劉占魁，高 云，趙 云，李加林，阿思哈提·托魯

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009）

沙灣凹陷屬準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷的二級(jí)構(gòu)造單元，西面緊鄰紅車斷裂帶，南面為北天山山前沖斷帶的霍瑪吐背斜帶，北面與中拐凸起相鄰。鄰區(qū)中拐凸起及紅車斷裂帶勘探屢獲進(jìn)展，而沙灣凹陷西斜坡區(qū)二疊系深層勘探程度卻較低。沙灣凹陷西斜坡發(fā)育地層有新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系等，隨著勘探思路及方向的調(diào)整，沙灣凹陷近年來(lái)深層勘探也取得了諸多重大突破，如CP-24井獲日產(chǎn)原油150m3。該區(qū)深井鉆井?dāng)?shù)量不斷增加(井深4900～5900m)，在對(duì)地層認(rèn)識(shí)不斷深入的基礎(chǔ)上，鉆井速度不斷加快，保障了油田勘探部署。

1 地層孔隙壓力縱向變化趨勢(shì)與井身結(jié)構(gòu)

沙灣凹陷西斜坡區(qū)地層孔隙壓力橫向上隨地理位置有所差別，縱向上總體表現(xiàn)出侏羅系以上地層壓力為正常壓力，地層壓力系數(shù)1.05～1.10。進(jìn)入三疊系地層壓力逐步抬升、三疊系百口泉組至二疊系上烏爾禾組存在異常高壓，地層壓力系數(shù)1.35～1.78。二疊系夏子街組至佳木禾組地層壓力有所回落，地層壓力系數(shù)1.35～1.65。

主要設(shè)計(jì)三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。具體差別在于中完技術(shù)套管下深與封隔層位不同。表層采用?444.5mm鉆頭鉆至吐谷魯群500m左右進(jìn)入穩(wěn)定泥巖地層，下入?339.7mm表層套管，固井水泥漿返至地面，封隔地表松散易塌地層和地表水源層，為井口控制和后續(xù)安全鉆井創(chuàng)造條件。二開(kāi)采用?311.2mm鉆頭鉆穿白堿灘組頂部砂巖進(jìn)入穩(wěn)定泥巖地層后或者鉆穿克上組煤層后中完，下入?244.5mm技術(shù)套管，固井水泥漿返至上部需封隔的低壓及不穩(wěn)定地層，為下部地層安全鉆井創(chuàng)造有利條件。中完技術(shù)套管下深及封隔層位依據(jù)井口所處位置略不同。三開(kāi)采用?215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深，下入?139.7mm油層套管，或者在上層套管內(nèi)懸掛?139.7mm油層尾管，固井水泥漿返至懸掛器位置，完井回接?177.8mm套管至井口，固井水泥漿返至地面。

2 各開(kāi)次主要技術(shù)應(yīng)用

2.1 鉆井液技術(shù)應(yīng)用

二開(kāi)井段使用鉀鈣基聚合物鉆井液體系：4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH(NaOH)+0.8% PMHA-2(JB66、?A367、IND10)/0.4% AHB+0.8% SP-8(JT888、HJ-3、Redu1)/0.4%AP220+2%HY-2+0.5%復(fù)配銨鹽+7% KCl+2%有機(jī)硅抑制劑+0.2%～0.5%CaO+4%陽(yáng)離子乳化瀝青(R?-9、白瀝青、天然瀝青)+0.10%～0.15% KSZJ-1+0.1%～0.2%乳化劑(SP-80、ABSN)+0.5%低熒光潤(rùn)滑劑+0.5%固體潤(rùn)滑劑+2%～3%隨鉆堵漏劑+2%超細(xì)碳酸鈣+1%WC-1+重晶石。以JB66、PMHA-2(?A367及IND10)/AHB、KCl、有機(jī)硅抑制劑加強(qiáng)包被抑制；以SP-8(JT888、HJ-3、Redu1)/AP220、復(fù)配銨鹽降低濾失量；以HY-2調(diào)整流變性；以QCX-1、陽(yáng)離子乳化瀝青(R?-9、白瀝青、天然瀝青)改善濾餅質(zhì)量，強(qiáng)化封堵；以低熒光潤(rùn)滑劑及固體潤(rùn)滑劑提升潤(rùn)滑性；以隨鉆堵漏劑提高防漏能力。通過(guò)K+、Ca2+復(fù)配使用強(qiáng)化對(duì)井壁和鉆屑的抑制作用。隨井溫升高，三開(kāi)井段采用鉀鈣基聚磺鉆井完井液體系：4%坂土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH(NaOH)+0.8%JT888(SP-8、Redu1、HJ-3)/0.4% AP220+0.8%PMHA-2(?A367、IND10、JB66)/0.4%AHB+0.5%復(fù)配銨鹽+2%SPNH+2%SMP-2(粉)(RST?)+7%KCl+2%有機(jī)硅抑制劑+5%～6%天然瀝青粉(R?-9、白瀝青)+0.1%～0.2%乳化劑(SP-80、ABSN)+0.2%～0.5%CaO+0.5%低熒光潤(rùn)滑劑+0.5%固體潤(rùn)滑劑+2%超細(xì)碳酸鈣+1%WC-1+2%～3%隨鉆堵漏劑+重晶石。鉆進(jìn)中K+濃度控制在大于25000mg/L，Ca2+濃度控制在300～600mg/L之間，采取逐步增多的方式補(bǔ)充CaO。

2.2 鉆井技術(shù)應(yīng)用

鉆具組合方面，三疊系以上地層可鉆性好，適合井下動(dòng)力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)，二開(kāi)井段鉆具組合為：?311.2mm鉆頭+?228.6mm螺桿+止回閥+?228.6mm鉆鋌1根+?311mm扶正器+?228.6mm鉆鋌2根+?203.2mm鉆鋌6根+?177.8mm鉆鋌9根+?177.8mm隨鉆震擊器+?177.8mm鉆鋌3根+?139.7mm鉆桿。依據(jù)鉆頭選型及鉆進(jìn)參數(shù)使用情況，具體應(yīng)用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可簡(jiǎn)化鉆鋌數(shù)量，采用高轉(zhuǎn)速低鉆壓方式鉆進(jìn)提高機(jī)械鉆速。三開(kāi)井段使用單鐘擺鉆具組合：?215.9mm鉆頭+止回閥+?158.8mm鉆鋌2根+?214mm扶正器+?158.8mm鉆鋌25根+?158.8mm隨鉆震擊器+?158.8mm鉆鋌3根+?127mm鉆桿。受深部風(fēng)城組及佳木禾組井段地層可鉆性差影響，具體應(yīng)用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可強(qiáng)化鉆鋌數(shù)量，滿足強(qiáng)化鉆壓或配合使用相關(guān)提速工具的需要。

鉆頭選型方面，實(shí)鉆結(jié)果表明二開(kāi)井段采用1～3只強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭鉆穿吐谷魯群、侏羅系砂泥巖地層。見(jiàn)表1。三疊系、二疊系含砂礫巖較多，受埋深變深巖性逐漸致密、可鉆性變差影響，配套使用提速工具后部分井取得了較高的機(jī)械鉆速。見(jiàn)表2。鉆進(jìn)過(guò)程中ST-2井、CP-24井主要使用扭力沖擊器+PDC鉆頭鉆進(jìn)，ST-001井使用螺桿井下動(dòng)力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，ST-002井采用常規(guī)方式鉆進(jìn)、強(qiáng)化了PDC鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)，鉆壓達(dá)到130～150kN。

表1 ?311.2mm典型PDC鉆頭技術(shù)指標(biāo)

表2 ?215.9mm典型PDC鉆頭技術(shù)指標(biāo)

整體上，除二疊系風(fēng)城組、佳木禾組機(jī)械鉆速較低外，該區(qū)可鉆性好井段進(jìn)尺占比較多，平均機(jī)械鉆速較高，鉆井速度較快。部分井技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 部分井技術(shù)指標(biāo)

3 尚待攻關(guān)的問(wèn)題及對(duì)策

三開(kāi)井段巖性差異性較大，除上述分析的機(jī)械鉆速低的因素之外，影響該井段鉆井速度的主要因素有單只鉆頭進(jìn)尺少、起下鉆次數(shù)多，降低了整體鉆井速度。見(jiàn)表4。

表4 三開(kāi)井段換鉆頭及取芯起下鉆次數(shù)

3.1 提高褐色泥巖地層機(jī)械鉆速

百口泉組及上烏爾禾組往往發(fā)育褐色泥巖，軟件計(jì)算表明該地層可鉆性較好。但是，受塑性系數(shù)較高的影響，鉆頭選型困難。PDC鉆頭表現(xiàn)出鉆進(jìn)沒(méi)有正常波動(dòng)的扭矩、扭矩基值低，對(duì)參數(shù)調(diào)整不敏感，鉆時(shí)極慢、每米鉆時(shí)可高達(dá)300min以上。隨所鉆井地理位置不同褐色泥巖井段的厚度也不一樣。ST-2井在百口泉組底界鉆遇該套地層11m，每米鉆時(shí)50～120min，使用扭力沖擊器配型號(hào)U516S的PDC鉆頭強(qiáng)行鉆進(jìn)穿過(guò)。ST-002井距離ST-2井1.57km，在百口泉底部鉆遇相同地層，國(guó)產(chǎn)516型號(hào)平面齒PDC鉆頭鉆時(shí)高達(dá)220min以上，考慮到鉆穿該套地層后兼顧鉆上烏爾禾組的需要更換型號(hào)為U516S的PDC鉆頭并帶扭力沖擊器鉆進(jìn)、鉆頭與ST-2井相同，鉆時(shí)慢、高達(dá)300min。換HJ517GK牙輪鉆頭鉆進(jìn)機(jī)械鉆速2m/h左右。ST-002井累計(jì)鉆遇此套地層厚度45m，僅此單層造成多起下兩趟鉆換鉆頭。CP-24井在上烏爾禾組鉆遇相似的褐色泥巖，使用型號(hào)為U419S的PDC鉆頭帶扭力沖擊器鉆進(jìn)2m、機(jī)械鉆速僅為0.29m/h，更換HJ517系列牙輪鉆頭，兩只牙輪鉆頭鉆進(jìn)331m，平均機(jī)械鉆速1.85m/h。鉆穿此地層后使用型號(hào)為U519S的PDC鉆頭并帶扭力沖擊器鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速卻可達(dá)到4.3m/h。這種塑性系數(shù)較高的褐色泥巖對(duì)鉆頭選型、技術(shù)配套使用以及現(xiàn)場(chǎng)操作影響較大，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

針對(duì)提高塑性系數(shù)高地層的鉆井速度，國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)介紹了一些技術(shù)應(yīng)用情況，如使用尖齒增強(qiáng)PDC鉆頭的攻擊性解決PDC復(fù)合片吃入地層困難的問(wèn)題，或配套使用螺桿鉆具提高單位時(shí)間內(nèi)破碎地層的頻率等。但是，受眾多因素影響，這些技術(shù)在不同區(qū)域的普遍適用性較差，尚欠缺深入的機(jī)理分析。針對(duì)此難題，國(guó)外學(xué)者在理論上進(jìn)行了解釋，改進(jìn)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用[1]。用于這種異常情況的一種理論假設(shè)是存在積屑瘤(BUE)層。當(dāng)?shù)貙颖磺邢鲿r(shí)，少量的巖屑沒(méi)有隨排出的巖屑一起被清除，而是粘附在切削齒刃上形成積屑瘤。積屑瘤的存在可使切削齒表現(xiàn)出鈍化、它使作用力分布到粘附物質(zhì)的整個(gè)面積上，巖屑從切削齒表面移開(kāi)十分困難，從而使切削齒不受高鉆頭載荷的影響。從微觀角度解釋，積屑瘤現(xiàn)象即為切削齒泥包。依據(jù)此理論假設(shè)，針對(duì)此問(wèn)題提出了采用拋光技術(shù)降低PDC復(fù)合片摩擦系數(shù)的建議，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)取得了明顯效果。分析ST-002井鉆遇該套地層前后使用516系列兩種型號(hào)PDC鉆頭，前者為平面齒、后者為異形齒，異形齒切削面較平面齒排屑難度更大，從而造成兩種型號(hào)鉆頭鉆時(shí)的差異。目前，在國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)高拋光PDC齒技術(shù)應(yīng)用的更多介紹。

3.2 提高風(fēng)城組鉆進(jìn)速度

針對(duì)高抗壓強(qiáng)度、砂礫巖發(fā)育的風(fēng)城組地層，配套使用產(chǎn)生縱向沖擊的旋轉(zhuǎn)沖擊提速工具，提高鉆井速度。ST-2井使用多維提速工具配合PDC鉆頭，鉆進(jìn)機(jī)械鉆速1.7m/h，在一定程度上解決了難題。

3.3 鉆頭選型技術(shù)建議

基于上述分析，作者認(rèn)為在該區(qū)鉆井，優(yōu)化鉆頭選型技術(shù)思路：第一趟鉆使用螺桿鉆具配合型號(hào)為519系列的PDC鉆頭鉆進(jìn)，或使用PDC鉆頭采用常規(guī)方式鉆進(jìn)，鉆至紅褐色泥巖慢鉆時(shí)地層起鉆。第二趟鉆簡(jiǎn)化鉆頭選型、使用HJ517GK牙輪鉆頭鉆穿紅褐色塑性泥巖井段，起過(guò)渡作用。第三趟鉆使用螺桿鉆具配復(fù)合鉆頭解決上烏爾禾組、夏子街組、風(fēng)城組砂礫巖及致密泥巖巖性變化產(chǎn)生的鉆頭選型難題，提高行程鉆速。DT-1井使用螺桿鉆具配復(fù)合鉆頭平均機(jī)械鉆速可達(dá)4m/h，成功解決砂礫巖及泥巖互層井段機(jī)械鉆速低的難題。若鉆穿紅褐色泥巖后進(jìn)入佳木河組地層，則直接使用扭力沖擊器配合型號(hào)為U516S的PDC鉆頭鉆進(jìn)，提高機(jī)械鉆速。

4 結(jié)論

(1)井下動(dòng)力鉆具配復(fù)合鉆頭可以解決上烏爾禾組及夏子街組、風(fēng)城組鉆頭選型技術(shù)難題，減少起下鉆，提高行程鉆井速度。

(2)佳木禾組使用扭力沖擊器配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，可以提高機(jī)械鉆速。