張統(tǒng)得， 李正前， 蔣炳, 羅宏保

(1.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所，成都 611734； 2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都 610059)

0 引言

塔里木盆地油氣資源豐富，油氣資源量位居全國前列，是實現(xiàn)我國油氣戰(zhàn)略接替的重點盆地，但其勘探程度較低，探明程度只有9%，且剩余油氣資源勘探大多面臨復雜的地質(zhì)構造和地理環(huán)境，勘探開發(fā)難度較大[1-2]。塔里木盆地西南與東南坳陷油氣基礎地質(zhì)調(diào)查是通過解決重要的基礎地質(zhì)問題，提升盆地整體認識，有利于推動油氣勘探，有利于加快新疆經(jīng)濟的發(fā)展、促進社會和諧繁榮，具有重要的經(jīng)濟和社會意義[3]。

近年來，為了準確查明區(qū)域地層層序、構造特征、油氣成藏條件等，在盆地烏什凹陷區(qū)內(nèi)實施了多口油氣調(diào)查井鉆探工程。但受自然地理條件的限制，烏什凹陷至今勘探程度很低。僅有的少數(shù)鉆探工程也主要布置在烏什凹陷的木別孜和神木園2個區(qū)帶，如烏參1井、烏什2井、依拉2井、依拉101井和神木1井等，而在烏什西區(qū)帶內(nèi)尚未進行大型的鉆探工程，鄰井資料缺乏。從相鄰區(qū)帶的鉆井情況來看，在施工中均不同程度地鉆遇了長段泥巖、砂礫巖等破碎地層，井漏、井涌等現(xiàn)象時常發(fā)生，地質(zhì)條件復雜，對井身結構設計、鉆井液技術、事故預防與處理等方面提出了較高的要求，給鉆探施工帶來巨大挑戰(zhàn)[4-5]。

本文對烏什西構造帶內(nèi)實施的新烏地1井鉆探工作中所采用的施工工藝及關鍵技術進行分析與總結，為今后在該地區(qū)開展鉆探工作提供技術參考。

1 工程概況

新烏地1井位于塔里木盆地西北緣新疆維吾爾自治區(qū)柯爾克孜州阿合奇縣，地處天山南麓、塔里木盆地庫車坳陷烏什西構造帶，該井主要地質(zhì)目的是重點查明烏什西構造帶新近系及上古生界地層序列，建立油氣成藏模式，預測資源潛力。該井設計井深1 300 m，實際完鉆井深1 302.03 m，完鉆口徑φ96 mm。

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)實鉆取芯情況，結合測井、錄井等地質(zhì)工作，鉆遇地層主要為第四系西域組(Q)、新近系庫車組(N2k)、康村組(N1k)、吉迪克組(N1j)和二疊系南閘組(P1n)。巖性特征上部地層主要為砂質(zhì)黏土、砂礫巖等，結構較為松散； 中下部地層以砂巖、泥巖為主，局部井段巖芯較為破碎，容易引發(fā)井內(nèi)事故。具體地層劃分及巖性特征情況見表1。

表1 新烏地1井地層劃分及巖性特征情況Tab.1 Stratigraphic divisions and lithological characteristics of well Xinwudi1

1.2 鉆探施工情況

新烏地1井設計為直井，井身質(zhì)量要求參照《石油鉆井井身質(zhì)量技術監(jiān)督及驗收規(guī)范》[6]執(zhí)行，0～1 000 m井斜不超過3°，全井井斜不超過5°。該井于2018年7月7日開鉆，采用兩開井身結構完井(圖1)。其中，先期采用φ215.9 mm全面鉆頭鉆進至10 m，埋設φ177.8 mm井口導管； 之后進行一開鉆進，采用φ122 mm金剛石繩索取芯鉆進技術鉆進至356.98 m，下入φ114 mm套管并水泥固井，封隔上部第四系及新近系庫車組松散軟弱砂礫石及礫巖等； 二開采用φ96 mm金剛石繩索取芯鉆進至1 302.06 m裸眼完鉆。因在二開鉆進發(fā)生2次嚴重井內(nèi)事故，處理時間較長，總工期為200 d，臺月效率為195.30 m/臺。全井連續(xù)測斜，1 000 m處最大井斜角為2.59°，完井最大井斜角為3.58°，滿足設計要求(圖2)。

圖1 新烏地1井實際完鉆井身結構Fig.1 Actual well structure of well Xinwudi1

圖2 新烏地1井井斜數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Well deviation data curve of well Xinwudi1

1.3 主要設備及鉆進工藝

1.3.1 主要設備

根據(jù)鉆探設計深度及終孔直徑要求，選用XY-6型立軸式巖芯鉆機，設計最大鉆深可達2 000 m(φ75 mm口徑)，最大起重力250 kN，轉速共8檔可調(diào)，滿足深井金剛石繩索取芯鉆進工藝。泥漿泵選用BW-250型及BW-320型臥式三缸往復單作用活塞泵。其他設備主要包括繩索取芯鉆桿、鉆具、配套發(fā)電機組、鉆塔和攪拌機等[7]。

1.3.2 鉆進工藝及鉆進參數(shù)

鉆進工藝主要采用φ122 mm及φ96 mm繩索取芯鉆進工藝，根據(jù)不同井深、地層情況采用不同的鉆進參數(shù)。具體鉆具組合及鉆進參數(shù)見表2。

表2 新烏地1井鉆具組合及鉆進參數(shù)Tab.2 Drilling tools assembly and drilling parameters of well Xinwudi1

淺部地層采用高黏度膨潤土漿對松散軟弱地層進行護壁，中部地層選用低固相聚合物沖洗液體系，在深部鉆進施工中由于地層復雜，選用氯化鉀聚合物防塌沖洗液體系。

2 鉆進施工難點

(1)由于區(qū)域整體勘探程度較低，可用鄰井資料較少，對鉆井施工帶來較大不可預見性，給鉆井井身結構設計及事故處理都帶來極大風險與挑戰(zhàn)。

(2)新烏地1井地處塔里木盆地柯坪隆起烏什西構造帶，發(fā)育2條一級斷裂，7條二級斷裂。受歷史地質(zhì)構造影響，該區(qū)域地質(zhì)條件極為復雜，井眼漏失、坍塌、縮徑等多種復雜情況并存，給鉆進施工帶來極大困難。

(3)因采用繩索取芯鉆進工藝，環(huán)狀間隙小，在深井復雜地層鉆探施工中循環(huán)泵壓高，對鉆探設備及沖洗液流變性優(yōu)化設計都有較高要求。

3 新烏地1井采用的關鍵技術

3.1 超前裸眼鉆進技術

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作程度相對較淺及地質(zhì)資料的準確性較低，導致實際鉆遇地層可能與設計有較大差異，實際鉆進井身結構必須根據(jù)當前鉆進情況進行合理調(diào)整。因此，為了保證鉆孔的順利完成，實際鉆進施工中，在原設計井身結構的基礎上，采用超前裸眼鉆進技術優(yōu)化井身結構。主要思路為： 在鉆進中盡可能完成甚至超過本開次的設計井深任務，一旦鉆遇復雜情況再下入套管，這樣可為下部井段提供安全儲備口徑，減輕深部復雜地層鉆進的安全風險，確保滿足完井深度及口徑要求[8-9]。

新烏地1井二開鉆進至866.63 m時，已按設計鉆穿新近系康村組(N1k)，且已超過原設計開次深度，應下入二開套管。但為了降低下部鉆進風險，同時結合當前具體地層情況及設備能力，決定繼續(xù)采用二開(φ96 mm)鉆進，并最終順利鉆進至設計井深。采用該技術簡化了井身結構與套管程序，因未實施設計的三開鉆進，既減少了三開鉆進所需的鉆桿、鉆具等材料配套，同時也省去了二開φ91 mm技術套管材料，大大降低了鉆探成本，具有重要的經(jīng)濟意義。此外，在滿足設計完鉆深度的前提下，采用了更大口徑完鉆(原設計φ75 mm口徑完鉆，實際φ96 mm完鉆)，更有利于錄井、測井及井內(nèi)測試等其他地質(zhì)工作，具有重要的地質(zhì)意義。新烏地1井實鉆地質(zhì)分層及井身結構情況見表3。

表3 實鉆地質(zhì)分層數(shù)據(jù)對比及井身結構Tab.3 Comparison of actual geological stratification data and well structure

3.2 深厚覆蓋層堵漏技術

在實際鉆進過程中，鉆遇了厚度達173.98 m 的第四系西域組(Q)及201.08 m的新近系庫車組(N2k)。該套地層極為松散、膠結性差，裂隙發(fā)育(圖3)，因此在鉆進中時常出現(xiàn)井眼漏失現(xiàn)象，且漏失程度基本為失返性漏失，嚴重影響了正常鉆進施工。

圖3 上部漏失地層巖性情況Fig.3 Lithology of the upper leak formation

面對該惡性漏失情況，現(xiàn)場先采用常規(guī)黏土球、水泥堵漏等措施，但效果甚微。后根據(jù)地層的漏失特點與漏失量進行仔細研判，采用了復合凝膠快速堵漏技術。該技術主要是根據(jù)不同漏失情況優(yōu)選不同粒徑和級配的核桃殼、云母片、纖維等惰性材料以及DTR等高失水劑，配合多種化學凝膠，形成一套新型的復合堵漏材料產(chǎn)品——FHD-1堵劑。在現(xiàn)場使用中通過該堵劑與清水按一定比例拌和形成一定黏度的堵漏漿液，再泵送至井底，利用凝膠在井底裂隙中低剪切速率條件下的高黏度、高彈性等特性，阻止堵漏漿液的快速流失，而在一定的液柱壓力下使得其他惰性材料在裂隙中迅速聚結，在裂隙孔洞進行架橋、填塞，形成一道封堵屏障，降低或減緩了沖洗液的進一步漏失，進而實現(xiàn)快速堵漏[10]。該技術尤其適用于漏失量較大、縱向裂隙發(fā)育地層的堵漏施工。

新烏地1井在正常取芯鉆進至203.58 m時，突遇失返性漏失，現(xiàn)場立即配制堵漏漿液進行堵漏，具體配方為井漿+0.8% HV-CMC+10% 重晶石+15% FHD-1堵劑，形成高黏度、高密度的堵漏漿液，再通過光鉆桿將漿液擠注至漏層進行橋接堵漏，一次性堵漏成功，堵漏工作僅耗時6 h。采用該技術在一開135～275 m井段中先后堵漏10余次，取得了良好的效果，且采用該技術可在堵漏結束時立即正常鉆進，無需水泥堵漏停工候凝。

3.3 井內(nèi)事故處理技術

新烏地1井在鉆進過程中所面臨的最大問題是如何穩(wěn)定井壁。該井地處烏什西構造帶，區(qū)內(nèi)斷裂極為發(fā)育，尤其是在下部鉆進施工中，時常出現(xiàn)地層垮塌、縮徑等復雜情況，并分別在630.32 m以及958.13 m出現(xiàn)2次嚴重井內(nèi)卡鉆事故。

在采用φ96 mm繩索取芯鉆進至630.32 m時，上提鉆具突然遇阻，憋泵，沖洗液失去循環(huán)，后強力起拔鉆具，鉆桿斷裂。原因主要是地層破碎，沖洗液體系為普通低固相聚合物體系，其護壁性能難以滿足要求，導致地層垮塌引發(fā)埋鉆事故。事故處理過程如下： 先采用反絲鉆桿，反出井內(nèi)大部分鉆桿，井底僅殘留取芯鉆具，再采用高效平底磨鞋(圖4)對殘留鉆具進行磨銑，該磨鞋是利用其底面所堆焊的硬質(zhì)碎合金在一定鉆壓條件下吃入并磨碎落物，再隨沖洗液攜帶至地表[11]。此外，在事故處理過程中也立即對沖洗液進行調(diào)整，優(yōu)化配方與性能，最終順利處理完畢，該事故處理耗時18 d。

圖4 高效平底磨鞋F(xiàn)ig.4 High-efficiency milling shoes

在鉆進至958.13 m時再次發(fā)生嚴重卡鉆事故，原因主要在于鉆進至強塑性軟泥巖地層時地應力較高，在井眼形成后沖洗液液柱壓力不能有效平衡地層應力，導致井壁巖石發(fā)生蠕變縮徑，最終釀成卡鉆事故。事故處理過程如下： 立即將原沖洗液密度由1.07 g/cm3提高至1.15 g/cm3，同時嚴格控制中壓失水量在5 mL以下，加大氯化鉀、GLA等抑制劑的用量，提高沖洗液的整體防塌抑制性能，再根據(jù)上次事故的成功處理經(jīng)驗，同樣采取“提”“反”“磨”等方法，最終事故得到成功處理[12]。

3.4 復雜地層沖洗液護壁技術

新烏地1井在鉆進至600 m以后，鉆遇多個斷層破碎帶，主要巖性為斷層角礫巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等。由于地層破碎，采用普通低固相聚合物沖洗液防塌抑制能力較差，導致在630.32 m處發(fā)生嚴重井內(nèi)事故，后迅速對沖洗液進行調(diào)整優(yōu)化，選用了氯化鉀聚合物防塌泥漿體系。該體系對水敏性泥巖、破碎砂巖等地層具有較強的防塌抑制性，同時根據(jù)繩索取芯特殊鉆進工藝，優(yōu)化流變性能，使其滿足于復雜地層施工。該體系具體配方為： (3%～5%) 鈉土+(0.3%～0.5%) LV-CMC+(0.5%～1%) NH4HPAN+(2%～3%) SPNH +(1%～3%) GLA+(2%～4%) QS-1+(2%～5%) KCl。其具體性能控制范圍見表4。

表4 氯化鉀聚磺泥漿體系現(xiàn)場性能控制范圍Tab.4 Field performance control range of potassium chloride polysulfonate slurry system

該體系在常規(guī)聚合物泥漿體系的基礎上通過引入K+、NH+4等，大大提高了體系對泥巖的防塌抑制能力，同時利用GLA、QS-1等瀝青類材料和超細碳酸鈣作為封堵劑，對地層微裂隙進行聯(lián)合封堵膠結，提高了對地層的封堵防塌能力[13]。

在室內(nèi)評價了該體系對泥巖，尤其是斷層角礫巖的防塌抑制性，進行了滾動回收試驗，實驗方法為將現(xiàn)場井內(nèi)取出的斷層角礫巖烘干后磨碎成6～10目的細顆粒，取其50 g放入盛有350 mL的氯化鉀聚磺泥漿及普通聚合物泥漿中，在滾子爐中熱滾16 h(溫度為77 ℃)后取出巖樣過40目分樣篩，再在清水中清洗1 min， 105 ℃下風干直至恒重，稱其回收質(zhì)量，計算回收率?；厥章试礁?，表明沖洗液對該地層巖樣的抑制水化分散性能力越強[14]。試驗結果見表5。

表5 熱滾回收試驗結果Tab.5 Test results of thermal roll recovery

通過上述滾動回收試驗，可以看出氯化鉀聚合物防塌泥漿體系對斷層角礫巖具有較高的滾動回收率，充分展現(xiàn)其優(yōu)良的防塌抑制能力。

在現(xiàn)場實際鉆進中，采用該體系順利通過多個斷層破碎帶(圖5)。取芯質(zhì)量也得到了保證，裸眼長度達到927.54 m[15]。

圖5 現(xiàn)場取出的軟塑性泥巖及斷層角礫巖Fig.5 Soft plastic mudstone and fault breccia extracted from the well

4 結論

(1)新烏地1井在施工時針對工程設計中井身結構設計資料不夠準確，采用了超前裸眼鉆進技術，大大簡化了井身結構，減少了三開鉆井鉆具及套管材料，降低了鉆井成本，同時采用較大口徑完鉆，有利于測井等井內(nèi)測試工作。

(2)針對覆蓋層沖洗液漏失嚴重的問題，采用常規(guī)手段容易出現(xiàn)堵不住、堵漏輔助時間長等問題，研發(fā)了復合凝膠快速堵漏工藝技術，大大提高了一次性堵漏成功率，縮短了鉆井周期。

(3)針對嚴重卡鉆井內(nèi)事故，技術人員采用了反絲鉆桿處理上部鉆桿鉆具，優(yōu)選新型高效平底磨鞋處理下部井底殘留鉆具，取得了較好的效果。

(4)由于新烏地1井深部斷裂發(fā)育，常規(guī)沖洗液護壁效果較差，選用了氯化鉀聚合物防塌沖洗液體系，該體系具有優(yōu)良的護壁防塌性能，保障了鉆探工作的安全實施，同時滿足于繩索取芯特殊鉆探工藝。