徐新紐, 孫維國(guó), 阮 彪， 熊旭東, 劉穎彪, 楊 虎

(1中國(guó)石油天然氣股份公司新疆油田分公司 2中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū))

為探索準(zhǔn)噶爾盆地達(dá)巴松凸起深層風(fēng)城組和石炭系的含油氣性，部署風(fēng)險(xiǎn)探井達(dá)探1井。該井二疊系和石炭系地層從未鉆探，地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，鉆井風(fēng)險(xiǎn)大；深層巖石可鉆性差，提速手段有限；風(fēng)城組存在大段鹽膏層，易污染鉆井液體系。必須針對(duì)該區(qū)鉆井特點(diǎn)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，形成一套超深井鉆井提速技術(shù)。

一、鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1. 壓力系統(tǒng)復(fù)雜

達(dá)巴松凸起鉆探11口井，鉆揭下烏爾禾組。鄰井資料表明，三疊系以下地層為異常高壓地層。由于風(fēng)城組和石炭系未鉆遇地層近2 000 m，預(yù)測(cè)地層壓力是該井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2. 地質(zhì)情況復(fù)雜

白堊系、侏羅系發(fā)育大段泥巖和多段煤層，易縮徑垮塌；二疊系風(fēng)城組鹽膏層易導(dǎo)致鉆井液污染。預(yù)測(cè)達(dá)巴松凸起地溫梯度2.12℃/100 m，計(jì)算達(dá)探1井6 226 m井底溫度高達(dá)150℃。因此，中淺層長(zhǎng)裸眼井壁失穩(wěn)和深層高密度鉆井液抗高溫、抗鹽污染將是該井的鉆井難點(diǎn)。

3. 深部地層鉆井提速手段有限

鄰井三疊系以上地層可鉆性較好，平均機(jī)械鉆速為4.69 m/h。參考鄰區(qū)烏夏斷裂帶和夏鹽凸起，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為80～120 MPa，可鉆性極值為6～8。風(fēng)城組和石炭系機(jī)械鉆速僅為0.89 m/h和0.83 m/h，PDC鉆頭未實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

二、地層壓力預(yù)測(cè)與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理

選擇鄰井達(dá)9井作為基準(zhǔn)井，該井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確、鉆揭地層較多且井深較大、距離目標(biāo)井較近。利用基準(zhǔn)井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)，得出橫波時(shí)差(ACSM)、密度(ρ)與縱波時(shí)差(ACCO)相關(guān)性(式(1)，式(2))。

ACSM=1.941ACCO+0.8228(R2=0.679)

(1)

ρ=-0.0028ACCO+2.7808(R2=0.623)

(2)

將達(dá)探1井5 250 m以上地層的地震縱波時(shí)差與基準(zhǔn)井聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行均值化擬合。5 250 m以下地層，將基準(zhǔn)井聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)外延趨勢(shì)線(xiàn)與地震縱波時(shí)差進(jìn)行均值化擬合，作為達(dá)探1井地層壓力預(yù)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2,5]。

2. 地層壓力預(yù)測(cè)

伊頓法認(rèn)為孔隙壓力和聲波時(shí)差等參數(shù)呈冪指數(shù)關(guān)系(式3)，且與地層埋藏深度無(wú)關(guān)，適用于盆地沉積環(huán)境下砂泥巖地層孔隙壓力的預(yù)測(cè)[6-7]。利用達(dá)探1井多口鄰井的試油壓力(見(jiàn)表1)和達(dá)9井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，反算出準(zhǔn)噶爾盆地達(dá)巴松凸起伊頓指數(shù)為3.0[8-10]。

(3)

式中：σV—垂向應(yīng)力，MPa；pp—地層孔隙壓力，MPa；ph—正常靜水壓力，MPa；ACn—給定深度泥頁(yè)巖趨勢(shì)線(xiàn)聲波時(shí)差，μs/m；AC0—給定深度地層實(shí)際聲波時(shí)差，μs/m；n—Eaton指數(shù)，無(wú)因次。

將上述數(shù)據(jù)代入地層壓力模型(式3)，可預(yù)測(cè)達(dá)探1井未鉆揭地層的孔隙壓力。通過(guò)鄰井實(shí)測(cè)地層壓力進(jìn)行修正[3]，建立達(dá)探1井地層壓力剖面(圖1)。計(jì)算結(jié)果表明，侏羅系以上地層屬正常壓力系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)為1.04～1.16，三疊系以下地層屬異常壓力系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)由1.71快速抬升到2.10，二疊系風(fēng)城組和石炭系地層壓力系數(shù)有所回落，約為1.85～1.92。

表1 達(dá)探1井鄰井試油實(shí)測(cè)壓力統(tǒng)計(jì)表

3. 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地層壓力預(yù)測(cè)和鄰井復(fù)雜情況，達(dá)探1井存在兩個(gè)套管結(jié)構(gòu)必封點(diǎn)。壓力過(guò)渡必封點(diǎn)在三疊系白堿灘組頂界3 890 m處。未鉆儲(chǔ)層風(fēng)險(xiǎn)必封點(diǎn)在二疊系風(fēng)城組頂界5 637 m處，其下部風(fēng)城組、石炭系存在鉆探風(fēng)險(xiǎn)，封隔夏子街組以上易失穩(wěn)地層有利于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層發(fā)現(xiàn)和保護(hù)，綜合各種因素[4]，達(dá)探1井設(shè)計(jì)四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

圖1 達(dá)探1井地層三壓力預(yù)測(cè)剖面

表2達(dá)探1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及套管程序設(shè)計(jì)

開(kāi)鉆程序鉆頭尺寸/mm井深/m鉆至地層套管尺寸/mm下入井深/m一開(kāi)660.4500K508500二開(kāi)444.53950T3b339.73950三開(kāi)311.25650P1f244.55500250.85650四開(kāi)215.96000C177.85350139.76000

三、 鉆頭選型與提速工具優(yōu)選

1. 巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)

利用鄰井達(dá)9井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，反演達(dá)深1井巖石力學(xué)特性和鉆頭可鉆性級(jí)值，為鉆頭和輔助提速工具優(yōu)選提供依據(jù)[11-12]。結(jié)果表明三疊系及其以上地層PDC鉆頭適應(yīng)較好(圖2)。

我認(rèn)為，每位教師不只是學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)知識(shí)，還必須學(xué)習(xí)《教育法》、《教師法》和《未成年人保護(hù)法》等法律法規(guī)，并深刻認(rèn)識(shí)到不懂法律，否則不依法執(zhí)教就是不合格的教師。例如：要想讓學(xué)生熱愛(ài)環(huán)境，保護(hù)公共衛(wèi)生，我們必須得先彎下腰，去主動(dòng)拾起地上的字紙；要想讓學(xué)生學(xué)會(huì)文明用語(yǔ)，不用暴力解決問(wèn)題，我們必須先注意自己的言行，不體罰和打罵學(xué)生。要想讓學(xué)生遵守《中小學(xué)生守則》和《小學(xué)生日常行為規(guī)范》，我們必須先遵守學(xué)校的各項(xiàng)規(guī)章制度，哪怕是排隊(duì)打飯不講小話(huà)的日常生活問(wèn)題。

圖2 達(dá)9井三疊系以上地層巖石力學(xué)參數(shù)剖面

然而，達(dá)探1井二疊系風(fēng)城組和石炭系在達(dá)巴松凸起從未鉆揭。因此，針對(duì)達(dá)巴松凸起深部未鉆地層，可采用相同地層類(lèi)比法，開(kāi)展鄰區(qū)同地層的巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)，作為達(dá)探1井鉆頭選型的間接參考(表3)。

2. 鉆頭和提速工具選型

依據(jù)達(dá)探1井巖石力學(xué)參數(shù)，參考鄰井鉆頭時(shí)效，侏羅系及其以上地層設(shè)計(jì)五刀翼19 mmX3/H3齒提高鉆頭攻擊性，采用窄刀翼大排屑槽提高鉆頭防泥包能力。

表3 鄰區(qū)相應(yīng)地層的巖石力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)

三疊系巖性以砂巖、泥巖、礫巖夾層為主，設(shè)計(jì)扭力沖擊器配合PDC鉆頭。

二疊系和石炭系主要發(fā)育砂泥巖、砂礫巖、白云巖以及火成巖，可鉆性級(jí)值為5.5～8.0，抗壓強(qiáng)度為40～200 MPa，鄰區(qū)多種PDC鉆頭入井試驗(yàn)效果不佳。因此，選用Smith公司牙輪鉆頭，二疊系選用GF20ODPS(AIDC:517X)，石炭系選用GF30 ODPS (AIDC:537X)。

四、鉆井液配方優(yōu)選與性能

開(kāi)展高溫高密度鉆井液體系配方優(yōu)選[13]，確保性能滿(mǎn)足達(dá)探1井深部地層鉆井安全。

三開(kāi)和四開(kāi)鉆井液加入15%NaCl，增強(qiáng)抗碳酸氫根的污染能力,復(fù)配液體與固體潤(rùn)滑劑改善潤(rùn)滑性能，選用PHT和天然瀝青粉KH-n作為抗溫封堵劑。

室內(nèi)評(píng)價(jià)聚合物降濾失劑，降濾失性能排序?yàn)椋篈P220>SP-8>JT888。增加0.8%AP220和3%流型調(diào)節(jié)劑TX[14]。

鉆井液配方為：2%膨潤(rùn)土+0.8%SP-8+0.8%PMHA-2+0.5%LV-CMC+2%SMP-2(粉)+2% SPNH+15%NaCl+10%KCl+2%石墨+1%SPAN-80 +2%PHT+3%KH-n +2%隨鉆堵漏劑+0.5%CaO+ 0.8% AP220+3%TX+重晶石。

五、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)

達(dá)探1井完鉆井深為6 226 m，井底壓力和溫度高達(dá)125 MPa和150℃，新鉆遇的深部地層近2 000 m，屬于典型“三高井”。通過(guò)地層壓力預(yù)測(cè)、丼身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、快速鉆井及強(qiáng)抑制高密度鉆井液等技術(shù)攻關(guān)，162 d的鉆井周期內(nèi)無(wú)井下復(fù)雜事故，創(chuàng)造了準(zhǔn)噶爾盆地超深井高效鉆井的新紀(jì)錄。

1. 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理

依據(jù)預(yù)測(cè)地層壓力設(shè)計(jì)的四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)確保全井的安全鉆井。預(yù)測(cè)地層壓力與試油和錄井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，預(yù)測(cè)精度高達(dá)90%以上(表4)。

表4 預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)地層壓力數(shù)據(jù)對(duì)比

2. 鉆頭選型和提速效果

達(dá)探1井深部風(fēng)城組和石炭系未鉆揭，在鉆頭選型時(shí)，采用鄰區(qū)相同地層巖石力學(xué)類(lèi)比法。為證實(shí)此方法的科學(xué)性，將達(dá)探1井的鉆后測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到二疊系巖石力學(xué)剖面。反演結(jié)果與表3中的鄰區(qū)巖心測(cè)試數(shù)據(jù)非常接近，表明此類(lèi)比法完全適用于勘探程度較低的超深井鉆探。

達(dá)探1井鉆井提速效果顯著。白堊系、侏羅系?444.5 mm井眼平均鉆速為9.46 m/h，較達(dá)10井提高36.7%，單只PDC鉆頭進(jìn)尺高達(dá)2 051 m，較鄰井最高進(jìn)尺1 480 m提高36.5%。三疊系?311.2 mm井眼試驗(yàn)扭力沖擊器配合PDC鉆頭機(jī)械鉆速為5.63 m/h，較達(dá)10井提高35.5%，單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)576 m。二疊系和石炭系?215.9 mm井眼試驗(yàn)Smith牙輪鉆頭機(jī)械鉆速為2.26 m/h，單只鉆頭進(jìn)尺為280 m。

3. 鉆井液維護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)

二開(kāi)長(zhǎng)裸眼大尺寸井段井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高，利用多元協(xié)同抑制機(jī)理的胺基-鉀鈣基鉆井液，K+含量始終大于35 000 mg/L，堅(jiān)持劃眼制度。對(duì)于滲透性好的砂巖及泥質(zhì)砂巖，加入2%～3%TP-2、2%超細(xì)碳酸鈣和乳化瀝青形成致密且柔韌的高質(zhì)量濾餅，確保API濾失量<4 mL。鉆井液的密度控制在1.28～1.30 g/cm3，膨潤(rùn)土含量為40～50 g/L。西山窯和八道灣組8段煤層未發(fā)生井漏、遇阻及垮塌現(xiàn)象。

三開(kāi)和四開(kāi)應(yīng)用高密度鉆欠飽和復(fù)合鹽鉆井液體系，控制Cl-含量大于150 000 mg/L。采用復(fù)合材料隨鉆防漏方法[14]，包括：2%粒徑為0.125 mm的纖維TP-2、3%粒徑為0.10～0.45 mm的碳酸鈣、1%粒徑為0.125～0.180 mm的蛭石、1%粒徑為0.125～0.180 mm的云母，該防漏材料實(shí)驗(yàn)室砂床滲漏測(cè)試，承壓能力可達(dá)到6.7 MPa,防漏堵漏效果明顯。

六、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)達(dá)探1井采用已鉆井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，將目標(biāo)井地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視橫波時(shí)差和視密度，基于伊頓法建立地層壓力計(jì)算模型，精細(xì)描述未鉆探地層壓力特征，達(dá)探1井實(shí)踐為超深井未鉆揭地層設(shè)計(jì)合理井身結(jié)構(gòu)提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)針對(duì)無(wú)資料借鑒的未鉆地層，可采用鄰區(qū)同一地層類(lèi)比法，模擬未鉆地層的巖石力學(xué)特性，指導(dǎo)鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)。達(dá)探1井的鉆后測(cè)井反演結(jié)果與鄰區(qū)巖心測(cè)試數(shù)據(jù)非常接近，證實(shí)該類(lèi)比法完全適用于低勘探程度區(qū)。