川深1超深井鉆井優化設計

胡大梁，歐 彪 ，張道平, 肖國益，嚴焱誠， 易世友

(1中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院 2中國石油長慶油田分公司第三采油廠 3中石化西南石油工程公司重慶鉆井分公司)

四川盆地海相下組合烴源發育，發育多套大規模儲層，源儲匹配好，目前已經發現磨溪龍王廟組、高石梯燈影組等四個氣藏，其中龍王廟組探明儲量4 403.83×108m3，是迄今為止我國發現的單體規模最大的特大型海相碳酸鹽巖整裝氣藏[1-2]，盆地內中石化探區海相下組合初步估算圈閉資源量超過1.7×1012m3，是天然氣勘探的重點領域。川深1井是中石化部署在四川盆地的超深風險探井，設計井深8 690 m，是當時亞洲陸上設計最深直井，以震旦系燈影組為主要目的層，兼探寒武系龍王廟組。

一、工程地質特征

同構造實施的最深井為閬中1井，完鉆井深6 660 m，層位為棲霞組，棲霞組以下尚未鉆探，深部地層不可預見因素多。地層壓力預測(表1)僅能參考通南巴構造帶的馬深1井，兩口井相距148 km，實鉆地質情況可能與預測有較大差別[3]。

根據馬深1井測井曲線，利用GMI地應力軟件建立井壁穩定性模型，分析結果表明地層坍塌壓力隨深度增加而增大，海相地層坍塌壓力均小于地層壓力，以地層壓力設計的鉆井密度能夠維持井壁穩定。

二、鉆井技術難點

(2)設計井深8 690 m，開孔井眼尺寸大，大尺寸套管下入深度超過4 000 m，最大重量超過500 t，鉆機承受負荷大，施工周期長，對井架結構強度、設備性能、套管保護等要求高。

(3)陸相沙溪廟組、須家河組地層井壁穩定性差，海相嘉陵江組地層膏鹽巖發育，筇竹寺組泥頁巖易水化失穩，燈影組地層溫度預計180℃～187℃，高溫、高壓、酸根污染等苛刻條件對鉆井液抗高溫、抑制性等要求高。

(4)三開?273.1 mm套管下深接近7 000 m，四開?193.7 mm套管下深8 300 m、回接段長約6 600 m，大尺寸套管剛性強，長裸眼條件安全下入難度大，超長封固井段的水泥漿頂替效率低，固井質量難以保障。

表1 鉆遇地層壓力預測

三、井身結構設計

1. 必封點設置及優化

1.1 理論計算

應用CasingSeat軟件按地層孔隙壓力和破裂壓力剖面計算，要分隔不同的壓力層系，需設置3個必封點，分別是遂寧組頂部、須家河組頂部和筇竹寺組中部。

1.2 必封點優化調整

軟件理論計算的必封點是以地層三壓力剖面為基礎，未考慮地層復雜情況等因素，存在二開井控能力較弱、三開裸眼段過長(>5 200 m)的問題。考慮本構造棲霞組及以深地層未鉆探，具有地質不確定性，在井身結構設計中，對上部已知井段設計采用大尺寸井眼承擔更多進尺，為深部未知地層鉆探留下調整余地，同時盡量將區域主力氣層分隔處于不同開次[4-5]，以減少相互干擾。將必封點調整為4個，盡量封隔不同的壓力體系和復雜地層，必封點設置如下：

1.4 術后治療 硬膜下積液患者早期治療以觀察隨訪為主，對于去骨瓣減壓者觀察期間骨窗適當加壓包扎；2017年初開始對發生硬膜下積液患者常規予阿托伐他汀(立普妥)20 mg/d治療。慢性硬膜下血腫厚度<1.5 cm者以隨訪觀察為主，血腫厚度大于1.5 cm伴顱高壓或神經根功能障礙者行鉆孔引流術治療。

必封點1：設置在遂寧組頂部地層，封隔上部不穩定、易漏、易坍塌、出水地層，為二開采用空氣鉆井提速和陸相地層安全鉆進提供井口控制條件。

必封點2：設置在雷口坡組頂部地層，封隔上部的陸相不穩定地層和氣層，為下一開海相地層安全鉆進和大套管長井段下入創造條件，原則上封過雷四段頂部破碎帶。

必封點3：考慮鄰井閬中1井將長興組低壓層與茅口組高壓地層放在同一井段，未發生井漏等復雜情況，因此必封點3封過茅口組高壓地層，避免在四開鉆進同時面臨茅口組和龍王廟兩個區域高壓氣層，防止出現“上漏下噴”復雜情況，以保障四開井控安全。

必封點4：目的層燈影組地層壓力低，易發生漏失，為保證目的層專封專打，必封點4設置在筇竹寺組中下部，封隔上部的龍王廟組高壓氣層，有利于主要目的層的發現、評價及保護。

2. 井身結構設計方案

完井方式為?139.7 mm套管射孔完井，首先確定完鉆井眼尺寸?165.1 mm，按照由內而外、自下而上逐層確定各開次鉆頭/套管尺寸，盡量選擇API標準尺寸系列。考慮到鉆井過程中面臨的復雜情況，五開?139.7 mm套管有提前下入的可能，備用?114.3 mm裸眼完井(表2)。

四、鉆井工藝設計

1. 鉆具組合優化設計

為提高鉆具抗拉強度，三開使用?139.7 mm鉆桿×3 000 m+?127 mm鉆桿×4 000 m，三開6 000 m以深井段和四開選用?149.2 mm雙臺階鉆桿替代?139.7 mm鉆桿，拉力余量達到120 t，比?139.7 mm鉆桿增大60 t以上，接頭過流面積增大15%，有利于降低循環壓耗；五開選用?149.2 mm鉆桿×4 000 m+ ?101.6 mm鉆桿×4 500 m；選用SS105/G105材質，不使用S135等高鋼級鉆桿，以避免氫脆。

表2 井身結構數據表

2. 鉆井提速技術方案

本井要鉆達目的層，縱向上要穿越27套地層，需要針對不同地層的工程地質特點，分井段優選合適的配套鉆井工藝[6-8]。針對一開井眼尺寸大、對鉆壓不敏感、地層易出水、常規鉆井機械鉆速低的問題，優選泡沫鉆井技術；二開地層可鉆性差，大尺寸鉆頭吃入地層困難的問題，推薦PDC+旋沖工具鉆井技術，將部分泥漿泵能量轉化為機械能，增加沖擊破巖能，提高扭矩傳遞效率；避免鉆頭粘滑、跳鉆，保證鉆頭平穩切屑與鉆進；海相地層可鉆性較好，為了實現防斜打快目標，推薦預彎曲動力學防斜技術，在鉆具中接入具有彎曲度的螺桿，利用鉆具組合在井眼中的渦動特征，在鉆頭上形成一個遠大于鐘擺降斜力的防斜力，同時優選攻擊性強的5刀翼16～19 mm齒PDC鉆頭，實現防斜打快。

3. 鉆井液體系設計

二開鉆遇蓬萊鎮組、沙溪廟組、千佛崖組、自流井組、雷口坡組地層，沙溪廟組泥質含量較高，須家河組層理裂縫發育、雷口坡組頂部可能存在破碎帶，井壁穩定性差，設計鉀基聚磺鉆井液體系，強化防塌抑制性能。

海相嘉陵江組膏巖發育，鄰井鉆遇高壓鹽水層，要求鉆井液具有一定的抗膏侵、鹽水侵能力；井底溫度預計超過180℃，設計抗高溫耐鹽聚磺鉆井液體系，優選高溫穩定劑和處理劑，抗高溫材料應提前一個溫度臺階入井，防止因長時間使用老化造成的鉆井液高溫增稠或減稠發生性能惡化[9-10]。儲層段密度較低(1.15～1.35 g/cm3)，從儲層保護角度考慮，應選擇酸溶性的鈦鐵礦或石灰石加重劑；與石灰石相比，鈦鐵礦密度高，高密度鉆井液固相含量低，有利于鉆井液性能調控和鉆井提速，若鉆遇高壓氣層，鉆井液加重時效較高，可降低井控風險。

4. 固井技術方案

二開?444. 5 mm井眼下入?365.1 mm套管，設計乳化沖洗液+抗污染加重隔離液+防氣竄水泥漿。

三開?282.6 mm/?273.1 mm套管重量大，送放鉆具拉力余量小；茅口組高壓氣層防氣竄難度高；井底溫度高、水泥漿抗高溫要求高。設計先懸掛后回接的方式，優選抗高溫耐腐蝕的防竄水泥漿，解決高溫、防竄、防腐及大溫差的難題，采用在川東北工區使用效果明顯的除油先導漿進一步提高一、二界面的膠結質量。

四開和五開具有超深、井底高溫高壓等特點，對工具附件可靠性及密封性要求高；五開小井眼、小間隙、高溫、酸性氣藏等對水泥漿的抗高溫、耐腐蝕、防氣竄性能及水泥石的抗沖擊性能要求高[11-12]。設計除油先導漿+乳化沖洗液+加重抗污染隔離液+沖洗液的前置液，選用膠乳增韌防竄水泥漿；優選抗高溫帶頂封的懸掛器，降低環空氣竄的風險。

五、現場應用

1. 井身結構適應性評價

本井實鉆為五開結構，各開次的必封點基本與設計一致，有效分隔了各復雜層位，確保了鉆達地質目標。導管實際下深20 m，比設計減少30 m，未有效封隔表層疏松地層，導致一開泡沫鉆井竄漿至地面；設計時考慮地層預測可能存在誤差，四開鉆至筇竹寺組下部，不揭開燈影組，實際鉆至8 060 m中完，距筇竹寺組底界87 m，五開鉆遇筇竹寺底部的灰黑色頁巖，發生井壁失穩掉塊。在地質認識清楚的條件下，后續井建議加深至燈影組頂部中完，實現目的層專封專打。

2. 鉆井提速技術應用效果

2.1 大尺寸井眼氣體鉆井技術

一開泡沫鉆進總進尺890.00 m，平均機械鉆速5.67 m/h，提速效果較好。二開空氣鉆井段910.00～2 318.10 m，累計進尺1 408.10 m，平均鉆速6.24 m/h，主要是由于該段地層井斜對鉆壓比較敏感，為控制井斜，鉆壓維持40 kN；進入上沙溪廟組后，接立柱后有一定的沉砂，從安全角度需要控時鉆進，鉆速未達預期目標。

2.2 PDC鉆頭+旋沖工具鉆井技術

在上沙溪廟、下沙溪廟、千佛崖及自流井馬鞍山段采用PDC+旋沖工具鉆進，鉆進井段2 318.10～2 909.30 m和3 065.00～3 080.94 m，使用4只PDC鉆頭和4套旋沖工具，總進尺607.14 m，平均機械鉆速2.02 m/h，比鄰井閬中1井同層位牙輪鉆頭鉆速提高1.3倍。

2.3 預彎曲動力學鉆具防斜打直技術

在三開?320.68 mm井眼雷口坡組三段至長興組應用預彎曲動力學鉆具防斜打直技術，鉆進井段4 548.86～6 317.57 m，進尺1768.71 m，平均機械鉆速3.86 m/h；四開?241.3 mm井眼棲霞組～洗象池群應用，鉆進井段6 885.00～7 359.11 m，進尺474.11 m，平均機械鉆速2.96 m/h，井斜控制在1°以內，防斜打快效果顯著。

3. 鉆井液技術

自流井組和須家河組五段砂巖、泥巖和頁巖發育，采用“三強一低”鉆井液，加大瀝青類防塌劑用量，提高聚合物和鉀抑制劑的濃度，保持鉀離子濃度不低于18 000 ppm，氯離子不低于25 000 ppm，起下鉆中未出現遇阻卡現象；三開雷口坡組和嘉陵江組膏鹽層長達1 100 m，鈣離子最高1 200 ppm，氯離子最高65 000 ppm，加入抗膏鹽處理劑膠液，補充低黏切抗膏鹽重漿穩定密度，順利鉆穿膏鹽層。四開井底溫度高，加入SMP-3、SPNH、CaCO3、抗高溫合成聚合物等材料，嚴格控制API失水≤4 mL，高溫高壓失水≤12 mL，對龍馬溪組和洗象池組易塌地層，加入1.5%抗溫180℃聚胺抑制劑，保障井壁穩定；五開井溫超過180℃，配制密度1.20 g/cm3抗高溫耐鹽聚磺鉆井液，添加抗高溫材料，磺化類處理劑加量不低于7%，聚合物抗高溫抗鹽降濾失劑加量不低于0.8%，增強體系抗溫抗污染能力，鉆井液的pH值維持在10以上，消除硫化氫對井漿的污染。

4. 綜合應用效果

川深1井2016年12月30日開鉆，2018年6月24日五開鉆至井深8 420 m完鉆，通過分段優化提速方案，強化一級井控，加強環空液面監測等手段，克服了高壓致密地層大尺寸井眼鉆進、長裸眼大尺寸套管安全下入、區域性高壓氣層發育等諸多技術難題，平均機械鉆速2.08 m/h，全井鉆井周期549.23 d，同比馬深1井鉆速提高13%，周期縮短7.5%。

六、結論及建議

(1)川深1井主體采用五開井身結構，一開封隔淺部地層建立井控條件，二開封隔陸相地層，三開和四開分隔高低壓地層，五開專打目的層，能夠滿足現場安全鉆井及地質變化的調整需要。

(2)陸相大尺寸井眼應用氣體鉆井技術，堅硬難鉆地層應用旋沖鉆井技術，海相地層應用預彎曲動力學防斜打直技術，可以有效提高機械鉆速，同時保障井身質量。

(3)超高溫耐鹽聚磺鉆井液體系具有較強的抗溫能力，在高溫高壓作用下保持較好的高溫流變性，能有效抑制水敏性地層的水化，抗污染能力較強，能夠滿足超深井高溫條件的井眼潤滑、攜巖要求。