川西雙魚石構造超深井大尺寸井眼鉆井提速技術研究

周代生, 楊 歡, 胡錫輝, 劉殿琛, 陳 驥, 伍 葳, 劉洪彬

(1中石油西南油氣田分公司工程技術研究院 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

一、地質特征

雙魚石-河灣場構造帶位于四川盆地川西北部地區，大地構造位置隸屬上揚子克拉通北緣龍門山山前褶皺帶，為川北典型低緩構造。雙魚石區塊自上而下地層壓力系數：劍門關組～沙溪廟組為1、自流井組～須家河組為1.40、雷口坡組為1.30、嘉陵江組為1.40、飛仙關組～長興組為1.60、吳家坪組～茅口組為1.80、棲霞組～梁山組為1.36、石巖系為1.30、觀霧山組～志留系1.50。

雙魚石區塊自流井組中部和底部各具一套灰白色塊狀礫巖，礫石成份以石英礫為主，偶見火燧石礫，下部菱鐵礦發育，須家河組須一、須三段結構較細，為砂、頁巖組合，部分夾煤線；須二、須四段為結構較粗的礫巖、砂巖及頁巖，偶見燧石；地層巖性堅硬、石英含量高、研磨性強、部分井段含礫巖，可鉆性差，機械鉆速低。

二、工程簡況

雙魚石構造目的層埋藏深，縱向存在壓力系統復雜，實鉆中局部異常高壓與井漏頻繁。經過前期ST1、ST3井等實鉆井摸索，逐步形成目前ST7井五開五完井身結構(備用一層?190.5 mm井眼應對復雜)，見圖1。

圖1 井身結構優化

三、超深井大尺寸井眼提速技術

1. 優化井身結構

川西雙魚石區塊勘探目的層埋藏深，完鉆井深在7 000 m以深的超深井，縱向多壓力系統，井塌、井漏、氣侵等復雜多，為了應對下部復雜井段，保證順利鉆達目的層，初期上部大尺寸井眼所鉆深度較深[1]。通過前期實鉆井下無復雜和“三壓力”數據分析，為提高機械鉆速將上部?444.5 mm井眼深度從1 000 m縮短至500 m，減少大井眼鉆進長度。

2. 氣體鉆井

通過建立氣體鉆井井壁穩定性分析模型、地層出水預測模型的影響分析，并結合川西地區實鉆地質特征，完成該區塊氣體鉆井可行性評價論證，并建立了一套適用于川西地區雙魚石構造氣體鉆井的評估流程[2]。

根據氣體鉆井井壁穩定性模型，結合測井資料，對ST1、ST3井的井壁穩定性進行了評估分析。評估結果表明：劍門關組、蓬萊鎮組、遂寧組、沙二段井壁穩定性良好，氣體鉆井可安全實施到沙溪廟組的中上部，井段長度2 500 m左右。川渝地區沙溪廟下部地層在實鉆中極易出現應力性垮塌造成井下復雜，與該評估結論大致相符。

根據出水量預測計算模型，結合實鉆測井資料，對ST1、ST3井的出水量預測進行了評估分析。預測結果表明：蓬萊鎮組、遂寧組、沙溪廟組均無明顯水層，適宜采用氣體鉆井。其中，ST3井評估結果與ST1井類似，一定程度上說明區域總體特征相同。綜上，雙魚石構造上部蓬萊鎮組、遂寧組、沙溪廟組中上部井段適宜采用氣體鉆井提速，可安全實施井段長度2 500 m左右。

3. 鉆頭優選

依據區塊實際情況，采用巖石可鉆性的常規回歸公式進行巖石可鉆性預測處理。根據所建立的可鉆性、研磨性模型，采用逐點處理與解釋典型井的測井曲線，建立了該區塊地層巖石可鉆性、研磨性、抗鉆性參數表,見表1。通過對自流井組、須家河組巖石的可鉆性、研磨性實驗數據，結合前期鉆頭使用情況，進行了鉆頭個性化優選，并確定以個性化PDC+螺桿復合鉆進措施[3-8]。

4. KCl-有機鹽聚合物鉆井液

KCl-有機鹽聚合物鉆井液具有抑制能力強、封堵防塌效果好、性能穩定、周期長等優點，在須家河組以上強水敏、強分散性泥頁巖地層，抑制鉆屑的水化分散防止污染鉆井液，有利于鉆井液性能控制，抑制巖石組分水化分散膨脹防止井壁垮塌，抑制巖屑的水化分散，減少鉆井液中劣質鉆屑含量、減少鉆井液中微米、亞微米粒子，有助于提高機械鉆速；在氣液轉換過程中，能有效防止“空氣鉆”后干燥井壁“吸水”引起的井塌，減少氣轉液后井下復雜情況的發生[3-4]。

表1 雙魚石區塊上部地層研磨性、可鉆性級值統計表

4.1 鉆井液體系配方

KCl-有機鹽聚合物鉆井液：2.0%膨潤土漿+0.2%KPAM+1.0%抗溫降濾失劑REDUL+1.0%PAC-LV+4.0%封堵防塌劑NRH+3.0%防卡潤滑劑FK-10+7.0%KCl+10.0%有機鹽Weigh2+重晶石。

4.2 巖屑滾動回收率實驗

室內在80℃、滾動16 h條件下進行巖屑滾動回收率實驗，其結果：清水為27.5%，KCl-聚合物鉆井液為86.0%，有機鹽聚合物鉆井液為90.0%，KCl-有機鹽聚合物鉆井液為91.2%。

4.3 黏土線性膨脹率實驗

室內在80℃、3.5 MPa、8 h條件下進行了黏土線性膨脹率實驗，其結果：清水為23.0%，KCl-聚合物鉆井液為16.5%，有機鹽聚合物鉆井液為12.5%，KCl-有機鹽聚合物鉆井液為11.0%。

四、提速效果分析

1. 優化井身結構

將?444.5 mm大井眼深度從1 000 m縮短至500 m，減少大井眼鉆進長度，平均機械鉆速從9.46 m/h提高至14.87 m/h，提升幅度達57.20%。

2. 氣體鉆井實鉆效果

(1)?444.5 mm井眼在使用常規鉆井液鉆進的平均機械鉆速僅為3.43 m/h，而空氣鉆平均機械鉆速為9.46 m/h，提高175.8%。

(2)?333.4 mm井眼在使用常規鉆井液鉆進的平均機械鉆速為5.02 m/h，而空氣鉆平均機械鉆速達14.87 m/h，提高196.2%。

3. 個性化PDC鉆頭優選實鉆效果

通過對自流井組、須家河組巖石的可鉆性、研磨性實驗數據，結合前期鉆頭使用情況，進行了鉆頭個性化優選，并確定以個性化PDC+螺桿復合鉆進措施[5～8]。在該構造上部自流井組、須家河組取得了較好提速效果，平均機械鉆速達2.29 m/h，比ST1提高5.87倍。各井實鉆鉆頭指標見表2。

表2 ?333.4 mm自流井組～須家河組井段實鉆鉆頭指標

4. KCl-有機鹽聚合物鉆井液實鉆效果

在ST3、ST7、ST8井現場應用表明：①該鉆井液抑制性強，性能穩定且周期長，波動小，低粘切，有助于安全、快速鉆井;②該鉆井液抑制性強、封堵防塌效果好，能確保“空氣鉆”井段井壁穩定，實現了“氣轉液”后通井順利，未出現大的掉塊現象，井下正常，快速恢復正常鉆進，大大縮短了“氣轉液”時間，實鉆井段井壁穩定、井眼規則，平均井徑擴大率較小，有助于提高生產時效，縮短鉆井周期;③該鉆井液抑制性強，低粘切，可提高鉆頭水馬力，減少鉆屑在鉆頭上的吸附，防止鉆頭泥包，減少微米、亞微米粒子，劣質固相含量，有助于提高機械鉆速。

5. 大尺寸井眼提速綜合效果

通過空氣鉆、鉆頭優選、螺桿+轉盤復合鉆井技術和優質KCl-有機鹽聚合物鉆井液，同時加強項目組織管理，雙魚石區塊上部大尺寸井眼整體提速效果明顯，ST3、ST8井平均機械鉆速比提速前ST1井分別提高102.35%、149.77%。同時，鉆井周期大幅縮短，ST3、ST8井比提速前ST1井分別減少40.05 d、59.38 d,見圖2。

五、結論及建議

(1)雙魚石構造已鉆井實鉆表明,氣體鉆井適用于上部井段優快鉆進，值得繼續推廣。

(2)針對自流井組至須家河組難鉆地層，通過加強鉆頭研究和選型，優選出適應性更強、抗研磨性更好的PDC鉆頭并配備高效螺桿進行復合鉆進，實鉆表明機械鉆速大幅提高。

圖2 雙魚石上部大尺寸井眼鉆井指標圖

(3)KCl-有機鹽聚合物鉆井液體系有效解決了該構造上部大尺寸井眼的井壁失穩技術難題，為提速工具的井下安全提供了保障。

(4)建議?333.4 mm大井眼采用?165.1 mm鉆桿，強化水力參數等措施，提高環空攜砂能力，有助于金剛石鉆頭+螺桿鉆井技術克服大井眼深井段水力參數和環空攜砂能力不足造成的鉆頭磨損，解決自流井、須家河組地層的鉆井提速難題。