摘要：隨著油氣勘探開發(fā)逐步從深層向超深層領(lǐng)域推進(jìn)，塔東區(qū)塊儲層埋藏深，井下溫度高、地質(zhì)條件異常復(fù)雜，使得鉆速慢、鉆井周期長和鉆井風(fēng)險高。慶玉1井是大慶鉆探工程公司在該區(qū)塊鉆的最深的井，為打好打成該井，開展施工難度因素分析，制定技術(shù)措施，應(yīng)用高溫儀器、工具、鉆井液，施工參數(shù)優(yōu)化等方法，研發(fā)超深井配套工藝技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場施工要求，實現(xiàn)了塔東區(qū)塊超深井慶玉1井的優(yōu)快安全鉆井。結(jié)果表明：該技術(shù)具有安全高效的優(yōu)點，為深層、超深層油氣的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)提供有效工程技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：超深井；高溫；參數(shù)優(yōu)化；安全鉆井

中圖分類號：TE921" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.010

Premium Drilling Technology for Ultra-deep Well Qingyu 1 in Tadong Block

WANG Chunhua1，3，SUN Zexin2，DING Yangyang2，WANG Lichao2，XU Bowen1，ZHANG Haitao2，WANG Changhao3

（1.Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing Drilling Engineering Company，Daqing 163413，China；

2.Daqing Drilling and Exploration Engineering Company，Daqing 163413，China；

3.Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Abstract： As oil and gas exploration and development gradually advance from deep to ultra-deep fields， the Daqing Tadong flow block presents unique challenges due to its deep reservoir burial， high downhole temperature， and unusually complex geological conditions. These factors result in slower drilling speeds， longer drilling cycles， and elevated drilling risks. The Qingyu 1 well represents the deepest well ever drilled by Daqing Drilling in this block. In order to successfully drill this well， a comprehensive analysis of the construction difficulty factors was conducted， followed by the formulation of technical measures， the application of high-temperature instruments， tools， drilling fluids， and the optimization of construction parameters. This paper presents a methodology for the safe and efficient drilling of super-deep wells， exemplified by the successful completion of the Qingyu 1 well in the Tadong block. The approach involves the development of specialized technology for super-deep wells and its integration with on-site construction requirements. The results demonstrate the efficacy of this technology in ensuring safety and high efficiency， while providing effective engineering solutions for the economic and efficient development of deep and ultra-deep oil and gas resources.

Key words： ultra-deep wells；high temperature；parameter optimization；safe drilling

我國超深特深層油氣資源豐富，超深井地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井風(fēng)險大、周期長［1-5］。近年來面對超深層勘探開發(fā)風(fēng)險高、投資大、工程技術(shù)要求高的特點，國內(nèi)外加大了超深井鉆完井技術(shù)研究，“十四五”更是加大了超深井的開發(fā)，2023-05-01在塔里木盆地開鉆我國第一口萬米超深井塔科1井，設(shè)計井深11 000 m。國外美國、俄羅斯、德國超深井鉆井技術(shù)裝備和綜合技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位，在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、鉆頭選型技術(shù)、近平衡鉆井和井控技術(shù)、動力鉆具配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)等技術(shù)開展研究應(yīng)用。鉆井中應(yīng)用了大量新技術(shù)，包括VDS垂直鉆井系統(tǒng)、頂驅(qū)、鋁合金鉆桿、金剛石繩索取芯、無固相抗高溫鉆井液、耐高溫低速大扭矩螺桿、變速渦輪等新工藝、新技術(shù)，取得了較好提速效果，但也遇到了各種各樣的技術(shù)難題和復(fù)雜事故，且投資巨大、鉆井周期長。自2012年，大慶鉆探工程公司在塔東等區(qū)塊進(jìn)行深井超深井鉆井施工，近5年共完成22口深井，其中8 000 m以上超深井10口，占塔里木超深井1/10。鉆井過程中面臨有深層高研磨地層鉆速低、井下超高溫超高壓環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件異常復(fù)雜等世界級難題，尤其是塔里木盆地超深井具有的儲層埋藏深、溫度高、壓力高和H2S含量高的“三高一超”特征［6-8］，且地質(zhì)條件異常復(fù)雜，深部地層塌漏同存，嚴(yán)重影響了鉆井施工效率和安全。2022年大慶鉆探工程公司開始進(jìn)行慶玉1井現(xiàn)場施工，為“打成、打快、打好”慶玉1井，開展超深井鉆完井技術(shù)研究與應(yīng)用，形成安全高效的超深井鉆完井技術(shù)，該井鉆完井深8 738.29 m，鉆井周期162.96 d，平均鉆速10.55 m/h，鉆速、周期和地質(zhì)發(fā)現(xiàn)上均獲得突破，創(chuàng)造了大慶超深井迄今為止鉆完井最深、最快記錄，標(biāo)志著大慶鉆探在異常高溫高壓超深井施工方面又邁出了堅實一步，助力塔東區(qū)塊的勘探發(fā)現(xiàn)、拓展鉆探外部市場、廣闊積累超深井鉆井技術(shù)。

1 塔東區(qū)塊超深井施工難點分析

1.1 超深井井下高溫條件對工具、儀器影響嚴(yán)重

油氣埋藏超深（＞8 000 m）、超高溫（160～210 ℃）、井底壓力gt;160 MPa，井下的工況十分惡劣［9-11］，對井下工具、儀器要求非常高。目前高溫條件下螺桿使用壽命大幅降低，根據(jù)對古城6、城探1、肖探1 等21口井統(tǒng)計，螺桿平均壽命60 h，尤其易出現(xiàn)定子橡膠損傷脫膠破裂如圖1所示，嚴(yán)重影響施工效率。此外高溫條件下對井下儀器的耐溫性能有極大考驗，常規(guī)儀器多為耐溫150 ℃，耐高溫儀器可達(dá)到175 ℃，但深井超深井井底溫度可達(dá)到或超過180 ℃，且需要長期連續(xù)工作。目前所使用的儀器儀器抗高溫、抗高壓及穩(wěn)定性能有待提升，現(xiàn)場曾出現(xiàn)儀器信號異常、零件斷裂、密封失效、外筒受壓擠毀等問題（如圖2～3所示），儀器故障率高造成頻繁起下鉆，影響施工時效。

1.2 超深井井下巖石硬度高研磨性強(qiáng)對鉆頭影響嚴(yán)重

塔東超深井古生界地層埋藏深，火成巖發(fā)育，壓實程度高，可鉆性差；三疊系底部含礫巖，二疊系抗壓強(qiáng)度100～120 MPa，巖性為凝灰?guī)r、玄武巖，硬度高、可鉆性差；石炭系、志留系發(fā)育大段石英砂巖、褐灰色泥質(zhì)粉砂巖，巖性中鈣質(zhì)砂巖含量8%～12%，含有石英，鈣質(zhì)砂巖和石英研磨性強(qiáng)，奧陶系桑塔木組塑性強(qiáng)，壓實程度高、致密，鉆頭易掏心、崩齒、磨損嚴(yán)重（如圖4所示），需要頻繁更換鉆頭，造成鉆速低［12-15］。

1.3 超深井井下工況惡劣對鉆井液性能影響嚴(yán)重

鉆井液抗高溫穩(wěn)定性、抑制性、懸浮性差，S1k、O3s底部泥巖段不穩(wěn)定，易破碎。導(dǎo)致起下鉆困難、環(huán)空憋堵，薄弱裸眼復(fù)漏頻發(fā)，井漏、垮塌、蹩卡多發(fā)、頻發(fā)，井處理泥漿耗費(fèi)時間長［16-18］。

1.4 超深井地質(zhì)復(fù)雜對鉆井施工安全影響嚴(yán)重

二疊系、志留系地層承壓低、漏點多和裂縫尺度范圍大，地層易漏，井壁穩(wěn)定性差［19-20］；二疊系玄武巖純度高，性脆、易垮塌卡鉆；桑塔木組輝綠巖，密度、硬度高、可鉆性差、易應(yīng)力釋放垮塌；石炭系鹽膏層縮徑、擴(kuò)眼周期長；桑塔木地層傾角大，定向糾斜耗時長；高壓鹽水層發(fā)育，溢漏同存，出水易井壁失穩(wěn)，極易引起卡鉆。

2 超深井地質(zhì)工程一體化分析與優(yōu)化技術(shù)

充分調(diào)研分析已鉆井情況，研讀地質(zhì)設(shè)計與工程設(shè)計，調(diào)研鄰井鉆井液體系、復(fù)雜情況、儲層斷裂位置、巖性描述、鉆井參數(shù)、鉆頭數(shù)據(jù)，鉆具組合，鉆井周期等數(shù)據(jù)，制定詳細(xì)的施工方案，紙上鉆井方案與學(xué)習(xí)曲線。針對地層分析，明確施工難點，開展塔東區(qū)塊各深井地質(zhì)情況調(diào)研，細(xì)致分析各層位地質(zhì)特點，明確全井段施工難點，優(yōu)化施工方案和提速要點（如表1所示），為下步設(shè)計優(yōu)化及安全高效施工打下堅實基礎(chǔ)。

針對各層位施工難點，預(yù)測各層位可能出現(xiàn)的施工復(fù)雜，鉆遇玄武巖和鹽膏層提前制定預(yù)防措施（如表2 所示），做好施工前準(zhǔn)備，保證鉆井安全高效。

3 超深井安全高效鉆井技術(shù)

3.1 超深井耐高溫高性能鉆完井工具、儀器優(yōu)選

結(jié)合該井三疊系底部含礫巖、二疊系玄武巖可鉆性差、志留系瀝青質(zhì)砂巖發(fā)育鉆頭磨損嚴(yán)重、硬脆性泥巖鉆頭吃入困難等地層特性，統(tǒng)計分析塔東區(qū)塊已使用的5家鉆頭應(yīng)用情況，優(yōu)選出超深井高效的鉆頭序列（如表3所示），現(xiàn)場應(yīng)用提速效果明顯。

優(yōu)選江鉆等壁厚螺桿，具有大扭矩、長壽命等優(yōu)點，單只螺桿鉆進(jìn)井段（1 230～4 500 m）實現(xiàn)一趟鉆進(jìn)尺3 270 m，成功鉆穿二疊系，創(chuàng)塔東區(qū)塊單趟鉆最多進(jìn)尺記錄；機(jī)械鉆速15.57 m/h，比設(shè)計提高62.69%，鉆進(jìn)周期21.84 d，比設(shè)計縮短13.16 d。

3.2 超深井鉆井參數(shù)優(yōu)化

二疊系以上井段進(jìn)行鉆具組合優(yōu)化，一開采用雙扶鐘擺鉆具組合、二開和三開采用單扶鐘擺鉆具組合、四開采用彎螺桿+加重鉆桿鉆具組合，并且應(yīng)用149 mm大水眼鉆桿，高轉(zhuǎn)速（80 r/min）等鉆井參數(shù)，大排量水力參數(shù)（65～75 L/s），確保水力破巖，保障井眼凈化，有效解決阻卡問題，二開單趟進(jìn)尺3 270 m（1 205～4 500 m），創(chuàng)造了塔東區(qū)塊二開單只鉆頭最長記錄。

開展基于MSE的參數(shù)優(yōu)選、實時曲線監(jiān)測、鉆頭/工具磨損分析與評價、摩阻扭矩跟蹤、立壓預(yù)測與水眼推薦、井眼穩(wěn)定性分析與實時ECD計算等6項優(yōu)化技術(shù)（如圖5～7所示），利用工程建模軟件，實時優(yōu)化鉆參，避免了渦動、粘滑等低效事件，三開機(jī)速7.36 m/h，比鄰井同開次機(jī)速提高31.48%，實現(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)。

根據(jù)比能優(yōu)化鉆井的基本定義，利用力學(xué)理論推導(dǎo) PDC 鉆頭機(jī)械比能模型MSE的基本表達(dá)式。將機(jī)械能量與水力能量兩者有機(jī)結(jié)合起來，形成井底真實鉆井條件下的破巖比能理論。假定在旋轉(zhuǎn)鉆井條件下，在t1到t2的時間內(nèi)（時間差為Δt），鉆井參數(shù)及井眼尺寸保持恒定，即鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)械鉆速及井底面積等參數(shù)保持恒定。

則在 Δt 時間內(nèi)，鉆壓做功為：

WWOB=·Δt

在 Δt 時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速做功為：

WRPM=n×2？仔rB×Ft×Δt

破碎單位體積巖屑需要的機(jī)械比能：

MSE=+

式中：MSE為機(jī)械比能，kPa；P為鉆壓，kN；T為扭矩，kN·m；n為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；v為機(jī)械鉆速，m/h；AB為井底面積，m2；Δt為鉆進(jìn)時間，min。

鉆井過程中隨著鉆壓的增加，機(jī)械比能增加，利用機(jī)械比能法對三開鉆井參數(shù)進(jìn)行實時優(yōu)化，計算當(dāng)前地質(zhì)條件及設(shè)備性能參數(shù)安全范圍內(nèi)的極限機(jī)速，及時判斷出井下發(fā)生粘滑低效事件導(dǎo)致鉆頭失效，獲得鉆進(jìn)效率和單趟進(jìn)尺的最大化。根據(jù)現(xiàn)場基本井況和鉆具組合及泥漿性能參數(shù)，計算不同鉆頭轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，在排量和鉆壓等條件既定條件下，鉆進(jìn)至相應(yīng)深度時避開相應(yīng)的鉆頭轉(zhuǎn)速區(qū)間范圍，減小震動，獲得鉆頭轉(zhuǎn)速優(yōu)選區(qū)間，計算當(dāng)前地質(zhì)條件及設(shè)備性能參數(shù)安全范圍內(nèi)的極限機(jī)速（界面如圖8～9所示）。

四開鉆進(jìn)前對88.9 mm鉆桿和101.6 mm小接箍鉆桿進(jìn)行數(shù)值模擬，比較上提、下放的摩阻扭矩等情況，在滿足后續(xù)安全鉆進(jìn)情況下，優(yōu)選101.6 mm鉆桿，既提高鉆具的抗拉強(qiáng)度，同時降低泵壓，提高機(jī)械鉆速，四開平均機(jī)速4.07 m/h提高24.85%。

3.3 超深井高溫鉆井液技術(shù)

本井據(jù)各開次所鉆地層三壓力數(shù)據(jù)及鄰井調(diào)研，遵循“強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵、強(qiáng)防塌”的原則，進(jìn)行鉆井液參數(shù)優(yōu)化逐步提高密度，建立井筒物理支撐，實現(xiàn)井壁穩(wěn)定，并考慮鄰井發(fā)生的井漏、溢流及高套壓等情況，確定各開次的鉆井液體系及密度。

二開1 205～3 200 m使用聚合物鉆井液，3 200～4 927 m使用KCL-磺化體系，黏度45～60 s，瀝青≥5%；三開采用KCl-磺化體系，鉆井液密度1.35～1.38 g/cm3；四開預(yù)測井底溫度163.9～178.5 ℃，且鉆遇鹽膏層、高壓鹽水層多段復(fù)雜地層，采用抗高溫降濾失劑、潤滑劑等，應(yīng)用抗220 ℃高溫復(fù)合鹽鉆井液體系，提高封堵防塌能力，遏制鹽侵，同時抑制上部鹽膏層蠕變保證井壁穩(wěn)定。

3.4 鹽膏層安全下套管技術(shù)

本井上部二疊系地層承壓能力較低易發(fā)生井漏，下部膏鹽層含鹽高，地層易溶、蠕變快，分析鹽膏層蠕變危害，經(jīng)過試驗測試計算鹽膏層蠕變速度為0.519 mm/h。該井進(jìn)行了2次雙扶通井、3次擴(kuò)眼，將井徑由333.4 mm擴(kuò)眼至376 mm之后，計算下套管安全時間為143 h，并且調(diào)整鉆井液密度至1.40 g/cm3，滿足后期安全施工要求。

3.5 超深井安全優(yōu)質(zhì)完井技術(shù)

本井二開二疊系承壓低，下套管及固井時井漏失返，三開長裸眼井段安全密度窗口窄等難題，施工排量受限、一次上返成功率低、壓穩(wěn)防漏矛盾突出、頂替效率低等諸多挑戰(zhàn)。二開應(yīng)用封割式分級箍工藝、三開運(yùn)控壓固井工藝，實現(xiàn)超深井安全、優(yōu)質(zhì)固井要求。

4 應(yīng)用效果

慶玉1井創(chuàng)大慶鉆探歷史上施工井深最深紀(jì)錄（完鉆井深8 738.29 m），平均鉆速10.55 m/h，相比設(shè)計（8.5 m/h）提高24.12%。鉆井周期162.92 d，相比設(shè)計（186 d）減少23.08 d，按鄰井滿深7、滿深8井做最優(yōu)學(xué)習(xí)曲線，平均8 483 m，平均鉆完井周期173 d，減少了10.08 d。其中二開333.4 mm，井眼1 230～4 500 m，實現(xiàn)一趟鉆進(jìn)尺3 270 m，機(jī)械鉆速15.57 m/h，比設(shè)計提高62.69%，鉆進(jìn)周期21.84 d，比設(shè)計縮短13.16 d，所應(yīng)用的各項超深井技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

1） 通過對塔東區(qū)塊超深井鉆完井技術(shù)攻關(guān)與實踐，進(jìn)行了全面的超深井施工難點分析，并相應(yīng)開展技術(shù)措施研究與應(yīng)用，形成了一套適合塔東區(qū)塊的優(yōu)快鉆完井技術(shù)，基本滿足該區(qū)塊超深井提速要求。

2） 攻關(guān)取得了超深井地質(zhì)工程一體化分析與優(yōu)化技術(shù)、超深井安全高效鉆井技術(shù)等。優(yōu)選出高效PDC、等壁厚螺桿、高溫儀器等一系列抗高溫鉆井工具、儀器，應(yīng)用了抗220 ℃高溫復(fù)合鹽鉆井液體系，滿足超深井提速技術(shù)需求保證了超深井安全高效施工。

3） 該項超深井安全高效鉆井技術(shù)在慶玉1井取得了良好的應(yīng)用效果，創(chuàng)造塔東區(qū)塊二開單趟鉆最多進(jìn)尺紀(jì)錄，創(chuàng)大慶鉆探歷史上施工井深最深紀(jì)錄等多項紀(jì)錄。為加快勘探開發(fā)步伐，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，研究成果可推廣應(yīng)用于川渝地區(qū)的超深井以及國外類似的地層巖性、碳酸鹽縫洞體儲層、高溫高壓井施工。

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基金項目： 黑龍江省博士后基金（LBH-Z20120）。

作者簡介： 王春華（1978-），男，黑龍江大慶人，高級工程師，現(xiàn)從事石油鉆完井工具及工藝技術(shù)研究與應(yīng)用等方面的工作，E-mail：martie@139.com。