提高西北油田玉北區塊鉆井速度研究

摘 要:新疆省和田市墨玉縣以北是西北油田勘探開發的新區塊，隨著2010年7月玉北1井的重大油氣突破，在該區塊進行了大范圍的鉆井部署，卻遇到了古近系膏鹽巖的縮徑卡鉆和二疊系中統開派茲雷克組火山巖的垮蹋卡鉆兩大技術難題困繞。通過對卡鉆原因的細致分析，從地質角度進行該井段巖性組合、巖石特點精要闡述，分析鉆井提速方法。

關鍵詞:西北油田玉北區塊 膏鹽巖蠕變縮徑火山巖垮蹋地質瓶頸解決方法

中圖分類號:TE358文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0044-02

引言

西北油田玉北區塊位于新疆省和田市墨玉縣以北，是中國石化集團西北油田分公司在塔里木盆地西南部的勘探新區。隨著2010年7月在該區塊部署的第一口風險預探井玉北1井的重大油氣突破，揭開了對玉北區塊的快速勘探開發的序幕。目前在該區塊和鄰邊同時部署了大量不同性質和類別的超深井，為了加快勘探步伐，提高鉆井速度，筆者作為玉北1-1井現場施工的地質工程師，大量收集了已鉆鄰井及周邊正施工井的資料，分析認為本區塊存在兩大地質瓶頸是鉆井提速必須要解決和克服的復雜因素。

1工程施工鉆遇復雜情況

1.1 古近系膏巖蠕變縮徑

(1)勝和2井H=1254.44+9.14m二開鉆進至井深4420.66m，在井段4420.00～3989.00m進行短程起下鉆作業完，下鉆至井深4394.09m遇阻，多次活動無效，卡鉆、鉆遇含鹽地層，鉆具被卡死。后經過浸泡解卡劑、爆炸松扣、打撈落魚失敗的情況下被迫回填側鉆。事故耗時55.32天。(2)玉北1井H=1225.97+9.00m二開鉆至井深3607.00～3690.00m多次遇到扭矩突然增大，上提遇卡下放嚴重遇阻。后將鉆井液密度由設計1.40g/cm3逐漸提高至1.70g/cm3，井下復雜情況才得到控制。(3)玉北1-1井H=1220.46+9.00m本井在鉆穿古近系前，借鑒了勝和2和玉北1井經驗，提前將鉆井液密度由1.40上升到1.70g/cm3，但即便如此鉆至井深3950.00～4010.00m，上提下放仍有頻繁遇阻卡現象。井隊采用增加短起下鉆次數，接單根多次劃眼，嚴密監測工程參數異常變化情況等措施，勉強控制了井下復雜情況。

另外，三口井在古近系底部均鉆遇視厚12.00～35.00m的含鹽地層，鉆井液氯根由14996上升到130959mg/l，電導率60上升到150ms/cm，失水2.5上升到7.5ml。含鹽地層的發育，破壞了鉆井液性能的穩定性，增加了工程施工的難度，嚴重影響了工程進度。

1.2 二疊系中統開派茲雷克組火山巖垮蹋

(1)勝和2井H=1254.44+9.14m三開鉆至井深5505.00m，短起至井深5410.00m突然掛卡，倒劃眼20cm泵壓7上升至16MPa，扭矩300上升至500A，轉盤憋死，上提185t，下砸100t未能解卡，卡點位置5420.00m。后來采用小排量循環鉆井液，間斷活動鉆具。其間又發生一次斷鉆具事故，只好先起出上部鉆具，所幸的是最后將全部落魚撈出，事故解處。共耗時10.12天。(2)玉北1井H=1220.46+9.00m三開鉆至井深4521.00m開始出現掉塊，并逐漸增多，接單根上提下放阻卡，泵壓升高。下鉆時多次在4521.00～4754.00m遇阻嚴重，劃眼扭矩增大，泵壓升高。逐步將鉆井液密度由設計上線從1.20上升到1.35和1.40g/cm3，井下復雜情況得到控制。鉆穿本組至石炭系下統卡拉沙依組井深5254.00m，下入取芯筒至4753.91m遇阻，循環期間立壓18.6上升到25.2MPa憋泵，活動鉆具無效，卡死。后經爆破松扣、套銑、震擊打撈出全部落魚，解除事故，共耗時27.50天。(3)玉北1-1井H=1225.97+9.00m本井在鉆穿開派茲雷克組前，也提前將鉆井液密度由設計上限1.35上升到1.40g/cm3，但鉆至本組中、下部井段4923.00～5060.00m巖屑中仍開始有掉塊出現，但尚可保持鉆井施工。待鉆穿本組至井深5077.16m，起鉆接單根時，立壓突然由20上升到25MPa，轉盤憋死，鉆具遇卡，懸重由130t上提至170t，未能解卡，卡點位置5066.00m。后經地面泵車頂通循環，泵壓32～35MPa不降，排量1.0～2.3L/s，因井下出現漏失而放棄，倒扣提出上部鉆具，打撈落魚時銑管兩次落井，被迫回填側鉆。事故耗時43.11天。

2地質瓶頸分析

2.1 古近系地層特征

受燕山運動影響，晚白堊世的海侵，在古近紀得到繼承和發展，并開始進入研究區，形成了古近系一套海岸碎屑巖－碳酸鹽巖及蒸發巖沉積，經歷了海岸潮坪－瀉湖相→碳酸鹽臺地相→潮坪→瀉湖相的演變過程[1]。而玉北區塊受構造和古地形所限，在古近系為瀉湖相沉積。根據井區各井實鉆巖性、電性對比結果，玉北區塊古近系整體為泥膏巖湖泊相等厚互層沉積，上部為膏質泥巖、泥巖夾薄層泥膏巖、含膏白云巖；中部為石膏巖、泥膏巖夾薄層膏質泥巖；下部為膏質泥巖、含膏泥巖，底部巖屑中可見少量灰白、棕紅、紫紅色鹽巖。

根據實鉆巖性鑒定:石膏巖、泥膏巖顏色為白、灰白色，成份以軟石膏CaSO4·2H2O為主，次為硬石膏CaSO4，含少量泥質，硬度2～4，吸水膨脹性較強。泥巖、含膏泥巖顏色為灰褐、灰色。質不純，膏質含量15%～35%。膏質分布不均勻呈斑塊狀、條帶狀分布。性較硬，吸水性、可塑性差，斷口平坦狀。鹽巖以灰白色為主，次為棕紅、紫紅色，含量1～5%。成分石鹽(NaCl、少量KCl)為主，微溶于水，呈玻璃光澤，稍具咸、苦味。由電測井徑CAL曲線可見，本組膏巖大部分均有縮徑現象，一般11.2～12in(鉆頭直徑12.25in)，最小10.1in，而泥巖顯示擴徑，一般12.8～13.2in，最大14in。

2.2 古近系鉆井阻卡原因分析

由本系地層巖性可見，造成鉆井施工遇卡、遇阻主要原因是地層巖性特征造成的。首先，當穿膏巖層時，膏巖吸附鉆井液中自由水體積迅速膨脹，造成井眼縮徑遇阻卡；另一方面，泥巖巖性較硬，吸水性、可塑性差，當膏巖膨脹蠕動時與其脫離，易形成掉塊，造成泥巖處井徑擴大，加大了鉆具受阻卡程度；第三，底部的鉀鹽、鈉鹽易被常規鉀基聚合物～鉀基聚磺鉆井液溶解，造成氯根、失水急劇升高，對鉆井液的穩定性起到了惡劣的破壞作用。

以上是造成古近系出現鉆井阻卡地質瓶頸，這三個地質因素嚴重制約著鉆井速度，為了避免造成卡鉆惡性工程事故的發生，不得不進行頻繁短起下鉆、反復劃眼，不斷調整泥漿性能等措施。因此，機械鉆速急劇降低，在該段的鉆進施工中出現了鉆進時效與進尺不相符的情況。三口井古近系地層視厚僅占本開次進尺的4.07%～6.32%，而鉆進施工所用的時間卻占到了本開次正常鉆進所用時間的17.65%～25.65%，高出了正常所用時間的13.58%～19.33%，這個比例的經濟意義是不可忽視的。

2.3 二疊系中統開派茲雷克組地層特征

中二疊世隨著地殼的上升與張裂，產生強烈的火山活動，形成覆蓋區典型的的火山碎屑沉積；晚二疊世，火山活動停止，研究區再次成為濱淺湖沉積環境[2]。根據井區各井實鉆巖性、電性對比結果，開派茲雷克組整體為灰黑色玄武巖、深灰、灰、淺灰、綠灰、灰棕色凝灰巖、深灰色輝綠巖夾灰褐、棕褐色泥巖。

根據實鉆巖性鑒定:輝綠巖，發育于本組中下部，顏色為深灰色，主要礦物成分為輝石、基性斜長石、磁鐵礦，次生礦物綠泥石，巖石具輝綠結構-密集分布的斜長石晶體形成的三角間隙中，充填單個輝石或磁鐵礦，還具嵌晶含長結構-大的輝石顆粒內包含若干長條狀斜長石晶體，輝石雖被隔開，但同時消光；巖石致密、堅硬[3]。玄武巖，灰黑色，斑狀結構，斑晶為輝石(個別伊丁石化或蛇紋石化)和基性斜長石，有的巖石內輝石斑晶可達15%左右；基質仍具拉斑玄武結構，在基性斜長石晶體的間隙中充填許多細小的輝石顆粒或由它此生變化形成的綠泥石，少量間隙中含淺棕色的玻璃質，巖石致密，堅硬[4]。凝灰巖，顏色較雜，以深灰、灰色為主，次為淺灰、綠灰色，少量灰棕色，凝灰結構；巖石由20%～30%巖屑、40%～35%晶屑、40%～35%火山灰(已蝕變)膠結組成。巖屑主要為泥巖；晶屑成份以長石、石英為主，少量暗色礦物；部分巖屑、晶屑已碎裂；巖屑呈粉粒狀，少量呈片狀，局部具碳酸鹽化，性較軟，用手可捻成粉末狀。泥巖，主要呈薄層夾層的形式發育，以灰褐為主，次為棕褐色，性較硬，吸水性、可塑性差，斷口平坦狀，巖屑呈塊狀。由電測井徑CAL曲線可見，開派茲雷克組全井段均為擴徑，尤其是在玄武巖井段，一般10.2～11.2in，最大可達14in，凝灰巖、輝綠巖和泥巖井段一般9.8～10.8in，而鉆頭直徑為8.5in，平均井擴大率23.5%。

2.4 二疊系中統開派茲雷克組鉆井阻卡原因分析

分析了本組的巖性組合及巖石特征，再來分析造成本組易垮塌、憋泵阻卡的原因就變得十分明了了。首先，玄武巖、輝綠巖中因含有大量的輝石、斜長石、磁鐵礦斑晶，巖石變得硬脆，幾乎沒有塑性，再加上火山噴發時大量的氣體伴著熔巖一起噴出地表或侵入周邊巖體中，因此火山巖又發育有一定的氣孔、縫隙等，這樣當鉆穿該巖石后，在鉆具或鉆頭碰撞到井壁時，就很容易使其斷裂、崩落、垮塌。其次，凝灰巖中的玻屑及剛性的火山碎屑物，也屬于易斷裂組分，雖然凝灰巖硬度和脆性無法與玄武巖、輝綠巖相比，但其凝灰結構的可塑性差，巖石應力釋放均質性差，從而造成層脫落、垮塌。第三，呈薄層、夾層發育的泥巖，是造成本組井壁穩定性、支撐性差最關鍵的因素。泥巖在一定程度隔擋開了玄武巖與輝綠巖、凝灰巖的大面積接觸，而巖獎巖的巖性特征與沉積巖特征巨大差異，造成泥巖與基性噴出巖(玄武巖)、淺成侵入巖(輝綠巖)及火碎屑巖(凝灰巖)之間的粘結、支撐性差，而且極有可能他們之間本身就存在一定的垂向斷裂。這樣就會造成本組整體各類巖石之間的支撐性、穩定性差，當完全鉆穿本組后，任何一點對井壁碰撞、或是激動壓力、抽吸壓力都可能會造成硬脆性玄武巖、輝綠巖崩落，然后是失去了支撐的凝灰巖、泥巖的垮塌。這就是本井區多口井在本組頻繁發生阻卡、憋泵的原因。該地層瓶頸的存在，同樣造成機械鉆速急劇降低，三口井開派茲雷組地層視厚占本開次進尺的10.04%～15.26%，而鉆進施工所用的時間卻占到了本開次正常鉆進所用時間的17.13%～23.53%，高出了正常所用時間的7.09%～8.27%，這個比例雖然較古近系略低，但也是不容忽視的，而且多口井在本組還發生惡性的卡鉆事故。

3解決地質瓶頸方法分析

就目前來說，井區鉆井較少，且已鉆井距今較久，其資料適用性，準確性都需要重新論證，筆者根據井區實鉆情況分析探討如下。

(1)鑒于多口井在古近系、開派茲雷克組井段運用提高鉆井液密度方法，順利穿過了該層，分析認為，古近系井段應將鉆井液密度控制在1.70～1.75g/cm3之間，開派茲雷組在1.35～1.40g/cm3才能保持地層壓力平衡。但考慮到膏巖、鹽巖、火山巖的物理、化學性質，顯然只用提高鉆井液密度的方法是遠遠不能夠達到理想鉆井狀態的。所以，應進行現場地層壓力測試、特殊項目測井、巖芯、巖屑采樣等基礎工作，并組織科研人員進行科技攻關，從優化鉆井液性能、科學鉆井全面入手，徹底解決兩大地質瓶頸，為鉆井提速清除障礙。

(2)加強地層對比，提高地質預告的準確性。準確判斷古近系、開派茲雷組頂、底界深度及視厚，提前告知工程技術人員換層深度，是提高鉆井速度、避免井下復雜情況發生的重要條件。不同的地層，其巖性組合特征不同，其可鉆性也會大不相同，需要有針對性的鉆井參數、鉆進方式、鉆頭選型及鉆井液性能等，尤其是對古近系膏巖層和開派茲雷克組的火山巖特殊地層。在實鉆過程中，現場地質人員要通過正鉆巖性校證預測地層剖面，加強地層對比和鄰井資料的綜合分析，盡最大可能的提高預測古近系和開派茲雷克組頂底界深度的準確性。

(3)提前做好可執行性較強的特殊井段鉆進措施。對于本井區、本井存在的膏鹽巖、火山巖，鉆井技術人員要有全面的認識，并根據本井特點制定出有效的、針對性的應對措施，在實鉆過程中再進行不斷的修證，確保順利鉆穿特殊井段。

(4)充分利用綜合錄井儀，做好工程參數的異常預報。當鉆遇古近系膏巖層時，通常會出現扭矩變化、鈣離子升高，接單根、起下鉆過程中會出現阻卡現象；鉆遇鹽巖層時則會出現電導、氯根、失水升高；鉆遇火山巖時會出現扭矩變大、憋泵，起下鉆或者接單根時有阻卡現象，而這些異常情況的發生在綜合錄井儀上都能夠有所反映。有時只是輕微的變化，有時變化十分明顯，如果能夠及時進行準確分析判斷，就會提前發現井下異常情況，避免惡性鉆井事故的發生。

4結語

通過對制約玉北區塊鉆井提速地質瓶頸的分析，認識到了該區塊工程施工的艱巨性，但經過對古近系和開派茲雷克組巖性的細致分析和工程事故的原因分析，一定能夠找到克服瓶頸的方法。

隨著目前正鉆井的摸索，經驗、認識的積累以及實物、資料數據的不斷完善，再加上各專業人員的不斷探索，在不久的將來一定會迎來西北油田玉北區塊的鉆井大提速。

參考文獻

[1]丁孝忠等.塔里木盆地巖相古地理特征[M].北京:地質出版社，2001.

[2]金仙梅等.塔里木盆地海西期火山巖特征與圈閉研究初探[M].北京:石油工業出版社，2006.

[3][4]袁云玲，陽國進.西北石油地質中心實驗室[J].烏魯木齊，2001.