準(zhǔn)噶爾盆地阜東探區(qū)鉆井提速技術(shù)

文乾彬 楊 虎 謝禮科 孫維國

（1.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依 834000）

阜東探區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地阜康凹陷東斜坡，目的層為侏羅系頭屯河組，埋深2 500～3 800 m。通過近幾年的滾動勘探，多口探井均在頭屯河組獲得高產(chǎn)工業(yè)油流，勘探成果表明該區(qū)塊具有較好的油氣勘探前景。自2006 年以來該地區(qū)已完鉆30 余口井，均采用三開井身結(jié)構(gòu)，平均鉆井周期為54 d，平均機(jī)械鉆速為5.6 m/h，井下復(fù)雜時率為5.5%。機(jī)械鉆速低、井下復(fù)雜時率高、鉆井周期長、鉆井費用高已成為制約該地區(qū)油氣勘探開發(fā)的瓶頸問題，急需開展技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場試驗，提高鉆井速度，降低鉆井成本。

1 鉆井提速難點

1.1 地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜

通過巖石力學(xué)分析，結(jié)合測井、錄井和試油資料，計算該地區(qū)地層三壓力剖面［1-2］。計算結(jié)果表明，新近系至古近系地層坍塌壓力較高，破裂壓力較低，鉆井安全密度窗口窄。白堊系以上地層壓力系數(shù)低，進(jìn)入侏羅系以后地層壓力開始快速抬升，至侏羅系頭屯河組地層壓力系數(shù)達(dá)到1.6 左右。由此可見，該地區(qū)地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，上部和下部地層壓力跨度大，鉆井安全密度窗口窄。這給井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全快速鉆井帶來了較大困難。

已鉆井資料表明，吐谷魯群、齊古組和頭屯河組的井眼縮徑、垮塌嚴(yán)重，井壁穩(wěn)定性差。新近系、古近系和吐谷魯群泥巖厚度約為1 000 m 左右，黏土礦物分析表明，吐谷魯群、齊古組伊蒙混層含量分別為39%和56%，頭屯河組伊蒙混層含量為94%。由此可見，較強(qiáng)的水敏性和黏土礦物水化膨脹是造成井眼縮徑、垮塌、井壁失穩(wěn)的主要原因［3-5］。

1.2 鉆頭選型困難

巖石力學(xué)特性參數(shù)評價研究表明［6-8］，白堊系以上地層，泊松比0.3～0.45，抗壓強(qiáng)度＜30 MPa，可鉆性級值1～3.5，中部地層可鉆性級值3.5～4.5，白堊系下部至侏羅系，巖性變化頻繁，夾層多，巖石強(qiáng)度變化大，抗壓強(qiáng)度30～75 MPa，可鉆性級值4.5～5.5。

由此可見，白堊系至侏羅系，巖石可鉆性較好，鉆頭提速空間較大，但巖石抗壓強(qiáng)度變化大，軟硬夾層多，PDC 鉆頭適應(yīng)能力差，應(yīng)用范圍受限，單井PDC 鉆頭累計進(jìn)尺不足30%，機(jī)械鉆速與地層埋藏深度不呈正比。

1.3 鉆井液體系不完善

阜東地區(qū)白堊系和侏羅系黏土礦物含量高，泥巖水化膨脹引起井眼縮徑垮塌造成井下復(fù)雜。為了保證安全快速鉆井，要求鉆井液具有較強(qiáng)抑制性的作用，前期鉆井采用常規(guī)鉀鈣基聚磺鉆井液，平均復(fù)雜時率為5.5%，平均井徑擴(kuò)大率為12.7%，顯然，該鉆井液體系不能滿足阜東地區(qū)長裸眼井安全鉆井要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

2 提高阜東地區(qū)鉆井速度配套技術(shù)

2.1 優(yōu)選高效鉆頭

針對阜東地區(qū)地層特點進(jìn)行鉆頭的優(yōu)選和個性化設(shè)計［9-11］。第四系和新近系地層含有礫巖，且地層疏松，試驗并優(yōu)選適合高轉(zhuǎn)速的金屬密封、保徑加寬齒牙輪鉆頭。古近系、白堊系和侏羅系均含有較厚泥巖，泥巖中夾砂巖，抗壓強(qiáng)度不高，巖石可鉆性較好，尤其白堊系中上部地層泊松比較低，地層塑性較強(qiáng)，設(shè)計多刀翼X3 齒PDC 鉆頭，該鉆頭流道面積較大，易清洗鉆頭和攜巖，減少重復(fù)切削，有效提高鉆頭破巖效率。同時該鉆頭有較強(qiáng)的耐研磨性和抗沖擊性，穿越夾層能力強(qiáng)。通過多口井的試驗，逐步形成了適合該地區(qū)的鉆頭序列（表1）。

表1 阜東地區(qū)鉆頭選型推薦

另外，采用大功率直螺桿配合X3 齒PDC 鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)，可提高鉆頭轉(zhuǎn)速和破巖效率。通過試驗，選擇功率大、扭矩高、壽命長的?244.0 mm和?172 mm 直螺桿，機(jī)械鉆速較常規(guī)鉆井提高了50%～132%。

2.2 優(yōu)選鉆井液體系

針對該地區(qū)泥巖水化膨脹引起井眼縮徑、垮塌等問題，實驗優(yōu)選出新型聚合鹽鉆井液［12］，配方為：4%膨潤土+0.2%KOH+5%～20%聚合鹽JN-2+5%防塌潤滑降濾失劑PHT+1.5%LVCMC+3%抗高溫降濾失劑RSTF+7%KCl+1.5%井壁穩(wěn)定劑MFG+重晶石。鉆井液性能見表2、表3。新型聚合鹽水解后陽離子胺基團(tuán)與帶負(fù)電荷的黏土表面之間形成強(qiáng)吸附作用，其陰離子羧酸基團(tuán)與黏土帶正電荷的端面吸附，增強(qiáng)了吸附包被絮凝作用，聚合鹽大分子鏈在黏土表面形成有效覆蓋，減緩自由水侵入黏土的速度，達(dá)到有效抑制泥巖水化膨脹、分散，保證長裸眼泥巖井段的井壁穩(wěn)定，為實現(xiàn)不下技術(shù)套管鉆井創(chuàng)造了條件。同時該體系自身的固相含量低，可降低微粒運移造成的儲層傷害。該地區(qū)有11口井應(yīng)用新型聚合鹽鉆井液體系，平均井徑擴(kuò)大率由12.7%降至7.26%，井下復(fù)雜時率由5.54%降至0.35%。

表2 新型聚合鹽鉆井液性能

表3 新型聚合鹽鉆井液抑制性對比

3 應(yīng)用效果

根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)條件和鉆井特點，通過鉆井提速技術(shù)和井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，采用二開復(fù)合井眼井身結(jié)構(gòu)（見表4），推廣個性化PDC 鉆頭和新型聚合鹽鉆井液。首次在阜東7 井試驗，獲得成功，該井完鉆井深3 065 m，實現(xiàn)了不下技術(shù)套管鉆井， ?311 mm 井眼機(jī)械鉆速達(dá)15.9 m/h，?215.9 mm 井眼機(jī)械鉆速達(dá)5.8 m/h，較之前提高了70.2%，節(jié)約鉆井工期10 d。

表4 阜東地區(qū)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及提速措施

2011—2012 年，阜東地區(qū)完鉆探井22 口，PDC鉆頭累計進(jìn)尺45 227.9 m，進(jìn)尺占有率達(dá)63.46%，平均機(jī)械鉆速7.3 m/h，較2010 年前提高了30.4%，平均單井節(jié)約鉆井工期10.5 d，實現(xiàn)了14 口井不下技術(shù)套管鉆井，累計節(jié)約鉆井投資6 千多萬元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論與建議

（1）優(yōu)化后的復(fù)合井眼井身結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)相比，減少了套管費用，節(jié)約了鉆井工期。

（2）試驗攻關(guān)形成適合該地區(qū)鉆頭序列，尤其是個性化X3 齒多刀翼PDC 鉆頭對塑性、軟硬夾層具有很好的適應(yīng)性，拓寬了PDC 鉆頭應(yīng)用范圍。

（3）大功率直螺桿配合高效PDC 鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)，能快速穿越夾層，但仍需強(qiáng)化螺桿和PDC鉆頭的配伍性研究，提高單趟鉆具進(jìn)尺。

（4）新型聚合鹽鉆井液可滿足阜東地區(qū)長裸眼泥巖井段井壁穩(wěn)定要求，減少井下復(fù)雜事故，為不下技術(shù)套管鉆井創(chuàng)造了條件，建議在其他類似地區(qū)推廣應(yīng)用。

［1］ 孫超，高晶，王曉波，等.基于測井資料的地層壓力分析技術(shù)［J］.鉆采工藝，2008，31（S0）：1-5.

［2］ 王冬梅，吳廣民.地層壓力計算模型及其現(xiàn)場應(yīng)用［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2007，26（4）：84-87.

［3］ 羅健生，鄢捷年.頁巖水化對其力學(xué)性質(zhì)和井壁穩(wěn)定性的影響［J］.石油鉆采工藝，1999，21（2）：7-13.

［4］ 劉向君，羅平亞.泥巖地層井壁穩(wěn)定性研究［J］.天然氣工業(yè)，1997，17（1）：45-48.

［5］ 吳超，羅健生，田榮劍，等.泥頁巖水化對巖石力學(xué)參數(shù)的影響［J］.石油天然氣學(xué)報，2012，34（4）：147-150.

［6］ 賀順義，師永民，謝楠，等.根據(jù)常規(guī)測井資料求取巖石力學(xué)參數(shù)的方法［J］.新疆石油地質(zhì)，2008，29（5）：662-664.

［7］ 李榮，何世明，羅勇，等.鉆井工程中巖石可鉆性求取綜合研究［J］.鉆采工藝，2004，27（5）：1-3.

［8］ 李士斌，閻鐵，張藝偉.巖石可鉆性級值模型及計算［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2002，26（3）：26-28.

［9］ 孫明光，張云連，馬德坤.適合多夾層地層PDC 鉆頭設(shè)計及應(yīng)用［J］.石油學(xué)報，2001，22（5）：95-99.

［10］ 張輝，高德利.鉆頭選型方法［J］.石油鉆采工藝，2005，27（4）：1-4.

［11］ 高德利，張輝，潘起峰，等.流花油田地層巖石力學(xué)參數(shù)評價及鉆頭選型技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2006，28（2）：1-3.

［12］ 劉濤光，吳泓渝，李斌，等.聚合鹽鉆井液體系研究［J］.鉆井液與完井液，2007，24（2）：19-22.