和鉆井工藝，形成了順北油氣田火成巖侵入體覆蓋區(qū)超深井分層鉆井提速技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后機(jī)械鉆速大幅提高。