譚鵬 何思龍 李明印 陳雪峰 張景田 馬喜偉

1. 中國石油集團工程技術研究院有限公司；2. 中國石油塔里木油田分公司

塔里木油田作為我國陸上第三大油氣田，是西氣東輸主氣源地之一，承擔著向華東、華北地區(qū)等15個省市、120多個大中型城市約4億人口、3 000余家企業(yè)的供氣任務。作為油田三大坳陷之一的庫車坳陷石油天然氣總探明面積達2.8×104km2，天然氣資源總量6.9×1012m3，石油7.64×1012t，是油田未來天然增儲上產(chǎn)及效益增長的主力區(qū)塊［1］。

近年來，中秋1井［2］與博孜9井［3］2口超深層重點探井獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流，證實了庫車坳陷在8 000 m超深層仍有優(yōu)質(zhì)儲層，展示了庫車超深層巨大的勘探潛力?？死?克深、博孜-大北以及秋里塔格等3個萬億方大氣區(qū)成為勘探重點。預計2025年天然氣產(chǎn)量達到300×1012m3。

塔里木油田會戰(zhàn)31年來，針對庫車坳陷鉆完井作業(yè)“提速、提質(zhì)、提效”難與慢的問題，攻關形成復雜地層工程地質(zhì)力學與井身結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術，基于垂直鉆井系統(tǒng)、高效PDC鉆頭等鉆井綜合提速技術，以及抗高溫、高鹽、高密度鉆完井液配套技術，支撐了塔里木庫車坳陷深部油氣資源勘探開發(fā)的順利開展。然而，隨著區(qū)塊氣田儲層埋藏深度的增加，超深高溫高應力條件下地質(zhì)特征復雜、井筒環(huán)境苛刻，鉆完井工程面臨巨大挑戰(zhàn)［4］。為保障庫車坳陷天然氣資源順利開發(fā)，從區(qū)域基本地質(zhì)特征出發(fā)，總結(jié)復雜超深井鉆完井工程關鍵技術難題，系統(tǒng)攻關鉆完井工藝、裝備、方法及配套技術，提出針對性措施，形成庫車坳陷超深井鉆完井提速方案，加快推進超深層復雜天然氣井安全高效開發(fā)進程。

1 工程技術難點

塔里木庫車前陸盆地超深(6 500～8 000 m)、超高壓(115～140 MPa)、高溫(170～190 ℃)，地層環(huán)境苛刻，縱向巖性及壓力變化復雜，巨厚復合鹽層和高壓鹽水層發(fā)育，蠕變性強，安全密度窗口窄；鹽上巨厚礫石層發(fā)育，地層傾角大、研磨性強，可鉆性差、控斜難度大；鹽間分布低壓薄弱層，井筒穩(wěn)定性差，井漏問題突出；鹽下地層研磨性強、抗壓強度高、斷層發(fā)育，井壁易失穩(wěn)垮塌，固井難度大。

1.1 現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)應對超深多套鹽層、斷層能力不足

在塔里木盆地地質(zhì)特征及工程實踐經(jīng)驗基礎上，改進了國際通用的API標準井身結(jié)構(gòu)。從最初?508 mm + ?339.7 mm + ?244.5 mm + ?177.8 mm +?127 mm等5層結(jié)構(gòu)演變?yōu)楫斍暗?～6層井身結(jié)構(gòu)系列，逐步形成了具有塔里木特色的塔標Ⅰ、塔標Ⅱ、塔標Ⅲ等3套非標井身結(jié)構(gòu)［5］。

然而，受庫車坳陷復雜構(gòu)造運動影響，超深層地質(zhì)預測的不確定性增大，導致現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)應對更深(超6 500 m)、多套鹽層或斷層等更復雜情況能力有限。對于多套鹽層/斷層、多套壓力系統(tǒng)發(fā)育以及多套鹽層無法與低壓層合打或卡層失敗的超深井，只能采用?104.8 mm或更小尺寸井眼完井，導致現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)地質(zhì)目的。

1.2 巨厚高陡礫石層發(fā)育，鉆井周期長，控斜難度大

庫車坳陷博孜-大北區(qū)塊鹽上自上而下發(fā)育巨厚礫石層及含礫地層(平均厚度超過4 500 m)，縱橫向剖面礫石層厚度、含量、成分及水層分布變化顯著，地質(zhì)預測精度低，極大限制了提速工藝實施。

礫石層石英含量40%～60%，抗壓強度200～400 MPa，硬度超過10級，研磨性強、可鉆性極差，單只常規(guī)PDC鉆頭平均壽命60 h，平均機械鉆速僅為0.84 m/h。

同時，地層高陡特征(最大傾角可達87°)加劇了提速與控斜矛盾，實施空氣鉆井提速工藝時井下振動強烈、隨鉆測斜困難，鉆進時跳鉆現(xiàn)象嚴重，沉砂卡鉆風險極高。博孜區(qū)塊空氣鉆井時最厚沉砂超80 m，增加了處理難度和鉆井周期。

1.3 超深層環(huán)空帶壓嚴重，固井質(zhì)量差

由于超深層井筒條件復雜，特別是鹽膏層普遍采用無接箍套管，常規(guī)扶正器無法安放，導致套管居中度低，水泥漿膠結(jié)質(zhì)量差［6］。

井深增加，固井井段變長，環(huán)空間隙變小，雙級固井施工時頂替排量受限，導致“又漏又吐”現(xiàn)象突出，誘發(fā)環(huán)空竄槽、喇叭口竄氣、環(huán)空帶壓嚴重。

庫車坳陷超深井套管固井質(zhì)量差、無法滿足長期井筒完整性要求的原因主要有：(1)地層環(huán)境復雜。高壓鹽水層(平均壓力系數(shù)大于2.2)發(fā)育，安全密度窗口窄甚至無窗口。(2)固井工藝不成熟。超深井固井技術處理手段有限，配套工藝不夠精細，導致頂替效率低，難以保證水泥漿有效充填。(3)水泥漿性能不足。深部井段水泥漿抗高溫能力不足，水泥石力學性能不足，長期封固能力或自愈合能力欠缺。

1.4 復合鹽膏層溢漏塌卡事故頻發(fā)，處理難度大

庫車坳陷超深井復合鹽膏層普遍發(fā)育，縱向分布跨度大(500～8 000 m)，壓力系統(tǒng)復雜，同井段鹽膏層高壓鹽水層(壓力系數(shù)2.3～2.6)與砂泥巖薄弱層(壓力系數(shù)2.05～2.2)并存，鉆井液密度安全窗口窄，安全鉆進難度極大。

同時，縱向斷層、破碎性裂縫性地層發(fā)育，卡層難度大，地層壓力難以預測，超深層小井眼井內(nèi)壓力平衡控制難度大，導致溢流、井漏、坍塌、卡鉆事故頻發(fā)，全井筒作業(yè)效率低。

庫車坳陷復合鹽膏層鉆井事故復雜頻率最高，約占全井段58%，集中于吉迪克組與庫姆格列木群。統(tǒng)計顯示，50余口氣井復合鹽膏層段發(fā)生溢漏塌卡等事故約900余次。

綜上所述，庫車坳陷超深鉆完井工程面臨井身結(jié)構(gòu)抗風險能力不足、礫石層提速受限、鹽膏層溢漏塌卡事故復雜頻發(fā)以及固井質(zhì)量差等難題。亟需鹽上礫石層、鹽間低壓層、窄窗口鹽膏層以及深部目的層等全井段地質(zhì)力學一體化深入研究，攻關井身結(jié)構(gòu)拓展優(yōu)化技術，擴展塔里木超深井井身結(jié)構(gòu)系列，突破礫石層提速、窄密度窗口精細控壓鉆井/固井、超深層鉆/完井液、隨鉆堵漏等超深復雜地層鉆完井技術，為庫車坳陷超深層勘探開發(fā)“再提速、再提質(zhì)、再提效”提供保障。

2 技術應用與效果

2.1 超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化與拓展技術

深部地層構(gòu)造作用強烈、地質(zhì)預測精度低，縱向斷層、破碎帶、低壓層以及高壓鹽膏層交替發(fā)育，必封點及套管層次增加，井身結(jié)構(gòu)復雜。

深入地質(zhì)一體化研究，精細化表征巨厚鹽膏層及斷層發(fā)育特征，認知區(qū)域鹽層與低壓層壓力系統(tǒng)，探索形成2～3套鹽膏層安全封隔復雜地層的井身結(jié)構(gòu)系列；提出膨脹管補貼井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和超深大斜度井軌跡控制技術。

以秋里塔格構(gòu)造帶中秋區(qū)塊為例，中秋1井鹽層間低壓區(qū)與第2套鹽層合打，造成嚴重井漏。針對該區(qū)域地質(zhì)條件，通過精細化表征區(qū)域壓力系統(tǒng)，對鉆機承重、鉆柱受力、套管下入等配套能力綜合評估，中秋A井采用第1套鹽層和鹽間低壓層合打，第2套鹽間層專打方式實現(xiàn)兩套鹽層及低壓層安全高效鉆進；中秋B井進一步優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，精簡鹽上套管層次，減少一開次鉆進，極大提高鉆井效率。

通過2輪優(yōu)選井身結(jié)構(gòu)和套管層次，將中秋區(qū)塊2套鹽層井身結(jié)構(gòu)標準圖版定型，擴充了中秋區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)系列。對比發(fā)現(xiàn)，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的3口完鉆井平均鉆井周期相比中秋1井縮短42%，事故復雜時效降低19%。

針對發(fā)育2套及以上鹽層、斷層及卡層不準等情況，提出膨脹管補貼井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和超深大斜度井軌跡控制技術。通過運用膨脹管補貼技術，采用配合擴眼工具，先鉆穿低壓層，后下入膨脹管封固、與下部高壓層合打的施工工藝，簡化井身結(jié)構(gòu)和套管層次，規(guī)避了低壓層與高壓層合打帶來的事故復雜。針對斷層發(fā)育、3套鹽層發(fā)育地層特征，實踐大斜度井軌跡精確控制，避開局部高壓層或斷層，實現(xiàn)空間繞障，有效降低套管層次、簡化井身結(jié)構(gòu)。

以中秋C井為例，縱向發(fā)育3套鹽層、2套高壓層、1條斷層，存在7個必封點和1個風險點，常規(guī)直井井身結(jié)構(gòu)需設計八開次，無法滿足地質(zhì)目的。通過工程地質(zhì)一體化精細論證，采用精細控壓+大斜度定向井工藝，優(yōu)化三維井眼軌道設計和造斜點位置，避免多次重復鉆入同一地層，減少一個必封點，最終簡化為六開定向井井身結(jié)構(gòu)。實踐表明，通過大斜度井避開大斷層頻繁交錯地帶，并配套使用精細控壓鉆完井工藝，確保前2套鹽層與鹽間低壓層安全合打，單井節(jié)約2開次，鉆井周期及成本大幅降低。

2.2 礫石層精細化表征與控斜提速技術

塔里木盆地庫車坳陷博孜-大北區(qū)塊發(fā)育大段高陡巨厚礫石層，研磨性強，可鉆性極差(10級)，控斜難度大。機械鉆速低、鉆頭用量多、鉆井周期長，是制約該區(qū)高效鉆井的難題。

地質(zhì)與工程一體化設計，精細化表征礫石層地質(zhì)工程特征，分析礫石力學特征、礫石含量、粒徑大小、壓實程度，將巨厚礫石層從上自下依次劃分為未成巖礫、準成巖礫和成巖礫3大類，攻關高陡構(gòu)造防斜打直技術與提速工藝，形成以鉆井液鉆進為主、空氣鉆進為輔、提速鉆井工具定制化的分層段提速方案，實現(xiàn)了減震、提速、控斜相結(jié)合的優(yōu)快鉆井。

使用常規(guī)鉆井液，分層段形成定制化提速井下工具及工藝。針對淺部未成巖礫石層段提速與控斜的矛盾，提出高轉(zhuǎn)速、大扭矩、“抗沖擊工具＋個性化鉆頭”提速鉆具組合，配套使用垂直鉆井工具主動控斜以及井下減震工具，保護隨鉆測量儀器。

工程實踐表明，大北X區(qū)塊淺層礫石層?444.5 mm井眼采用“雙擺+垂鉆+獅虎獸”鉆具組合鉆進，施工過程扭矩平穩(wěn)，“蹩跳”現(xiàn)象基本消除，平均機械鉆速3.5 m/h，提速效果顯著。

針對中深部、深部準成巖和成巖礫層段，高溫作用下地層研磨性更高、可鉆性更差，對井下工具耐溫性要求更高。為此提出渦輪+孕鑲金剛石深部礫石層破巖提速技術。相比螺桿鉆具，渦輪鉆具具有更高的抗溫性能(250～300 ℃)，同時全金屬部件可靠性強，轉(zhuǎn)速最高可達1 200～2 000 r/min。成功應用于博孜X井礫石層鉆進，同比鄰井平均鉆速提高2.2倍，破區(qū)塊單只進尺最大記錄。

輔助于常規(guī)鉆井液鉆井工藝，攻關礫石層提速空氣鉆井工藝。通過系統(tǒng)評估氣體鉆井適應性，開展氣體鉆井井斜控制機理研究，形成礫石層空氣鉆井提速與防斜方案。通過優(yōu)化空氣泵注參數(shù)［7］，明確沉砂特征、鉆壓、地面扭矩與井斜控制的關系，開創(chuàng)“預彎短節(jié)+雙扶鐘擺”控斜鉆進的鉆具組合，實現(xiàn)了博孜區(qū)塊礫石層安全快速鉆井。

2.3 窄密度窗口精細控壓鉆井與固井技術

庫車坳陷超深地層裂縫發(fā)育、溢漏同存及多壓力系統(tǒng)等問題突出，安全密度窗口窄，鉆井液漏失嚴重、難壓穩(wěn)，固井質(zhì)量差，施工作業(yè)復雜多、井控風險大、建井周期長。針對上述工程技術難題，學者們從壓力平衡理論、壓力監(jiān)測、軟件控制以及控壓裝備等方面開展研究，形成了以環(huán)空動態(tài)當量密度精細控制為核心的鉆完井精細控壓技術裝備［8-10］。

針對塔里木庫車坳陷超高壓鹽水層安全鉆進面臨的窄密度窗口問題，研發(fā)的PCDS系列精細控壓鉆井技術裝備［8］，解決了溢漏同存窄安全密度窗口井段安全鉆進難題。采用精細控壓技術的5口完鉆井，與常規(guī)鉆井相比，平均漏失量下降82%，平均復雜時率下降54%。

針對超深層復雜層位固井面臨井段長、縮頸嚴重、安全密度窄、噴漏同存、竄槽嚴重、水泥環(huán)密封差等苛刻地質(zhì)工程條件，基于壓力平衡原理和固井工藝流程改進精細控壓設備、壓力計算模型及軟件控制系統(tǒng)，形成精細控壓固井技術［9-10］。

中秋C井復合鹽膏層鉆進，采用精細控壓壓力平衡法固井技術［10］，通過分析確定地層安全密度窗口、預選水泥漿、固井水力參數(shù)設計等流程［11］，優(yōu)化使用分段重漿帽、部分裸眼井段整體式彈性扶正器以及變排量頂替等工藝措施，加強固井時壓力控制［10-14］，實現(xiàn)了井口全過程精細控壓下套管作業(yè)。

2.4 抗高溫高密度鉆井液與固井液技術

在鉆井液方面，針對深部高溫高壓復雜地層鉆井液流變性、濾失量及沉降穩(wěn)定性難以控制，鹽層抗溫抗鹽能力不足，鉆井液性能惡化等難題，研制了抗高溫高密度飽和鹽水鉆井液及抗高溫油基鉆井液。

在飽和鹽水水基鉆井液方面，提升飽和鹽水水基鉆井液核心處理劑性能參數(shù)，將常規(guī)磺化體系抗溫能力提升至200 ℃，最高密度達3.0 g/cm3，提高了目標區(qū)域復雜地層水基鉆井液處理能力。

在油基鉆井液方面，研制出高溫高密度油基鉆井液全套處理劑，形成同時滿足抗45%鹽水污染、抗溫200 ℃、密度2.6 g/cm3的油基鉆井液，突破鹽水侵容量限20%～30%的極限。

克深A井在溢漏同層段采用排水降壓技術，油基鉆井液遭受60余次高壓鹽水侵，油水體積比最低達到12∶88，鉆井液仍保持良好的流變性，解決了高溫高壓下鹽水污染引起的鉆井液失效重大技術難題，較國外技術成本降低30%以上，實現(xiàn)國產(chǎn)油基鉆井液在庫車坳陷超深井應用零的突破。

在固井液方面，針對超深井高溫長封固段、大溫差固井超緩凝固井難題，研發(fā)了一系列高性能固井水泥漿。

通過引入加重材料，結(jié)合顆粒級配原理，提高膠凝材料比例，形成密度達2.75 g/cm3、耐溫達200 ℃的抗鹽水泥漿。同時，優(yōu)選溫度敏感性小的緩凝劑，滿足大溫差(80～120 ℃)固井要求，解決了深部地層水泥漿流動性和穩(wěn)定性差、水泥石抗高溫強度不足的問題。

針對博孜-大北區(qū)塊部分開發(fā)井水基鉆井液濾餅厚(最厚超10 mm)、清除難度大以及第二膠結(jié)界面固井質(zhì)量合格率低等問題，采用緊密堆積設計，配合高純度石英砂，優(yōu)選沖洗效率在90%以上的沖洗型隔離液，針對區(qū)塊特征探索了高強度韌性水泥漿及配套固井技術［13-14］，實現(xiàn)水泥石抗壓強度達到7 d超70 MPa的指標。

2.5 超深隨鉆材料可酸溶堵漏技術

針對庫車坳陷克深及大北區(qū)塊超高壓高溫氣井超深埋藏儲集層物性差、低孔低滲特征，若采用常規(guī)方式鉆進，井漏、堵漏施工后，大量的非酸溶性果殼類堵漏材料、加重材料會對儲層造成嚴重污染，致使后期酸化、壓裂效果不理想。采用全酸溶性的堵漏材料或加重材料，鉆進時快速失水、形成優(yōu)質(zhì)的內(nèi)、外濾餅，投產(chǎn)前采取酸溶方法解除，最大限度降低破碎性儲層傷害程度。

目前常用目的層酸溶性高密度加重暫堵劑有細目或超細目碳酸鈣、微錳礦、氧化鐵等粉末，堵漏材料類型有粒狀的鈣質(zhì)顆粒系列、片狀的樹脂系列和復合纖維系列，目的層酸溶率達95%以上。

針對目的層段防漏堵漏技術不完善問題，克深區(qū)塊采用常規(guī)鉆井及堵漏工藝，目的層平均漏失鉆井液量約450 m3。采用酸溶性堵漏和加重材料，目的層平均漏失量降低至270 m3，形成的濾餅其承壓能力大幅度提高，24 h可達20 MPa，最高承壓可達40 MPa以上，后期試井產(chǎn)量也有明顯提高，儲層保護效果較為明顯。

3 結(jié)論與建議

針對塔里木庫車坳陷超深、超高壓、高溫、復雜壓力系統(tǒng)以及窄密度窗口等極限工程技術難題，通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井提速、井筒穩(wěn)定及安全封隔等核心技術攻關，實現(xiàn)了超深井鉆完井整體提速，加快了超深層天然氣井安全高效開發(fā)進程。然而，隨著勘探開發(fā)不斷向深部推進，工程地質(zhì)風險與挑戰(zhàn)成倍增加，工程技術和配套裝備需不斷優(yōu)化革新，以適應更高要求。

(1)國內(nèi)膨脹管技術尚未完全成熟，現(xiàn)有技術應對井深超過7 000 m且鉆遇多套壓力體系、斷層、鹽層的井的能力依然不足。

(2)大斜度繞障技術受限于國外技術高成本和國內(nèi)定向鉆井工藝、工具技術水平。

(3)礫石層分布廣泛，其厚度、含量、成分差異很大，現(xiàn)有技術未能實現(xiàn)精確化描述，難以預測待鉆地層礫石特征、水層分布等，無法針對性配套提速工具、工藝和作業(yè)參數(shù)。

(4)空氣鉆井控斜與提速矛盾依然突出，現(xiàn)有測斜工具未能實現(xiàn)空氣鉆隨鉆測斜，單點吊測風險高、周期長，空氣鉆沉砂卡鉆風險大。

(5)鹽層套管居中缺乏有效工具，固井頂替效率不高，環(huán)空帶壓嚴重。

(6)精細控壓受超深層地層極端環(huán)境限制，仍然難以解決超深層井下壓力準確監(jiān)測，使得精細控壓鉆井/固井都存在制約。

(7)超深層特別是鹽層鉆進高密度堵漏機理不明，一次堵漏成功率依然很低。

為進一步提升超深層鉆完井施工能力，突破庫車坳陷超深復雜難鉆地層鉆完井工程技術瓶頸，建議向以下7個方面發(fā)展。

(1)鉆完井工程地質(zhì)一體化及井筒完整性技術。優(yōu)化鉆完井工程方案，搭建復雜地層鉆完井一體化控制及決策平臺，形成全生命周期井筒完整性技術與配套裝備，滿足油氣井全井筒生命保障需求。

(2)研發(fā)萬米鉆機、超深四單根立柱鉆機及配套自動化裝備，提高長井段大尺寸鉆柱及套管下入能力；攻關高性能膨脹管、隨鉆擴眼及套管鉆井技術，拓展深部多套鹽層埋深、層數(shù)、蠕變強度的非標井身結(jié)構(gòu)層次，滿足超深-特深復雜鹽膏層安全封隔要求。

(3)超深復雜地層鉆完井液體系。研發(fā)密度高于2.6 g/cm3、抗溫高于300 ℃的超高溫高密度環(huán)保型鉆完井液，提升多壓力體系、溶洞/裂縫性、惡性漏失層位防漏堵漏技術，保障超深部復雜油氣層鉆完井作業(yè)井筒安全。

(4)一體化精細化控壓鉆完井技術。形成鉆井-測井-固井-完井一體化精細控壓成套工藝技術及裝備，實現(xiàn)鉆完井全過程壓力精細控制，滿足超深窄密度窗口地層安全優(yōu)質(zhì)鉆完井要求。

(5)超深井全井筒提速技術及配套工藝。升級非平面齒PDC鉆頭、長壽命大扭矩螺桿、垂直鉆井等控斜提速工具，提高礫石層、致密層破巖效率；完善精細化三維地質(zhì)體表征技術，明確各層段提速措施，定型全井筒鉆完井提速模板。

(6)超深多鹽層大斜度井及水平井鉆井技術。研發(fā)深層高效定向工具、抗高溫井下測量儀器及配套工藝，優(yōu)化設計高強度輕型化鉆具組合，提高復雜超深井定向、水平段鉆井效率。

(7)智能優(yōu)快鉆完井技術及配套工藝。運用大數(shù)據(jù)、機器學習以及云計算等智能化技術，促進鉆完井工程與人工智能深入融合，提高鉆完井工程遠程實時監(jiān)測、智能診斷與決策能力，實現(xiàn)鉆完井工程從弱人工智能化向定制化人工智能、進而向通用性人工智能的突破。