準噶爾盆地環瑪湖凹陷鉆井提速技術

王海濤張 偉王國斌甘仁忠李 君張雪飛

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.新疆油田公司勘探公司，新疆克拉瑪依 834000）

準噶爾盆地環瑪湖凹陷鉆井提速技術

王海濤1張 偉2王國斌2甘仁忠2李 君2張雪飛1

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.新疆油田公司勘探公司，新疆克拉瑪依 834000）

準噶爾盆地環瑪湖凹陷壓力系統復雜，區域壓力變化大，漏失現象嚴重，八道灣組底部礫巖發育，厚度100～350 m不等，可鉆性差，導致機械鉆速低，鉆井周期長，嚴重制約了環瑪湖地區的勘探進程。根據該區塊鉆井地質特點，有針對性地開展了鉆井提速技術攻關。通過優化井身結構，優選高效PDC鉆頭，優選防漏堵漏鉆井液體系，運用提速輔助工具，逐步形成了適合環瑪湖地區的鉆井提速配套技術。現場應用的20口攻關井中，平均機械鉆速達到6.29 m/h，較攻關前提高63.4%，鉆井周期為72.29 d，較攻關前縮短37.2%，復雜時率為1.13%，較攻關前降低72.9%。現場應用情況表明，環瑪湖地區的鉆井提速配套技術提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，降低了復雜時率，可進一步推廣應用。

準噶爾盆地；鉆井技術；機械鉆速；井身結構；鉆頭選型；動力鉆具

環瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，面積約1 300 km2，通過近些年的滾動勘探，多口探井均獲得工業油流，從而揭開了環瑪湖凹陷勘探技術攻關的序幕。環瑪湖凹陷是建設“新疆大慶”油氣增儲上產的主要接替區，然而該地區壓力系統復雜，地層可鉆性差，導致機械鉆速低，鉆井周期長，嚴重制約了環瑪湖地區的勘探進程。在深入分析研究環瑪湖地區鉆井技術難點的基礎上，參考國內其他油田鉆井提速技術，根據該區塊鉆井地質特點進行了鉆井提速技術攻關。通過優化井身結構，優選高效鉆頭，優選防漏堵漏鉆井液體系，運用提速輔助工具，逐步形成了適合環瑪湖地區的鉆井提速配套技術。

1 鉆井提速難點分析

1.1 地質情況復雜

侏羅系中上部發育大段泥巖，西山窯組發育煤層，易造成鉆井過程中井壁失穩；吐谷魯群組底砂礫巖發育，頭屯河組砂巖發育，八道灣組底礫巖發育，上克拉瑪依組砂礫巖發育，鉆井時易發生漏失；百口泉組發育大套砂礫巖，巖性均質性差，縱橫向變化大，地質條件復雜，部分井氣測值低。

1.2 壓力系統復雜

三疊系百口泉組、二疊系烏爾禾組及夏子街組為環瑪湖地區主要目的層。由夏72井區、瑪13井區至瑪北油田、瑪南斜坡，儲層百口泉組試油外推壓力系數由1.0～1.15升高至1.4～1.7，由瑪西斜坡至瑪東斜坡，地層壓力逐步升高。壓力系統復雜，區域壓力變化大、增加了鉆井作業的施工難度。地層壓力上低下高，侏羅系及三疊系地層承壓能力低，百口泉組及烏爾禾組儲層安全密度窗口窄，若處于同一裸眼井段，鉆井風險大，井身結構優化難度大。

1.3 漏失嚴重、阻卡頻繁

環瑪湖斜坡帶地層漏失具有“漏失層段多、漏失壓力低、漏失量大、安全密度窗口窄”的特征，井漏主要分布在克拉瑪依組～下烏爾禾組地層，占井漏總數60%，防漏堵漏難度大。瑪湖1井發生了較嚴重的井漏，主要集中在大套砂巖、砂礫巖及微細裂縫較發育井段，由于鉆遇不同壓力系統地層，造成溢流、井漏同時存在，風城組漏失鉆井液584 m3，堵漏耗時113.28 h。該區域侏羅系地層的泥巖及砂礫巖、三疊系地層的硬脆性泥巖易垮塌，造成在鉆進、短提、劃眼等作業中阻卡頻繁，阻卡層段主要集中分布于三工河組～克拉瑪依組地層，占阻卡總數75%，鉆井液密度偏低是部分地層阻卡的原因所在。

2 提速配套鉆井技術

2.1 井身結構優化

合理的井身結構設計既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等事故發生，又能有效降低鉆井成本［1］。針對環瑪湖地區復雜的地質條件，通過地震、測井資料預測地層壓力，建立了地層壓力剖面，為井身結構優化提供了重要依據。20世紀90年代瑪北地區主要采用標準三開井身結構，一開采用?444.5 mm鉆頭，?339.7 mm套管下深500 m左右，建立井口；二開采用?311.2 mm鉆頭，?244.5 mm套管封八道灣組地層；三開采用?215.9 mm鉆頭，下入?139.7 mm套管。這種井身結構二開技術套管下深過淺，不能有效封固下部低承壓地層，致使三開井段發生作業風險，三疊系百口泉組、克拉瑪依組多次發生井漏，嚴重影響了施工進度。針對瑪北區域地質構造特征、鉆井工程地質特性，對該區域井身結構進行了優化完善。優化后的井身結構相對于常規結構采用預留一層技術套管以及復合井眼的方式，增加了處理復雜的應變能力，減少了承壓堵漏的難度和井眼失穩的機率，提高了井控能力，更能確保安全成井［2］。通過對瑪北地區2013年預探井的井身結構優化試驗，降本增效成效顯著，6口試驗井共節省套管1 116.7 t，節約中完工期64.7 d，大幅降低鉆井成本，機械鉆速提高18.5%～67.2%。

2.2 鉆頭選型優化

侏羅系三工河組以上地層以泥巖為主，夾薄砂巖層，膠結松散，可鉆性較好，推薦使用成本低、鉆速快的MP2G牙輪鉆頭。在不改變鉆井方式的情況下用PDC鉆頭替代牙輪鉆頭是提高機械鉆速的最有效手段［3-4］。PDC鉆頭主要是依靠較高轉速下牙齒對地層的剪切作用進行破巖，要求其牙齒具有更高的抗研磨性［5］。根據對完鉆井所用鉆頭的統計分析發現，環瑪湖地區PDC鉆頭進尺占75%，使用效果明顯，因此在表層白堊系以下地層推薦首選高效PDC鉆頭系列。八道灣組中上部泥巖強度低，可鉆性較好，但進入八道灣組較厚底礫巖后，可鉆性變差，一般PDC鉆頭無法成功穿過底礫巖，致使鉆頭報廢，八道灣組地層將是重點攻關提速層位。根據單只鉆頭進尺及機械鉆速，經過初選得到適合八道灣組地層的高效PDC鉆頭（圖1）。根據使用效果分析，FX65DX3、FR1935S、FS7563BGZ、FX65DSX3等PDC鉆頭使用效果較好。

圖1 八道灣組鉆頭使用效果

根據抗壓強度分析，在八道灣組地層，優選16～19 mm切削齒、低～中等布齒密度的PDC鉆頭。通過與鉆頭廠家合作及試驗，對多個廠家的鉆頭進行了篩選，并根據八道灣組的地層特點，針對試驗中出現的問題對鉆頭進行了個性化設計，優選出穿八道灣組砂礫巖的FX序列六刀翼、16 mm雙排切削齒FX65DX3鉆頭，該鉆頭流道面積大，攜巖能力強，減少重復切削，有效提高了鉆頭破巖效率。通過多口井的試驗，運用相同的方法對環瑪湖地區其他層位的鉆頭進行了優選，逐步形成了適合該地區的全井鉆頭序列（見表1）。

表1 環瑪湖地區全井鉆頭選型綜合推薦表

2.3 防漏堵漏鉆井液體系優選

環瑪湖地區漏失層段多，漏失問題突出。根據該區塊地層特征，對鉀鈣基聚磺鉆井液體系中抑制劑、包被劑、降濾失劑、封堵劑、潤滑劑進行了評價及優選，通過不同處理劑組合、配方優化等100組室內評價實驗，最終形成適合環瑪湖區塊的鉆井液技術。優選出的鉆井液配方為：4%膨潤土漿+0.2% Na2CO3+0.2%KOH+0.5%～0.7%包被劑PHMA-2+0.5%～0.7%降濾失劑SP-8+0.5%NPAN+3%SMP-1+1.5% SPNH+3%磺化瀝青+5%～9%KCl+0.2%～0.5%CaO+重晶石。在確定基漿配方后，對鉆井液體系進行了室內抗污染、抗溫性能評價及不同密度下流變性能評價。配方在130 ℃的條件下，依然保持良好的性能，在150 ℃滾動條件下，流變性能出現了較大的波動。針對環瑪湖區塊漏失特征，進行了隨鉆堵漏技術研究。對常用的隨鉆堵漏劑進行了評價及優選，通過流變性及砂床評價實驗得出，JCM-12、SD-601對流變性影響最小，漏失量最少。該地區的攻關井應用新型鉆井液體系之后，井下復雜時率降低為1.13%，較攻關前降低72.9%。

2.4 高效復合鉆井提速技術優選

2.4.1 扭力沖擊器+PDC鉆頭提速技術 扭力沖擊器以扭向上的沖擊破碎為主，加以旋轉剪切巖層，在保證井身質量的同時提高機械鉆速，將鉆井液的流體能量轉換成扭向的、高頻的、均勻穩定的機械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭。扭力沖擊發生器為純機械元件，且內部結構合理，無任何橡膠件、電子件，提速的同時能起到防斜的作用，保證井身質量。配合PDC鉆頭使用時，能更好控制井下振動，減少井眼扭曲，減小鉆具組合的疲勞強度，延長鉆頭壽命，降低卡、滑鉆風險，減少劃眼起下鉆次數，節省鉆井周期［6-9］。

為提高?215.9 mm井眼鉆進速度，在瑪13井區瑪15井、瑪16井進行了扭力沖擊器+PDC鉆頭提速技術的先導性試驗。瑪15井的試驗井段為2 630.03～3 062.03 m，所鉆遇的層位包括克拉瑪依組、百口泉組，鉆頭進尺432 m，機械鉆速為7.45 m/h；瑪16井試驗井段為2 767～3 213.22 m，所鉆遇的層位包括克拉瑪依組、百口泉組，鉆頭進尺446.2 m，機械鉆速為7.2 m/h。與鄰井相比，試驗的2口井提速效果明顯（見表2）。

表2 試驗井與鄰井各層位機械鉆速對比 m/h

2.4.2 高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭提速技術 利用渦輪鉆具的高轉速特性，配合長壽命、高效一體式的孕鑲金剛石鉆頭，輔之以轉盤（或頂驅）復合鉆進，以獲得較高的機械鉆速和鉆井進尺。高速渦輪有如下技術特點：效率高，如Smith公司渦輪轉速可以達到1 444 r/min，而普通螺桿轉速只有200 r/min；工作平穩，減少井下振動引起的鉆頭損害（碎齒、胎體斷裂等），延長鉆頭壽命；使用壽命長，沒有橡膠件，在井下工作時間可超過400 h。

在提速攻關期間，在瑪湖1井應用了高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭復合鉆井技術。使用井段為4 401～4 450.39 m，機械鉆速達到1.59 m/h，與常規牙輪鉆速0.53 m/h相比提速200%（見表3），提速效果明顯，但鉆進至4 450.39 m時出現溢流復雜情況，渦輪鉆具停止使用。

表3 瑪湖1井夏子街組渦輪+孕鑲金剛石鉆頭使用情況對比

3 現場應用

根據環瑪湖地區地質條件和鉆井特點，通過優化井身結構，推廣個性化鉆頭和防漏堵漏鉆井液體系，優選高效復合鉆井技術，自2012年進行環瑪湖鉆井提速攻關以來，共有20口井應用了提速配套技術，攻關井平均機械鉆速提高為6.29 m/h，較攻關前提高63.4%，鉆井周期縮短為72.29 d，較攻關前縮短37.2%，復雜時率降低為1.13%，較攻關前降低72.9%。從現場應用效果可以看出，采用該提速配套技術之后，機械鉆速、鉆井周期、復雜時率等鉆井技術指標均優于攻關前，綜合提速效果顯著。

4 結論及建議

（1）配套提速鉆井技術在準噶爾盆地環瑪湖地區的應用，大幅度提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，降低了復雜時率和鉆井成本，同時對防漏堵漏鉆井液體系進行了優選研究，為鉆井提速提供了有力保障，有助于加快環瑪湖地區的勘探步伐。

（2）優化后的井身結構相對于常規結構采用預留一層技術套管以及復合井眼的方式，增加了處理復雜的應變能力，確保安全、順利成井。

（3）高效PDC鉆頭在環瑪湖地區具有較好的應用效果，初步形成了環瑪湖地區全井鉆頭序列，對重點攻關層位已經進行了個性化PDC鉆頭的優選，建議進一步加強對其他層位個性化鉆頭的改進工作。

（4）扭力沖擊器+PDC鉆頭和高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭復合鉆井技術是鉆井提速的重要手段，建議在該地區進一步推廣應用，并優化水力參數和機械參數，提高綜合使用效果。

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（修改稿收到日期 2014-04-22）

〔編輯 薛改珍〕

ROP enhancing technology for circum-mahu lake depression in Junggar Basin

WANG Haitao1,ZHANG Wei2,WANG Guobin2,GAN Renzhong2,LI Jun2,ZHANG Xuefei1
（1.Petroleum Engineering College Yangtze University,Wuhan430100,China;2.Exploration Division of Xinjiang Oilfield Company,Petrochina,Karamay834000,China）

The circum-Mahu depression of Junggar is a complex pressure system;its regional pressure changes greatly;conglomerates have grown at base of Badaowan Formation with a thicknes of 100-350 m and poor drillability,leading to low ROP and long drilling period,which greatly hinders the exploration progress in circum-Mahu area.Since 2012,according to the drilling geological characteristics of this block,efforts have been made to tackle the technical difficulties in drilling acceleration,and a complete set of techniques have been developed for drilling acceleration through such measures as optimization of wellbore configuration and effective PDC drill bits,using lost circulation prevention drilling fluid system and using auxiliary accelerating tools.In 20 wells to which these techniques have been applied,the average rate of penetration was 6.29 m/h,up by 63.4%;drilling period was 72.29 d,shortened by 37.2%,and downhole trouble rate were 1.13%,down by 72.9%.Field application showed that the techniques for drilling acceleration have improved the ROP,shortened the drilling period and reduced the downhole troube rate.So,the above technical measures are worth promoting.

Junggar Basin;drilling technology;rate of penetration (ROP);well configuration;drilling bit optimization;power drill

王海濤，張偉，王國斌，等.準噶爾盆地環瑪湖凹陷鉆井提速技術［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：30-33.

TE22

：A

1000–7393（2014）04–0030–04

10.13639/j.odpt.2014.04.008

中石油股份公司鉆井科研項目“環瑪湖凹陷低滲儲層鉆井提速技術研究及昌吉油田致密油藏開發先導試驗鉆井技術研究”。

王海濤，1987年生。就讀于長江大學石油工程學院油氣井工程專業，主要從事巖石力學和鉆井工藝技術研究。電話：15299990159。E-mail：wanghaitao_sun@163.com。