克拉美麗山前地區石炭系鉆井提速配套技術

申延晴 牛罡 張媛 朱雪華 宋波凱

摘 ?????要： 克拉美麗山前地區石炭系火山巖油氣藏，鉆井縱向上存在壓力系統復雜、地層易漏易塌、鉆頭選型困難，機械鉆速慢，鉆井工期長等問題。針對以上問題，通過優化井身結構，建立多因素的鉆頭優選方法，優選合理的鉆頭型號和個性化PDC鉆頭;優選鉀鈣基鉆井液體系;采用復合鉆井技術。最終形成了適合該地區石炭系的鉆井提速配套技術。通過10口井現場試驗表明，井下復雜時率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山巖機械鉆速由2.87 m/h提高至5.05 m/h，單井鉆井工期縮短了10～15 d。這表明，鉆井提速配套技術可以降低復雜時率，提高機械鉆速，縮短鉆井工期，為該地區資源規模有效開發和鉆井提速提供了技術支撐，具有較好的實用性和推廣應用價值。

關 ?鍵 ?詞：鉆井提速;井身結構;鉆頭優選;PDC鉆頭;復合鉆井技術;石炭系;火山巖

中圖分類號：TE 22???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2634-05

Matching Technology of Drilling Speed Increase?for Carboniferous

Reservoirs in Kelameili Mountain Front Area

???SHEN Yan-qing¹， NIU Gang¹， ZHANG Yuan¹， ZHU Xue-hua¹， SONG Bo-kai²

（1.?Exploration Utility Department， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Xinjiang Karamay 834000， China;

2.?College of Petroleum Engineering， Yangtze?University， Hubei Wuhan430100， China）

Abstract： There were many drilling problems in carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area， such as complicated pressure system， easy to leak and collapse in the formation， difficult type selection of bit， slow drilling speed， long drilling time and so on. In view of above problems，by optimizing the well structure and selecting the scientific and reasonable bit model， a?multi-factor bit selection method was established， and?the personalized PDC bit was optimized as well as potassium calcium based drilling fluid system， and?compound drilling technology was used to form a matching technology for the drilling speed increase of carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area of Xinjiang oil field. The field tests of 10 wells showed that the underground time rate was reduced from 4.5% to 1.5%， the mechanical drilling speed of the carboniferous volcanic rock was increased from 2.87 m/h to 5.05 m/h， and the single well drilling time was shortened 10～15 days. It shows that the technology to increase drilling speed for carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area can reduce the complex time rate， improve the mechanical drilling speed， shorten the drilling time， which can provide the technical support for the effective exploitation of the resources and the speed increase of the drilling in this area， so the matching technology has good practicability and the value of popularization and application.

Key words： Drilling speed increase; Well structure; Bit optimization; PDC bit; Compound drilling technology; Carboniferous; Volcanic rock

近年來，克拉美麗山前石炭系火山巖油氣藏成為新疆油田重點天然氣勘探領域。探井鉆井情況表明：該區石炭系埋深度達3 500～5 000 m，厚度為300～1 200 m，巖性為泥巖、凝灰巖、安山巖、玄武巖、火山角礫巖等，縱向巖性變化頻繁，夾層多，巖石可鉆性級值高達7～9，單軸抗強度150 MPa以上，鉆頭選型困難，機械鉆速慢，鉆井工期長。上部三疊系和二疊系砂泥巖夾層發育，井壁穩定差，井徑不規則，下部石炭系天然裂縫發育，易發生漏失，安全鉆井密度窗口窄，深層石炭系鉆井風險大，井身結構優化困難^[1]。因此，圍繞克拉美麗石炭系火山巖氣藏開發鉆井技術需求，開展井身結構優化及快速鉆井技術研究，形成適合克拉美麗石炭系火山巖氣藏鉆井提速配套技術。研究成果在現場取得了良好的實施效果。

1 ?鉆井提速難點分析及主要問題

1.1 ?提速難點分析

（1）地層壓力系統復雜。地層壓力系統縱向上呈上低、中高、下不確定的復雜情況，上部地層（K1tg～J1b）正常壓實，地層壓力系數1.00左右;中下部地層（T3b～T1b）為壓力過渡帶，P3wt～C為異常壓力段，壓力系數0.7～1.4;M6井石炭系實測壓力系數：1.254～1.33，M10井石炭系實測壓力系數：1.057～1.216。

（2）漏失壓力低、漏層發育，防漏堵漏難度大，普遍存在漏失現象^[2]。地層壓力與漏失壓力接近，安全鉆井密度窗口窄;漏失頻率高、漏失量大;全區域、各層位均有漏層發育，滲透型、裂縫型并存^[3]。

（3）中下部地層不穩定，石炭系頂部存在碳質泥巖，易坍塌。侏羅系以上地層坍塌壓力較低（0.5～1.0），侏羅系底部至石炭系頂部地層坍塌壓力系數較高（1.1～1.4）^[4]。

（4）二疊系砂礫巖、石炭系火山巖巖石強度高，巖性變化大，鉆頭選型難，鉆速低。二疊系牙輪鉆頭可鉆性5級～6級，石炭系牙輪鉆頭可鉆性6級～7級^[5]。

1.2 ?主要問題

（1）井漏頻繁、漏失量大。

（2）阻卡事故多。

（3）鉆井速度低，鉆井周期長，鉆井成本高。由于該區復雜的鉆井地質特點，造成鉆井周期長達3臺月～4臺月，鉆井成本高。

2 ?鉆井提速配套技術

2.1 ?井身結構優化

2.1.1 ?設計依據

（1）有利于減少井下復雜，保證鉆井施工安全。要防止淺層流砂層滲漏，白堊系、侏羅系、三疊系地層滲漏、二疊系、石炭系裂縫漏失。要有利于防止淺部地層垮塌，勝金口組（K1s）大套褐色泥巖垮塌，八道灣組煤層及及灰黑色碳質泥巖垮塌，三疊系克拉瑪依組褐色泥巖垮塌，梧桐溝組褐色泥巖垮塌。防止石炭系井漏與井噴。

（2）根據壓力系統的分布規律，確定套管層次和下深。根據地質錄井資料、試氣資料統計，克拉美麗地層壓力可以分為三個壓力分布區域：正常壓力帶，壓力過渡帶和異常壓力帶。在區域分布上，也存在較為明顯的變化規律，如白堊系呼圖壁組自東向西地層壓力逐漸升高（0.8～0.9）;侏羅系三工河組自東偏南方向向西偏北方向壓力升高（0.8～1.0），侏羅系八道灣自東北向西南抬升，壓力系數為0.9～1.1，局部地方高達1.2;石炭系地層壓力自東偏南方向向西偏北方向壓力升高（0.8～1.3）。

（3）考慮有利于采用鉆井提速和安全鉆進需求。二疊系地層硬，地層易垮塌，存在大尺寸鉆進鉆速慢問題^[6]。為防止該段泥巖坍塌，提高密度又帶來上部地層的漏失問題。

（4）符合行業規范與標準。

2.1.2 ?井身結構優化方案

克拉美麗山前構造井身結構優化方案見表1。

采用Φ444.5 mm鉆頭鉆至井深500 m，下入F339.7 mm表層套管，采用內管注水泥工藝固井，水泥漿返至地面。封隔地表流沙層，為井口控制和后續安全鉆井創造條件。

2.2 ?地層巖石力學特性分析及鉆頭優選

2.2.1 ?地層巖石力學特性分析

M8井鉆井巖石力學強度剖面見圖1。

M8井各層段鉆井巖石力學強度具有以下特點：

（1）白堊系地層強度24?MPa，內摩擦角34°。連木沁組下部（～1?200?m）存在4～5段夾層，整體硬度不高，在60?MPa左右，相對平均硬度變化幅度較大，鉆頭從軟地層進入硬夾層容易導致沖擊斷齒，在該段注意鉆井參數的控制。

（2）侏羅系地層強度70?MPa，內摩擦角37°。地層軟硬交互頻繁，容易掉塊、漏失，進入侏羅系地層硬度整體提升近50%，地層軟硬夾層增多且強度變化幅度達到90%。同時該段存在8～10段礫石夾層，厚度達到22～24?m，對PDC鉆頭影響較大，因此在八道灣組要根據地層變化，及時調整鉆井參數，減少夾層對鉆頭的破壞。

（3）三疊系地層強度64?MPa，內摩擦角36°。夾層多易漏失、垮塌。三疊系地層強度有所下降，其白堿灘下部、克拉瑪依上部強度僅為21?MPa，但是地層軟硬變換頻率較高，應注意井眼質量。

（4）二疊系梧桐溝組及石炭系巖石強度75～97?MPa，內摩擦角41°。泥巖段水敏性強，易剝落，石炭系上部泥巖、安山巖及凝灰巖交錯分布，軟硬變化頻繁且地層研磨性高，應選用抗沖擊性鉆頭。

2.2.2 ?PDC鉆頭優選

隨著PDC鉆頭的廣泛使用，PDC鉆頭的性能有了很大的提高，從軟底層到硬地層都已經可以使用，而且使用壽命長，鉆進速度快，起下鉆次數少，從而達到了縮短鉆井周期的目的。上部白堊系、侏羅系地層，實現二開兩趟鉆工程，選用窄刀翼大排泄槽，提高鉆頭防泥包能力;礫石夾層，選用優質H3復合片，提高鉆頭抗沖擊性;選用5刀翼19?mm齒，提高機械鉆速;因此，筆者建議選用DBS鉆頭SF55H3。通過PDC鉆頭優選，達到了預期的現場應用效果：二開段成功實現兩趟鉆，二開段機械鉆速提高51%，單趟鉆進尺提高1.6倍，二開段鉆井工期節約17.5?d。

2.2.3 ?Ф215.9?mm尺寸鉆頭優選

M8井石炭系地層研磨性相對較高、巖石內摩擦角在40°以上，巖石平均抗壓強度在90?MPa左右。鉆進過程中，容易造成鉆頭外排齒及掌尖磨損，降低鉆頭的可靠性。基于現有鉆頭使用分析，本文建議選用阿特拉U513S高效PDC鉆頭，增長鉆頭進尺，以減少起下鉆次數，提高鉆井效率。Ф215.9?mm尺寸鉆頭使用效果對比見表2，可以看出，在M6井、M8井使用阿特拉U513S高效PDC鉆頭時，鉆井機械鉆速明顯提高。

2.2.4 ?鉆頭優選序列

二開先設計一致三牙輪鉆穿白堊系底部砂礫巖后，再下入4刀翼或5刀翼PDC鉆頭鉆至侏羅系八道灣組中下部，再設計一只牙輪鉆頭鉆穿八道灣組砂礫巖到白堿灘穩定泥巖;三開先設計一只阿特拉高效PDC鉆頭鉆穿三疊系克拉瑪依組中部，鉆至石炭系目的層，最后設計一只牙輪鉆頭鉆至設計完鉆井深^[7]。鉆頭方案設計見表3。

2.3 ?鉀鈣基鉆井液體系優選

克拉美麗地區地層層系多、經歷地質變動大、不整合接觸、斷裂系統發育、物源充足、沉積快速、欠壓實、孔隙度高、裂縫發育、井漏等問題突出。根據實際鉆井情況和對地層屬性的分析，為了避免和減少鉆井過程中井下復雜情況的發生以及減少鉆井液對儲層造成的損害，根據該地區鉆井、地質及儲層保護的要求優選確定鉆井液體系及配方。二開、三開選擇鉀鈣基鉆井液體系，鉀鈣基鉆井液體系是以有機鹽鉆井液體系為基礎，進一步強化鉆井液抑制能力，強化K⁺、Ca²⁺離子增效抑制作用，優選與之配套的處理劑及防漏堵漏材料，完善重泥漿流變控制技術。因此，筆者建議鉆井液體系及配方：

一開采用普通坂土CMC鉆井液體系，配方為10%坂土+0.4%Na₂CO₃+0.4%CMC（中）+堵漏劑+重晶石。

二開采用鉀鈣基鉆井液體系，配方為4%坂土+0.2%Na₂CO₃+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%陽離子乳化瀝青+1%潤滑劑+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏劑+0.2%消泡劑+重晶石。

三開采用鉀鈣基鉆井液體系，配方為4%坂土+0.2%Na₂CO₃+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%陽離子乳化瀝青+1%～2%潤滑劑+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏劑+0.2%消泡劑+重晶石。

根據上述配方對體系優化后的抗溫性能、抑制性、潤滑性等進行了室內實驗評價。經過優化后的體系性能穩定，抗溫性可達140?℃以上，一次二次滾動回收率高，抑制性強，能有效穩定井壁;潤滑性優良，有效降低扭矩和摩阻，預防卡鉆等復雜;在漏失量和次數等方面明顯降低，確保了順利、安全、快速鉆井施工，滿足克拉美麗山前區塊的鉆井工程需要。2017年，克拉美麗山前地區鉆井工程中均使用了優化后的鉀鈣基鉆井液體系，井下復雜時率由4.5%降低至1.5%，較攻關前明顯降低。

2.4 ?復合鉆井技術

2.4.1 ?螺桿鉆具+PDC鉆頭

螺桿鉆具+PDC鉆頭復合鉆井技術已被國內外所公認為可以顯著提高機械鉆速^[8]：在鉆柱強度不受影響的情況下，可大幅度提高鉆頭轉速，增加單位時間內鉆頭對地層的切削次數，充分發揮PDC鉆頭低鉆壓高轉速的破巖優勢;在此種鉆井方式下，由于轉盤以低轉速轉動，可以減小整個鉆柱與井壁或套管壁間的摩擦扭矩，有效改善了鉆柱的受力狀況，提高鉆具的使用壽命;利用螺桿+轉盤復合鉆井，可以給鉆頭提供穩定的扭矩，延長鉆頭使用壽命，增加單只鉆頭的進尺。PDC鉆頭適應的轉速在120～300 r/min，通常復合鉆井的轉盤轉速為50～65 r/min，加上螺桿的轉速120～150 r/min，鉆頭轉速在170～215 r/min，充分發揮PDC高轉速的特點來提高鉆井速度^[9]。

M8井采用復合鉆，由表4鉆速對比可以看出，二開采用Φ311.2?mm鉆頭復合鉆井，平均鉆速為12.74?m/h，是轉盤轉的1.58倍;三開采用Φ215.9?mm鉆頭復合鉆井，平均鉆速為4.80?m/h，是轉盤轉的1.79倍，復合鉆井的鉆速以及平均進尺得到了極大的提高。

2.4.2 ?提速工具+PDC鉆頭

通過現場試驗，二開段二疊系、三疊系借助提速工具（多維扭力沖擊器3DXC）+PDC鉆頭提速，機械鉆速大幅提升，平均提速1倍以上，大大縮短了施工周期，效果明顯。三開段目的層石炭系天然裂縫發育，易發生漏失，機械鉆速偏低。通過首輪實施井DT1井試驗，在石炭系中上部采用提速工具+PDC鉆頭進行提速，機械鉆速獲得突破，平均機械鉆速達到4.4?m/h，較往年鄰井提速1.2倍^[10]。因此，筆者建議后續實施井采用石炭系中上部采用提速工具+PDC鉆頭，中下部采用長壽命高效牙輪的提速技術方案。2015年，鄰井石炭系中上部平均機械鉆速為1.96?m/h，2016-2017年，石炭系中上部采用提速工具+PDC鉆頭提速，平均機械鉆速為3.09?m/h，較2015年有明顯提高。

3 ?現場應用

通過2年的技術攻關和試驗，在克拉美麗山前地區石炭系火山巖氣藏鉆井10口，實現了三疊系、二疊系和石炭系地層同裸眼鉆進，減少了套管下入深度，井下復雜時率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山巖機械鉆速由2.87?m/h提高至5.05?m/h，單井鉆井工期縮短了10～15?d，并取得經濟效益9?394.02萬元。

4 ?結 論

（1）針對克拉美麗山前地區石炭系火山巖氣藏井身結構進行了優化設計，形成了一套適合的井身結構，實現了三疊系、二疊系和石炭系地層同裸眼鉆進，減少了套管下入深度，該結構滿足氣井鉆井井控安全條件，最大限度地保護油氣層、避免井下復雜事故發生，達到安全快速鉆進的目的。

（2）根據地層巖石力學特性、優選了以PDC鉆頭為主的鉆頭序列，強化鉆井參數和水力參數，通過對比優化篩選，形成了較好的適應當地地層的鉆頭系列。

（3）2017年，鉆井工程中均使用了優化后的鉀鈣基鉆井液體系，從現場使用情況來看，鉀鈣基體系能夠滿足鉆井工程的需要，有效控制和減少了井下復雜的發生。

（4）采用“螺桿鉆具+高效PDC鉆頭”復合鉆井技術，提速效果明顯，M8井二開試驗Φ311.2?mm鉆頭復合鉆井，平均鉆速為12.74?m/h，是轉盤轉的1.58倍;三開試驗Φ215.9?mm鉆頭復合鉆井，平均鉆速為4.80?m/h，是轉盤轉的1.79倍，鉆井的鉆速及平均進尺得到了極大的提高;石炭系中上部采用“提速工具+PDC鉆頭”提速，提速效果明顯，2016-2017年，石炭系中上部鉆井平均機械鉆速達3.09?m/h，提速效果顯著。

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