巴彥河套新區深井鉆完井關鍵技術

閆睿昶 陳新勇 汝大軍 湯繼華 吳永超 虞海法 譚天宇

1. 中國石油華北油田分公司巴彥勘探開發分公司；2. 中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院；3. 中國石油華北油田分公司工程技術研究院；4. 中國石油華北油田分公司工程技術部

華北油田在巴彥浩特盆地、巴彥河套盆地擁有探礦權區塊總面積11063 km2，預測石油遠景資源量約6億t，天然氣遠景資源量479.35億m3。臨華X井獲日產305.76 m3/d高產工業油流，興華X井油層厚度共計158.2 m，試油日產油274.08 m3/d，展示了該區塊規模資源前景。但是該地區儲層埋深較深，大部分井實鉆井深超過4500 m， 甚至6000 m以上，地層巖性變化劇烈，前期施工過程中出現卡鉆、頻繁遇阻劃眼等復雜工況，同時在鉆進過程中存在井眼軌跡控制難、井眼擴大率大、固井質量難以保證等問題，嚴重制約著鉆井時效。為此，筆者在分析鉆井技術難點的基礎上，從井身結構、井眼軌跡設計與控制、鉆井提速、鉆井液技術、固井技術措施等方面進行了闡述，以茲為該地區同類型井安全高效施工提供借鑒。

1 技術難點

1.1 地質條件復雜，可鉆性差，井眼軌跡控制難度大

巴彥河套新區地質情況復雜，古近系?白堊系地層以泥巖、砂巖為主，夾雜含礫砂巖、片麻巖、黃鐵礦、含膏泥巖等，巖性復雜。部分井鉆進至潛山地層時，巖性為片麻巖，機械鉆速只有2～3 m/h。在地質構造運動影響下，區塊內地層傾角變化大，磴探X井古近系臨河組地層傾角32°～33°，白堊系地層傾角18°～20°，吉華X井古近系地層傾角20°～34°，白堊系地層傾角10°～20°，直接影響井眼軌跡的控制。

1.2 井徑擴大率大，井壁失穩嚴重

古近系-白堊系地層成巖性差，井壁穩定問題突出。完鉆的臨華X井平均井徑擴大率22.5%，古近系巖性含膏質地層井段3697～3709 m井徑擴大率31.5%，白堊系巖性含膏質地層井段3889～4256 m井徑擴大率55.1%，泥巖段5200～5400 m井徑擴大率56.2%，井壁垮塌掉塊造成通井、劃眼時間長，完井作業時間達到35 d；磴探X井平均井徑擴大率為25.0%，其中三開古近系3673～6032 m最大井徑擴大率為55.0%，通井、劃眼時間長，完井作業時間達到27 d。

1.3 井底溫度高，對鉆井工具和鉆井液性能要求高

隨著勘探開發的深入，部署井深度逐步加大，風險探井河探X井井深6980 m，井底溫度超過180℃，需選擇抗高溫的螺桿鉆具等井下工具，同時要分析高溫對鉆井液性能及處理劑的影響，提高深井鉆井液抗溫性，為深部安全鉆進提供有力保障。

1.4 地層承壓能力低，長封固段固井質量差

深部古近系?白堊系地層承壓能力低，固井封固段較長，施工過程中存在水泥漿漏失、緩滲、低返現象，嚴重影響固井質量；大斜度井套管居中度差，固井水泥漿容易出現單邊充填，造成二界面固井質量差。

2 技術對策

2.1 井身結構優化

設計原則：保證鉆井完井安全，降低成本［1］。巴彥河套下部古近系?白堊系地層成巖性差，裸眼段越長，井眼浸泡時間就會越長，容易造成地層垮塌失穩。同時考慮在保障安全鉆進的前提下，盡量縮減鉆井開次，降低鉆完井作業成本。

優化形成了巴彥河套新區4500 m以上深井井身結構方案模板(圖1)：5300 m以淺井采用二開井身結構，5300 m以深井采用三開井身結構。 二開井身結構：?339.7 mm導管封固上部疏松地層；一開?311.2 mm鉆頭鉆進1100～1200 m，下入?244.5 mm表層套管封固第四系；二開?215.9 mm鉆頭鉆進至完鉆井深，下入?139.7 mm套管。三開井身結構：?508 mm導管封固上部疏松地層；一開?444.5 mm鉆頭鉆進1100～1200 m，下入?339.7 mm表層套管封固第四系；二開?311.2 mm鉆頭鉆進至4300 m左右，在揭開古近系大段含膏巖層之前下入?244.5 mm套管，減少三開裸眼段長度；三開?215.9 mm鉆頭鉆進至完鉆井深，下入?139.7 mm套管。

圖1 巴彥河套新區井身結構示意圖Fig. 1 Well structure in Bayan Hetao New Area

2.2 井眼軌道優化與井眼軌跡控制措施

2.2.1 井眼軌道優化

(1)優選造斜點。下部古近系?白堊系地層成巖性差，造斜能力弱，增斜偏慢，通過優化，上提造斜點至1500～2000 m位置開始造斜。

(2)優化造斜率。為確保井眼軌跡的光滑，降低施工難度，提高套管的可下入性，軌道優化設計為“ 直-增-穩”三段制，造斜率控制在2～2.4 (°)/30 m。

(3)優化井眼井斜。根據前期巴彥油田實鉆情況，同時結合軟件模擬分析認為：井斜過大，鉆具摩阻扭矩大，也影響攜巖效率；井斜過小，不利于井斜方位控制。因此，在條件允許情況下，井眼井斜盡量控制在20°～30°，但不排除因為地質原因，設計井斜超過40°。

(4)優化井眼方位。結合地應力分布特征，優化定向井井眼沿著最小水平主應力方位設計［2］，從工程設計源頭提高井壁穩定性，減少地層垮塌失穩。

2.2.2 井眼軌跡控制措施

古近系地層傾角20°～34°，實鉆容易自然降斜，白堊系地層傾角10°～20°，實鉆容易自然增斜。在充分評估地層造斜能力的基礎上，對井眼軌跡控制技術措施進行了優化。

大井眼增斜慢、穩斜難，滑動鉆進調整井斜方位時間長。為提高?311.2 mm井眼造斜率，減少穩斜段滑動鉆進，提高復合鉆進率，優選1.5°雙扶大扭矩螺桿，且上面安裝?304 mm穩定器，螺桿鉆具下部自帶?310 mm穩定器。合理匹配鉆井參數，形成底部BHA組 合：?311.2 mm PDC鉆 頭+?216 mm 1.5°螺桿+浮閥+?304 mm穩定器+MWD+?203 mm無磁鉆鋌×1根+631×4A10+4A11×410+?127 mm加重鉆桿×17根+隨鉆震擊器+?127 mm加重鉆桿×4根+?127 mm鉆桿。

?215.9 mm井眼為長穩斜段，也是二開井身結構的造斜井眼，是軌跡控制的重要井段，其存在的最大問題是需要調整軌道滑動鉆進，為此采用螺桿鉆具控制軌跡。三開底部BHA組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm 1.25°螺桿+?210 mm穩定器+?165 mm浮閥+MWD短節+ ?165 mm無磁鉆鋌+?127 mm加重鉆桿×21根+?127 mm鉆桿。井深超過5300 m時，井下溫度150 ℃，以上述組合為基礎，及時更換為抗高溫螺桿和MWD，提高底部鉆具組合的抗溫能力。

采用優化后的鉆具組合鉆進時，若井斜增加，可通過降低鉆壓、提高轉盤轉速的方式穩定井斜；若井斜降低，可通過提高鉆壓、降低轉盤轉速的方式穩定井斜［3］。要勤調微調，保持井眼的光滑性。

2.3 鉆井提速技術

2.3.1 水力振蕩器減摩減扭

受靶點數量及井口位置影響，為實現地質勘探開發目的，部分井最大井斜超過40°，個別井井斜達到60°，致使鉆具與井壁間摩擦阻力加大，鉆壓傳遞有效性較低。優選水力振蕩器(圖2)提高鉆壓傳遞的有效性，提高定向鉆井作業效率，井斜角在35°～60°范圍內，工具安放在距離鉆頭180～280 m位置，隨著井斜增加，工具距離鉆頭越近，效果更好［1,4］。

圖2 水力振蕩器Fig. 2 Hydraulic oscillator

2.3.2 井眼清潔器提高攜巖能力

當斜度超過40°時，巖屑容易堆積在大井斜段，井眼清潔性差，影響鉆井施工效率，為此采用帶有導流槽和葉輪的井眼清潔器(圖3)，鉆進過程中將自由狀態的虛濾餅或巖屑向上推移，攜帶出井口，隨著最大井斜角的增加，井眼清潔工具的安放個數也相應增加［5］。當最大井斜角為50°～60°時，至少需要安放4只井眼清潔工具。

圖3 BH-HCT井眼清潔工具Fig. 3 BH-HCT borehole cleaning tool

2.3.3 旋沖工具提速

針對潛山片麻巖地層可鉆性較差、機械鉆速低的問題，優選了高轉速的旋沖鉆井工具(圖4)，與螺桿配合形成一種軸向沖擊與高轉速切削高速旋沖鉆井技術［6-7］。該項技術可以對鉆頭施加高頻率、低幅度機械式軸向沖擊力，增大切削齒吃入深度，增大巖石損傷破碎體積，提高機械鉆速，同時可以改善鉆頭單齒受載，延長鉆頭壽命。吉華Y井在4441～4591 m井段，巖性為片麻巖，使用了旋沖工具，應用結果表明較本井同層位單趟鉆進尺提高180%，機械鉆速同比提高15%；較臨華X井單趟鉆進尺提高105%，機械鉆速同比提高24%。

圖4 旋沖工具Fig. 4 Rotary punching tool

2.4 鉆井液技術

深部古近系?白堊系地層成巖性差，同時當垂深超過5300 m時，井底溫度將達到150 ℃，對鉆井液抗溫性能提出了較高要求。同時為減少地層水化膨脹，抑制地層垮塌掉塊，降低井徑擴大率，在原有鉆井液配方基礎上增加0.5%聚胺抑制劑BZ-JAI+2%納米封堵劑BH-NFT。

鉆井液以包被劑BZ-1為包被、絮凝、抑制地層造漿、控制膨潤土含量的主處理劑，采用抗高溫降濾失劑LK-2、聚合物降濾失劑REDU2等改善濾餅質量，使用抗高溫增黏降濾失劑HFL降低高溫高壓失水，配合納米封堵劑BH-NFT鞏固和增加井壁穩定性，防止井壁垮塌。配方如下：3%～4%膨潤土基漿+0.5%包被劑BZ-1+1.5%抗高溫降濾失劑LK-2+2%聚合物降濾失劑REDU2+1.5%抗高溫增黏降濾失劑HFL+1.5%低熒光抗鹽防塌劑(改性褐煤樹脂)WFT-108+2%封堵防塌劑SN+3%高效潤滑劑MPA+0.5%聚胺抑制劑BZ-JAI+2%納米封堵劑BH-NFT+8%KCl+10%有機鹽。鉆井液性能維護措施如下。

(1)三開前，加入1%～1.5% HFL+2% BH-NFT+0.5% BZ-JAI+3%～5% KCl+1.5% WFT-108+3% MPA，并隨鉆及時補充，提高鉆井液的抑制性，防止垮塌掉塊，形成優質濾餅，API失水控制在0.5 mL以內，保證鉆井液具有良好的潤滑性、造壁性，摩阻系數小于0.1。

(2)三開鉆進時，根據井底溫度及井壁穩定情況，及時補充抗高溫降濾失劑、防塌劑以及MPA潤滑劑，HTTP失水量控制在10 mL以內，鉆井液動切力調至8～10 Pa，流變參數n值在0.55左右，K值在0.3左右。

(3)為防止古近系地層發生掉塊垮塌，施工中逐步增加納米防塌劑BH-NFT，改善濾餅質量，并加入足夠的液體潤滑劑和降濾失劑，降低高溫高壓失水，形成優質濾餅，穩定井壁。

(4)為增強對地層有效封堵，減小壓力傳遞，納米封堵劑和封堵固壁保護劑含量不低于2%。

通過優化鉆井液配方及采用性能維護措施，井壁垮塌掉塊明顯減少，通井劃眼時間縮短，完井作業時間大幅度縮短，井眼擴大率平均降低25%，完井作業時間平均降低47%。其中臨華Y井平均井眼擴大率18.0%，完井作業時間18 d；興華Y井平均井眼擴大率16.0%，完井作業時間16 d；興華Z平均井眼擴大率14.9%，完井作業時間15 d。

2.5 固井技術

2.5.1 提高地層承壓，保證井眼清潔

(1)在鉆井液中加入中細顆粒堵漏材料替至油層段做承壓試驗，承壓2 MPa，穩壓30 min，壓降不大于0.5 MPa。

(2)為保證套管下至井底，采用雙扶通井至井眼暢通無阻，對造斜段進行技術劃眼，直到順暢為止。

(3)采用原鉆井液搭配纖維稠漿裹砂攜屑，且循環排量2.1 m3/min以上，開啟所有凈化設備，循環至少2周以保證井眼清潔、井底無沉砂，降低環空憋堵風險。

2.5.2 合理加放扶正器，優化漿柱結構

采用剛性旋流扶正器+單弓整體扶正器提高套管居中度，并在大肚子井眼下方定點加放旋流發生器提高沖洗力，斜井段使用整體式螺旋半剛性扶正器，安放方式為1根套管加1根扶正器，直井段使用單弓扶正器，安放方式為3～5根套管加1根扶正器，提高固井頂替效率。

(1)根據遲到時間復核裸眼段環空容量，確定水泥漿入井量，避免水泥漿低返風險。

(2)使用低黏切先導漿，降低環空摩阻，提高井壁沖洗效果。

(3)保證頂替效率的同時，降低隔離液密度，使用量由常規的2～3 m3提高至10～15 m3，減少上部漿柱壓力，降低漏失風險。

(4)油頂300 m以上使用1.60 g/cm3高強低密度水泥漿降低液柱壓力，降低漏失風險。

(5)施工時采用雙水泥車注漿，大排量施工，確保水泥漿至環空時返速不低于1 m/s，提高固井頂替效率。

2.5.3 優化配方，提高二界面膠結質量

在常規沖洗隔離液基礎上，增加高溫懸浮劑、菱角形加重材料等，形成界面增強型沖洗隔離液，既能清理低固相形成的濾餅又能提高水泥漿頂替效率和界面膠結質量。

在水泥漿體系中加入了增韌和防竄材料，進一步促使水泥石與井壁緊密貼合，提高二界面膠結質量，48 h彈性模量小于7 GPa，24 h抗壓強度大于25 MPa，水泥漿失水量不大于50 mL，游離液小于0.1%，減少失水進入地層導致井壁溶水疏散。配方：G級水泥+40%高溫增強材料DRB-2S+5% 增韌材料DRE-300S+0.8%分散劑DRS-1S+0.5%懸浮劑DRY-S2+0.8%穩定劑DRK-3S+8%膠乳防竄劑DRT-100L+1.2%防竄調節劑DRT-100LT+2.5%降濾失劑DRF-120L+0.5%消泡劑DRX-1L+0.5%抑泡劑DRX-2L+1.3%～2.2%緩凝劑DRH-200L +48%現場水。

優化固井水泥漿配方及維護技術措施，在臨華Y、興華Y和興華Z進行試驗，固井質量中等以上井段長度與封固段長度比值提高了6%。

3 結論與建議

(1)對巴彥河套新區前期勘探深井技術難點系統分析的基礎上，從井身結構、井眼軌道設計與控制、鉆井提速、鉆井液、固井等方面進行了技術優化，提高了鉆完井作業效率，降低了成本，建議繼續推廣應用。

(2)深部古近系?白堊系地層壓實程度低，巖石膠結疏松，井壁穩定問題較為突出，建議持續深化井壁穩定技術研究，以保證井下安全與提高固井質量。

(3)結合巴彥河套新區勘探開發需求，后續將會部署難度更大的大斜度井/水平井，建議結合深部地層成巖差特性，研究配套大斜度井/水平井鉆井完井技術。