哈拉哈塘深井控位移鉆井技術

丁 紅，萬教育，李俊勝，張 儀，徐華冬，邢 戰，田軍武

(1.西部鉆探定向井技術服務公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探巴州分公司，新疆庫爾勒841000)

哈拉哈塘區域深井二開直井段裸眼段長達5000m以上，深部地層研磨性強，軟硬交錯，地層非均質性強，石炭系、志留系等地層巖性復雜而且有一定地層傾角，鉆頭吃入地層效果差，PDC鉆頭失效快、壽命短，鉆井機械鉆速低；另外，受裂縫、溶洞性儲層規模限制，直井段在石炭系以下地層有設計地質中靶要求，設計靶半徑最小小于15 m，長裸眼防斜打直難度大，多口井直井段出現井底水平位移未達到要求，只能在中完前留幾百米井段下螺桿鉆具組合糾斜、扭方位，這樣不僅鉆井速度慢，而且增加了鉆井綜合成本。通過對區域深井控位移井的軌跡控制與提速技術研究，并在現場得到成功應用，為同類型井技術應用提供了很好的借鑒作用。

1 區域地質特征

哈拉哈塘地區整體是在前震旦變質基底上形成的長期發育的巨型古隆起，發育震旦系至泥盆系海相沉積地層、石炭系至二疊系海陸交互相沉積地層和三疊系至第四系陸相沉積地層。三疊系主要以灰、深灰色泥巖為主，間夾灰色細砂巖、粉砂巖及薄層泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。二疊系主要以灰、深灰色凝灰巖及深灰色玄武巖為主，與砂泥巖互層。石炭系主要為2套褐灰色厚層泥晶灰巖夾一套灰色中厚層泥巖。泥盆系以淺灰色細砂巖及灰色細砂巖與褐色泥巖互層。志留系以深灰、褐灰色含瀝青、瀝青質細砂巖及淺灰、灰色細砂巖為主，間夾薄層灰綠及灰紫色泥巖，底部發育一套巨厚層狀泥巖。哈拉哈塘井區自上而下鉆遇的地層主要是新生界第四系、第三系，中生界白堊系、侏羅系、二疊系，古生界石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系，主要目的層為奧陶系，目的層油藏埋深6500～8000m左右。

2 技術難點

2.1 深井地層軌跡控制精度要求高

由于區域前期所鉆井多為直井，根據設計要求結合已鉆井情況，6000m以內井斜控制基本都能達到設計井斜要求范圍內，井斜沒有出現明顯大增的情況，方位一般隨地層自然變化。一般直井鉆井工程設計中井身質量要求主要是井斜、全角變化率和水平位移，方位沒有做特別控制要求，但由于儲層為奧陶系“串珠”儲層，鉆至6000m后井深，地質中靶要求靶半徑小于15m，而上部地層水平位移一般都超過40m，閉合方位在自然方位漂移方向上，不在目標靶區的方位范圍內，一般使用螺桿鉆具組合在深部井段滑動鉆進、扭方位控位移定向鉆進調整軌跡以達到中靶要求，深井滑動鉆進中托壓嚴重，機械鉆速慢，定向工期較長。

2.2 二疊系火成巖及以下地層可鉆性差

二疊系頂界埋深在4400～5800m，厚度在240～560m，厚度從北到南逐漸增加。二疊系鉆遇的火成巖，可鉆性差，易發生井壁失穩、井漏復雜。二疊系及以下的石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系地層巖性復雜，非均質性強，巖芯實驗結果牙輪可鉆性在6～8級范圍內，PDC可鉆性在5～7級范圍內，可鉆性差，機械鉆速低、鉆頭壽命短，鉆頭選型難度較大。

2.3 深井井下存在施工風險

二疊系、石炭系地層井壁穩定性差，主要為火山灰凝灰巖，極易發生剝蝕掉塊，井徑擴大，鉆進中阻卡頻繁。控位移井段處于二開超過5000m的長裸眼段下部難鉆地層，一般在石炭系及以下地層，深部井段安全鉆井難度大。

3 控位移技術對策

3.1 地層自然造斜特性分析

分析和掌握地層自然造斜規律可以減少被動防斜的工作量和井下復雜事故的發生,從而提高鉆速、降低鉆井成本。根據哈拉哈塘區域地質特征及已鉆直井情況，侏羅系及以上地層閉合方位變化差異性較大，侏羅系以下地層閉合方位逐漸向地層垂直方向90°～180°范圍趨近，地層自然方位飄移多為南偏東方向。

3.2 井身剖面優化

根據已鉆井實鉆軌跡控制情況，通過VSP測井[1]對原來的地質靶點做了精細的識別和調整，結合考慮滿足地質中靶的要求，采用下移調整控制點位置，適當縮短靶前位移，降低控位移段造斜率，使造斜率既能達到在要求范圍內，也能在較短的靶前位移內入靶。從控位移井段地層可鉆性、穩定性考慮，控位移地層選擇在泥盆系等地層，平均造斜率設計在2.5°/30m，井斜在4°左右，保證后期中完通井、下套管順利。控位移軌跡優化設計比較見表1。

表1 控位移軌跡優化設計比較

3.3 二疊系及以下地層提速技術

螺桿和渦輪等常用提速工具在鉆遇硬度極高的火成巖、巖性變化快的夾層時，極容易崩斷復合片或者斷翼失效。扭力沖擊器（TorkBuster）[2-3]是一種較好的提速工具，它依靠獨特的工作方式和配合高抗沖擊設計的專用PDC鉆頭，更適用于各種常規提速工具無法快速鉆進的地層。扭力沖擊器將鉆井液的流體能量轉換成高頻、均勻穩定的扭向機械沖擊能量并直接傳遞給PDC實現瞬時破巖，此時PDC鉆頭上就有2個力在切削地層，一個是轉盤提供的扭力，一個是扭力沖擊器提供的扭向沖擊力，提高了PDC鉆頭切削地層能力，使鉆頭不需要等待積蓄足夠的能量就可以切削地層，消除了鉆頭“粘滑”現象，保持鉆頭對地層切削的連續性。當PDC鉆頭受到高頻扭轉沖擊作用時，鉆頭受力較均勻，鉆頭橫向位移小，形成的井眼軌跡不易偏斜。因此，在控位移井段以上難鉆的二疊系及石炭系地層選用扭力沖擊器配合專用PDC鉆頭鉆井提速是最佳方法。

前期控位移井施工過程主要是通過帶彎度的螺桿來實現的，由于使用螺桿定向鉆進時只有鉆頭是活動的，井內鉆柱處于基本靜止狀態，容易托壓，突然釋放后易造成憋泵、打倒車等現象的發生，容易造成深井井下復雜情況。引入的旋轉導向工具[4]是具有內部導向機制的完全旋轉的指向式鉆井導向系統，全程旋轉，無固定部分，減少了導向過程中與井壁接觸，消除了與常規螺桿鉆具鉆進相比加壓困難的問題，提高了井眼清潔效率，降低了巖屑床堆積的可能性，減少了井下壓差卡鉆的風險。旋轉導向鉆具組合：?241.3mm PDC鉆頭+PowerDrive X6 675+?238.1mm穩定器+浮閥+?172mmMWD(Slim?Pulse)+?177.8mm鉆鋌（15～21根）+?127mm加重鉆桿（9～15根）+?127mm斜坡鉆桿。鉆井參數：鉆壓40～100kN，轉速 60～80r/min，排量 25～28L/s，泵壓20～25MPa。

3.4 配套技術措施

在哈拉哈塘區域推廣應用扭力沖擊器配合專用PDC鉆頭鉆井提速及穩定井身質量的情況下，試驗應用旋轉導向技術進行控位移作業，旋轉導向工具的工作效果與鉆壓、排量、轉速和鉆井液密度等鉆井參數緊密相關的。因此，定向井工程師必須緊密關注相關參數的變化，便于及時掌握信息和確定是否調整的措施。如果需要調整旋轉導向工具的工作狀態，由定向工程師通過調控鉆井液排量來給井下儀器發送新命令，通常邊打鉆邊調泵沖，不需要停鉆。對泥漿泵的要求上水效率高、運行平穩、反應迅速和準確。在允許的范圍內，在初始造斜率應高一些，使在后期的造斜稍有余地，盡可能增加復合鉆井，既能大幅度地提高鉆井速度，又能有效地預防井下事故和復雜情況的發生，實現安全、高效鉆井，提高機械鉆速。

4 應用效果

4.1 應用情況

在HA6-2、HA16-27井2口井應用“PDC+扭力沖擊器”鉆具組合鉆至控位移井深，后續直井段試驗旋轉導向系統控位移提速。HA6-2、H16-27井使用“PDC+扭力沖擊器”鉆具組合鉆井段機械鉆速與鄰井使用常規鐘擺鉆具組合相比有明顯提高，井斜角變化不大。扭力沖擊器配合PDC鉆頭的鉆具組合應用情況見表2。HA6-2井控位移軌跡要求井斜小于4.5°，水平位移不大于40m，全角變化率不大于3°/30m，靶半徑小于40m；優化選擇控位移井段300m，控位移點井深5650m，控位移造斜率2.5°/30m，根據井眼自然方位165°，糾方位方向278°，控制靶點位移30m。HA16-27井控位移軌跡要求井斜小于4.5°，水平位移不大于30m，全角變化率不大于3°/30m，入靶半徑小于10m；優化應用自然方位157°控位移，然后扭方位至51°鉆至靶點，控位移點井深6252m，井段310m，位移13.96m增至26.92m入靶。控位移井應用情況見表3。

4.2 控位移提速效果

表2“PDC+扭力沖擊器”鉆具組合應用情況

表3 控位移井應用情況

HA6-2、HA16-27井2口井分別比前期5口采用常規螺桿鉆具組合控位移井平均段長612.6m減少349.6m和362.6m，平均機械鉆速分別提高10.7%和46.09%，定向工期分別縮短72.57%和80.87%。總體平均機械鉆速比前期提高28.39%，定向工期縮短76.74%，并且有效減少了趟鉆次數，HA6-2、HA16-27井分別僅用1趟鉆和2趟鉆就完成了控位移井段鉆進進尺，而前期所鉆井至少在3趟鉆以上才能完成鉆進進尺，這樣有效節約了鉆井工期，保證了中靶質量，提高了控位移井段速度，也有利于深井井下安全。

5 結論與認識

（1）選擇“PDC+扭力沖擊器”組合鉆二疊系玄武巖、礫巖地層及石炭系等地層，與前期區域使用常規鉆井技術相比，機械鉆速得到有效提高。

（2）對地層自然造斜與漂移規律分析，有利于制定切實可行的控位移方案，實鉆中減少了控位移鉆進井段，有效縮短了位移控制段工期。

（3）控位移井段試驗旋轉導向技術，提高了鉆井速度，井眼軌跡控制質量達到要求。

（4）建議進一步完善相關技術的集成應用，以期獲得更好的提速效果。