川渝地區超深井鉆完井技術新進展

韓烈祥

1. 中國石油集團川慶鉆探鉆采工程技術研究院；2. 國家能源高含硫氣藏開采研發中心

中國石油繼川中震旦系、寒武系深層油氣藏重大發現后，在川渝地區大力推進深層油氣資源的勘探開發，逐步由上二疊統—三疊系向更深的下二疊統—震旦系轉移，勘探重點向川中古隆起外圍、川西下二疊統、川東寒武系拓展，并在安岳、雙魚石、九龍山、下川東等區塊取得重大收獲［1-3］。然而，更深的油氣資源勘探開發使得鉆完井工程愈加困難。超深井的超深(垂深5 500～8 000 m)、可鉆性差、高含硫、多壓力系統、超高壓超高溫等諸多難題，給鉆完井工程帶來巨大挑戰。為保障川渝深層油氣資源勘探開發的順利進行，對川渝超深井鉆完井技術進行了系統攻關、完善，形成了鉆完井技術系列、實現了鉆井整體提速、保障了鉆完井工程安全，滿足了川渝地區深層油氣資源勘探開發的迫切需求。

1 川渝深層勘探開發對鉆完井工程的新挑戰

（1）縱向上多壓力系統，不穩定地層分布廣，鉆井難度大、周期長。從侏羅系—震旦系共存在27個油氣層(其中有8個主力產層)，由于套管層次有限，造成同一裸眼多個相差懸殊的壓力系統交互出現，反復發生溢流、井漏［2-6］。縱向上廣泛存在破碎性泥頁巖、煤層、膏鹽層等不穩定巖層，井眼縮徑、垮塌現象嚴重。例如：大深001-X1井在二疊系玄武巖段鉆進，非生產時效高達65%，包括卡鉆損失時間30%，處理溢漏損失時間27%；太和1井在寒武系鉆遇高臺組鹽膏蠕變層，非生產時效42%，其中卡鉆損失時間占12%［4-6］。

(2)超高壓、超高溫對鉆井設備、工具、材料提出嚴峻挑戰［7-9］。川渝地區九龍山區塊目的層垂深6 000～6 800 m，下川東區塊目的層垂深5 500～7 600 m，雙魚石區塊目的層垂深7 000～8 000 m。超深井鉆完井的超高壓和超高溫較為普遍，例如龍探1井最高地層壓力147 MPa，最高關井井口壓力109.6 MPa，龍崗70井最高井底液柱壓力高達160.5 MPa；高石梯—磨溪區塊目的層溫度普遍超過150 ℃，龍崗70井井底溫度為161 ℃，五探1井井底預計溫度為180 ℃，塔探1井最高井底溫度超過200 ℃。鉆完井設備、工具、材料面臨嚴峻考驗。例如：高溫高壓下，井筒工作液性能惡化；龍崗70井測井時電測儀器發生擠壓變形。

(3)地層非均質性強，研磨性高、可鉆性差，鉆井速度慢。川渝地區自上而下存在多個非均質或高研磨性地層，可鉆性差，機械鉆速低。大多區塊要鉆遇須家河長段石英砂巖、含燧石二疊系、寒武系—震旦系硅質云巖，可鉆性極差，鉆頭適應性差，單只鉆頭進尺少(最低＜5 m)、機械鉆速低(＜1 m/h)。五龍2井須家河組層厚1 915 m，含礫石或硅質，累計使用鉆頭 65只(其中 PDC鉆頭 3只，牙輪鉆頭47只，復合鉆頭8只，孕鑲鉆頭7只)，平均單只鉆頭進尺29.46 m，平均機械鉆速0.78 m/h，鉆井周期長達155 d；雙探7井長興—吳家坪組層厚235 m，含大段燧石條帶和團塊，累計使用鉆頭8只(其中PDC鉆頭2只，孕鑲鉆頭6只)，平均機械鉆速0.44 m/h，鉆井周期長達54.5 d。

(4)地層高含硫、高產，井控和環境風險極高。雷口坡以下海相地層含硫，且基本屬于高含硫范疇。例如高石梯—磨溪區塊龍王廟、燈影組硫化氫含量為10～20 g/m3，龍崗西區塊長興組硫化氫含量為30～52 g/m3，羅家寨—滾子坪飛仙關組硫化氫含量為 135～200 g/m3。

主力產層普遍為可獲得日產天然氣百萬立方米級的高產氣井，部分井放噴日產上千萬立方米。

作業地理條件復雜、人文環境敏感。地面溝壑縱橫，作業區四季常青、人口密集，部分地區為生態敏感區。例如五探1井300 m范圍內有常住人口超過300人。

2 川渝超深井鉆完井技術

針對川渝地區超深井鉆完井作業難與慢的問題，經過數十年持續技術攻關，形成了以鉆井、鉆井液、固井、測井、射孔、取心、試油完井、酸壓改造等為核心的技術系列，部分領域又產生了新的發展，從而促使超深井鉆完井技術更加配套完善，深層資源勘探的“安全、提速、提效”得到有力保障。

2.1 井身結構優化技術

針對川渝地區復雜地質條件開展多輪井身結構優化，攻關形成了非標井身結構，配合精細控壓、承壓堵漏等技術的應用，確保了深層安全鉆達地質目標。如圖1所示，川西北九龍山超深井采用的非標井身結構使套管程序達到7層［5］。

2.2 個性化鉆頭技術

全面優選推廣使用高效PDC鉆頭，高效PDC鉆頭的大力推廣應用不僅提高了平均機械鉆速，還減少了鉆頭消耗，鉆井周期和成本均實現大幅縮減。2011年PDC鉆頭總進尺比例僅為60%，2016年已提高到97%。高石梯—磨溪區塊平均單井鉆頭使用量縮減到了15只，同比高石1井減少36只。

圖1 九龍山構造非標井身結構示意圖Fig. 1 Sketch of non-standard casing program in the Longmenshan structure

按照引進、消化、再創新的個性化鉆頭研究思路，根據各區域、各層位地質特點研制針對性強的個性化PDC鉆頭。

例如，在磨溪—高石梯地區，開展了地層可鉆性研究，建立了區塊的地層可鉆性剖面，通過分析各地層的巖石力學參數和可鉆性剖面，首先全面推廣進口高效PDC鉆頭。經過推廣試驗后，摸清了各地層鉆頭適用情況，開展了各地層鉆頭優選。例如，在須家河組，鉆頭面臨地層軟硬交錯、研磨性強、復合齒易損等挑戰，因此優選采用抗沖擊和抗研磨性極強的R1型復合齒、雙排齒設計、增加反屑槽面積的鉆頭；在茅口—筇竹寺組，鉆頭面臨地層巖性致密、軟硬交錯、研磨性強、鉆頭吃入難且易早期損壞等挑戰，因此優選采用SelectCutter型齒，提高鉆頭抗磨損能力，并采用多級力平衡設計，提高鉆頭穩定性，同時使用孕鑲金剛石鉆頭應對研磨性極強的滄浪鋪組。由此，形成個性化鉆頭技術，有效打破川渝難鉆地層提速瓶頸。

針對進口個性化PDC鉆頭價格高昂的情況，為降低鉆井成本，開展了個性化國產PDC鉆頭試驗，獲得重大突破。利用信息化手段，開發了川慶公司工程信息一體化平臺，借助鉆井、測井、錄井大數據資源，開發了可掛接的PDC鉆頭設計軟件，利用先進的3D打印技術輸出高精度個性化鉆頭模具，或直接將三維設計模型輸出到五軸聯動加工中心為加工鉆頭，形成了高精度個性化PDC鉆頭的定制技術。個性化鉆頭應用效果普遍優于國內市場可選產品，且與進口PDC鉆頭相當［10-12］，難鉆地層平均機械鉆速提高80%以上、平均單只進尺提高1倍以上。例如在興探1井須家河組，單只鉆頭進尺提高65.97%，平均機械鉆速提高84.03%；在云安012-12井二疊系地層首次挑戰進口鉆頭，平均機械鉆速同比提高33.6%。PDC鉆頭應用相關數據如圖2和圖3所示。

圖2 川渝地區PDC鉆頭總進尺比例和鉆速統計Fig. 2 Total footage ratio and ROP statistics of PDC bit in the Sichuan-Chongqing area

圖3 川渝地區難鉆地層鉆頭平均進尺和鉆速Fig. 3 Average footage and ROP in hard-to-drill strata in the Sichuan-Chongqing area

2.3 優質鉆井液、完井液技術

針對川渝超深超高溫、超高壓復雜難題，攻關形成抗高溫鉀聚磺、有機鹽聚磺等15項復雜深井鉆完井液及堵漏技術系列。應用效果見表1。

開發出剛性粒子復合堵漏、智能凝膠+水泥漿堵漏技術［13-14］，解決了裂縫性、采空區等地層惡性漏失難題。在五探1井和龍探1井使用剛性粒子+橋漿堵漏，堵漏成功率分別提高16%和20%，在塔探1井使用凝膠+水泥漿堵漏，堵漏成功率提高20%。

表1 典型的鉆井液體系、特點及應用效果Table 1 Typical drilling fluid system and its characteristics and application effects

完井液體系不斷豐富，日益滿足完井工程對儲層保護、環境保護和安全作業的需要。攻關形成了抗高溫水基完井液、有機鹽無固相完井液、合成基完井液、低膠質油包水完井液、低熒光水包油完井液、陰離子無固相聚合物完井液、欠平衡“三保”、屏蔽暫堵清洗液等8項完井液技術［15-20］。抗高溫完井液有效解決高產井試井、修井作業中管柱解封發生的井漏、卡鉆難題，并推廣應用370余口井，達到了提速提效和保護儲層目的。

2.4 復雜深井水平井技術

研發了三維管柱力學分析可視化軟件［21］、鉆柱扭擺系統［22］，定向施工儀器故障率小于2%、施工效率提高40%。復雜深井水平井鉆井、超深小井眼水平井鉆井、鹽下水平井鉆井、地質導向技術、套管開窗/側鉆水平井等技術不斷完善。

多專業聯合攻關、聯合作業、成果共享，形成測井、錄井、LWD三位一體的地質導向技術，確保了超深井的高儲層鉆遇率，導向效果全面替代國外高端4參數地質導向系統，工程成本降低30%。在下川東高陡構造石炭系儲層鉆遇率由40%提高至80%。

2.5 精細控壓鉆井技術

為解決如川西北、磨溪—高石梯等區塊存在的窄窗口、無窗口等地層復雜，成功研制了CQMPD系列精細控壓鉆井系統。CQMPD控壓鉆井系統采用模塊化設計，各子系統可獨立工作，經濟實用，并具備微流量和井底壓力2種監控方式，可實現井底壓力的精確、閉環控制，控制精度±0.35 MPa。其中CQMPD-I井口控壓式鉆井系統，其原理是在停止循環時通過井口套壓補償的方式保持井底壓力恒定的控壓方式，主要包括自動節流控制系統、回壓補償系統、監測與控制系統、PWD 4項核心裝備；研發的CQMPD-II型連續循環控壓鉆井系統，利用連續循環閥、連續循環控制裝置和自動節流控制系統等關鍵設備，實現在不同工況下采用不間斷循環的方式保持井底壓力恒定，適用于井壁失穩、地層流體侵入影響流變性、充氣鉆井特殊工藝等情況，避免卡鉆等井下復雜。

CQMPD系列精細控壓鉆井系統［23］現已推廣應用70余井次，依據地質工況、地層流體類型的不同，規范了微漏、微欠、平衡等多種工藝方法，大幅降低了復雜時效和井控風險，已成為深層水平井、鹽下氣藏和“三高”氣藏安全鉆井的必備技術。在九龍山構造龍探1井和龍崗70井實施的精細控壓鉆井，對比常規鉆井漏失量下降81.64%，復雜損失時間下降92.8%，在雙魚石構造比常規鉆井漏失量下降96.7%［4-7］，使以前的茅口組需要一開次專打轉變為與上部低壓層合打，節約一層套管，為高效開發泥盆系儲層奠定了基礎。

2.6 超深地層取心技術

研發形成高強度取心、密閉取心、隨鉆徑向井壁取心、水平井取心4項超深地層取心技術。高強度取心工具采用高強度螺紋設計，抗拉、抗扭強度提高2.5倍，最大作業井深8 408 m，井下事故率保持為零；密閉取心工具創新設計了“雙筒單動”結構，實現了外筒隨鉆具旋轉而內筒相對于巖心不旋轉或少旋轉，避免了因旋轉導致的巖心結構破壞、巖心質量和分析價值降低；開發出抗溫150 ℃、抗壓110 MPa的抗高溫密閉液，現場應用平均收獲率96.79%，平均密閉率90.49%；隨鉆徑向井壁取心技術獨樹一幟，可實現隨鉆隨取、先鉆后取及重復取心，巖心直徑?40 mm，單次最大巖心長度可達22 cm，避免了地質家因鉆過良好顯示層而無法取全資料的遺憾。

2.7 超深井固井技術

為滿足川渝超深井固井需求，形成了超深井固井技術系列［24-26］。

形成了固井優化設計技術、水泥環完整性評價技術、精細控壓固井技術、干井筒固井技術、尾管正反注固井技術、預應力固井技術；開發了寬溫帶緩凝劑、韌性劑、自愈合劑、抗凝劑，形成大溫差、韌性防竄，形成了高密度水泥漿(最高2.95 g/cm3)、高強低密度水泥漿(最低1.20 g/cm3)、大溫差水泥漿、韌性水泥漿、自愈合水泥漿和抗污染隔離液系列；研發了封隔式尾管懸掛器、高壓尾管懸掛器、裸眼封隔器及尾管固井防回流裝置等固井新工具，為解決大溫差超緩凝、水泥漿污染、環空異常帶壓等提供新的技術手段。封隔式尾管懸掛器達到國際領先水平，同比進口成本降低50%，有效解決高壓氣井喇叭口氣竄問題；精細控壓固井技術在應用中凸顯成效，龍崗70井?114.3 mm尾管的小間隙固井中，精細調整注替排量，注替全過程采用精細控壓系統維持敏感地層全過程壓力平穩，電測固井合格率為90.90%、優質率達86.57%［4］。

3 應用成效

四川盆地是發育在揚子克拉通上的大型疊合盆地，覆蓋川渝兩省市，總面積約18萬km2。盆地海相、陸相2套地層總厚度達6 000～12 000 m，已發現氣田132個，發現27個產油氣層組。盆地內儲層類型主要有碳酸鹽巖常規氣、致密砂巖氣和頁巖氣3種。

早期，在背斜油氣富集理論指導下，在蜀南及川東地區先后發現了蜀南茅口組、威遠、中壩及川東石炭系等一批裂縫和裂縫-孔隙型氣藏。短短幾年來，在古隆起及古裂陷控制油氣富集理論指導下，在深層復雜碳酸鹽巖儲層地震預測與烴類檢測、高溫高壓超深井安全快速鉆井、高溫壓儲層改造等配套技術的支撐下，先后在深部發現了龍崗、普光、元壩和安岳地區等多個大型及特大型整裝碳酸鹽巖天然氣田，川渝地區深層資源勘探開發呈現多點開花、飛速發展態勢，西南油氣田新增天然氣儲量9 963億m3，產能突破200億m3。安岳氣田開展鉆井提速攻關，鉆井速度整體提高50%以上，為川中龍王廟氣藏3年建成110億m3產能提供了重要保障。集成應用井身結構優化、氣體鉆井、精細控壓鉆井等優快鉆井技術，復雜超深井的鉆完井成功率得到快速提高，使雙魚石二疊系、泥盆系勘探快速突破，有望成為繼安岳氣田之后最為期待的戰略接替領域。

4 結論與建議

(1)四川盆地深層勘探開發地質條件十分復雜，穿越了陸相、海相2類地層，集中鉆遇了各類鉆井復雜，通過技術攻關，形成了配套成熟的以鉆井液完井液、精細控壓鉆井和各類井下工具為代表的超深井鉆完井技術，為四川盆地二疊系以下的古老巖層大型及特大型氣藏的快速發現與資源快速轉化現提供了強有力的技術支撐。

(2)川渝超深井由于鉆遇的地層流體超高溫、超高壓、高含硫、受裂縫控制及天然氣自身易燃易爆的特性，鉆完井工程仍然面臨非生產損失時間多、機械鉆速慢、鉆井周期長的難題，井筒完整性難題也繼續系統開展攻關，實現勘探開發的經濟性與安全性是科研工作者努力方向。

(3)川渝地區地處南方農林業發達的區域，雨水充沛、綠水青山，生態保護任重道遠，鉆完井各階段產生的放噴天然氣、廢水、工作液的妥善達標處理技術還處于研究階段，相關國家標準和地方政府法規也不完善，未來新增的鉆完井環保成本還將對業界發展產生深度影響，配套的清潔生產技術亟需開展超前研究，與政府聯合的行業發展戰略、環保標準體系需要配套納入研究。