鄂爾多斯盆地長城系地層應用氮氣鉆井探索提速新手段

楊 赟, 郭小虎, 賈軍喜

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室3中國石油長慶油田分公司工程技術管理部)

儲層氮氣鉆井是指在主力儲層實施以氮氣作為循環介質的氣體鉆井作業，具有避免井下燃爆、確保安全快速鉆井、提高機械鉆速、及時準確評價儲層等技術優點[1]。基于鄂爾多斯盆地天然氣風險探井長城系地層研磨性強、可鉆性差、機械鉆速低的問題，在T105、T91兩口井儲層開展了氮氣鉆井提速試驗，提速效果明顯，為長城系地層鉆井提速提效提供了新手段。

一、長城系地層可鉆性分析

地層可鉆性是影響鉆頭破巖效果、制約鉆井速度的主要因素，可通過地層可鉆性級值、機械鉆速、鉆頭使用壽命來表現，其受埋藏深度、巖石強度、巖性、膠結結構等因素的影響。下面基于地層巖性、聲波時差等資料綜合定性和定量分析長城系地層可鉆性。

1. 地層巖性與可鉆性的相關性

以鄂爾多斯盆地中西部GT1井、T59井、L34井為例，長城系地層巖性以砂巖、含礫砂巖為主，主要為硅質膠結結構，存在變質砂巖，石英含量高，普遍在60%以上，且石英含量隨井深增加而增加，下部井段石英含量90%以上，見表1。基于《巖石十二級分級表》(1958年地質部頒發)和莫氏硬度標準分析，長城系地層由于石英含量高，且部分區域存在致密硅質膠結結構，屬于中硬-硬巖石，研磨性強、可鉆性極差，導致常規鉆井液鉆井機械鉆速低、鉆頭易磨損。

2. 聲波時差與可鉆性的相關性

地層可鉆性與聲波時差的關系最為密切，聲波時差反映地層的拉伸和壓縮變形及強度特性，地層可鉆性反映巖石抵抗鉆頭沖擊與剪切破壞的能力，聲波時差越小，可鉆性越差、可鉆性級值越大。

以鄂爾多斯盆地中西部GT1井、T59井、L34井為例，通過劉新田等人修正的鄂爾多斯盆地地層可鉆性級值預測數學模型[2](見式1)，計算出長城系地層可鉆性級值(見表2)，其長城系地層可鉆性屬于6～8級，屬于中硬-硬地層[3]，可鉆性差。

Kd=21.136e-0.00519Δt-1.172

(1)

式中:Δt—聲波時差值，s/m。

表1 已鉆井地層構造及長城系地層巖性情況

表2 長城系地層可鉆性分級情況

3. 長城系常規鉆井工程情況分析

以鄂爾多斯盆地中西部GT1井、T59井、L34井為例，長城系可鉆性差、鉆頭使用效果差，機械鉆速低(普遍低于1 m/h)、單只鉆頭進尺短(普通鉆頭平均進尺低于50 m)，給鉆頭選型提出了更高要求。近年試驗孕鑲鉆頭+渦輪鉆具、混裝鉆頭，提速和提高鉆頭壽命方面取得一定效果。

綜合地層巖性、聲波時差及實鉆分析可知，盆地中西部長城系地層可鉆性6～8級(級值6～8.5)，屬于中硬-硬地層，石英含量高，部分地層石英含量高達95%，甚至部分區域存在致密硅質膠結構，地層可鉆性極差、研磨性強，普遍存在機械鉆速低(0.3～0.5 m/h)、鉆頭壽命短的問題。試驗應用孕鑲鉆頭+渦輪鉆具、混裝鉆頭等新技術，機械鉆速取得一定提升(0.5～0.8 m/h)，鉆頭壽命也有所增加，但仍不理想。因此，提出在鄂爾多斯盆地天然氣探井長城系地層應用氮氣鉆井提速的新思路。

二、長城系氮氣鉆井及提速可行性分析

1. 地層壓力

鄂爾多斯盆地中西部長城系地層壓力系數為0.91～1.03，屬低壓力系統。如GT1井長城系地層壓力系數1.0，T59井長城系地層壓力系數0.92～0.94。

2. 井壁穩定性

(1)實鉆資料表明，長城系鉆井液鉆進期間未出現因井壁垮塌所導致的井下復雜。

(2)QS1井、HT1井、T1井等井測井圖表明，長城系地層井徑擴大率多為2%～5%，最大14%。

(3)長城系巖性為含礫石英砂巖和云母片巖，地層強度高、研磨性強，井壁穩定。

3. 地層產油氣水情況

(1)K1井、HT1井長城系巖心資料分析，長城系以產氣為主。

(2)已收集的資料表明，僅QS1、HT1兩口井在長城系見水層分布。① QS1井長城系解釋水層4層，共16.5 m，預測產水速度3.1 m3/h；② HT1井長城系解釋水層1層，10.5 m，預測產水速度4.6 m3/h。

(3)未有資料提示長城系有含H2S。

圖1 長城系氮氣鉆井與常規鉆井機械鉆速對比

4. 提速可行性分析

調研分析可知，與鄂爾多斯盆地長城系地層地質特征類似的克拉瑪依AK1井鳳城組(可鉆性差6.5～7級，鄰井FN7井四開鉆井液鉆井平均機械鉆速0.71 m/h，消耗?215.9 mm鉆頭16只)[4]、塔里木MD2井志留系(MD2井?149.2 mm井眼鉆井液鉆井井段平均機械鉆速0.57 m/h，鄰井MD1井鉆井液鉆井平均機械鉆速1.01 m/h，消耗?152.4 mm鉆頭32只)[5],氮氣鉆井提速試驗效果顯著，AK1井四開鳳城組消耗?215.9 mm鉆頭3只、平均機械鉆速5.21m/h，MD2井志留系消耗?149.2mm鉆頭2只、平均機械鉆速5.44m/h，同比鉆井液鉆井鉆速提高4倍以上，且單只鉆頭進尺大幅度增加。

綜上所述，可嘗試在長城系應用氮氣鉆井提速，但須做好出水、出氣預防措施，確保作業安全。

三、長城系地層氮氣鉆井試驗分析

鄂爾多斯中西部長城系地層試驗氮氣鉆井2井次，均實現三開氮氣鉆井一趟鉆。T105、T91井長城系地層氮氣鉆井提速明顯，同比常規鉆井提速4倍以上，比應用孕鑲鉆頭+渦輪鉆具、混裝鉆頭等新技術的GT1、L34井提速1倍以上，見圖1。

T105井、T91井氮氣鉆井選用SMITH 537X ?152.4 mm三牙輪鉆頭實現三開氮氣鉆井一趟鉆，鉆頭數量大幅度減少，鉆頭進尺明顯增加，鉆頭進尺最長245 m(長城系鉆進107 m)，鉆頭平均進尺200 m(表3)。

表3 長城系地層氮氣鉆井及常規鉆井鉆頭使用情況

四、認識與建議

(1)長城系氮氣鉆井提速效果顯著，效果優于孕鑲鉆頭+渦輪鉆具、混裝鉆頭等新技術，為開發沉積年代遠、可鉆性差的地層提供了新的鉆井提速手段，同時為準確評價儲層提供新途徑。

(2)建議開展長城系地層巖石可鉆性測定以及鉆頭適應性試驗，為優選鉆頭提供依據。