順北油田含侵入巖區(qū)域超深井安全高效鉆井技術(shù)

劉彪 張俊 王居賀 李文霞 李少安

1. 中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；2. 中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

順托果勒低隆北緣為西北油田分公司探明的重點(diǎn)區(qū)塊，其中，奧陶系桑塔木組火成巖侵入體面積約117 km2，自上而下地層存在二疊系火成巖漏失、深部泥巖井壁失穩(wěn)以及桑塔木組侵入體漏塌同層等問(wèn)題，前期采用了?120.6 mm井眼完鉆的四級(jí)井身結(jié)構(gòu)，配套了井筒穩(wěn)定與提速技術(shù)，應(yīng)用效果較好。然而，隨著布井方向向斷裂帶兩側(cè)與兩翼延伸，井深增加、溫度升高，面臨二疊系裂縫結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、密度1.85 g/cm3鉆井液未能有效抑制侵入巖坍塌、古生界機(jī)械鉆速低以及?120.6 mm井眼MWD儀器故障率高等新的問(wèn)題。為此，筆者在分析地層特征基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了井眼尺寸，研制了新型的井筒防塌、防漏鉆井液配方及輔助處理措施，優(yōu)化了超深短半徑水平井軌跡與鉆井工藝，并試驗(yàn)了分層提速技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用6口井，平均鉆井周期縮短26.5 d，為實(shí)現(xiàn)該區(qū)安全高效鉆井提供了技術(shù)支撐。

1 主要鉆井難題

1.1 二疊系漏失堵漏耗時(shí)長(zhǎng)

二疊系火成巖裂縫發(fā)育、壓力敏感、易漏，前期針對(duì)縫寬小于2 mm，采用隨鉆防漏、堵漏漿鉆進(jìn)以及橋漿承壓堵漏［1］3種方式，漏失井?dāng)?shù)量由100%降至40%。隨勘探區(qū)域擴(kuò)大，二疊系火成巖縫寬跨度高限由毫米級(jí)別增至厘米級(jí)別，密度1.25 g/cm3鉆井液鉆遇裂縫瞬時(shí)漏失量達(dá)50 m3/h以上，承壓堵漏期間，在誘導(dǎo)壓力作用下，張開(kāi)縫與天然閉合縫形成復(fù)雜縫網(wǎng)，加劇了堵漏難度，3口井漏失量達(dá)1 632 m3，耗時(shí)32.5 d，堵漏42井次成功率僅10%。

1.2 高密度鉆井液未能有效維持井壁穩(wěn)定

奧陶系桑塔木組局部發(fā)育火成巖侵入體，埋深6 600～6 900 m，長(zhǎng)石含量82.5%、黏土含量4.5%；地應(yīng)力狀態(tài)為走滑應(yīng)力場(chǎng)，最大、最小水平主應(yīng)力梯度2.56 MPa/100 m、1.62 MPa/100 m；微裂縫縫寬90～420 μm。為抑制井壁失穩(wěn)鉆井液最高密度1.85 g/cm3，仍出現(xiàn)間斷性小漏，并返出片狀掉塊40 mm×30 mm。從5口井井徑對(duì)比看，鉆井液密度1.80～1.85 g/cm3，侵入體井徑擴(kuò)大率55%，表明高密度鉆井液緩解了憋卡，未降低井徑擴(kuò)大率。分析認(rèn)為坍塌的主控因素：(1)坍塌壓力高，地層揭開(kāi)瞬時(shí)應(yīng)力釋放大;(2)基于Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則［2］，高密度鉆井液侵入巖石裂縫內(nèi)部，出現(xiàn)水力劈裂［2］作用，導(dǎo)致應(yīng)力支撐與巖石破壞應(yīng)力失衡；(3)巖石脆性強(qiáng)，鉆具擾動(dòng)剝落掉塊。

1.3 古生界地層機(jī)械鉆速低

二疊系巖性以英安巖、凝灰?guī)r、玄武巖為主，厚度420～500 m，采用“PDC鉆頭+中速螺桿”，機(jī)械鉆速2.1 m/h，單趟鉆進(jìn)尺132 m，PDC鉆頭崩齒比例80%。石炭系、志留系、奧陶系桑塔木組巖性以泥巖為主，厚度1 700～2 000 m，采用“PDC鉆頭+大扭矩螺桿”，機(jī)械鉆速3.8 m/h，PDC鉆頭攻擊性弱、磨損程度低。侵入巖厚度35～60 m，機(jī)械鉆速1.05 m/h，受掉塊、可鉆性差影響，下部機(jī)械鉆速僅1.24 m/h，PDC鉆頭崩齒、牙輪鉆頭掉齒占比分別45%、65%，3口井鉆頭外徑165.1 mm縮至145.3 mm。

1.4 小尺寸井眼易損壞MWD儀器

國(guó)內(nèi)MWD額定抗溫175 ℃、抗壓172.3 MPa，在順北油田?120.6 mm井眼應(yīng)用7口井，平均1口井4次故障，在?149.2 mm井眼應(yīng)用19口井，平均1口井不足2次故障。損壞主要特征：一是工作溫度大于160 ℃，信號(hào)傳輸不正常，高溫下探管橡膠扶正套脫落；二是靜液柱壓力大于139 MPa，脈沖和探管外筒易沖蝕、電路板易損壞。

2 高效鉆井技術(shù)研究

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用Drillworks地層壓力分析軟件［2］對(duì)已完鉆井的測(cè)井資料、試油、巖性分析與計(jì)算，建立了地層三壓力剖面(見(jiàn)圖1)。(1)地層孔隙壓力系數(shù)1.04～1.23，屬正常壓力系統(tǒng)；(2)地層坍塌壓力系數(shù)0.9～1.58，二疊系、志留系壓力系數(shù)1.22～1.30，桑塔木組壓力系數(shù)1.30～1.58；(3)地層破裂壓力系數(shù)2.0左右，輝綠巖頂部最低1.91，桑塔木組下泥巖段最低1.98。

前期采用井身結(jié)構(gòu)［3］見(jiàn)圖2a，實(shí)鉆鉆井液密度大于1.35 g/cm3揭示志留系易漏，為確保鉆井安全，將?193.7 mm套管下至侵入巖之上，再采用密度1.80～1.85 g/cm3鉆井液揭示侵入巖，考慮儲(chǔ)層縫洞發(fā)育，應(yīng)用?139.7 mm尾管下至目的層頂部，再降低鉆井液密度揭示奧陶系儲(chǔ)層。

圖1 地層三壓力剖面Fig. 1 Three-pressure profile

原井身結(jié)構(gòu)弊端，一是由于志留系為薄弱地層，而二開(kāi)套管下至桑塔木組侵入巖頂部增加了300 m；二是?120.6 mm井眼循環(huán)降溫能力與鉆具振動(dòng)大。

為消除原結(jié)構(gòu)弊端，優(yōu)化出了新型四級(jí)結(jié)構(gòu)(圖2b)：一是表層套管?298.5 mm下至1 999 m，封隔淺部疏松地層；二是技術(shù)套管?219.1 mm封隔志留系底部；三是技術(shù)套管下至目的層頂部，封隔侵入巖地層；四是四開(kāi)采用?143.9 mm鉆頭鉆開(kāi)目的層，裸眼完井。

圖2 含侵入體區(qū)域井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig. 2 Optimization of casing program in the areas with intrusive rocks

優(yōu)化結(jié)構(gòu)存在以下優(yōu)勢(shì)：一是二開(kāi)井深縮短了300 m，將大尺寸井眼段長(zhǎng)縮短，三開(kāi)小尺寸井眼段長(zhǎng)延長(zhǎng)，縮短鉆井周期；二是完鉆井眼尺寸由?120.6擴(kuò)大至?143.9 mm，適用排量10 L/s升至15 L/s，循環(huán)降溫8 ℃升至15 ℃，使MWD儀器適用的井筒靜止溫度由168 ℃升至175 ℃；三是沖擊振動(dòng)監(jiān)測(cè)表明?120.6 mm、?143.9 mm井眼振動(dòng)半弦波瞬間最大值分別90g、30g，正?？刂普駝?dòng)值小于30g儀器受損概率由85%減少至25%；四是?143.9 mm井眼相比?120.6 mm井眼，鉆桿接箍位置間隙由6.3 mm升至18 mm，一旦斷鉆具便于處理。

2.2 井筒穩(wěn)定技術(shù)

2.2.1 強(qiáng)化二疊系堵漏技術(shù)

針對(duì)裂縫寬度小于2 cm，伴生微米、毫米級(jí)別裂縫，為進(jìn)一步提高封堵裂縫寬度范圍，堵漏工藝進(jìn)行以下優(yōu)化。

(1)隨鉆堵漏方面，優(yōu)化配方為“0.5%聚合物凝膠+1%竹纖維+2%瀝青+1%超細(xì)碳酸鈣”，該體系引入了聚合物凝膠材料，抗溫達(dá)130 ℃不破膠，對(duì)不同縫寬自適應(yīng)強(qiáng)，以抓壁方式縮小縫寬，形成縫網(wǎng)內(nèi)架橋，配合其他堵漏材料填充，體系抗溫由90～110 ℃提高至100～130 ℃，封堵裂縫寬度從“微米-毫米”提高至“微米-厘米”級(jí)別。

(2)承壓堵漏方面，一是以“BZ-STAⅠ和BZSTAⅡ”材料［4］為主，基于不同漏速，配置相應(yīng)比例的材料與堵漏漿濃度，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于35%，縫寬2 cm，承壓能力可達(dá)9 MPa；二是采用抗高溫凝膠堵漏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成膠時(shí)間1～24 h可調(diào)，承壓能力＞50 MPa，抗溫＞140 ℃，相比前期的橋漿承壓堵漏，克服了堵漏材料不易進(jìn)入裂縫、材料抗溫與抗壓能力低的問(wèn)題。

2.2.2 強(qiáng)化侵入巖防塌防漏技術(shù)

為降低井壁失穩(wěn)，確保安全鉆井問(wèn)題，優(yōu)化了3項(xiàng)技術(shù)措施。

（1）提高井漿對(duì)裂縫的封堵，進(jìn)侵入體前50 m，一次性加入“3%瀝青類(lèi)+2%超細(xì)碳酸鈣+1%PB-1”，提高體系初始隨鉆封堵性能；視滲漏加大和巖屑尺寸增大，復(fù)配1%高軟化點(diǎn)乳化瀝青，強(qiáng)化封堵能力；保證井漿中“瀝青類(lèi)+PB-1+剛性封堵粒子”總濃度為4%～6%，動(dòng)態(tài)提高地層承壓能力，防止水力“錐進(jìn)”微裂縫擴(kuò)展；若封堵材料被篩除，需定期補(bǔ)充。

（2）優(yōu)化鉆井液性能，提高攜巖效率，基于坍塌壓力分析，優(yōu)化鉆井液密度1.85 g/cm3降至1.60 g/cm3，控制塑性黏度30～40 mPa · s、動(dòng)切力5～12 Pa，實(shí)現(xiàn)降低環(huán)空流動(dòng)阻力和井壁沖刷能力，滿(mǎn)足片狀巖屑尺寸2 cm×3 cm攜帶出井。

（3）是稠塞洗井，每次起鉆或下鉆到底，以稠塞(漏斗黏度150 s以上)循環(huán)清潔井底，密度不低于井漿。

2.3 古生界地層分層提速技術(shù)

根據(jù)巖石強(qiáng)度參數(shù)、機(jī)械比能原理分析，針對(duì)二疊系火成巖、石炭系—志留系泥巖以及侵入體火成巖地層，考慮井眼尺寸、鉆頭結(jié)構(gòu)、切削方式、鉆井參數(shù)及破巖扭矩大小，指導(dǎo)鉆頭與提速工具選型。

2.3.1 二疊系破巖技術(shù)

二疊系火成巖抗壓強(qiáng)度75～150 MPa，泊松比0.25～0.35，內(nèi)聚力8～10 MPa，內(nèi)摩擦角31～42 °，楊氏模量22～46 GPa，可鉆性級(jí)值5～7，破巖扭矩7～11 kN · m，采用“加強(qiáng)型混合鉆頭+ ? 197 mm等壁厚螺桿”破巖工藝。

利用沖擊與剪切破碎相結(jié)合的原理，配套等壁厚大扭矩螺桿，工作扭矩10.9 kN · m增至13.9 kN · m，設(shè)計(jì)全金屬馬達(dá)與高級(jí)橡膠定子提高螺桿膠芯抗沖蝕能力，抗溫能力達(dá)180 ℃。相比早期混合鉆頭，內(nèi)錐優(yōu)選13 mm復(fù)合片，增加齒穴金剛石保護(hù)結(jié)構(gòu)，防掏心；優(yōu)選梯度處理的錐形齒，增大受力面積；強(qiáng)化牙輪背錐、牙掌掌尖，增強(qiáng)軸承壽命。

2.3.2 “石炭系—志留系”破巖技術(shù)

二疊系下部與石炭系—志留系均發(fā)育砂泥巖地層，抗壓強(qiáng)度40～120 MPa，泊松比0.30～0.42，內(nèi)聚力低于9 MPa，內(nèi)摩擦角31～42°，楊氏模量42～68 GPa，可鉆性級(jí)值4～6，破巖扭矩5～10 kN · m，采用“尖圓齒PDC鉆頭+等壁厚螺桿”［5］破巖工藝。

針對(duì)砂泥巖地層塑性強(qiáng)，鉆頭吃入不深的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了5刀翼、外徑16 mm雙排尖圓齒PDC鉆頭。該鉆頭具有以下特點(diǎn)：(1)主切削齒為尖齒與圓齒交替分布，尖齒優(yōu)先吃入地層預(yù)先破壞地層應(yīng)力，圓齒二次剪切破巖，提高破巖效率；(2)為提高尖齒抗研磨性，設(shè)計(jì)了抗高溫復(fù)合片，加厚2～3 mm；(3)保徑齒單排優(yōu)化為雙排，增加布齒2顆，呈螺旋分布，提高排屑效率。

2.3.3 奧陶系桑塔木組高效破巖技術(shù)

侵入巖段以火成巖為主，侵入巖之上與之下均以灰質(zhì)泥巖為主，地層抗壓強(qiáng)度40～195 MPa，泊松比0.20～0.35，內(nèi)聚力低于6～10 MPa，楊氏模量30～58 GPa，可鉆性級(jí)值4～8，破巖扭矩5～10 kN · m，采用“防卡尖錐型PDC鉆頭+ ? 150 mm等壁厚螺桿”破巖工藝。

優(yōu)選高抗研磨PDC鉆頭，該鉆頭選用5刀翼、外徑13 mm雙排齒，以斧型齒與stinger尖錐齒破巖，具有如下特點(diǎn)：(1)stinger齒降低硬地層應(yīng)力，斧型齒犁削破巖，提高效率；(2)鉆頭頸部設(shè)計(jì)倒錐齒和圓錐齒，重復(fù)切削掉塊；增大排屑槽面積，增加上返流速；(3)小外圓接頭，增大環(huán)空間隙；保徑末端呈倒圓角，減小起鉆阻力；(4)延長(zhǎng)鉆頭冠部拋物線(xiàn)長(zhǎng)度，增加布齒1顆，提高抗研磨性；(5)采用螺旋形布齒方式，主切削齒側(cè)翼設(shè)計(jì)2顆保護(hù)齒孔，降低沖擊載荷與提高鉆頭保徑。

2.4 超深井定向鉆井技術(shù)

(1)剖面優(yōu)化。短半徑井眼，垂距僅90 m，若工具造斜能力低，不利于中靶，將單增剖面優(yōu)化為雙增剖面，井眼曲率由22 (°)/30 m優(yōu)化為 “26 (°)/30 m+10 (°)/30 m”，最大井斜角由90°優(yōu)化為85°，降低了入靶點(diǎn)控制難度。

(2)螺桿優(yōu)選。尺寸由95 mm增至120 mm，一是螺桿彎度1.5～2.5°，模擬計(jì)算造斜率12～32 (°)/30 m，滿(mǎn)足井眼曲率要求；二是工作扭矩1 440 N · m增至2 380 N · m，提高破巖效率；三是純鉆壽命由30 h增至70 h，降低起下鉆趟數(shù)。

(3)定向鉆頭優(yōu)選。第一增斜段應(yīng)用“4刀翼2牙輪的混合鉆頭”，一是固定刀翼呈“X”型分布與牙輪齒形分布結(jié)合，具有10點(diǎn)定位特點(diǎn)，工具面穩(wěn)定；二是“牙輪+PDC”可預(yù)破碎地層，低鉆壓10～30 kN可降低定向扭矩，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。第二增斜段應(yīng)用“定向PDC鉆頭”，一是設(shè)計(jì)淺內(nèi)錐-短外錐的鉆頭冠部，呈20°螺旋保徑結(jié)構(gòu)，降低井壁摩擦力；二是優(yōu)化不同位置切削齒的后傾角，冠部15°、外圈20°、保徑齒25°，實(shí)現(xiàn)受力均衡。

(4)軌跡監(jiān)測(cè)儀器選型。采用APS-MWD無(wú)線(xiàn)隨鉆監(jiān)測(cè)儀器，額定抗溫175 ℃，該儀器已在順北油田應(yīng)用30余口井，工作溫度低于160 ℃工具穩(wěn)定性好，通過(guò)增大井眼尺寸后，提高了循環(huán)降溫能力，確保了儀器工作的溫度區(qū)間。

(5)定向工藝優(yōu)化。第一增斜段采用“2.5°單彎螺桿+混合鉆頭”鉆至井斜角50°，段長(zhǎng)約60 m，純鉆時(shí)間40 h，將高造斜率井段3～4趟鉆降低至1趟鉆完成；第二增斜段采用“1.5°單彎螺桿+PDC鉆頭”滑動(dòng)或復(fù)合交替鉆至入靶點(diǎn)穩(wěn)斜角85°，段長(zhǎng)100 m，純鉆時(shí)間45 h；因純鉆時(shí)間短，可不用起鉆換鉆具組合，若水平段小于200 m，可實(shí)現(xiàn)“第二增斜段與水平段”一趟鉆完成。

(6)鉆具組合優(yōu)選。底部鉆具將非標(biāo)?88.9 mm-S135鉆桿優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)?88.9 mm-G105倒裝鉆具，提高了鉆具防硫化氫腐蝕能力；上部設(shè)計(jì)?114.3 mm非標(biāo)鉆桿，抗拉強(qiáng)度3 100 kN，相比?101.6 mm標(biāo)準(zhǔn)鉆桿提高19%,鉆桿極限深度提高至8 600 m。排量13 L/s時(shí)，泵壓23.2 MPa，最低環(huán)空返速0.85 m/s，滿(mǎn)足攜巖要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型四級(jí)井身結(jié)構(gòu)及提速技術(shù)在X1-11、X1-13、X1-17H等6口井應(yīng)用后，平均鉆井周期171.2 d，相比優(yōu)化前平均鉆井周期節(jié)省26.5 d，鉆井周期縮短率達(dá)13.4%。

3.1 長(zhǎng)裸眼井段提速

通過(guò)優(yōu)化鉆井液隨鉆封堵與承壓堵漏技術(shù)，配套高效提速工藝，二開(kāi)平均段長(zhǎng)4 652 m，平均鉆井周期61.8 d，機(jī)械鉆速6.3 m/h，同比優(yōu)化前鉆井周期75.7 d，平均機(jī)械鉆速5.85 m/h，節(jié)省鉆井周期13.9 d，機(jī)械鉆速提高7.8%。堵漏周期由10.8 d降至5.2 d，降低幅度達(dá)51.9%，單井漏失量由544 m3降至124.4 m3。

3.2 侵入巖井段鉆井指標(biāo)

鉆井液密度降至1.6 g/cm3，強(qiáng)化鉆井液封堵、攜巖以及井底清潔技術(shù)鉆揭侵入體后，三開(kāi)平均段長(zhǎng)765 m，鉆井周期19.4 d，機(jī)械鉆速2.8 m/h，同比優(yōu)化前鉆井周期32.7 d，平均機(jī)械鉆速1.24 m/h，節(jié)省鉆井周期13.3 d，機(jī)械鉆速提高125.8%。平均井徑擴(kuò)大率25%，其中X1-10H井、X3井輝綠巖井段平均井徑擴(kuò)大率低于10%。

3.3 超深井軌跡控制技術(shù)

優(yōu)化前?120.6 mm井眼循環(huán)降溫8 ℃，優(yōu)化后?143.9 mm井眼循環(huán)降溫15 ℃，實(shí)現(xiàn)了工作溫度低于160 ℃；MWD儀器損壞率由平均4井次降低至不足2井次；優(yōu)化為?120 mm螺桿后，螺桿純鉆時(shí)間由43 h提高至72 h，節(jié)省定向段3～4趟鉆，縮短周期8～12 d。“1.5°彎螺桿+PDC鉆頭”定向技術(shù)，一趟鉆進(jìn)尺357.6 m，機(jī)械鉆速4.31 m/h，提高了115%；X1-17H井創(chuàng)?143.9 mm井眼國(guó)內(nèi)陸上水平井最深紀(jì)錄8 220 m。

4 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)地層壓力與復(fù)雜特征分析，確定了2個(gè)必封點(diǎn)與1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，考慮套管層序、防漏堵漏、防塌技術(shù)以及降低MWD儀器故障，縮短了二開(kāi)井眼長(zhǎng)度，放大了各開(kāi)次井眼尺寸。

(2)非平面齒PDC鉆頭較常規(guī)圓齒，攻擊力顯著提高，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

(3)為實(shí)現(xiàn)桑塔木組侵入巖優(yōu)快鉆井，集成隨鉆封堵、高效攜巖以及井底清潔技術(shù)措施，將鉆井液密度1.85 g/cm3降低至1.60 g/cm3，并配套高效鉆井提速工藝，提高了鉆井效率。

(4)四級(jí)井身結(jié)構(gòu)提速提效成效顯著，尤其針對(duì)侵入巖井段已出現(xiàn)質(zhì)的飛越，沒(méi)有對(duì)二疊系地層做高承壓工作，導(dǎo)致固井質(zhì)量差，針對(duì)產(chǎn)油壽命較長(zhǎng)的井，可能為套管穿孔埋下隱患。下步仍需進(jìn)一步優(yōu)化防漏堵漏工藝，提高固井質(zhì)量，保證井筒完整性。