孫家祥 趙洪山 馬莉

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

0 引 言

準(zhǔn)噶爾盆地腹部下伏沙灣凹陷、 阜康凹陷、 盆1 井西凹陷、 東道海子凹陷等4 大生烴凹陷[1-2],深部以二疊系、 三疊系為主的下組合為源內(nèi)-近源成藏, 發(fā)育了優(yōu)越的烴源巖和儲(chǔ)集層, 勘探潛力巨大[3-5]。 該盆地清水河組以深地層面臨不確定因素多、 可鉆性差、 壓力體系復(fù)雜及井壁穩(wěn)定性差等諸多難題, 在鉆井過程中溢、 漏、 塌、 卡等復(fù)雜情況頻繁發(fā)生, 給超深井施工帶來較大的難度。 征10井是勝利油田部署在準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷北部斜坡的一口重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井, 設(shè)計(jì)井深7 650 m, 完鉆層位為二疊系下烏爾禾組。 針對征10 井復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井難點(diǎn), 通過深入開展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、異型齒PDC 鉆頭研制、 高效井壁穩(wěn)定鉆井液及恒定井底壓力鉆井等技術(shù)的研究, 初步形成準(zhǔn)噶爾盆地腹部以二疊系、 三疊系為勘探目標(biāo)的超深井鉆井配套技術(shù), 安全高效開展征10 井的鉆探任務(wù), 以期對今后準(zhǔn)中地區(qū)復(fù)雜超深井的鉆井提速提效提供重要的指導(dǎo)。

1 征10 井地質(zhì)概況

征10 井位于準(zhǔn)噶爾盆地莫西莊-永進(jìn)探區(qū)南部的征沙村地區(qū), 東鄰莫索灣凸起, 北鄰中拐凸起, 西部為車排子凸起南端。 鉆遇地層自上而下依次為新生界第四系、 新近系、 古近系, 中生界白堊系(東溝組、 連木沁組、 勝金口組、 呼圖壁組、清水河組), 侏羅系(三工河組、 八道灣組), 三疊系(白堿灘組、 克拉瑪依組、 百口泉組), 以及上古生界二疊系上烏爾禾組和下烏爾禾組地層。 鉆探目的主要是探索沙灣凹陷二疊系上烏爾禾組大型超覆背景下背斜圈閉含油氣情況, 同時(shí)兼探三疊系百口泉組、 侏羅系八道灣組背斜圈閉、 三工河組巖性圈閉的含油氣性, 實(shí)現(xiàn)多層系立體勘探。

根據(jù)征10 井地震資料解釋及鄰井實(shí)鉆資料分析, 該井地質(zhì)條件較為復(fù)雜, 主要表現(xiàn)如下。

(1) 清水河組以淺地層: 埋深0～4 900 m, 以大段泥巖為主, 造漿能力強(qiáng), 易吸水膨脹造成縮徑, 同時(shí)局部微裂縫發(fā)育, 地層坍塌壓力高, 易剝蝕掉塊、 垮塌; 地層壓力為常壓, 壓力系數(shù)1.00～ 1.20。

(2) 三工河組地層: 埋深4 900 ～5 200 m, 以含礫粗砂巖、 含礫中砂巖、 中砂巖、 泥巖為主, 其中泥巖性脆、 微裂縫發(fā)育, 易發(fā)生剝蝕掉塊; 三工河組二段壓力系數(shù)1.20～1.40, 三工河組一段壓力逐漸升高、 壓力系數(shù)在1.40～1.60 之間。

(3) 八道灣組地層: 埋深5 200 ～5 920 m, 上部巖性以細(xì)砂巖、 泥質(zhì)細(xì)砂巖、 粉砂巖為主, 下部巖性主要為含礫細(xì)砂巖、 泥質(zhì)細(xì)砂巖、 細(xì)砂巖夾泥巖、 砂質(zhì)泥巖, 局部含有黑色炭質(zhì)泥巖、 黑色煤層, 易垮塌、 掉塊; 預(yù)測地層壓力為異常高壓, 壓力系數(shù)1.60～1.70。

(4) 三疊系地層: 埋深5 920～7 230 m, 以泥巖、 砂質(zhì)泥巖為主, 夾含礫細(xì)砂巖、 含礫泥質(zhì)細(xì)砂巖、 細(xì)砂巖等; 由于該井區(qū)三疊系無井鉆遇, 根據(jù)鄰區(qū)沙探1 井、 莫深1 井等實(shí)測壓力數(shù)據(jù), 預(yù)測該井地層壓力為異常高壓, 壓力系數(shù)1.70～2.15。

(5) 二疊系地層: 埋深7 230～7 650 m, 上部巖性以泥巖、 砂質(zhì)泥巖為主, 夾砂礫巖、 含礫細(xì)砂巖、 泥質(zhì)粉砂巖, 下部巖性主要為泥巖、 砂質(zhì)泥巖; 結(jié)合沙探1、 莫深1 等井實(shí)測壓力分析, 預(yù)測地層壓力為異常高壓, 壓力系數(shù)2.00～2.15。

2 鉆井工程難點(diǎn)分析

(1) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大。 征10 井作為準(zhǔn)噶爾盆地腹部的一口風(fēng)險(xiǎn)探井, 首次在沙灣凹陷二疊系烏爾禾組實(shí)施勘探, 不可預(yù)見因素較多, 實(shí)際地質(zhì)情況與預(yù)計(jì)可能存在一定差別, 并且隨著井深增加, 地層深度、 厚度及壓力等不確定性將會(huì)隨之增加[6-7]。 因此, 三疊系以深地層鉆進(jìn)過程中可能存在井漏、 溢流、 井塌等復(fù)雜情況, 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮地層與壓力情況的變化, 為各開次安全鉆井留有余地, 以保證達(dá)到鉆探目的。

(2) 深部地層可鉆性差、 機(jī)械鉆速低。 侏羅系以深部分地層巖石力學(xué)特性參數(shù)如表1 所示。

表1 侏羅系以深部分地層巖石力學(xué)特性參數(shù)Table 1 Rock mechanical properties of some strata below Jurassic

根據(jù)鄰井巖心室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果, 征10 井侏羅系以深地層PDC 鉆頭可鉆性級值為5.65 ～7.23,硬度普遍大于1 000 MPa, 加上局部夾雜含礫砂巖、 砂礫巖等巖性, 導(dǎo)致深部地層鉆進(jìn)期間機(jī)械鉆速低、 單趟鉆進(jìn)尺較少。 例如, 成6 井三開主要鉆遇三疊系、 二疊系地層, 鉆進(jìn)井段5 102～6 950 m,段長1 848 m, 共計(jì)使用10 只PDC 鉆頭, 平均機(jī)械鉆速1.31 m/h, 平均單只鉆頭進(jìn)尺183.90 m,嚴(yán)重影響了全井的機(jī)械鉆速和鉆井周期。

(3) 清水河組以深地層井壁穩(wěn)定性較差。 經(jīng)分析, 井壁失穩(wěn)原因一方面是由于清水河組以深地層砂泥巖互層嚴(yán)重, 泥巖具有較強(qiáng)的水化膨脹性能, 坍塌壓力高, 易剝蝕掉塊、 垮塌; 另一方面是由于局部井段發(fā)育大量微納米級間隙和裂縫, 鉆井液難以形成有效封堵, 濾液不斷侵入, 容易造成井壁周期性垮塌, 從而引起阻卡等復(fù)雜情況。 例如,莫深1 井鉆進(jìn)期間累計(jì)在清水河組、 八道灣組、 克拉瑪依組等地層發(fā)生了7 次遇阻和3 次卡鉆情況;征11 井清水河組以深地層鉆進(jìn)期間, 平均井徑擴(kuò)大率為17.33%, 最高達(dá)36.26%, 累計(jì)發(fā)生了4 次短起下遇阻和2 次電測遇阻情況, 井壁失穩(wěn)問題較為突出。

(4) 深部地層壓力窗口窄、 安全鉆進(jìn)難度大。根據(jù)征10 井地層壓力預(yù)測及鄰井實(shí)鉆情況, 預(yù)計(jì)侏羅系以深地層普遍存在異常高壓, 壓力系數(shù)自三工河組一段開始逐漸升高, 至三疊系達(dá)到最大的2.15。 此外, 由于三疊系百口泉組、 二疊系上烏爾禾組、 下烏爾禾組等地層裂縫較為發(fā)育, 表明深部地層鉆進(jìn)期間可能出現(xiàn)溢漏同存情況的發(fā)生。 例如, 沙探1 井三開三疊系和二疊系鉆進(jìn)期間, 分別發(fā)生了1 次氣侵、 2 次溢流及4 次井漏情況, 給安全快速鉆井帶來了較大難度。

3 優(yōu)快鉆井技術(shù)對策

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

準(zhǔn)噶爾盆地腹部征沙村地區(qū)前期部署的施工井完鉆層位均為侏羅系三工河組一段, 通常采用?339.7 mm+?244.5 mm+?139.7 mm 井身結(jié)構(gòu)方案。以2019 年完鉆的征8 井為例, 其中: 一開?339.7 mm 表層套管下深1 200 m, 封固上部松散地層;二開?244.5 mm 技術(shù)套管下深4 320 m, 封隔呼圖壁組易垮塌層段, 為鉆開下部高壓地層創(chuàng)造條件;三開?139.7 mm 油層套管下深5 222 m 完井。 從施工情況來看, 征8 井除三開發(fā)生6 次短起下遇阻情況之外, 總體施工較為順利, 設(shè)計(jì)鉆井周期70.11 d, 實(shí)鉆周期78.88 d, 較設(shè)計(jì)周期增加8.77 d。

為了探索二疊系上烏爾禾組大型超覆背景下的含油氣情況, 征10 井首次在沙灣凹陷三疊系、 二疊系地層實(shí)施勘探。 考慮到清水河組以深地層的井壁失穩(wěn)、 異常高壓以及三疊系、 二疊系地層不確定性等問題, 在借鑒征8 井、 莫深1 井等鄰井設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 采用自上而下與自下而上相結(jié)合的方法, 通過合理必封點(diǎn)位置及套管下深的優(yōu)化[8-10],征10 井設(shè)計(jì)采用了三級備四級的井身結(jié)構(gòu)方案,如圖1 所示。 各地層井深如表2 所示。

圖1 征10 井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Casing program of Well Zheng 10

表2 地層井深數(shù)值Table 2 Well depth in target layers

征10 井設(shè)計(jì)思路為: ①一開?339.7 mm 表層套管下深2 000 m 左右, 封隔新近系、 古近系松散地層, 減少下開次裸眼井段長度, 建立一定的井口控制能力; ②二開?244.5 mm 技術(shù)套管下深5 050 m 左右, 封隔三工河組二段承壓能力較低的常壓地層, 為下開次打開主探目的層和預(yù)計(jì)高壓地層的安全鉆井創(chuàng)造條件; ③正常情況下, 三開使用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深7 650 m, 下入?139.7 mm 油層套管完井; ④若施工中遇見難以處理的復(fù)雜情況, 設(shè)計(jì)三開預(yù)留了1 層套管, 可在?215.9 mm 井眼內(nèi)下入?177.8 mm 套管后, 井身結(jié)構(gòu)改為四開次結(jié)構(gòu), 然后四開使用?149.2 mm 鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深后, 再根據(jù)油氣顯示情況決定是否下入?114.3 mm 尾管。

3.2 異型齒PDC 鉆頭+螺桿鉆具提速技術(shù)

3.2.1 異型齒PDC 鉆頭研制

征10 井二開主要鉆進(jìn)白堊系及侏羅系三工河組二段地層, 盡管地層巖性以大段泥巖為主, 然而由于東溝組、 清水河組及三工河組等地層局部含有礫石, 使用常規(guī)PDC 鉆頭容易出現(xiàn)崩齒、 斷齒等問題, 所以二開鉆頭設(shè)計(jì)應(yīng)以提高機(jī)械鉆速為主,同時(shí)兼具一定抗沖擊性能。 在分析鄰井鉆頭應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上, 采用異型齒與平面齒混布技術(shù), 研制了一種?311.2 mm MQ516J 型屋脊齒PDC 鉆頭, 如圖2 所示。

圖2 MQ516J 型屋脊齒PDC 鉆頭Fig.2 MQ516J ridged-cutter PDC bit

從圖2 可見: 該鉆頭采用5 刀翼、 16 mm 高壓屋脊齒、 單排齒、 中等布齒密度設(shè)計(jì), 可以提高二開整體機(jī)械鉆速; 冠部輪廓采用中深內(nèi)錐-短外錐形狀設(shè)計(jì), 后排搭配減震齒, 在以砂礫巖為主的地層中鉆進(jìn), 有利于延長鉆頭壽命; 通過優(yōu)化水力結(jié)構(gòu), 采用大水槽不均分設(shè)計(jì)和8 水眼配置, 有利于增強(qiáng)高壓噴射輔助破巖效果。

根據(jù)征10 井的地質(zhì)及工程設(shè)計(jì), 三開主要鉆進(jìn)侏羅系三工河組一段以深地層, 設(shè)計(jì)井段長2 598 m, 是該井鉆井提速的重點(diǎn)井段。 面臨的難題主要是砂礫巖、 塑性泥巖可鉆性較差、 研磨性強(qiáng), 鉆進(jìn)期間機(jī)械鉆速普遍低于1.50 m/h, 單趟鉆進(jìn)進(jìn)尺小于200 m, 造成起下鉆次數(shù)多, 鉆井時(shí)效偏低。 三開鉆頭設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)PDC 耐磨性能,以延長鉆頭使用壽命為主[11-13]。 為此, 研制了一種?215.9 mm MQ513 型異型齒PDC 鉆頭, 如圖3 所示。

圖3 MQ513 型異型齒PDC 鉆頭Fig.3 MQ513 concave-cutter PDC bit

由圖3 可知: 該鉆頭采用5 刀翼、 13 mm BFA3 凹面齒、 雙排齒、 中低布齒密度設(shè)計(jì), 具有較強(qiáng)的非均質(zhì)地層吃入能力; 冠部輪廓采用中深內(nèi)錐-短外錐形狀設(shè)計(jì), 切削齒角度適中, 具有較強(qiáng)的耐磨性; 此外, 后排齒2～3 顆, 搭配使用BFDX尖圓齒、 厚層平齒, 有利于進(jìn)一步增強(qiáng)中硬-堅(jiān)硬地層的適應(yīng)能力。

3.2.2 高性能螺桿鉆具優(yōu)選

為了更好地提高異型齒PDC 鉆頭的現(xiàn)場應(yīng)用效果, 征10 井二開、 三開均優(yōu)選了高性能螺桿鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆井提速。 根據(jù)鄰井實(shí)鉆情況, 二開地層為軟-中軟地層, 可鉆性較好[14-16], 鉆進(jìn)期間對轉(zhuǎn)速較為敏感, 螺桿鉆具應(yīng)優(yōu)先選用頭數(shù)較少的常規(guī)螺桿或等壁厚螺桿, 同時(shí)配以大排量水力參數(shù),其中大排量作用除了水力破巖和井底凈化之外, 還能提高螺桿鉆具輸出轉(zhuǎn)速。

由于三開地層硬度普遍為1 000 ～1 500 MPa,屬于中等硬度地層, 根據(jù)鉆井參數(shù)敏感性分析規(guī)律, 機(jī)械鉆速主要對鉆壓比較敏感, 并且隨著井深的增加, 對鉆壓的敏感性指數(shù)將會(huì)逐漸增大。 所以三開地層應(yīng)優(yōu)選低轉(zhuǎn)速大功率的等壁厚螺桿鉆具,同時(shí)結(jié)合井斜隨鉆監(jiān)測結(jié)果, 充分釋放鉆壓, 從而獲得較高的機(jī)械鉆速。

根據(jù)上述螺桿鉆具的優(yōu)選原則, 征10 井二開、三開分別優(yōu)選了H5LZ244×7.0-3.5 和H7LZ172×7.0-4.0 這2 種型號的等壁厚螺桿鉆具, 主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 2 種推薦螺桿鉆具的主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main parameters of two recommended PDM drills

與常規(guī)螺桿鉆具相比, 由于2 種螺桿的定子橡膠層薄且應(yīng)力分布均勻, 抗變形能力強(qiáng), 密封性及散熱性能好, 所以其對深井和高溫井的適應(yīng)性更強(qiáng)、 使用壽命更長。 此外, 為了充分發(fā)揮螺桿鉆具的提速優(yōu)勢, 推薦二開鉆井參數(shù)如下: 鉆壓80 ～ 140 kN, 頂驅(qū)轉(zhuǎn)速60～80 r/min, 排量60～70 L/s;三開鉆井參數(shù): 鉆壓60～100 kN, 頂驅(qū)轉(zhuǎn)速60～80 r/min, 排量25～35 L/s。

3.3 高效井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

3.3.1 復(fù)合鹽強(qiáng)封堵鉆井液技術(shù)

由于征10 井二開呼圖壁組、 清水河組、 三工河組地層坍塌壓力高, 鉆進(jìn)期間泥巖地層易掉塊、垮塌, 形成不規(guī)則井眼或造成掉塊卡鉆。 所以不僅要求鉆井液必須具有良好的抑制、 封堵防塌能力,而且應(yīng)增強(qiáng)鉆井液對微裂隙地層的封堵能力、 護(hù)壁能力及潤滑性能, 從而保證井壁穩(wěn)定及井下安全。

設(shè)計(jì)采用了復(fù)合鹽強(qiáng)封堵鉆井液體系, 配方為: 4%～6%膨潤土+0.4%～0.6%鉆井液用聚丙烯酸鉀+0.5%～1.0%降濾失劑磺酸鹽共聚物+0.5%～ 1.0%胺基聚醇+3%～5%氯化鈉+5%～7%氯化鉀+3%～4%井壁穩(wěn)定劑+3%～4%多級配填充封堵劑+1.0%～1.5%羥基鋁抑制防塌劑+3%～4%磺甲基酚醛樹脂SMP-1+0.5%～1.0%有機(jī)硅穩(wěn)定劑; 其他處理劑包括: 工業(yè)用氫氧化鈉, 鉆井液用無熒光白油潤滑劑、 固體潤滑劑, 無水聚合醇、 硅氟類降黏劑, 隨鉆堵漏劑等。

鉆進(jìn)過程中還需注意加強(qiáng)鉆井液性能的維護(hù)處理[17-18], 包括: 體系轉(zhuǎn)化時(shí)要先加入鉆井液用降濾失劑磺酸鹽共聚物護(hù)膠, 再加入氯化鈉與氯化鉀, 并且轉(zhuǎn)化過程要平穩(wěn), 防止性能波動(dòng)過大導(dǎo)致井下出現(xiàn)復(fù)雜情況; 嚴(yán)格控制好API 濾失量及高溫高壓濾失量, 適當(dāng)提高黏切力, 避免定點(diǎn)循環(huán),減少水力沖刷和鉆具碰撞井壁; 根據(jù)地層掉塊及坍塌壓力的變化, 逐漸合理地提高鉆井液密度, 保持井眼力學(xué)穩(wěn)定, 利用徑向支撐應(yīng)力穩(wěn)定井壁, 達(dá)到綜合封堵防塌的目的。

3.3.2 氣制油合成基鉆井液技術(shù)

合成基鉆井液是一種以氣制油為連續(xù)相的油基鉆井液, 與常規(guī)油基鉆井液相比, 除了具有優(yōu)異的抑制性、 高溫穩(wěn)定性及儲(chǔ)層保護(hù)效果之外[19-22],由于其運(yùn)動(dòng)黏度低、 傾點(diǎn)低, 低溫時(shí)具有良好的黏溫特性, 比較適合準(zhǔn)噶爾盆地冬季施工, 并且不含芳香烴類物質(zhì), 更加環(huán)保。 前期準(zhǔn)中地區(qū)永3-平1井、 永301 井等多口井三開鉆進(jìn)期間應(yīng)用合成基鉆井液, 不僅確保了侏羅系以深地層的井壁穩(wěn)定及井下安全, 而且獲得了良好的油氣顯示及試油試采成果, 有力推動(dòng)了永進(jìn)油田的上產(chǎn)開發(fā)。

征10 井三開主要鉆進(jìn)侏羅系八道灣組、 三疊系百口泉組及二疊系烏爾禾組等目的層段, 鉆進(jìn)期間同時(shí)面臨著砂泥巖、 煤層易坍塌掉塊、 井底溫度高、 儲(chǔ)保難度大等難題。 為了實(shí)現(xiàn)三開井段的安全快速鉆進(jìn), 設(shè)計(jì)采用氣制油合成基鉆井液體系進(jìn)行施工, 配方為: 氣制油基液+2.5%～3.5%有機(jī)土+2%乳化劑+1%輔乳化劑+0 ～2%潤濕劑+0.5%～ 1.0% 流型調(diào)節(jié)劑+3%～6%降濾失劑+0 ～5%氯化鈣水溶液+1%～3%CaO+3%～5%封堵材料。

由于合成基鉆井液首次在準(zhǔn)中深層的三疊系、二疊系地層進(jìn)行應(yīng)用, 鉆進(jìn)期間需針對可能出現(xiàn)的異常情況制定出詳細(xì)技術(shù)對策。 若鉆進(jìn)期間合成基鉆井液油水比失穩(wěn), 應(yīng)直接在循環(huán)系統(tǒng)中補(bǔ)充基礎(chǔ)油或其他添加劑, 提高鉆井液的乳化穩(wěn)定性, 使破乳電壓≥500 V; 當(dāng)巖屑上返異常、 攜巖困難時(shí),應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充增黏劑、 乳化劑等處理劑, 提高鉆井液的懸浮攜帶能力; 如果鉆進(jìn)期間滲漏較為嚴(yán)重, 日漏失量大于5 m3, 應(yīng)及時(shí)加入油基封堵材料以提高承壓能力。

3.4 恒定井底壓力鉆井技術(shù)

恒定井底壓力鉆井作為控制壓力鉆井技術(shù)的一種, 是指在鉆井過程中利用專門的技術(shù)和裝備精確地管理、 約束及控制井筒壓力的方法, 通過對井口壓力等一系列關(guān)鍵變量的精確控制, 能夠解決與井筒環(huán)空壓力有關(guān)的溢、 漏、 塌及卡等復(fù)雜問題[23-25]。 根據(jù)征10 井地層壓力預(yù)測及鄰井實(shí)鉆情況分析, 由于侏羅系以深地層壓力體系復(fù)雜、 壓力窗口窄, 鉆進(jìn)過程中溢漏同存發(fā)生的概率較大, 加之出于保護(hù)油氣層的需要, 三開目的層段采用了恒定井底壓力技術(shù)進(jìn)行施工。

考慮到三疊系、 二疊系地層存在壓力不確定性問題, 首先制定了針對性的控壓鉆井技術(shù)原則:①按“靜欠動(dòng)不欠” 原則進(jìn)行設(shè)計(jì), 即靜止時(shí)井底處于微欠平衡狀態(tài), 循環(huán)時(shí)處于微過平衡狀態(tài);②控壓鉆進(jìn)時(shí), 按設(shè)計(jì)的鉆井液密度和當(dāng)量循環(huán)密度(ECD) 進(jìn)行井底恒壓鉆進(jìn); ③發(fā)生溢流時(shí),先按原鉆井液密度確定需控制的套壓大小, 若套壓小于5.0 MPa, 則控壓鉆進(jìn), 否則關(guān)井求壓, 重新計(jì)算地層壓力, 提高鉆井液密度; ④發(fā)生井漏時(shí),先逐步釋放套壓, 每次降低0.5 MPa, 若套壓降至0, 井漏仍未停止, 則逐漸循環(huán)以降低鉆井液密度;⑤接立柱時(shí), 在井口施加所需回壓, 保持與鉆進(jìn)時(shí)井底壓力的恒定。

根據(jù)征10 井三開地質(zhì)預(yù)測地層壓力系數(shù)為1.60～2.15, 利用Drillbench 軟件模擬計(jì)算, 得到了實(shí)施控壓鉆井的設(shè)計(jì)參數(shù), 如表4 所示。 施工過程中, 需要確保在鉆進(jìn)和起下鉆過程中井底當(dāng)量密度稍高于地層壓力系數(shù), 并根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)情況對鉆井液密度進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

表4 恒定井底壓力鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Parameters of constant-bottomhole-pressure drilling

4 實(shí)施效果分析

征10 井為準(zhǔn)噶爾盆地腹部一口重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井,設(shè)計(jì)井深7 650 m, 設(shè)計(jì)鉆井周期212.45 d。 通過開展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、 異型齒PDC 鉆頭研制、高效井壁穩(wěn)定鉆井液及恒定井底壓力鉆井等關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用, 最終實(shí)鉆井深7 802 m, 創(chuàng)造了準(zhǔn)噶爾盆地井深最深的紀(jì)錄; 并且在井深增加152 m的情況下, 實(shí)鉆周期為203.64 d, 較設(shè)計(jì)周期節(jié)省8.81 d, 安全優(yōu)質(zhì)高效地完成了該井的鉆探任務(wù),為今后準(zhǔn)中地區(qū)復(fù)雜超深井的鉆井提速提效積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

表5 給出了征10 井與成6 井二開、 三開鉆井提速效果的對比情況。 成6 井是部署在東道海子凹陷東斜坡的一口風(fēng)險(xiǎn)探井, 完鉆井深6 950 m, 與征10 井鉆探目標(biāo)一致, 主探二疊系上烏爾禾組、三疊系百口泉組含油氣性。 從表5 可以看出, 采用高效異型齒PDC 鉆頭+螺桿鉆具提速技術(shù)后, 盡管2 口井二開平均機(jī)械鉆速基本相當(dāng), 但是征10 井二開平均單趟鉆進(jìn)尺為1 004.00 m, 較成6 井提高了30.60%, 節(jié)省了1 只PDC 鉆頭及1 趟起下鉆時(shí)間; 征10 井三開平均機(jī)械鉆速為1.88 m/h, 平均單趟鉆進(jìn)尺274.50 m, 分別較成6 井提高了43.51%和49.27%, 提速效果顯著。

表5 征10 井和成6 井二開、 三開鉆井提速效果對比Table 5 ROP-improving results of Wells Zheng 10 and Cheng 6 in the 2nd and 3rd casing sections

圖4 為征10 井和成6 井三開井徑擴(kuò)大率和擴(kuò)劃眼/循環(huán)時(shí)間的對比。 從圖4 可以看出: 征10 井三開井段(5 052～7 802 m) 采用合成基鉆井液后,井壁掉塊、 井徑擴(kuò)大率得到有效控制, 裸眼段長達(dá)2 750 m 的三開最大井徑擴(kuò)大率僅為8.65%, 較成6 井(20.69%) 大大降低, 井眼質(zhì)量明顯提高;征10 井百口泉組至上烏爾禾組在鉆進(jìn)過程中, 當(dāng)鉆井液密度低于2.12 g/cm3時(shí), 發(fā)生溢流, 高于2.16 g/cm3時(shí)發(fā)生漏失, 壓力當(dāng)量密度窗口僅0.04 g/cm3。 通過采用恒定井底壓力鉆井技術(shù), 解決了窄密度窗口溢漏同存的難題; 最終通過合成基鉆井液和恒定井底壓力鉆井的綜合應(yīng)用, 征10 井三開擴(kuò)劃眼/循環(huán)時(shí)間為407.45 h, 較成6 井(481.28 h) 顯著減少, 有力保障了三開井段的施工安全。

圖4 征10 井和成6 井三開井徑擴(kuò)大率和擴(kuò)劃眼/循環(huán)時(shí)間對比Fig.4 Hole enlargement rates and reaming/circulation time of Wells Zheng 10 and Cheng 6 in the 3rd casing section

5 結(jié)論與建議

(1) 準(zhǔn)噶爾盆地腹部侏羅系以深地層巖石硬度高(≥1 000 MPa)、 可鉆性級值大(≥6 級)、壓力體系復(fù)雜且井壁穩(wěn)定問題突出, 鉆井過程中機(jī)械鉆速慢、 復(fù)雜情況多、 鉆井周期長, 是制約準(zhǔn)噶爾盆地下組合深探井優(yōu)快鉆井的瓶頸層段。

(2) 異形齒PDC 鉆頭針對砂礫巖、 塑性泥巖等難鉆地層具有較強(qiáng)的吃入能力和耐磨性, 配套具有長壽命的等壁厚螺桿鉆具復(fù)合鉆井施工, 是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)噶爾盆地腹部深層鉆井提速的有效手段。

(3) 合成基鉆井液具有優(yōu)異的抑制性、 高溫穩(wěn)定性及儲(chǔ)層保護(hù)效果, 能夠有效減少因?yàn)V液作用造成水敏性地層水化膨脹產(chǎn)生的掉塊, 是解決準(zhǔn)中目的層段井壁失穩(wěn)、 保證井眼質(zhì)量的首選。

(4) 建議綜合考慮實(shí)鉆井眼條件、 環(huán)空流體性質(zhì)、 壓力非線性等因素影響, 深入開展井筒壓力智能控制系統(tǒng)的研發(fā), 通過對復(fù)雜井況實(shí)時(shí)分析、快速自動(dòng)響應(yīng), 進(jìn)一步提高恒定井底壓力鉆井的控制效率, 為壓力不確定地層和窄密度窗口地層提供精確且快速的壓力控制。