鄂爾多斯盆地寧陜區塊深井鉆井關鍵技術

石崇東

（中國石油川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

為確保長慶油田油氣當量穩產5 000×104t，長慶油田的勘探開發范圍逐步向邊緣地區、深地層發展。近兩年施工的7口井深達5 000.0 m以上，荔參1井達6 535.0 m，有4口井鉆至元古界長城系。寒武系鮞粒灰巖以及長城系的淺紫紅色變質含礫石英砂巖可鉆性差[1]，平均機械鉆速低且單只鉆頭進尺少，存在地質斷層、井漏、憋跳鉆嚴重等復雜情況，平均鉆井周期長達146 d。針對鄂爾多斯盆地寧陜區塊深井提速技術難點進行系統分析和總結，并研究相應的技術對策，對鄂爾多斯盆地深井鉆井提速，縮短鉆井周期，加快勘探開發步伐具有一定的實際意義。

1 深井鉆井技術難點

1.1 地層可鉆性差

寒武系、長城系地層沉積年代遠，地層硬度高、不均質。地層研磨性高，砂巖泥巖極致密。根據聲波測井法可確定巖石可鉆性，結合古探1井、桃59井測井資料，利用聲波時差與巖石可鉆性分析，確定寒武系、長城系地層巖石的可鉆性極值為6～7（表1），可鉆性差[2]。

表1 各井段可鉆性極值

1.2 上部地層井壁穩定性差

1.3 井底溫度高

鄂爾多斯盆地地溫梯度為 2.56～3.10 ℃/100 m，深井井底溫度最高達 217.00 ℃，對鉆井液材料、隨鉆測斜儀器和井底動力鉆具的耐溫能力要求高。抗高溫鉆井液材料選擇范圍窄。大尺寸井眼動力鉆具的應用受到限制，復合鉆進技術難以實施，井壁穩定難度大。

1.4 部分區塊地層傾角大

鄂爾多斯盆地部分區塊地層傾角為20°～40°，鉆井過程中井斜不易控制，斷層多，地層均質性差，防斜打直效率低。

2 深井鉆井提速關鍵技術

2.1 井身結構優化

鄂爾多斯盆地地表主要為黃土層或流沙層。為防止膠結程度低的黃土層漏或流沙層塌，根據地層故障提示，將井身結構優化設計為導管+三開井身結構，封固上部井壁穩定性差的易漏或易塌層位，同時出現意外復雜情況預留一層套管。具體井身結構為：φ444.5 mm×900 m/φ339.7 mm×900 m+φ311.1 mm×4 005 m/φ244.5 mm×4 005 m+215.9 mm×6 535 m/φ177.8 mm×(3 796～6 535) m。

采用φ660 mm鉆頭鉆至井深60 m，φ508 mm導管下至井深60 m，封第四系上部欠壓實黏土層，實鉆過程采用低比重膨潤土鉆井液，小排量（40 L/s）、低轉速（40 轉/min）鉆進，導管封固，確保表層鉆井過程中井架基礎穩定。

2.2 孕鑲金剛石配合渦輪鉆井技術

針對長城系地層研磨性極強、可鉆性差、機械鉆速低等難題，首次嘗試與中高速螺桿動力鉆具配合使用，擴展了“孕鑲金剛石鉆頭 + 渦輪/螺桿鉆具”復合鉆井技術的應用領域。

2.2.1 渦輪原理

渦輪鉆具由動力部分、軸承部分組成（圖1）。渦輪葉片由定子與轉子組合，渦輪葉片定子固定在工具殼體上，相對于外殼不轉動轉子固定于芯軸上面，推動芯軸自由轉動把鉆井液的液力能轉化為機械能，然后通過傳動軸傳遞給鉆頭[3]。 渦輪鉆具減少鉆頭與井壁的磨損，能夠有效縮短鉆頭保徑長度，同時減少鉆頭粘卡。

NI LabVIEW在高職“電類”實踐課程中課程改革的探討………………………………彭小平，凌雙明(79)

圖1 渦輪軸承組

2.2.2 孕鑲金剛石鉆頭

孕鑲鉆頭切削結構是由天然金剛石砂、人造金剛石顆粒、碳化鎢粉末以及粘合劑（鈷、鎳等稀有金屬）澆注而成[4]。具有極高的抗研磨性和耐久度。特別適合于具有挑戰性的火成巖、花崗巖、致密膠結砂巖、含礫石地層以及軟硬交錯沖擊性強的地層。古探1井應用哈里伯頓渦輪工具配合孕鑲金剛石鉆頭（圖2），單只鉆頭平均進尺為該區塊其他型號鉆頭平均鉆進的6倍左右，單只鉆頭平均機械鉆速是該區塊其他型號平均機械鉆速的2倍左右（表2）。孕鑲鉆頭與牙輪鉆頭相比，單只鉆頭進尺高，可減少起下鉆次數，能有效提高行程機速，同時提高了施工效率。

表2 古探1井長城系鉆頭使用情況

圖2 孕鑲金剛石鉆頭

2.3 “獅虎獸”牙輪金剛石復合鉆頭+耐高溫螺桿

“獅虎獸”牙輪金剛石復合鉆頭融合了聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭和牙輪鉆頭技術特點，在鉆遇復雜地層時，該鉆頭具備PDC切削齒的連續剪切特性，同時具有牙輪鉆頭壓碎效應和穩定性的特點[5]。通過牙輪齒預破碎，降低巖石強度，從而提高復合片切削效率，減輕復合片損壞程度（圖3）。

圖3 獅虎獸鉆頭

耐高溫螺桿提供中高轉速動力，抗高溫能力達180.00 ℃，轉速最高達230轉/min。李34井在寒武系、長城系地層采用“獅虎獸”牙輪金剛石鉆頭配合耐高溫螺桿入井4次，平均機械鉆速0.98 m/h。“獅虎獸”牙輪金剛石鉆頭存在使用時間限制，有掉牙輪的風險，使用過程中應嚴格控制入井使用時間（表3）。

表3 李34井在寒武系、長城系鉆頭使用情況

2.4 氮氣鉆井

氮氣鉆井是氣體鉆井的一種方式，屬于欠平衡鉆井范疇。將高壓氮氣作為鉆井介質，注入鉆具內，氮氣在流經鉆頭時冷卻鉆頭，攜帶鉆屑，再通過井口及排砂管線排出[6]。

2.4.1 工藝流程

氮氣鉆井是以空氣為介質，用空壓機對空氣進行初級加壓，然后輸到制氮機，制氮機生產出氮氣，再將氮氣輸到增壓機，增壓機對氮氣增壓。通過管線將高壓氮氣經立管三通注入鉆具，氮氣通過鉆頭時對鉆頭進行冷卻，同時完成攜帶巖屑的任務，再通過井口，氮氣和巖屑進入排砂管線，排砂管線上安裝取樣器便于取砂樣，最后到巖屑池。

2.4.2 鉆井優點

氮氣鉆井時不用鉆井液，可減少整個沿程壓力損耗，減少廢棄鉆井液的排放。氮氣鉆井鉆速快，有利于井眼穩定，可避免井漏；有利于環境保護。

統105井和桃91井為兩口預探井。鉆探的主要目的在于查明馬家溝組馬五41風化殼儲層、馬五5-馬五10白云巖儲層發育及含氣情況，落實盒8、山西組砂體展布范圍及含氣性，兼探寒武系及長城系深層（表4、表5）。兩口井三開采用氮氣鉆井，氮氣鉆進至長城系完鉆。三開氮氣鉆井都是一趟鉆，杜絕帶壓起下鉆的風險，采用φ152.4 mm牙輪鉆頭鉆進至長城系。鉆具組合：φ152.4 mm牙輪+雙母接頭+回壓閥+φ120.0 mm DC 1根+回壓閥+φ120.0 mm DC 1根+旁通閥+φ120.0 mm DC 7根+φ88.9 mm HWDP4柱 +φ88.9 mm DP+旋塞閥+回壓閥+φ88.9 mm DP。參數：鉆壓為40～120 kN，排量75 m3/min（氮氣），轉速60轉/min，立管壓力為3.5 MPa。

表4 統105氮氣鉆井機速

表5 桃91氮氣鉆井機速

2.5 PowerV 垂直旋轉導向系統的應用

旋轉導向系統是指讓鉆柱在旋轉鉆進過程中實現過去只有傳統泥漿馬達才能實現的準確增斜、穩斜、降斜或者糾方位的功能。PowerV 是斯倫貝謝公司旋轉導向系統PowerDrive的一種型號[7-9]。

PowerV主要有兩個組成部分，分別是上端的Control Unit（電子控制部分）和下端的Bias Unit（機械部分）。在兩者中間還有一個輔助部分Extension Sub（加長短接），鉆具旋轉時進行糾斜，不需滑動鉆進，在鉆進時自動感應井斜、自動化糾斜、無線控制、主動防斜。

梁探1井位于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶，部分地層存在斷層（紙坊組-石千峰組），地層傾角為20°～40°，在鉆井過程中易井斜，井眼軌跡控制難度較大。鉆具組合：φ311.2 mm PDC+Power-V900×4.2 m+濾網接頭+φ228.0 mm螺桿+回壓凡爾+MWD接頭+φ203.0 mm無磁鉆鋌+φ203.0 mm鉆鋌×3根+轉換接頭+φ177.8 mm鉆鋌×9根+轉換接頭+φ168.0 mm加重鉆桿×15根+φ168.0 mm鉆桿+轉換接頭+φ139.7mm鉆桿鉆井參數：鉆壓8～12 t，轉速60+LZ，排量51 L/s，泵壓16 MPa。

鉆井效果：從井深1 512.8 m開始使用Power-V900，使用工具前井斜為1.19°，鉆至2 675.0 m時，井斜達0.2°，防斜打直效果明顯。

3 高溫鉆井液體系

長慶地區部分區塊地溫相對較高，采用“KCl+聚磺”抗高溫鉆井液體系[10]。高溫條件下，鉆井液中有機添加劑會逐漸降解、失效，同時還會引起黏土鈍化，造成鉆井液性能惡化。通過室內實驗，優選抗高溫處理劑，吸附于黏土粒子表面，以提高其芎電位和增大水化膜厚度，保證鉆井液中膠體粒子的比率。提高聚合物濾液黏度可增強微粒的堵孔能力，從而提高濾餅質量，降低濾餅滲濾系數，以達到降低鉆井液高溫高壓濾失量的目的。

3.1 室內抗高溫降濾失劑優選

鉆進過程中鉆井液出口溫度較高，高溫下鉆井液中處理劑分子鏈易發生斷裂，處理劑的效果降低。黏土粒子經高溫后分散程度加劇，鉆井液會出現降黏、增稠、固化等性能變化，造成井下復雜情況[9]。通過室內優選出抗高溫能力強的鉆井液處理劑，提高鉆井液體系的抗溫能力。由表6可知，ZR-13的降失水效果明顯優于SMP-2和HA-1，所以優選降失水劑ZR-13 。

表6 降失水劑優選

3.2 室內抗高溫配方優選

井筒鉆井液熱滾后體系黏度及動切顯著下降，而API失水明顯增大。膨潤土及三磺加入后，體系黏度顯著上升，而API失水顯著降低，體系性能有了較為明顯地改善。由表7可知，“KCl+聚磺”抗高溫鉆井液體系，KCl既可以使高溫高壓失水降低，又可以防止泥巖地層垮塌，同時級配不同粒徑的封堵材料，降低滲透率，該體系抗溫達200 ℃左右。

表7 抗高溫配方優選

4 結論及建議

（1）長城系含礫石英砂巖、碳質板巖、結晶灰巖及云母片巖等研磨性極強，可根據實際情況采用孕鑲金剛石配合渦輪組合或氮氣鉆井方式，提高深井施工效率。

（2）室內實驗與現場應用相結合，優選抗高溫處理劑，解決了鉆井液遇高溫后降黏、增稠、固化等性能變化，形成了一套適合長慶區域深井高溫鉆井液體系。

（3）針對地層傾角較大的現象，采用power-V防斜打直工具可有效解決井斜超標問題。