李秀彬 李 晨 解俊昱 金庭科 易韶華 石巧資

(中國石油西部鉆探地質(zhì)研究院)

0 引 言

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶四棵樹凹陷區(qū)是一個(gè)油氣較富集區(qū)，由于構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，鉆探成功率低，四棵樹凹陷高泉地區(qū)目前勘探程度偏低。鑒于高泉東背斜位于四棵樹凹陷西南部，侏羅系圈閉具有早期古凸構(gòu)造背景，是四棵樹凹陷勘探的有利區(qū)塊，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司在四棵樹凹陷高泉東背斜部署了重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井——GT 1井。該井的成功鉆探以及試獲千噸油流，是準(zhǔn)噶爾盆地油氣勘探史上重要的里程碑，對于南緣地區(qū)勘探進(jìn)程意義重大，證實(shí)了準(zhǔn)噶爾盆地南緣前陸大型油氣富集區(qū)的存在，也為南緣下步規(guī)?？碧教峁┝藢氋F的經(jīng)驗(yàn)[1]。

由于四棵樹地區(qū)斷裂十分發(fā)育，分布特點(diǎn)表現(xiàn)為凹陷區(qū)斷裂稀少，隆起區(qū)斷裂密集，高泉背斜斷裂發(fā)育，構(gòu)造地質(zhì)特征復(fù)雜，鉆井施工困難，急需一套適應(yīng)該區(qū)超深超高壓復(fù)雜深井的工程輔助一體化技術(shù)，保障GT 1井成功完井。

1 鉆井施工難點(diǎn)分析

根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶區(qū)域研究及前期實(shí)鉆資料表明，GT 1井鉆探有4方面鉆井施工難點(diǎn)。

(1)區(qū)域及鄰井資料少：四棵樹凹陷鄰井有GQ 1井和XH 1井，僅有XH 1井鉆揭下組合地層(包括白堊系吐谷魯群，侏羅系齊古組、頭屯河組)，且整個(gè)南緣沖斷帶也僅DS 1井和DF 1井鉆遇下組合地層。

(2)鉆遇地層多，存在多套壓力系統(tǒng)：本井鉆遇第四系，新近系獨(dú)山子組、塔西河組、沙灣組，古近系安集海河組、紫泥泉子組，白堊系及侏羅系頭屯河組。存在新近系塔西河組、古近系安集海河組及白堊系吐谷魯群三套異常高壓層，最高地層壓力系數(shù)達(dá)1.95。

(3)地層敏感性強(qiáng)，目的層砂體變化快、物性差異大：新近系塔西河組發(fā)育多層厚度大、水敏性強(qiáng)的膏質(zhì)泥巖層，易造成井眼縮徑、垮塌；古近系安集海河組發(fā)育巨厚水敏性強(qiáng)的塑性泥巖層，鉆井過程中易發(fā)生井漏與卡鉆。

(4)可能鉆遇斷層或破碎帶：四棵樹地區(qū)斷裂十分發(fā)育且活動(dòng)頻繁，雖然凹陷區(qū)斷裂稀少，但隆起區(qū)斷裂密集，規(guī)模較大，地層復(fù)雜，易造成潛在工程風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程錄井系列技術(shù)應(yīng)用

工程錄井是一門綜合技術(shù)[2-3]，鉆探過程中，結(jié)合區(qū)域?qū)嶃@資料，利用工程錄井系列技術(shù)，可預(yù)測、預(yù)警及預(yù)判復(fù)雜地層，進(jìn)而給出合理建議，從而在一定程度上避免工程風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。GT 1井通過鉆前工程錄井策劃、鉆中地層壓力預(yù)測與評價(jià)、工程地質(zhì)預(yù)警、工程參數(shù)異常監(jiān)測及預(yù)報(bào)、掉塊實(shí)時(shí)跟蹤及阻卡目視化管理等地質(zhì)工程一體化技術(shù)的應(yīng)用，成功助力該井安全、高效完成施工。

2.1 工程錄井策劃技術(shù)

鉆前完成工程錄井策劃書，明確地質(zhì)目的，預(yù)測本井鉆探施工難點(diǎn)，提出工程錄井重點(diǎn)及具體措施，提示不同層段可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況。根據(jù)本井鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)，GQ 1、XH 1及DS 1井等鄰井實(shí)鉆資料，結(jié)合南緣沖斷帶高泉地區(qū)區(qū)域資料分析，對地質(zhì)分層、地層厚度、地層壓力、斷層位置準(zhǔn)確與否做仔細(xì)分析。鉆中從一開到四開完井分階段、環(huán)節(jié)及開次單獨(dú)策劃，切實(shí)做到早計(jì)劃、早準(zhǔn)備、早安排、早落實(shí)。鉆揭對應(yīng)段及地層時(shí)，對井下可能出現(xiàn)的復(fù)雜做充分估計(jì)，制定相應(yīng)預(yù)防方案和解決措施。

GT 1井主要工程風(fēng)險(xiǎn)如下：

(1)設(shè)計(jì)井深5 980 m，鉆遇地層多，存在多套壓力系統(tǒng)，窄密度窗口鉆井風(fēng)險(xiǎn)高。

(2)新近系塔西河組發(fā)育層具有多層厚度大的膏質(zhì)泥巖層，膏質(zhì)泥巖層及欠壓實(shí)泥巖吸水膨脹，水敏性強(qiáng)，易造成井眼縮徑、垮塌，預(yù)計(jì)GT 1井塔西河組膏質(zhì)泥巖井段為2 325～3 880 m，提示注意防卡。

(3)古近系安集海河組發(fā)育巨厚塑性泥巖層，地層水敏性強(qiáng)，易垮塌導(dǎo)致卡鉆，預(yù)計(jì)GT 1井安集海河組井段為4 920～5 335 m。

(4)白堊系吐谷魯群底部地層存在出液可能，破壞鉆井液體系，造成井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致井下垮塌，預(yù)計(jì)GT 1井吐谷魯群井段為5 400～5 795 m。

2.2 地層壓力預(yù)測與評價(jià)技術(shù)

主要采取鉆前壓力預(yù)測評價(jià)和隨鉆檢測修正的方法評價(jià)地層壓力，通過計(jì)算有效應(yīng)力與聲波的關(guān)系,進(jìn)而計(jì)算有構(gòu)造應(yīng)力條件下的地層壓力，修正地層壓力模型，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)dc指數(shù)法的不足。現(xiàn)場每日出具地層壓力評價(jià)報(bào)告，及時(shí)反饋地層壓力研究分析成果，為本井裸眼段多壓力系統(tǒng)共存和窄安全窗口下的鉆井合理施工提供了技術(shù)支持。

2.2.1 鉆前壓力預(yù)測評價(jià)

通過對區(qū)域資料分析，選擇Fan經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行地層孔隙壓力預(yù)測[4]。預(yù)測GT 1井新近系獨(dú)山子組、塔西河組上部基本為正常壓力系統(tǒng)，壓力系數(shù)在1.03左右，塔西河組中下部、古近系安集海河組和白堊系吐谷魯群為三套異常高壓地層，壓力系數(shù)1.4～1.95，新近系沙灣組、古近系紫泥泉子組及侏羅系壓力稍低，建議GT 1井鉆井液密度控制在1.0～2.1 g/cm3之間。

收集GQ 1、XH 1、DS 1井等鄰井測井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)的砂泥巖地層沉積特征，通過Drillworks預(yù)測本井地層壓力，利用鄰井聲波及上覆巖層重量，建立地層壓力模型[5-6]，對采用地震預(yù)測提供的主探層地層壓力進(jìn)行修正(圖1)。如圖2所示，原方案主探層最高地層壓力系數(shù)為1.95，經(jīng)過修正，預(yù)測最高地層壓力系數(shù)為2.25，兩者相差0.3。準(zhǔn)確預(yù)測主探層地層壓力系數(shù)，在發(fā)現(xiàn)保護(hù)油氣層的基礎(chǔ)上，提前建議提高鉆井液密度，可有效規(guī)避井控風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 GT 1井地層壓力預(yù)測模型

圖2 GT 1井地層壓力預(yù)測對比圖

2.2.2 鉆中監(jiān)測評價(jià)

GT 1井鉆探過程中，對井段18～5 920 m進(jìn)行隨鉆地層壓力監(jiān)測，據(jù)修正過的地層壓力模型可把本井地層壓力分為9段(表1)。準(zhǔn)確、及時(shí)的地層壓力監(jiān)測與評價(jià)，利于宏觀上掌握上、中、下3套組合地層的壓力分布規(guī)律。上組合新近系獨(dú)山子組、塔西河組頂部為正常壓力，塔西河組中下部為異常高壓，沙灣組壓力回落；中組合古近系安集海河組、紫泥泉子組壓力明顯抬升，為異常高壓；下組合白堊系清水河組底部壓力達(dá)到最高，往下侏羅系壓力略有回落。鉆揭白堊系清水河組主力層之前即預(yù)報(bào)異常高壓的存在，切實(shí)避免了部分潛在工程復(fù)雜的發(fā)生，為該區(qū)域后續(xù)鉆探提供指導(dǎo)依據(jù)。

表1 GT 1井地層壓力監(jiān)測成果數(shù)據(jù)

2.3 工程地質(zhì)預(yù)警技術(shù)

對本井地質(zhì)信息進(jìn)行了全面收集，包括巖礦信息，如礫石含量變化、粒徑變化、泥質(zhì)含量變化、石膏及方解石含量變化；斷層或破碎帶信息，如巖屑量的變化、劃痕特征及鉆井液溫度變化等。為鉆井工程提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，有利于工程方案及時(shí)指導(dǎo)及完善。例如:對塔西河組下部至沙灣組上部地質(zhì)信息收集分析后發(fā)現(xiàn)，由于沙灣組地層較塔西河組石膏含量明顯增加，如表2所示，蠕變縮徑情況加劇，局部井段有垮塌現(xiàn)象，如果掉塊較大會(huì)造成鉆進(jìn)中頂驅(qū)蹩停及阻卡。為了穩(wěn)定井壁，調(diào)整鉆井液密度范圍介于2.05～2.06 g/cm3，順利鉆穿沙灣組上部地層。

表2 GT 1井N1t-N1s石膏含量統(tǒng)計(jì)

2.4 工程參數(shù)異常監(jiān)測及預(yù)報(bào)技術(shù)

對本井各項(xiàng)工程參數(shù)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對參數(shù)變化及時(shí)進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，對準(zhǔn)確判斷鉆機(jī)工作狀態(tài)及確保鉆井安全起到了重要的作用。

全井鉆井過程中預(yù)報(bào)工程參數(shù)異常53次，其中氣侵1次、溢流1次、井漏3次、鉆頭磨損12次、阻卡35次、泵上水效率低1次，預(yù)報(bào)率、準(zhǔn)確率均為100%。例如:鉆至井深1 015.42 m(層位：第四系)，鉆頭純鉆時(shí)間達(dá)95 h，扭矩由間斷性大幅波動(dòng)向連續(xù)性大幅波動(dòng)過渡，扭矩在4.36～21.65 kN·m之間波動(dòng)，且有加劇趨勢(圖3)，判斷為鉆頭磨損，建議井隊(duì)提鉆檢查鉆具。井隊(duì)提鉆后發(fā)現(xiàn)，鉆頭外圍一、二排牙齒已經(jīng)全部脫落，牙輪也有一定的松動(dòng)。

圖3 GT 1井井深1 015.42 m扭矩異常預(yù)報(bào)

2.5 掉塊實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)

本井通過連續(xù)統(tǒng)計(jì)掉塊含量、大小、磨圓程度，建立掉塊跟蹤檔案，通過掉塊特征追蹤地層，分析井壁穩(wěn)定性，提前預(yù)判可能存在的復(fù)雜，為優(yōu)化鉆井液性能提供了保障。

例如:鉆至井深3 176.22 m(層位：塔西河組)時(shí)，掉塊開始增多，絕大部分為深灰色泥巖塊、少量褐色泥巖塊，掉塊直徑在5～8 cm之間，最大可達(dá)11 cm，大部分掉塊可見磨圓面(圖4)。通過分析認(rèn)為，掉塊直徑較大且已經(jīng)出現(xiàn)磨圓，如再鉆井可能出現(xiàn)阻卡，建議活動(dòng)鉆具，且調(diào)整鉆井液性能。井隊(duì)采納后，上提下放鉆具，開泵倒劃眼，劃眼過程中頻繁出現(xiàn)蹩停頂驅(qū)現(xiàn)象，劃眼至3 170 m遇阻，最大403 kN，上提最大380 kN，頂驅(qū)蹩停，震擊器工作解卡。同時(shí)將鉆井液密度調(diào)整為2.4 g/cm3后，復(fù)雜解除。

2.6 阻卡目視化管理

結(jié)合已鉆井段的施工情況提出下部井段的施工建議和應(yīng)對措施，以地質(zhì)資料指導(dǎo)處理，使得出現(xiàn)的復(fù)雜能夠被控制在初期階段，從而避免進(jìn)一步擴(kuò)大化，為安全鉆井提供有力的保障。

本井對每次提下鉆進(jìn)行監(jiān)控，確定其掛卡、遇阻井段，繪制包括地層、井深、巖性、特殊含有物含量及阻卡段的示意圖，并用不同顏色表示其嚴(yán)重程度。通過阻卡目視化管理，結(jié)合地層信息分析阻卡原因，為工程措施提供依據(jù)。如圖5所示，本井共阻卡35次，三開段在塔西河組、沙灣組及安集海河組鉆進(jìn)過程中阻卡現(xiàn)象較為頻繁，嚴(yán)重影響到了工程時(shí)效。

圖5 GT 1井提下鉆阻卡示意圖

在實(shí)鉆中，對鉆井過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行分析， 塔西河組、沙灣組及安集海河組引發(fā)阻卡的原因主要有以下兩點(diǎn)：

(1)硬性掉塊卡鉆：受地層應(yīng)力影響，已鉆井段在穩(wěn)定之前會(huì)剝落一定量的掉塊且多為硬、脆性的泥巖掉塊。由于使用油基鉆井液，掉塊不能水化分散，且油基鉆井液所鉆井眼的井徑較水基鉆井液更為規(guī)則、擴(kuò)大率較低，掉塊經(jīng)過積累后容易在扶正器和鉆頭處堆積，從而引發(fā)卡鉆。

(2)巖石蠕變卡鉆：塔西河組、沙灣組地層中含石膏較為普遍，膏質(zhì)巖類容易發(fā)生周期性蠕變縮徑引發(fā)卡鉆。

3 結(jié) 論

準(zhǔn)噶爾盆地南緣地質(zhì)特征復(fù)雜，地層傾角高陡、地應(yīng)力復(fù)雜、井壁穩(wěn)定性差、多套壓力系統(tǒng)共存及井底高溫高壓等復(fù)雜的地質(zhì)條件，使得鉆井施工風(fēng)險(xiǎn)高，效率提升難。通過工程錄井系列技術(shù)的應(yīng)用，鉆前預(yù)測地層壓力、預(yù)判復(fù)雜并制定預(yù)防方案，建議合理的鉆井液密度，避免井控風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)保障安全、快速鉆進(jìn)；鉆中加強(qiáng)工程參數(shù)異常監(jiān)測及工程地質(zhì)預(yù)警、預(yù)報(bào)，判斷鉆機(jī)工作狀態(tài)，提示井下巖礦、斷層、破碎帶等地質(zhì)信息，掉塊實(shí)時(shí)跟蹤及阻卡目視化管理，分析井壁穩(wěn)定性，判斷阻卡井段，總結(jié)阻卡原因，為工程措施提供依據(jù)，為安全鉆井提供保障。

工程錄井系列技術(shù)在GT 1井應(yīng)用效果顯著，保障和助力了該井的優(yōu)質(zhì)高效鉆探施工，形成一套適應(yīng)該區(qū)超深超高壓復(fù)雜深井的工程輔助一體化技術(shù)，為盆地南緣地區(qū)后續(xù)規(guī)?？碧教峁┝擞行У你@探施工技術(shù)指導(dǎo)。