準噶爾盆地征10 井超深井鉆井關鍵技術*

孫家祥 趙洪山 馬莉

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

0 引 言

準噶爾盆地腹部下伏沙灣凹陷、 阜康凹陷、 盆1 井西凹陷、 東道海子凹陷等4 大生烴凹陷[1-2],深部以二疊系、 三疊系為主的下組合為源內-近源成藏, 發育了優越的烴源巖和儲集層, 勘探潛力巨大[3-5]。 該盆地清水河組以深地層面臨不確定因素多、 可鉆性差、 壓力體系復雜及井壁穩定性差等諸多難題, 在鉆井過程中溢、 漏、 塌、 卡等復雜情況頻繁發生, 給超深井施工帶來較大的難度。 征10井是勝利油田部署在準噶爾盆地沙灣凹陷北部斜坡的一口重點風險探井, 設計井深7 650 m, 完鉆層位為二疊系下烏爾禾組。 針對征10 井復雜地質特點及鉆井難點, 通過深入開展井身結構優化設計、異型齒PDC 鉆頭研制、 高效井壁穩定鉆井液及恒定井底壓力鉆井等技術的研究, 初步形成準噶爾盆地腹部以二疊系、 三疊系為勘探目標的超深井鉆井配套技術, 安全高效開展征10 井的鉆探任務, 以期對今后準中地區復雜超深井的鉆井提速提效提供重要的指導。

1 征10 井地質概況

征10 井位于準噶爾盆地莫西莊-永進探區南部的征沙村地區, 東鄰莫索灣凸起, 北鄰中拐凸起, 西部為車排子凸起南端。 鉆遇地層自上而下依次為新生界第四系、 新近系、 古近系, 中生界白堊系(東溝組、 連木沁組、 勝金口組、 呼圖壁組、清水河組), 侏羅系(三工河組、 八道灣組), 三疊系(白堿灘組、 克拉瑪依組、 百口泉組), 以及上古生界二疊系上烏爾禾組和下烏爾禾組地層。 鉆探目的主要是探索沙灣凹陷二疊系上烏爾禾組大型超覆背景下背斜圈閉含油氣情況, 同時兼探三疊系百口泉組、 侏羅系八道灣組背斜圈閉、 三工河組巖性圈閉的含油氣性, 實現多層系立體勘探。

根據征10 井地震資料解釋及鄰井實鉆資料分析, 該井地質條件較為復雜, 主要表現如下。

(1) 清水河組以淺地層: 埋深0～4 900 m, 以大段泥巖為主, 造漿能力強, 易吸水膨脹造成縮徑, 同時局部微裂縫發育, 地層坍塌壓力高, 易剝蝕掉塊、 垮塌; 地層壓力為常壓, 壓力系數1.00～ 1.20。

(2) 三工河組地層: 埋深4 900 ～5 200 m, 以含礫粗砂巖、 含礫中砂巖、 中砂巖、 泥巖為主, 其中泥巖性脆、 微裂縫發育, 易發生剝蝕掉塊; 三工河組二段壓力系數1.20～1.40, 三工河組一段壓力逐漸升高、 壓力系數在1.40～1.60 之間。

(3) 八道灣組地層: 埋深5 200 ～5 920 m, 上部巖性以細砂巖、 泥質細砂巖、 粉砂巖為主, 下部巖性主要為含礫細砂巖、 泥質細砂巖、 細砂巖夾泥巖、 砂質泥巖, 局部含有黑色炭質泥巖、 黑色煤層, 易垮塌、 掉塊; 預測地層壓力為異常高壓, 壓力系數1.60～1.70。

(4) 三疊系地層: 埋深5 920～7 230 m, 以泥巖、 砂質泥巖為主, 夾含礫細砂巖、 含礫泥質細砂巖、 細砂巖等; 由于該井區三疊系無井鉆遇, 根據鄰區沙探1 井、 莫深1 井等實測壓力數據, 預測該井地層壓力為異常高壓, 壓力系數1.70～2.15。

(5) 二疊系地層: 埋深7 230～7 650 m, 上部巖性以泥巖、 砂質泥巖為主, 夾砂礫巖、 含礫細砂巖、 泥質粉砂巖, 下部巖性主要為泥巖、 砂質泥巖; 結合沙探1、 莫深1 等井實測壓力分析, 預測地層壓力為異常高壓, 壓力系數2.00～2.15。

2 鉆井工程難點分析

(1) 井身結構設計難度大。 征10 井作為準噶爾盆地腹部的一口風險探井, 首次在沙灣凹陷二疊系烏爾禾組實施勘探, 不可預見因素較多, 實際地質情況與預計可能存在一定差別, 并且隨著井深增加, 地層深度、 厚度及壓力等不確定性將會隨之增加[6-7]。 因此, 三疊系以深地層鉆進過程中可能存在井漏、 溢流、 井塌等復雜情況, 井身結構設計時應充分考慮地層與壓力情況的變化, 為各開次安全鉆井留有余地, 以保證達到鉆探目的。

(2) 深部地層可鉆性差、 機械鉆速低。 侏羅系以深部分地層巖石力學特性參數如表1 所示。

表1 侏羅系以深部分地層巖石力學特性參數Table 1 Rock mechanical properties of some strata below Jurassic

根據鄰井巖心室內力學試驗結果, 征10 井侏羅系以深地層PDC 鉆頭可鉆性級值為5.65 ～7.23,硬度普遍大于1 000 MPa, 加上局部夾雜含礫砂巖、 砂礫巖等巖性, 導致深部地層鉆進期間機械鉆速低、 單趟鉆進尺較少。 例如, 成6 井三開主要鉆遇三疊系、 二疊系地層, 鉆進井段5 102～6 950 m,段長1 848 m, 共計使用10 只PDC 鉆頭, 平均機械鉆速1.31 m/h, 平均單只鉆頭進尺183.90 m,嚴重影響了全井的機械鉆速和鉆井周期。

(3) 清水河組以深地層井壁穩定性較差。 經分析, 井壁失穩原因一方面是由于清水河組以深地層砂泥巖互層嚴重, 泥巖具有較強的水化膨脹性能, 坍塌壓力高, 易剝蝕掉塊、 垮塌; 另一方面是由于局部井段發育大量微納米級間隙和裂縫, 鉆井液難以形成有效封堵, 濾液不斷侵入, 容易造成井壁周期性垮塌, 從而引起阻卡等復雜情況。 例如,莫深1 井鉆進期間累計在清水河組、 八道灣組、 克拉瑪依組等地層發生了7 次遇阻和3 次卡鉆情況;征11 井清水河組以深地層鉆進期間, 平均井徑擴大率為17.33%, 最高達36.26%, 累計發生了4 次短起下遇阻和2 次電測遇阻情況, 井壁失穩問題較為突出。

(4) 深部地層壓力窗口窄、 安全鉆進難度大。根據征10 井地層壓力預測及鄰井實鉆情況, 預計侏羅系以深地層普遍存在異常高壓, 壓力系數自三工河組一段開始逐漸升高, 至三疊系達到最大的2.15。 此外, 由于三疊系百口泉組、 二疊系上烏爾禾組、 下烏爾禾組等地層裂縫較為發育, 表明深部地層鉆進期間可能出現溢漏同存情況的發生。 例如, 沙探1 井三開三疊系和二疊系鉆進期間, 分別發生了1 次氣侵、 2 次溢流及4 次井漏情況, 給安全快速鉆井帶來了較大難度。

3 優快鉆井技術對策

3.1 井身結構優化設計技術

準噶爾盆地腹部征沙村地區前期部署的施工井完鉆層位均為侏羅系三工河組一段, 通常采用?339.7 mm+?244.5 mm+?139.7 mm 井身結構方案。以2019 年完鉆的征8 井為例, 其中: 一開?339.7 mm 表層套管下深1 200 m, 封固上部松散地層;二開?244.5 mm 技術套管下深4 320 m, 封隔呼圖壁組易垮塌層段, 為鉆開下部高壓地層創造條件;三開?139.7 mm 油層套管下深5 222 m 完井。 從施工情況來看, 征8 井除三開發生6 次短起下遇阻情況之外, 總體施工較為順利, 設計鉆井周期70.11 d, 實鉆周期78.88 d, 較設計周期增加8.77 d。

為了探索二疊系上烏爾禾組大型超覆背景下的含油氣情況, 征10 井首次在沙灣凹陷三疊系、 二疊系地層實施勘探。 考慮到清水河組以深地層的井壁失穩、 異常高壓以及三疊系、 二疊系地層不確定性等問題, 在借鑒征8 井、 莫深1 井等鄰井設計經驗基礎上, 采用自上而下與自下而上相結合的方法, 通過合理必封點位置及套管下深的優化[8-10],征10 井設計采用了三級備四級的井身結構方案,如圖1 所示。 各地層井深如表2 所示。

圖1 征10 井井身結構設計Fig.1 Casing program of Well Zheng 10

表2 地層井深數值Table 2 Well depth in target layers

征10 井設計思路為: ①一開?339.7 mm 表層套管下深2 000 m 左右, 封隔新近系、 古近系松散地層, 減少下開次裸眼井段長度, 建立一定的井口控制能力; ②二開?244.5 mm 技術套管下深5 050 m 左右, 封隔三工河組二段承壓能力較低的常壓地層, 為下開次打開主探目的層和預計高壓地層的安全鉆井創造條件; ③正常情況下, 三開使用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深7 650 m, 下入?139.7 mm 油層套管完井; ④若施工中遇見難以處理的復雜情況, 設計三開預留了1 層套管, 可在?215.9 mm 井眼內下入?177.8 mm 套管后, 井身結構改為四開次結構, 然后四開使用?149.2 mm 鉆頭鉆至設計井深后, 再根據油氣顯示情況決定是否下入?114.3 mm 尾管。

3.2 異型齒PDC 鉆頭+螺桿鉆具提速技術

3.2.1 異型齒PDC 鉆頭研制

征10 井二開主要鉆進白堊系及侏羅系三工河組二段地層, 盡管地層巖性以大段泥巖為主, 然而由于東溝組、 清水河組及三工河組等地層局部含有礫石, 使用常規PDC 鉆頭容易出現崩齒、 斷齒等問題, 所以二開鉆頭設計應以提高機械鉆速為主,同時兼具一定抗沖擊性能。 在分析鄰井鉆頭應用效果的基礎上, 采用異型齒與平面齒混布技術, 研制了一種?311.2 mm MQ516J 型屋脊齒PDC 鉆頭, 如圖2 所示。

圖2 MQ516J 型屋脊齒PDC 鉆頭Fig.2 MQ516J ridged-cutter PDC bit

從圖2 可見: 該鉆頭采用5 刀翼、 16 mm 高壓屋脊齒、 單排齒、 中等布齒密度設計, 可以提高二開整體機械鉆速; 冠部輪廓采用中深內錐-短外錐形狀設計, 后排搭配減震齒, 在以砂礫巖為主的地層中鉆進, 有利于延長鉆頭壽命; 通過優化水力結構, 采用大水槽不均分設計和8 水眼配置, 有利于增強高壓噴射輔助破巖效果。

根據征10 井的地質及工程設計, 三開主要鉆進侏羅系三工河組一段以深地層, 設計井段長2 598 m, 是該井鉆井提速的重點井段。 面臨的難題主要是砂礫巖、 塑性泥巖可鉆性較差、 研磨性強, 鉆進期間機械鉆速普遍低于1.50 m/h, 單趟鉆進進尺小于200 m, 造成起下鉆次數多, 鉆井時效偏低。 三開鉆頭設計應重點加強PDC 耐磨性能,以延長鉆頭使用壽命為主[11-13]。 為此, 研制了一種?215.9 mm MQ513 型異型齒PDC 鉆頭, 如圖3 所示。

圖3 MQ513 型異型齒PDC 鉆頭Fig.3 MQ513 concave-cutter PDC bit

由圖3 可知: 該鉆頭采用5 刀翼、 13 mm BFA3 凹面齒、 雙排齒、 中低布齒密度設計, 具有較強的非均質地層吃入能力; 冠部輪廓采用中深內錐-短外錐形狀設計, 切削齒角度適中, 具有較強的耐磨性; 此外, 后排齒2～3 顆, 搭配使用BFDX尖圓齒、 厚層平齒, 有利于進一步增強中硬-堅硬地層的適應能力。

3.2.2 高性能螺桿鉆具優選

為了更好地提高異型齒PDC 鉆頭的現場應用效果, 征10 井二開、 三開均優選了高性能螺桿鉆具進行復合鉆井提速。 根據鄰井實鉆情況, 二開地層為軟-中軟地層, 可鉆性較好[14-16], 鉆進期間對轉速較為敏感, 螺桿鉆具應優先選用頭數較少的常規螺桿或等壁厚螺桿, 同時配以大排量水力參數,其中大排量作用除了水力破巖和井底凈化之外, 還能提高螺桿鉆具輸出轉速。

由于三開地層硬度普遍為1 000 ～1 500 MPa,屬于中等硬度地層, 根據鉆井參數敏感性分析規律, 機械鉆速主要對鉆壓比較敏感, 并且隨著井深的增加, 對鉆壓的敏感性指數將會逐漸增大。 所以三開地層應優選低轉速大功率的等壁厚螺桿鉆具,同時結合井斜隨鉆監測結果, 充分釋放鉆壓, 從而獲得較高的機械鉆速。

根據上述螺桿鉆具的優選原則, 征10 井二開、三開分別優選了H5LZ244×7.0-3.5 和H7LZ172×7.0-4.0 這2 種型號的等壁厚螺桿鉆具, 主要技術參數如表3 所示。

表3 2 種推薦螺桿鉆具的主要技術參數Table 3 Main parameters of two recommended PDM drills

與常規螺桿鉆具相比, 由于2 種螺桿的定子橡膠層薄且應力分布均勻, 抗變形能力強, 密封性及散熱性能好, 所以其對深井和高溫井的適應性更強、 使用壽命更長。 此外, 為了充分發揮螺桿鉆具的提速優勢, 推薦二開鉆井參數如下: 鉆壓80 ～ 140 kN, 頂驅轉速60～80 r/min, 排量60～70 L/s;三開鉆井參數: 鉆壓60～100 kN, 頂驅轉速60～80 r/min, 排量25～35 L/s。

3.3 高效井壁穩定鉆井液技術

3.3.1 復合鹽強封堵鉆井液技術

由于征10 井二開呼圖壁組、 清水河組、 三工河組地層坍塌壓力高, 鉆進期間泥巖地層易掉塊、垮塌, 形成不規則井眼或造成掉塊卡鉆。 所以不僅要求鉆井液必須具有良好的抑制、 封堵防塌能力,而且應增強鉆井液對微裂隙地層的封堵能力、 護壁能力及潤滑性能, 從而保證井壁穩定及井下安全。

設計采用了復合鹽強封堵鉆井液體系, 配方為: 4%～6%膨潤土+0.4%～0.6%鉆井液用聚丙烯酸鉀+0.5%～1.0%降濾失劑磺酸鹽共聚物+0.5%～ 1.0%胺基聚醇+3%～5%氯化鈉+5%～7%氯化鉀+3%～4%井壁穩定劑+3%～4%多級配填充封堵劑+1.0%～1.5%羥基鋁抑制防塌劑+3%～4%磺甲基酚醛樹脂SMP-1+0.5%～1.0%有機硅穩定劑; 其他處理劑包括: 工業用氫氧化鈉, 鉆井液用無熒光白油潤滑劑、 固體潤滑劑, 無水聚合醇、 硅氟類降黏劑, 隨鉆堵漏劑等。

鉆進過程中還需注意加強鉆井液性能的維護處理[17-18], 包括: 體系轉化時要先加入鉆井液用降濾失劑磺酸鹽共聚物護膠, 再加入氯化鈉與氯化鉀, 并且轉化過程要平穩, 防止性能波動過大導致井下出現復雜情況; 嚴格控制好API 濾失量及高溫高壓濾失量, 適當提高黏切力, 避免定點循環,減少水力沖刷和鉆具碰撞井壁; 根據地層掉塊及坍塌壓力的變化, 逐漸合理地提高鉆井液密度, 保持井眼力學穩定, 利用徑向支撐應力穩定井壁, 達到綜合封堵防塌的目的。

3.3.2 氣制油合成基鉆井液技術

合成基鉆井液是一種以氣制油為連續相的油基鉆井液, 與常規油基鉆井液相比, 除了具有優異的抑制性、 高溫穩定性及儲層保護效果之外[19-22],由于其運動黏度低、 傾點低, 低溫時具有良好的黏溫特性, 比較適合準噶爾盆地冬季施工, 并且不含芳香烴類物質, 更加環保。 前期準中地區永3-平1井、 永301 井等多口井三開鉆進期間應用合成基鉆井液, 不僅確保了侏羅系以深地層的井壁穩定及井下安全, 而且獲得了良好的油氣顯示及試油試采成果, 有力推動了永進油田的上產開發。

征10 井三開主要鉆進侏羅系八道灣組、 三疊系百口泉組及二疊系烏爾禾組等目的層段, 鉆進期間同時面臨著砂泥巖、 煤層易坍塌掉塊、 井底溫度高、 儲保難度大等難題。 為了實現三開井段的安全快速鉆進, 設計采用氣制油合成基鉆井液體系進行施工, 配方為: 氣制油基液+2.5%～3.5%有機土+2%乳化劑+1%輔乳化劑+0 ～2%潤濕劑+0.5%～ 1.0% 流型調節劑+3%～6%降濾失劑+0 ～5%氯化鈣水溶液+1%～3%CaO+3%～5%封堵材料。

由于合成基鉆井液首次在準中深層的三疊系、二疊系地層進行應用, 鉆進期間需針對可能出現的異常情況制定出詳細技術對策。 若鉆進期間合成基鉆井液油水比失穩, 應直接在循環系統中補充基礎油或其他添加劑, 提高鉆井液的乳化穩定性, 使破乳電壓≥500 V; 當巖屑上返異常、 攜巖困難時,應適當補充增黏劑、 乳化劑等處理劑, 提高鉆井液的懸浮攜帶能力; 如果鉆進期間滲漏較為嚴重, 日漏失量大于5 m3, 應及時加入油基封堵材料以提高承壓能力。

3.4 恒定井底壓力鉆井技術

恒定井底壓力鉆井作為控制壓力鉆井技術的一種, 是指在鉆井過程中利用專門的技術和裝備精確地管理、 約束及控制井筒壓力的方法, 通過對井口壓力等一系列關鍵變量的精確控制, 能夠解決與井筒環空壓力有關的溢、 漏、 塌及卡等復雜問題[23-25]。 根據征10 井地層壓力預測及鄰井實鉆情況分析, 由于侏羅系以深地層壓力體系復雜、 壓力窗口窄, 鉆進過程中溢漏同存發生的概率較大, 加之出于保護油氣層的需要, 三開目的層段采用了恒定井底壓力技術進行施工。

考慮到三疊系、 二疊系地層存在壓力不確定性問題, 首先制定了針對性的控壓鉆井技術原則:①按“靜欠動不欠” 原則進行設計, 即靜止時井底處于微欠平衡狀態, 循環時處于微過平衡狀態;②控壓鉆進時, 按設計的鉆井液密度和當量循環密度(ECD) 進行井底恒壓鉆進; ③發生溢流時,先按原鉆井液密度確定需控制的套壓大小, 若套壓小于5.0 MPa, 則控壓鉆進, 否則關井求壓, 重新計算地層壓力, 提高鉆井液密度; ④發生井漏時,先逐步釋放套壓, 每次降低0.5 MPa, 若套壓降至0, 井漏仍未停止, 則逐漸循環以降低鉆井液密度;⑤接立柱時, 在井口施加所需回壓, 保持與鉆進時井底壓力的恒定。

根據征10 井三開地質預測地層壓力系數為1.60～2.15, 利用Drillbench 軟件模擬計算, 得到了實施控壓鉆井的設計參數, 如表4 所示。 施工過程中, 需要確保在鉆進和起下鉆過程中井底當量密度稍高于地層壓力系數, 并根據實際鉆進情況對鉆井液密度進行及時調整。

表4 恒定井底壓力鉆井設計參數Table 4 Parameters of constant-bottomhole-pressure drilling

4 實施效果分析

征10 井為準噶爾盆地腹部一口重點風險探井,設計井深7 650 m, 設計鉆井周期212.45 d。 通過開展井身結構優化設計、 異型齒PDC 鉆頭研制、高效井壁穩定鉆井液及恒定井底壓力鉆井等關鍵技術研究與應用, 最終實鉆井深7 802 m, 創造了準噶爾盆地井深最深的紀錄; 并且在井深增加152 m的情況下, 實鉆周期為203.64 d, 較設計周期節省8.81 d, 安全優質高效地完成了該井的鉆探任務,為今后準中地區復雜超深井的鉆井提速提效積累了寶貴的經驗。

表5 給出了征10 井與成6 井二開、 三開鉆井提速效果的對比情況。 成6 井是部署在東道海子凹陷東斜坡的一口風險探井, 完鉆井深6 950 m, 與征10 井鉆探目標一致, 主探二疊系上烏爾禾組、三疊系百口泉組含油氣性。 從表5 可以看出, 采用高效異型齒PDC 鉆頭+螺桿鉆具提速技術后, 盡管2 口井二開平均機械鉆速基本相當, 但是征10 井二開平均單趟鉆進尺為1 004.00 m, 較成6 井提高了30.60%, 節省了1 只PDC 鉆頭及1 趟起下鉆時間; 征10 井三開平均機械鉆速為1.88 m/h, 平均單趟鉆進尺274.50 m, 分別較成6 井提高了43.51%和49.27%, 提速效果顯著。

表5 征10 井和成6 井二開、 三開鉆井提速效果對比Table 5 ROP-improving results of Wells Zheng 10 and Cheng 6 in the 2nd and 3rd casing sections

圖4 為征10 井和成6 井三開井徑擴大率和擴劃眼/循環時間的對比。 從圖4 可以看出: 征10 井三開井段(5 052～7 802 m) 采用合成基鉆井液后,井壁掉塊、 井徑擴大率得到有效控制, 裸眼段長達2 750 m 的三開最大井徑擴大率僅為8.65%, 較成6 井(20.69%) 大大降低, 井眼質量明顯提高;征10 井百口泉組至上烏爾禾組在鉆進過程中, 當鉆井液密度低于2.12 g/cm3時, 發生溢流, 高于2.16 g/cm3時發生漏失, 壓力當量密度窗口僅0.04 g/cm3。 通過采用恒定井底壓力鉆井技術, 解決了窄密度窗口溢漏同存的難題; 最終通過合成基鉆井液和恒定井底壓力鉆井的綜合應用, 征10 井三開擴劃眼/循環時間為407.45 h, 較成6 井(481.28 h) 顯著減少, 有力保障了三開井段的施工安全。

圖4 征10 井和成6 井三開井徑擴大率和擴劃眼/循環時間對比Fig.4 Hole enlargement rates and reaming/circulation time of Wells Zheng 10 and Cheng 6 in the 3rd casing section

5 結論與建議

(1) 準噶爾盆地腹部侏羅系以深地層巖石硬度高(≥1 000 MPa)、 可鉆性級值大(≥6 級)、壓力體系復雜且井壁穩定問題突出, 鉆井過程中機械鉆速慢、 復雜情況多、 鉆井周期長, 是制約準噶爾盆地下組合深探井優快鉆井的瓶頸層段。

(2) 異形齒PDC 鉆頭針對砂礫巖、 塑性泥巖等難鉆地層具有較強的吃入能力和耐磨性, 配套具有長壽命的等壁厚螺桿鉆具復合鉆井施工, 是實現準噶爾盆地腹部深層鉆井提速的有效手段。

(3) 合成基鉆井液具有優異的抑制性、 高溫穩定性及儲層保護效果, 能夠有效減少因濾液作用造成水敏性地層水化膨脹產生的掉塊, 是解決準中目的層段井壁失穩、 保證井眼質量的首選。

(4) 建議綜合考慮實鉆井眼條件、 環空流體性質、 壓力非線性等因素影響, 深入開展井筒壓力智能控制系統的研發, 通過對復雜井況實時分析、快速自動響應, 進一步提高恒定井底壓力鉆井的控制效率, 為壓力不確定地層和窄密度窗口地層提供精確且快速的壓力控制。