火焰山中央隆起帶安全快速鉆井技術探討

趙彥彬，閆志剛，楊佳偉

1.中國石油吐哈油田分公司監督中心（新疆鄯善838200）

2.中國石油西部鉆探吐哈鉆井公司（新疆鄯善838200）

■工程技術

火焰山中央隆起帶安全快速鉆井技術探討

趙彥彬1，閆志剛1，楊佳偉2

1.中國石油吐哈油田分公司監督中心（新疆鄯善838200）

2.中國石油西部鉆探吐哈鉆井公司（新疆鄯善838200）

火焰山中央隆起帶位于魯克沁油田北區火焰山周邊區域，該區域地質構造復雜，受褶皺及斷層影響，地層傾角大且傾角變化范圍大，表層裂縫發育、中部地層煤層且斷層發育、下部地層可鉆性差，在鉆井過程中復雜事故頻發，機械鉆速低，鉆井周期長。通過對已鉆井的調研分析，可知復雜事故發生的層位及類型，經過開展表層防漏堵漏技術、優選個性化鉆頭、優化井眼軌跡控制技術、防卡鉆井技術、大傾角地層防斜技術等研究，在很大程度上降低了復雜事故率，縮短了鉆井周期。

推覆體；斷層；表層井漏；煤層卡鉆；配套鉆井技術

火焰山中央隆起帶屬于火焰山構造帶，主要開發層位為二疊系梧桐溝組（P3w），是吐哈油田新的產能增長點。在2013-2014年期間完成了6口井，平均井深4 654.6m，機械鉆速3.24m/h，鉆井周期163.91d，事故復雜率22.51%，存在機速慢、復雜事故時率高、鉆井周期長等諸多問題。該區塊復雜事故率高是受地質條件影響，主要表現為全井地層傾角大、表層井漏嚴重、中部煤層及斷層坍塌卡鉆、下部地層可鉆性差。因此通過對已鉆井復雜事故的調查分析，開展針對性的技術研究，形成了適合該區塊的配套鉆井技術，包括表層防漏堵漏技術、優選個性化鉆頭、優化井眼軌跡控制技術、防卡鉆井技術，大傾角地層防斜技術，該綜合配套技術的實施極大地改善了鉆井成效。

1 前期鉆井情況

火焰山中央隆起帶受火焰山地形影響，開發方式以定向井為主，井身結構為二開井。

井身結構：Φ375mm鉆頭、Φ273mm套管×1 200m +Φ216mm鉆頭、Φ139.7mm套管×4 688m。

井眼軌跡：造斜點1 300～1 500m，最大井斜34°～53°，斜井段長3 100～3 500m，水平位移1 100～1 600m。

在前期鉆井中主要表現為以下難點。

1.1 表層井漏突出

表層（Q-K1tg）裂縫發育，漏失主要集中在K1tg以上地層（井段30～500m）（表1）。

表1 井漏情況統計表

1.2 煤層、斷層事故率高

中部地層（上盤J2x-下盤J1）推覆體逆斷層構造，煤層、斷層、破碎帶發育，易坍塌，事故率高（表2）。

1.3 下部地層可鉆性差

下部地層（T2-3k-P2w）存在大段砂礫巖，地層壓實程度高，夾層多，研磨性強。鉆井過程中該段礫徑較均勻，無大粒徑礫石，粒徑在5mm以內，鉆時由4min逐漸增加，最大達到180min，地層機械鉆速低，鉆井周期長。

表2 卡鉆情況統計表

1.4 全井地層傾角大

全井地層傾角大（18°～58°），全井段易斜，方位固定不變，井身質量控制難度大（表3）。完成井表層井斜均超標，玉北6井井斜超標造成填井側鉆；斜井段調整軌跡、倒換鉆具結構次數多（表4），調整軌跡需要13.46d。

表3 表層井身質量統計表

表4 斜井段調整軌跡數據表

2 配套鉆井技術研究

2.1 表層堵漏技術研究

2.1.1 漏失情況分析

火焰山中央隆起帶表層巖性特征：上部為大套棕紅色泥巖，中部為灰綠色泥巖，下部為大套雜色砂礫巖夾棕紅色泥巖［1-2］。

該區塊前期6口井中有4口發生嚴重漏失，表現為漏失速度快，漏失量大，存在失返現象，堵漏后進入新地層馬上出現漏失，堵漏效果差，三大漏失段：30～50m、100～150m、300～400m。結合地質因素分析其漏失機理為：受喜馬拉雅構造運動影響，火焰山上部地層破碎嚴重，存在大段裂縫，裂縫垂直發育，連通性好，鉆井過程中進入破碎，地層發生裂縫性漏失，由于裂縫寬度較大，延伸范圍較廣，鉆井液漏失量大，且不易堵住，并且由于裂縫延伸方向多為水平方向，垂直方向裂縫連通程度較低，堵漏成功后鉆入新地層會發生新的裂縫性漏失。

2.1.2 堵漏方案及堵漏機理

根據表層的井漏特點，發現漏失后采取堵漏措施不可能起到較好的堵漏效果，因為一旦鉆入新地層，漏失情況就會反復發生，為提高堵漏及鉆井效率，可以在不危及鉆井安全性的前提下，采取隨鉆堵漏的措施，邊堵漏邊鉆進，爭取將整個漏層鉆完后，再采用水泥漿封固漏層，堵漏機理為架橋機理和水泥的凝固機理，具體施工方案如下。

1）0～60m井段：①前20m發生漏失后采用打水泥漿堵漏，后40m發生漏失若漏速未達到失返則采用隨鉆堵漏或靜置堵漏；②鉆至60m采用導管封固，防止表層串漏，基礎下沉。

2）60～500m井段：①優化鉆井參數，避免人為誘導性漏失；②確定漏層井段，鉆時變快或泥漿返出減少則進入漏層，鉆時由快變慢漏層鉆穿，充分暴露漏層；③漏失量小時采取隨鉆堵漏或打堵漏漿起鉆靜堵，漏失量大或失返時采用小排量強鉆，充分暴露裂縫后，打水泥封固漏層；④打入水泥漿凝固5h（水泥強度達到終凝）開始鉆進，防止水泥石強度過高，鉆塞時鉆出新漏層。

2.2 煤層、斷層防卡技術研究

2.2.1 煤層坍塌機理

煤層分布特點：①煤層主要在中侏羅系西山窯及下侏羅系發育；②受逆斷層影響，煤層分布段長，分布井段在2 600～3 700m；③煤層數量多，最多出現15層；④層間埋藏深度無規律。

煤層坍塌主要受煤層本身的脆弱性、鉆井液中水、油含量、煤層的應力狀態影響。煤層坍塌的機理有以下幾點：①由于煤巖及其發育的節理和裂隙，膠結較疏松，容易破碎，當地層被鉆開時，鉆井液進入后，產生水力沖擊、壓力波動及震動等，煤巖之間的膠結力被降低，導致坍塌［3］；②由于煤層中含有多種黏土礦物，造成水化極其不均勻，導致煤層的局部強度有所下降；高溫會進一步加劇煤層的水化，使得黏土分散、水化產生內張力，從而導致煤體崩解；③泥頁巖的膨脹推擠和格檔效應；④鉆井液密度低，地層坍塌壓力不能被液柱壓力平衡，容易造成井壁的坍塌；⑤在鉆井施工過程中，鉆具與井壁之間的相互碰撞、起鉆和下鉆操作不平穩時，也會促使地層垮塌。

2.2.2 斷層分布特點

推覆體逆斷層橫穿區塊，發生斷層的層位不一致。斷層發育較多，主要分布在垂深3 100～3 300m，有些斷層橫穿下盤整個侏羅系和三疊系地層。斷層交界面巖性變化：克拉瑪依組灰色細砂巖結束，西山窯組（下盤）地層出現厚層深灰色泥巖夾灰色泥質粉砂巖。

2.2.3 煤層、斷層防卡技術措施

1）優化井眼軌跡，采用直井段穿煤層、斷層，減少煤層、斷層裸露段長。

2）應用防卡PDC鉆頭，優化鉆具結構及鉆井參數，預防煤層卡鉆。

防卡PDC鉆頭特點：與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭能將煤層剪切為細小巖屑，避免出現大塊卡死鉆頭；PDC鉆頭較牙輪鉆頭震動小，減小了煤層坍塌風險；保徑末端采用魚尾形狀上置倒劃眼齒，增加鉆頭冠部與地層之間的間隙，倒劃眼中魚尾形狀能夠形成楔形作用楔入地層塌塊中，倒劃眼齒能夠在倒劃眼中破碎較大掉塊。

優化鉆具結構及鉆井參數。鉆具結構：防卡PDC+無扶彎螺桿+鉆鋌+隨鉆震擊器+加重鉆桿+鉆桿。鉆井參數：鉆壓20kN，轉速20r/min，排量30L/s。特點：使用無扶螺桿鉆具，減小鉆具外徑，增加環空間隙；加帶隨鉆震擊器，發生卡鉆第一時間進行震擊解卡，增加解卡成功率；控制轉速，降低鉆具對井壁的碰撞；控制鉆壓，達到控時鉆進的目的。

3）應用隨鉆安全倒扣裝置降低事故處理難度，減少施工工序，保障斷層安全鉆進。

隨鉆安全倒扣裝置特點：使用方便，通過投球蹩壓，使空芯花鍵軸脫離上接頭和下接頭的連接部分，再將下接頭與上接頭快速脫扣，即可完成鉆具快速脫離；安裝位置靈活，加在扶正器以上，無扶正器安裝位置離鉆頭一根鉆鋌；降低事故處理難度，卡鉆后可以將接頭以上鉆具起出，減少井內被卡鉆具，防止粘卡；減少施工工序，減少測卡、爆炸松扣時間。

優化鉆具結構及鉆井參數。鉆具結構：牙輪+鉆鋌+隨鉆安全倒扣裝置+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿。鉆井參數：鉆壓20kN，轉速60r/min，排量32L/s。特點：鉆具組合抗扭力強，增強處理復雜事故能力；加帶隨鉆安全倒扣裝置，增加事故處理手段；控制轉速，降低鉆具對井壁的碰撞；控制鉆壓，達到控時鉆進的目的。

2.3 克拉瑪依組硬地層提速技術研究

2.3.1 地層巖性分析

利用微鉆頭法和聲波測井資料得出了克拉瑪依組以下地層巖石的可鉆性、研磨性評估結果（表5）。

2.3.2 選用抗研磨性強的DS系列鉆頭

根據克拉瑪依組以下地層巖石的巖性及可鉆性、研磨性評估結果，發現機速低的主要原因是該地層的抗研磨性突出，因此經過鉆頭優選后，確定出采用抗研磨性強的DS系列鉆頭（圖1）。

該型鉆頭采取了降低刀翼厚度，增大排泄槽，優化水眼布局，增強排屑能力及防止鉆頭泥包；選用適合硬地層快速鉆進的PDC復合片（H3齒），增強穿夾層能力；改進主刀翼和輔刀翼布齒角度，采用非同心布齒，增強鉆頭工作穩定性，提高鉆頭行程鉆速的設計，具有較好的破巖效率。

表5 巖石可鉆性、研磨性

圖1 DS系列鉆頭

2.4 大傾角地層防斜提速技術研究

依據地層自然造斜規律，優化鉆具組合，解決了表層井身質量難控制的問題，減少了斜井段滑動定向，縮短了軌跡控制時間［4-5］。

2.4.1 地層自然造斜規律研究

受推覆體構造影響，該區塊地層傾角大，三間房以上地層，地層傾角在18°～30°，傾向25°；西山窯至侏羅系下統受推覆體影響，地層傾角變化在35°～58°，傾向變化不固定，在25°～345°之間；克拉瑪依組以下地層地層傾角在18°～22°，傾向25°，造成區塊地層自然造斜率大，自然方位（200°）固定不變。

2.4.2 鉆具增斜能力分析

目前吐哈區塊經常使用1°和1.25°螺桿進行定向施工，針對3種1°和1.25°單彎螺桿鉆具組合在Ф216mm井眼內增斜能力進行評價。

通過對無扶螺桿鉆具結構、單彎單穩鉆具結構、單彎雙穩鉆具結構進行評價，結果表明：1°無扶單彎單穩鉆具增斜力＜1°；單彎單穩鉆具增斜力＜1.25°；單彎雙穩鉆具增斜力＜1.25°；1.25°無扶單彎單穩鉆具增斜力＜1.25°；單彎單穩鉆具增斜力＜1.25°；單彎雙穩鉆具增斜力＜1°。

2.4.3 表層防斜打直技術

表層井斜難以控制的原因分析：①地層傾角大，自然造斜率高；②裂縫性漏失，簡化鉆具結構，輕壓吊打、效率低、機速慢；③弱化參數，影響隨鉆儀器的正常使用。

表層井斜解決方法：400m以后堵漏成功，則下入Ф244.5mm1.25°單彎螺桿+MWD控制井斜，螺桿扶正器增大至Ф368～372mm，提高螺桿造斜率。

鉆具結構：Ф375mmPDC+Ф244.5mm1.25°螺桿（368～371mm扶正器）+Φ372mm扶正器+Ф203mm無磁DC+Ф178mmDC+127mmDP。

2.4.4 二開直井段、斜井段鉆具組合優化

定向段設計方位（150°～220°）與地層自然方位相同，地層造斜規律呈增斜趨勢。

J2s以上地層（2 600m以前）：采用1.25°單彎雙穩鉆具，實現“直-增-微增”一趟鉆。

J2X-J1（2 600～3 800m）：采用1.25°無扶單彎單穩鉆具煤層段穩斜鉆進，進入斷層前下入牙輪常規鉆具。

T2-3K以下地層：采用1°單彎雙穩鉆具進行穩斜鉆井。

3 綜合配套技術實施效果

2015年在火焰山中央隆起帶6口井實施了該綜合配套技術。

3.1 表層堵漏技術實施效果

通過應用表層堵漏技術，6口井的平均漏失量減少了412.03m3，損失時間減少了10.8d，鉆井周期縮短了16.39d（表6）。

表6 表層堵漏實施效果

3.2 煤層、斷層防卡技術實施效果

煤層、斷層防卡技術完成3口井，共鉆遇煤層27套，煤層厚度95.8m，其中最厚一套煤層為14.4m，鉆穿3套斷層，安全無事故（表7）。

3.3 克拉瑪依組硬地層提速技術實施效果

相比應用前機速提高了2.9m/h，提高了105.07%，鉆井周期縮短了11.84d，縮短了54.89%（表8）。

表7 煤層、斷層防卡技術實施效果

表8 硬地層提速實施效果

3.4 大傾角地層防斜提速技術實施效果

3.4.1 表層井身防斜實施效果

通過使用Ф244.5mm1.25°螺桿+MWD鉆具結構，有效解決了表層大井眼井身質量控制難的問題，應用后井身質量合格（表9）。

表9 表層井身質量控制效果

3.4.2 表層井身防斜實施效果

通過優化鉆具結構，平均軌跡調整次數減少了7.5次，倒換鉆具次數減少了4.34次，調整段縮短了111.67m，調整軌跡時間縮短了8.12d（表10）。

表10 二開軌跡控制效果

3.5 配套技術綜合實施效果

通過應用配套技術，共完成4口井，鉆井周期縮短了52.71d，機械鉆速提高了1.52m/h，月速提高了297.16m/臺，事故復雜率降低了19.15%（表11）。

表11 配套技術綜合實施效果

綜合配套技術極大地降低了復雜事故率，提高了機速。

4 結論

1）火焰山中央隆起帶安全快速綜合配套技術由四部分組成，其分別針對該區塊鉆井中的突出難點，在鉆井實踐中根據具體地質情況組合使用。根據4口綜合配套井技術實施情況統計，可知該技術極大地降低了復雜事故率，提高了機械鉆速。

2）通過對各難點提速技術實施效果進行考察：表層堵漏技術使平均漏失量減少了412.03m3，平均損失時間減少了10.8d；煤層、斷層防卡技術使卡鉆事故率降低至0；硬地層提速技術使機速提高了2.9m/h；大傾角地層防斜提速技術可以減少軌跡調整7.5次，縮短調整軌跡8.12d。

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Flame Mountains central uplift zone locates in the Flame Mountains surrounding area in the north of Lukeqin Oilfield.The geological structure of the area is complex.Under the influence of fold and fault，formation dip angle and its variation range are great，the fractures are developed in the shallow formation，coal seams and faults are developed in the middle formation，and the deep forma?tion has poor drillability.In drilling process，complex accidents occur frequently，mechanical drilling speed is low，and drilling cycle is long.The layers in which complex accident occurs and the types of the complex accidents are analyzed and summarized based on the in?vestigation and analysis of the drilled wells.The frequency of the complex accidents and the cycle of well drilling are reduced through the application of surface leakage-preventing leakage-plugging technique，bit selection，borehole trajectory control optimization，antisticking drilling technology，deviation control technique for high dip angle formation，etc.

nappe；fault；surface well leakage；coal seam sticking drilling；matching drilling technology

左學敏

2016-06-29

趙彥彬（1967-），男，工程師，主要從事鉆井工程監督工作。