劉寶軍，張 果，曹思閣

(川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

垂直鉆井系統(tǒng)的基本原理是在鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)儀器測(cè)量并處理井斜數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到有井斜趨勢(shì)時(shí)，啟動(dòng)液壓部件，通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)向井壁施加作用力以抵抗井斜趨勢(shì)，達(dá)到降斜目的。當(dāng)井眼完全垂直時(shí)，伸縮機(jī)構(gòu)全部伸出，并對(duì)井壁各方向施加相同的力，將鉆頭居中，保持垂直鉆進(jìn)。這是一個(gè)全自動(dòng)的重復(fù)過(guò)程，不需要人為干預(yù)。在高陡構(gòu)造地層鉆進(jìn)中，垂直鉆井系統(tǒng)有效解決了防斜和提速之間的矛盾，可以解放鉆壓，大幅度提高鉆井速度[1]。目前在塔里木上部高陡地層已經(jīng)推廣應(yīng)用，在四川等地區(qū)也進(jìn)行了試驗(yàn)，效果較好[2-5]。

K5區(qū)塊古近系發(fā)育巨厚鹽膏層，鹽巖、石膏、泥巖等互層，非均質(zhì)性強(qiáng)，鉆井過(guò)程中容易發(fā)生井斜超標(biāo)，采用常規(guī)鉆具結(jié)構(gòu)控制鉆壓吊打則極大的制約了機(jī)械鉆速，通過(guò)在巨厚鹽膏層探索試驗(yàn)垂直鉆井系統(tǒng)，解放鉆壓，機(jī)械鉆速明顯提高。

一、工程地質(zhì)特點(diǎn)

K5區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層傾角大(10°～55°)，古近系發(fā)育巨厚鹽膏層，在構(gòu)造擠應(yīng)力作用下，古近系鹽巖、石膏巖等開(kāi)始變形、聚集，局部地區(qū)向上侵入上覆地層，形成鹽刺穿現(xiàn)象，K5區(qū)塊剛好處于鹽刺穿的邊界，同氣藏的井鹽膏層埋深差異大，鹽膏層頂部深度2 200～5 600 m，鹽膏層厚度1 100～4 400 m，為鹽巖、石膏、軟泥巖等組成的復(fù)合鹽層，并含有薄砂巖、白云巖，非均質(zhì)性強(qiáng)，鉆井過(guò)程中局部井段容易發(fā)生井斜超標(biāo)。采用常規(guī)鉆具結(jié)構(gòu)時(shí)，若不控制鉆壓則鉆進(jìn)速度快，局部易斜井段井斜急劇增大，造成井斜超標(biāo)；若控制鉆壓吊打，則極大的制約了機(jī)械鉆速。

區(qū)塊第一口井K5井，四開(kāi)?215.9 mm井眼采用塔式鉆具組合鉆進(jìn)至3 850 m，鉆壓60 kN，井斜開(kāi)始增大，鉆至4 225 m,井斜由1.26°增加至13.57°。

K505井三開(kāi)?311.2 mm井眼采用鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)至4 201 m，鉆壓10～50 kN，井斜開(kāi)始增大，鉆至4 526 m井斜由2°增加至13.21°,后回填側(cè)鉆。側(cè)鉆后4 271～5 223 m井段采用鐘擺鉆具組合，鉆壓10 kN進(jìn)行吊打，井斜控制在3°以?xún)?nèi)，平均機(jī)械鉆速2.8 m/h。

K506井四開(kāi)?311.2 mm井眼3 020～3 709 m井段采用鐘擺鉆具組合，鉆壓10 kN進(jìn)行吊打，井斜控制在3°以?xún)?nèi)，平均機(jī)械鉆速3.56 m/h。

以K505井4 800～5 200 m為例，計(jì)算鐘擺鉆具的防斜性能。該段使用鐘擺組鉆具組合:?311.2 mm PDC鉆頭+轉(zhuǎn)換接頭+止回閥+轉(zhuǎn)換接頭+?215.9 mm無(wú)磁鉆鋌1根+轉(zhuǎn)換接頭+?203.2 mm鉆鋌1根+?311.2 mm穩(wěn)定器+?203.2 mm鉆鋌1根+?311.2 mm穩(wěn)定器+?203.2 mm鉆鋌9根+轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm斜坡加重鉆桿6根+?139.7 mm斜坡鉆桿，采用10 kN小鉆壓進(jìn)行吊打，4 800～5 000 m井斜穩(wěn)定在1°，5 000～5 200 m出現(xiàn)較多夾層，井斜上升至2°并穩(wěn)定，地層傾角53°，應(yīng)用式(1)計(jì)算得到5 000～5 200 m地層各向異性指數(shù)為0.1736[6]。

(1)

式中:h—地層各向異性指數(shù)；L—扶正器高度,m；g—單位鉆鋌重量,kN/m；α—穩(wěn)定井斜角,°；θ—鉆頭相對(duì)于井眼軸向的傾斜角，°；β—地層傾角，°；p—鉆壓,kN。

該段使用的是?203.2 mm鉆鋌，通過(guò)地層各向異性指數(shù)反算保持井斜穩(wěn)定，且調(diào)整穩(wěn)定器至理想高度情況下的鉆壓要求，如圖1。如果要保持較小的井斜，則只能小鉆壓吊打，保持3°井斜鉆壓只能加到2.2 t。如果用?228.6 mm鉆鋌替代?203.2 mm鉆鋌，則鉆壓可相應(yīng)增加30%左右，保持3°井斜鉆壓也只能加到2.8 t。通過(guò)分析，在該段使用鐘擺鉆具井斜控制難度很大，鉆壓將受到極大限制，影響機(jī)械鉆速。

圖1 穩(wěn)定器安放在理想高度情況下保持穩(wěn)定井斜的鉆壓

二、巨厚鹽層段垂直鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用

1.巨厚鹽膏層使用垂直鉆井系統(tǒng)的難點(diǎn)

垂直鉆井系統(tǒng)在鹽膏層以上的不含鹽地層早已普遍應(yīng)用，效果突出，已經(jīng)成為上部高陡地層的提速、防斜利器。但在巨厚鹽膏層中應(yīng)用受到限制。

鹽巖具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，尤其是在深部高溫地層，流動(dòng)性表現(xiàn)的更為明顯，當(dāng)鹽層被鉆開(kāi)后，原有的地應(yīng)力平衡遭到破壞，鉆井液密度偏低，或發(fā)生井漏后液面下降，液柱壓力不足以平衡鹽巖蠕變時(shí)，鹽巖向井眼方向流動(dòng)，就會(huì)造成縮徑卡鉆；另一方面，當(dāng)鉆井液礦化度偏低時(shí)，鹽巖過(guò)度溶解，會(huì)形成大肚子井眼，鹽層中的泥巖、砂巖等夾層失去支撐而坍塌造成卡鉆，且大肚子井眼段因?yàn)閹r屑上返困難，容易造成砂橋卡鉆[7]。

2012年以前，油田在鹽膏層段主要使用高密度飽和(欠飽和)水基鉆井液，鉆井液密度在2.30 g/cm3以上，該鉆井液具備一定的高溫穩(wěn)定性、抑制性、抗污染能力，但面對(duì)巨厚復(fù)合鹽膏層易蠕變，同時(shí)還存在高壓鹽水層、低壓易漏層的特點(diǎn)，仍然不能滿足安全鉆井的要求，鉆井液性能處理維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，劃眼頻繁，尤其在鉆遇鹽間低壓層或高壓鹽水層后，處理過(guò)程中容易發(fā)生卡鉆，2007～2012年間多口井在巨厚鹽膏層段發(fā)生卡鉆(見(jiàn)表1)，且卡鉆后處理困難，大多進(jìn)行回填側(cè)鉆處理。為了降低鹽膏層卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，該段主要采用塔式鉆具組合鉆進(jìn)。

表1 2007～2012年巨厚鹽膏層卡鉆事故表

參照Q/SY 1631-2014《垂直鉆井系統(tǒng)使用規(guī)范》，垂直鉆井系統(tǒng)不宜在易垮塌、易縮徑地層使用。垂直鉆井工具主要依靠伸縮模塊推向井壁產(chǎn)生側(cè)向力來(lái)穩(wěn)定或降低井斜，為了保證防斜降斜效果，使用垂直鉆井工具時(shí)一般在垂直鉆井工具之上安裝兩只穩(wěn)定器，鉆具本身剛性很強(qiáng)，這就加大了鹽膏層發(fā)生卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)和卡鉆后的處理難度，因此在鹽膏層使用垂直鉆井系統(tǒng)存在較大的工程風(fēng)險(xiǎn)，且垂直鉆井系統(tǒng)價(jià)格高昂，也存在較大的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，鹽巖溶解或夾層垮塌后造成井眼不規(guī)則也可能會(huì)影響鉆頭側(cè)向力的作用，進(jìn)而影響垂直鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

2.油基鉆井液的成功應(yīng)用為垂直鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的井眼條件

2012年，隨著高密度油基鉆井液在巨厚鹽膏層中試驗(yàn)成功后，逐漸在鹽膏層中推廣，相比高密度水基鉆井液，高密度油基鉆井液在抗污染、防塌、潤(rùn)滑、防卡、高溫穩(wěn)定等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，能有效解決深井泥頁(yè)巖、鹽巖、膏泥巖井段失穩(wěn)問(wèn)題。鹽膏層卡鉆事故、擴(kuò)眼、處理鉆井液等損失時(shí)間明顯減少，以K2區(qū)塊為例，相比之前使用水基鉆井液，鹽膏層段使用油基鉆井液后，該段平均單井鉆進(jìn)工期由83.3 d下降至43 d，縮短48%；平均單井?dāng)U劃眼時(shí)間由4.7 d下降至1.4 d，減少70%；平均單井事故復(fù)雜時(shí)間由3.2 d下降至0.1 d，見(jiàn)表2。鹽膏層段井眼更規(guī)則，見(jiàn)圖2。油基鉆井液的成功應(yīng)用為垂直鉆井工具的應(yīng)用提供了良好的井眼條件。

表2 K2區(qū)塊油基鉆井液與水基鉆井液應(yīng)用效果對(duì)比

圖2 K5區(qū)塊鹽膏層井徑擴(kuò)大率(使用油基鉆井液)

3.垂直鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

通過(guò)鐘擺鉆具組合在鉆具中加入穩(wěn)定器的實(shí)踐驗(yàn)證，在使用油基鉆井液的情況下井眼穩(wěn)定，可以嘗試使用垂直鉆井系統(tǒng)，先后在K505、K506、K502、K508等井進(jìn)行了應(yīng)用，并配套使用與垂直鉆井系統(tǒng)相配合的短保徑、具有側(cè)切功能的PDC鉆頭。通過(guò)對(duì)比，垂直鉆井系統(tǒng)在巨厚鹽膏層應(yīng)用效果顯著，解放鉆壓，機(jī)械鉆速大幅度提高，同時(shí)將井斜控制在較小范圍內(nèi),見(jiàn)表3。

表3 K5區(qū)塊垂直鉆井系統(tǒng)與鐘擺鉆具應(yīng)用效果對(duì)比

K505井三開(kāi)?311.2 mm井眼4 201～4 526 m井段采用單穩(wěn)定器鐘擺鉆具鉆進(jìn)，鉆壓10～50 kN，井斜由2°增加至13.21°，之后回填側(cè)鉆。側(cè)鉆后在4 271～5 223 m井段采用雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具鉆進(jìn)，采用10 kN小鉆壓進(jìn)行吊打，井斜控制在3°以?xún)?nèi)，平均機(jī)械鉆速2.80 m/h。進(jìn)入5 000 m后地層非均質(zhì)性更強(qiáng)，井斜呈增大趨勢(shì)，為了提高機(jī)械鉆速，在5 223～6 028 m采用垂直鉆井系統(tǒng)鉆進(jìn)，鉆具組合?311.2 mm PDC鉆頭+?228.6 mm垂直鉆井工具+轉(zhuǎn)換接頭+?311.2 mm穩(wěn)定器+止回閥+轉(zhuǎn)換接頭+?215.9 mm無(wú)磁鉆鋌1根+轉(zhuǎn)換接頭+?311.2 mm穩(wěn)定器+?203.2 mm鉆鋌12根+轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm斜坡加重鉆桿6根+?139.7 mm斜坡鉆桿，鉆壓70～80 kN，平均機(jī)械鉆速5.49 m/h，相比鐘擺鉆具提高96%，井斜控制在0.6°以?xún)?nèi)。

K506井四開(kāi)?311.2 mm井眼3 020～3 709 m井段采用雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具鉆進(jìn)，采用10 kN小鉆壓進(jìn)行吊打，井斜控制在3°以?xún)?nèi)，平均機(jī)械鉆速3.56 m/h。為了提高機(jī)械鉆速，在3 709～5 932 m采用垂直鉆井系統(tǒng)鉆進(jìn)

4.主要防卡措施

除使用油基鉆井液外，在鉆井過(guò)程中主要采取了以下防卡措施，垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用井段未發(fā)生卡鉆或嚴(yán)重阻卡現(xiàn)象。

(1)采用合理的鉆井液密度，平衡鹽層蠕變，參照鄰井情況，鉆井液密度控制在2.30～2.35 g/cm3，鉆進(jìn)中以井下不出現(xiàn)嚴(yán)重阻卡為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

(2)根據(jù)機(jī)泵能力，盡可能采用大排量鉆進(jìn)，有利于清洗井底，沖刷井壁上吸附的虛厚濾餅。?311.2 mm井眼排量32 L/s左右，?241.3 mm井眼排量20 L/s左右。

(3)接單根前劃眼一次，不遇阻卡，方可接單根，否則重新劃眼。據(jù)井下情況采取短起下鉆措施，保障井眼通暢。

(4)安裝旋轉(zhuǎn)防噴器，當(dāng)發(fā)生溢流關(guān)井后，在條件允許的情況下活動(dòng)鉆具，防止卡鉆。

(5)發(fā)生井漏后，及時(shí)吊灌，盡量保持液柱壓力，并將鉆具起至套管內(nèi)。

(6)在井下發(fā)生復(fù)雜或接近鹽層底部時(shí)改為塔式鉆具組合，降低因卡層不準(zhǔn)鉆至鹽下低壓層發(fā)生漏失導(dǎo)致的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

三、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)油基鉆井液對(duì)巨厚鹽膏層的井眼穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用，為K5區(qū)塊垂直鉆井系統(tǒng)的成功應(yīng)用創(chuàng)造了良好的井眼條件。

(2)垂直鉆井系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了K5區(qū)塊巨厚鹽膏層井斜控制與鉆井提速的矛盾，解放鉆壓，大幅度提高機(jī)械鉆速，并將井斜控制在較小范圍。

(3)目前鹽膏層段使用的垂直鉆井系統(tǒng)主要由國(guó)外公司提供，鑒于國(guó)產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)的逐步成熟，可在鹽膏層段開(kāi)展國(guó)產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)的可行性評(píng)價(jià)，進(jìn)一步降低鉆井成本。