準噶爾盆地達巴松凸起超深井安全快速鉆井技術

徐新紐, 孫維國, 阮 彪， 熊旭東, 劉穎彪, 楊 虎

(1中國石油天然氣股份公司新疆油田分公司 2中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū))

為探索準噶爾盆地達巴松凸起深層風城組和石炭系的含油氣性，部署風險探井達探1井。該井二疊系和石炭系地層從未鉆探，地層壓力系統(tǒng)復雜，鉆井風險大；深層巖石可鉆性差，提速手段有限；風城組存在大段鹽膏層，易污染鉆井液體系。必須針對該區(qū)鉆井特點開展技術攻關，形成一套超深井鉆井提速技術。

一、鉆井技術難點

1. 壓力系統(tǒng)復雜

達巴松凸起鉆探11口井，鉆揭下烏爾禾組。鄰井資料表明，三疊系以下地層為異常高壓地層。由于風城組和石炭系未鉆遇地層近2 000 m，預測地層壓力是該井井身結構設計的難點。

2. 地質(zhì)情況復雜

白堊系、侏羅系發(fā)育大段泥巖和多段煤層，易縮徑垮塌；二疊系風城組鹽膏層易導致鉆井液污染。預測達巴松凸起地溫梯度2.12℃/100 m，計算達探1井6 226 m井底溫度高達150℃。因此，中淺層長裸眼井壁失穩(wěn)和深層高密度鉆井液抗高溫、抗鹽污染將是該井的鉆井難點。

3. 深部地層鉆井提速手段有限

鄰井三疊系以上地層可鉆性較好，平均機械鉆速為4.69 m/h。參考鄰區(qū)烏夏斷裂帶和夏鹽凸起，巖石單軸抗壓強度為80～120 MPa，可鉆性極值為6～8。風城組和石炭系機械鉆速僅為0.89 m/h和0.83 m/h，PDC鉆頭未實現(xiàn)技術突破。

二、地層壓力預測與井身結構設計

1. 基礎數(shù)據(jù)預處理

選擇鄰井達9井作為基準井，該井測井數(shù)據(jù)準確、鉆揭地層較多且井深較大、距離目標井較近。利用基準井的測井數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)，得出橫波時差(ACSM)、密度(ρ)與縱波時差(ACCO)相關性(式(1)，式(2))。

ACSM=1.941ACCO+0.8228(R2=0.679)

(1)

ρ=-0.0028ACCO+2.7808(R2=0.623)

(2)

將達探1井5 250 m以上地層的地震縱波時差與基準井聲波時差測井數(shù)據(jù)進行均值化擬合。5 250 m以下地層，將基準井聲波時差測井數(shù)據(jù)外延趨勢線與地震縱波時差進行均值化擬合，作為達探1井地層壓力預測基礎數(shù)據(jù)[2,5]。

2. 地層壓力預測

伊頓法認為孔隙壓力和聲波時差等參數(shù)呈冪指數(shù)關系(式3)，且與地層埋藏深度無關，適用于盆地沉積環(huán)境下砂泥巖地層孔隙壓力的預測[6-7]。利用達探1井多口鄰井的試油壓力(見表1)和達9井測井數(shù)據(jù)，反算出準噶爾盆地達巴松凸起伊頓指數(shù)為3.0[8-10]。

(3)

式中：σV—垂向應力，MPa；pp—地層孔隙壓力，MPa；ph—正常靜水壓力，MPa；ACn—給定深度泥頁巖趨勢線聲波時差，μs/m；AC0—給定深度地層實際聲波時差，μs/m；n—Eaton指數(shù)，無因次。

將上述數(shù)據(jù)代入地層壓力模型(式3)，可預測達探1井未鉆揭地層的孔隙壓力。通過鄰井實測地層壓力進行修正[3]，建立達探1井地層壓力剖面(圖1)。計算結果表明，侏羅系以上地層屬正常壓力系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)為1.04～1.16，三疊系以下地層屬異常壓力系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)由1.71快速抬升到2.10，二疊系風城組和石炭系地層壓力系數(shù)有所回落，約為1.85～1.92。

表1 達探1井鄰井試油實測壓力統(tǒng)計表

3. 井身結構設計

根據(jù)地層壓力預測和鄰井復雜情況，達探1井存在兩個套管結構必封點。壓力過渡必封點在三疊系白堿灘組頂界3 890 m處。未鉆儲層風險必封點在二疊系風城組頂界5 637 m處，其下部風城組、石炭系存在鉆探風險，封隔夏子街組以上易失穩(wěn)地層有利于實現(xiàn)儲層發(fā)現(xiàn)和保護，綜合各種因素[4]，達探1井設計四開井身結構見表2。

圖1 達探1井地層三壓力預測剖面

表2達探1井井身結構設計及套管程序設計

開鉆程序鉆頭尺寸/mm井深/m鉆至地層套管尺寸/mm下入井深/m一開660.4500K508500二開444.53950T3b339.73950三開311.25650P1f244.55500250.85650四開215.96000C177.85350139.76000

三、 鉆頭選型與提速工具優(yōu)選

1. 巖石力學參數(shù)評價

利用鄰井達9井測井數(shù)據(jù)，反演達深1井巖石力學特性和鉆頭可鉆性級值，為鉆頭和輔助提速工具優(yōu)選提供依據(jù)[11-12]。結果表明三疊系及其以上地層PDC鉆頭適應較好(圖2)。

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圖2 達9井三疊系以上地層巖石力學參數(shù)剖面

然而，達探1井二疊系風城組和石炭系在達巴松凸起從未鉆揭。因此，針對達巴松凸起深部未鉆地層，可采用相同地層類比法，開展鄰區(qū)同地層的巖心力學實驗，作為達探1井鉆頭選型的間接參考(表3)。

2. 鉆頭和提速工具選型

依據(jù)達探1井巖石力學參數(shù)，參考鄰井鉆頭時效，侏羅系及其以上地層設計五刀翼19 mmX3/H3齒提高鉆頭攻擊性，采用窄刀翼大排屑槽提高鉆頭防泥包能力。

表3 鄰區(qū)相應地層的巖石力學參數(shù)數(shù)據(jù)

三疊系巖性以砂巖、泥巖、礫巖夾層為主，設計扭力沖擊器配合PDC鉆頭。

二疊系和石炭系主要發(fā)育砂泥巖、砂礫巖、白云巖以及火成巖，可鉆性級值為5.5～8.0，抗壓強度為40～200 MPa，鄰區(qū)多種PDC鉆頭入井試驗效果不佳。因此，選用Smith公司牙輪鉆頭，二疊系選用GF20ODPS(AIDC:517X)，石炭系選用GF30 ODPS (AIDC:537X)。

四、鉆井液配方優(yōu)選與性能

開展高溫高密度鉆井液體系配方優(yōu)選[13]，確保性能滿足達探1井深部地層鉆井安全。

三開和四開鉆井液加入15%NaCl，增強抗碳酸氫根的污染能力,復配液體與固體潤滑劑改善潤滑性能，選用PHT和天然瀝青粉KH-n作為抗溫封堵劑。

室內(nèi)評價聚合物降濾失劑，降濾失性能排序為：AP220>SP-8>JT888。增加0.8%AP220和3%流型調(diào)節(jié)劑TX[14]。

鉆井液配方為：2%膨潤土+0.8%SP-8+0.8%PMHA-2+0.5%LV-CMC+2%SMP-2(粉)+2% SPNH+15%NaCl+10%KCl+2%石墨+1%SPAN-80 +2%PHT+3%KH-n +2%隨鉆堵漏劑+0.5%CaO+ 0.8% AP220+3%TX+重晶石。

五、現(xiàn)場應用評價

達探1井完鉆井深為6 226 m，井底壓力和溫度高達125 MPa和150℃，新鉆遇的深部地層近2 000 m，屬于典型“三高井”。通過地層壓力預測、丼身結構優(yōu)化、快速鉆井及強抑制高密度鉆井液等技術攻關，162 d的鉆井周期內(nèi)無井下復雜事故，創(chuàng)造了準噶爾盆地超深井高效鉆井的新紀錄。

1. 井身結構設計合理

依據(jù)預測地層壓力設計的四開井身結構確保全井的安全鉆井。預測地層壓力與試油和錄井實測數(shù)據(jù)對比，預測精度高達90%以上(表4)。

表4 預測與實測地層壓力數(shù)據(jù)對比

2. 鉆頭選型和提速效果

達探1井深部風城組和石炭系未鉆揭，在鉆頭選型時，采用鄰區(qū)相同地層巖石力學類比法。為證實此方法的科學性，將達探1井的鉆后測井數(shù)據(jù)進行反演，得到二疊系巖石力學剖面。反演結果與表3中的鄰區(qū)巖心測試數(shù)據(jù)非常接近，表明此類比法完全適用于勘探程度較低的超深井鉆探。

達探1井鉆井提速效果顯著。白堊系、侏羅系?444.5 mm井眼平均鉆速為9.46 m/h，較達10井提高36.7%，單只PDC鉆頭進尺高達2 051 m，較鄰井最高進尺1 480 m提高36.5%。三疊系?311.2 mm井眼試驗扭力沖擊器配合PDC鉆頭機械鉆速為5.63 m/h，較達10井提高35.5%，單只鉆頭進尺達576 m。二疊系和石炭系?215.9 mm井眼試驗Smith牙輪鉆頭機械鉆速為2.26 m/h，單只鉆頭進尺為280 m。

3. 鉆井液維護技術評價

二開長裸眼大尺寸井段井壁失穩(wěn)風險高，利用多元協(xié)同抑制機理的胺基-鉀鈣基鉆井液，K+含量始終大于35 000 mg/L，堅持劃眼制度。對于滲透性好的砂巖及泥質(zhì)砂巖，加入2%～3%TP-2、2%超細碳酸鈣和乳化瀝青形成致密且柔韌的高質(zhì)量濾餅，確保API濾失量<4 mL。鉆井液的密度控制在1.28～1.30 g/cm3，膨潤土含量為40～50 g/L。西山窯和八道灣組8段煤層未發(fā)生井漏、遇阻及垮塌現(xiàn)象。

三開和四開應用高密度鉆欠飽和復合鹽鉆井液體系，控制Cl-含量大于150 000 mg/L。采用復合材料隨鉆防漏方法[14]，包括：2%粒徑為0.125 mm的纖維TP-2、3%粒徑為0.10～0.45 mm的碳酸鈣、1%粒徑為0.125～0.180 mm的蛭石、1%粒徑為0.125～0.180 mm的云母，該防漏材料實驗室砂床滲漏測試，承壓能力可達到6.7 MPa,防漏堵漏效果明顯。

六、結論與認識

(1)達探1井采用已鉆井測井數(shù)據(jù)，將目標井地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視橫波時差和視密度，基于伊頓法建立地層壓力計算模型，精細描述未鉆探地層壓力特征，達探1井實踐為超深井未鉆揭地層設計合理井身結構提供了科學依據(jù)。

(2)針對無資料借鑒的未鉆地層，可采用鄰區(qū)同一地層類比法，模擬未鉆地層的巖石力學特性，指導鉆頭個性化設計。達探1井的鉆后測井反演結果與鄰區(qū)巖心測試數(shù)據(jù)非常接近，證實該類比法完全適用于低勘探程度區(qū)。