準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖凹陷鉆井提速技術(shù)

王海濤張 偉王國(guó)斌甘仁忠李 君張雪飛

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.新疆油田公司勘探公司，新疆克拉瑪依 834000）

準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖凹陷鉆井提速技術(shù)

王海濤1張 偉2王國(guó)斌2甘仁忠2李 君2張雪飛1

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.新疆油田公司勘探公司，新疆克拉瑪依 834000）

準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖凹陷壓力系統(tǒng)復(fù)雜，區(qū)域壓力變化大，漏失現(xiàn)象嚴(yán)重，八道灣組底部礫巖發(fā)育，厚度100～350 m不等，可鉆性差，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了環(huán)瑪湖地區(qū)的勘探進(jìn)程。根據(jù)該區(qū)塊鉆井地質(zhì)特點(diǎn)，有針對(duì)性地開(kāi)展了鉆井提速技術(shù)攻關(guān)。通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)選高效PDC鉆頭，優(yōu)選防漏堵漏鉆井液體系，運(yùn)用提速輔助工具，逐步形成了適合環(huán)瑪湖地區(qū)的鉆井提速配套技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的20口攻關(guān)井中，平均機(jī)械鉆速達(dá)到6.29 m/h，較攻關(guān)前提高63.4%，鉆井周期為72.29 d，較攻關(guān)前縮短37.2%，復(fù)雜時(shí)率為1.13%，較攻關(guān)前降低72.9%?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，環(huán)瑪湖地區(qū)的鉆井提速配套技術(shù)提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，降低了復(fù)雜時(shí)率，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

準(zhǔn)噶爾盆地；鉆井技術(shù)；機(jī)械鉆速；井身結(jié)構(gòu)；鉆頭選型；動(dòng)力鉆具

環(huán)瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，面積約1 300 km2，通過(guò)近些年的滾動(dòng)勘探，多口探井均獲得工業(yè)油流，從而揭開(kāi)了環(huán)瑪湖凹陷勘探技術(shù)攻關(guān)的序幕。環(huán)瑪湖凹陷是建設(shè)“新疆大慶”油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要接替區(qū)，然而該地區(qū)壓力系統(tǒng)復(fù)雜，地層可鉆性差，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了環(huán)瑪湖地區(qū)的勘探進(jìn)程。在深入分析研究環(huán)瑪湖地區(qū)鉆井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)其他油田鉆井提速技術(shù)，根據(jù)該區(qū)塊鉆井地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行了鉆井提速技術(shù)攻關(guān)。通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)選高效鉆頭，優(yōu)選防漏堵漏鉆井液體系，運(yùn)用提速輔助工具，逐步形成了適合環(huán)瑪湖地區(qū)的鉆井提速配套技術(shù)。

1 鉆井提速難點(diǎn)分析

1.1 地質(zhì)情況復(fù)雜

侏羅系中上部發(fā)育大段泥巖，西山窯組發(fā)育煤層，易造成鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)；吐谷魯群組底砂礫巖發(fā)育，頭屯河組砂巖發(fā)育，八道灣組底礫巖發(fā)育，上克拉瑪依組砂礫巖發(fā)育，鉆井時(shí)易發(fā)生漏失；百口泉組發(fā)育大套砂礫巖，巖性均質(zhì)性差，縱橫向變化大，地質(zhì)條件復(fù)雜，部分井氣測(cè)值低。

1.2 壓力系統(tǒng)復(fù)雜

三疊系百口泉組、二疊系烏爾禾組及夏子街組為環(huán)瑪湖地區(qū)主要目的層。由夏72井區(qū)、瑪13井區(qū)至瑪北油田、瑪南斜坡，儲(chǔ)層百口泉組試油外推壓力系數(shù)由1.0～1.15升高至1.4～1.7，由瑪西斜坡至瑪東斜坡，地層壓力逐步升高。壓力系統(tǒng)復(fù)雜，區(qū)域壓力變化大、增加了鉆井作業(yè)的施工難度。地層壓力上低下高，侏羅系及三疊系地層承壓能力低，百口泉組及烏爾禾組儲(chǔ)層安全密度窗口窄，若處于同一裸眼井段，鉆井風(fēng)險(xiǎn)大，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度大。

1.3 漏失嚴(yán)重、阻卡頻繁

環(huán)瑪湖斜坡帶地層漏失具有“漏失層段多、漏失壓力低、漏失量大、安全密度窗口窄”的特征，井漏主要分布在克拉瑪依組～下烏爾禾組地層，占井漏總數(shù)60%，防漏堵漏難度大?，敽?井發(fā)生了較嚴(yán)重的井漏，主要集中在大套砂巖、砂礫巖及微細(xì)裂縫較發(fā)育井段，由于鉆遇不同壓力系統(tǒng)地層，造成溢流、井漏同時(shí)存在，風(fēng)城組漏失鉆井液584 m3，堵漏耗時(shí)113.28 h。該區(qū)域侏羅系地層的泥巖及砂礫巖、三疊系地層的硬脆性泥巖易垮塌，造成在鉆進(jìn)、短提、劃眼等作業(yè)中阻卡頻繁，阻卡層段主要集中分布于三工河組～克拉瑪依組地層，占阻卡總數(shù)75%，鉆井液密度偏低是部分地層阻卡的原因所在。

2 提速配套鉆井技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等事故發(fā)生，又能有效降低鉆井成本［1］。針對(duì)環(huán)瑪湖地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，通過(guò)地震、測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層壓力，建立了地層壓力剖面，為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要依據(jù)。20世紀(jì)90年代瑪北地區(qū)主要采用標(biāo)準(zhǔn)三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)采用?444.5 mm鉆頭，?339.7 mm套管下深500 m左右，建立井口；二開(kāi)采用?311.2 mm鉆頭，?244.5 mm套管封八道灣組地層；三開(kāi)采用?215.9 mm鉆頭，下入?139.7 mm套管。這種井身結(jié)構(gòu)二開(kāi)技術(shù)套管下深過(guò)淺，不能有效封固下部低承壓地層，致使三開(kāi)井段發(fā)生作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，三疊系百口泉組、克拉瑪依組多次發(fā)生井漏，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。針對(duì)瑪北區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征、鉆井工程地質(zhì)特性，對(duì)該區(qū)域井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化完善。優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)相對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)采用預(yù)留一層技術(shù)套管以及復(fù)合井眼的方式，增加了處理復(fù)雜的應(yīng)變能力，減少了承壓堵漏的難度和井眼失穩(wěn)的機(jī)率，提高了井控能力，更能確保安全成井［2］。通過(guò)對(duì)瑪北地區(qū)2013年預(yù)探井的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)，降本增效成效顯著，6口試驗(yàn)井共節(jié)省套管1 116.7 t，節(jié)約中完工期64.7 d，大幅降低鉆井成本，機(jī)械鉆速提高18.5%～67.2%。

2.2 鉆頭選型優(yōu)化

侏羅系三工河組以上地層以泥巖為主，夾薄砂巖層，膠結(jié)松散，可鉆性較好，推薦使用成本低、鉆速快的MP2G牙輪鉆頭。在不改變鉆井方式的情況下用PDC鉆頭替代牙輪鉆頭是提高機(jī)械鉆速的最有效手段［3-4］。PDC鉆頭主要是依靠較高轉(zhuǎn)速下牙齒對(duì)地層的剪切作用進(jìn)行破巖，要求其牙齒具有更高的抗研磨性［5］。根據(jù)對(duì)完鉆井所用鉆頭的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)瑪湖地區(qū)PDC鉆頭進(jìn)尺占75%，使用效果明顯，因此在表層白堊系以下地層推薦首選高效PDC鉆頭系列。八道灣組中上部泥巖強(qiáng)度低，可鉆性較好，但進(jìn)入八道灣組較厚底礫巖后，可鉆性變差，一般PDC鉆頭無(wú)法成功穿過(guò)底礫巖，致使鉆頭報(bào)廢，八道灣組地層將是重點(diǎn)攻關(guān)提速層位。根據(jù)單只鉆頭進(jìn)尺及機(jī)械鉆速，經(jīng)過(guò)初選得到適合八道灣組地層的高效PDC鉆頭（圖1）。根據(jù)使用效果分析，F(xiàn)X65DX3、FR1935S、FS7563BGZ、FX65DSX3等PDC鉆頭使用效果較好。

圖1 八道灣組鉆頭使用效果

根據(jù)抗壓強(qiáng)度分析，在八道灣組地層，優(yōu)選16～19 mm切削齒、低～中等布齒密度的PDC鉆頭。通過(guò)與鉆頭廠家合作及試驗(yàn)，對(duì)多個(gè)廠家的鉆頭進(jìn)行了篩選，并根據(jù)八道灣組的地層特點(diǎn)，針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)鉆頭進(jìn)行了個(gè)性化設(shè)計(jì)，優(yōu)選出穿八道灣組砂礫巖的FX序列六刀翼、16 mm雙排切削齒FX65DX3鉆頭，該鉆頭流道面積大，攜巖能力強(qiáng)，減少重復(fù)切削，有效提高了鉆頭破巖效率。通過(guò)多口井的試驗(yàn)，運(yùn)用相同的方法對(duì)環(huán)瑪湖地區(qū)其他層位的鉆頭進(jìn)行了優(yōu)選，逐步形成了適合該地區(qū)的全井鉆頭序列（見(jiàn)表1）。

表1 環(huán)瑪湖地區(qū)全井鉆頭選型綜合推薦表

2.3 防漏堵漏鉆井液體系優(yōu)選

環(huán)瑪湖地區(qū)漏失層段多，漏失問(wèn)題突出。根據(jù)該區(qū)塊地層特征，對(duì)鉀鈣基聚磺鉆井液體系中抑制劑、包被劑、降濾失劑、封堵劑、潤(rùn)滑劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)及優(yōu)選，通過(guò)不同處理劑組合、配方優(yōu)化等100組室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，最終形成適合環(huán)瑪湖區(qū)塊的鉆井液技術(shù)。優(yōu)選出的鉆井液配方為：4%膨潤(rùn)土漿+0.2% Na2CO3+0.2%KOH+0.5%～0.7%包被劑PHMA-2+0.5%～0.7%降濾失劑SP-8+0.5%NPAN+3%SMP-1+1.5% SPNH+3%磺化瀝青+5%～9%KCl+0.2%～0.5%CaO+重晶石。在確定基漿配方后，對(duì)鉆井液體系進(jìn)行了室內(nèi)抗污染、抗溫性能評(píng)價(jià)及不同密度下流變性能評(píng)價(jià)。配方在130 ℃的條件下，依然保持良好的性能，在150 ℃滾動(dòng)條件下，流變性能出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。針對(duì)環(huán)瑪湖區(qū)塊漏失特征，進(jìn)行了隨鉆堵漏技術(shù)研究。對(duì)常用的隨鉆堵漏劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)及優(yōu)選，通過(guò)流變性及砂床評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得出，JCM-12、SD-601對(duì)流變性影響最小，漏失量最少。該地區(qū)的攻關(guān)井應(yīng)用新型鉆井液體系之后，井下復(fù)雜時(shí)率降低為1.13%，較攻關(guān)前降低72.9%。

2.4 高效復(fù)合鉆井提速技術(shù)優(yōu)選

2.4.1 扭力沖擊器+PDC鉆頭提速技術(shù) 扭力沖擊器以扭向上的沖擊破碎為主，加以旋轉(zhuǎn)剪切巖層，在保證井身質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)械鉆速，將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭。扭力沖擊發(fā)生器為純機(jī)械元件，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理，無(wú)任何橡膠件、電子件，提速的同時(shí)能起到防斜的作用，保證井身質(zhì)量。配合PDC鉆頭使用時(shí)，能更好控制井下振動(dòng)，減少井眼扭曲，減小鉆具組合的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)鉆頭壽命，降低卡、滑鉆風(fēng)險(xiǎn)，減少劃眼起下鉆次數(shù)，節(jié)省鉆井周期［6-9］。

為提高?215.9 mm井眼鉆進(jìn)速度，在瑪13井區(qū)瑪15井、瑪16井進(jìn)行了扭力沖擊器+PDC鉆頭提速技術(shù)的先導(dǎo)性試驗(yàn)?，?5井的試驗(yàn)井段為2 630.03～3 062.03 m，所鉆遇的層位包括克拉瑪依組、百口泉組，鉆頭進(jìn)尺432 m，機(jī)械鉆速為7.45 m/h；瑪16井試驗(yàn)井段為2 767～3 213.22 m，所鉆遇的層位包括克拉瑪依組、百口泉組，鉆頭進(jìn)尺446.2 m，機(jī)械鉆速為7.2 m/h。與鄰井相比，試驗(yàn)的2口井提速效果明顯（見(jiàn)表2）。

表2 試驗(yàn)井與鄰井各層位機(jī)械鉆速對(duì)比 m/h

2.4.2 高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭提速技術(shù) 利用渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速特性，配合長(zhǎng)壽命、高效一體式的孕鑲金剛石鉆頭，輔之以轉(zhuǎn)盤(pán)（或頂驅(qū)）復(fù)合鉆進(jìn)，以獲得較高的機(jī)械鉆速和鉆井進(jìn)尺。高速渦輪有如下技術(shù)特點(diǎn)：效率高，如Smith公司渦輪轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1 444 r/min，而普通螺桿轉(zhuǎn)速只有200 r/min；工作平穩(wěn)，減少井下振動(dòng)引起的鉆頭損害（碎齒、胎體斷裂等），延長(zhǎng)鉆頭壽命；使用壽命長(zhǎng)，沒(méi)有橡膠件，在井下工作時(shí)間可超過(guò)400 h。

在提速攻關(guān)期間，在瑪湖1井應(yīng)用了高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)。使用井段為4 401～4 450.39 m，機(jī)械鉆速達(dá)到1.59 m/h，與常規(guī)牙輪鉆速0.53 m/h相比提速200%（見(jiàn)表3），提速效果明顯，但鉆進(jìn)至4 450.39 m時(shí)出現(xiàn)溢流復(fù)雜情況，渦輪鉆具停止使用。

表3 瑪湖1井夏子街組渦輪+孕鑲金剛石鉆頭使用情況對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)環(huán)瑪湖地區(qū)地質(zhì)條件和鉆井特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，推廣個(gè)性化鉆頭和防漏堵漏鉆井液體系，優(yōu)選高效復(fù)合鉆井技術(shù)，自2012年進(jìn)行環(huán)瑪湖鉆井提速攻關(guān)以來(lái)，共有20口井應(yīng)用了提速配套技術(shù)，攻關(guān)井平均機(jī)械鉆速提高為6.29 m/h，較攻關(guān)前提高63.4%，鉆井周期縮短為72.29 d，較攻關(guān)前縮短37.2%，復(fù)雜時(shí)率降低為1.13%，較攻關(guān)前降低72.9%。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果可以看出，采用該提速配套技術(shù)之后，機(jī)械鉆速、鉆井周期、復(fù)雜時(shí)率等鉆井技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于攻關(guān)前，綜合提速效果顯著。

4 結(jié)論及建議

（1）配套提速鉆井技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖地區(qū)的應(yīng)用，大幅度提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，降低了復(fù)雜時(shí)率和鉆井成本，同時(shí)對(duì)防漏堵漏鉆井液體系進(jìn)行了優(yōu)選研究，為鉆井提速提供了有力保障，有助于加快環(huán)瑪湖地區(qū)的勘探步伐。

（2）優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)相對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)采用預(yù)留一層技術(shù)套管以及復(fù)合井眼的方式，增加了處理復(fù)雜的應(yīng)變能力，確保安全、順利成井。

（3）高效PDC鉆頭在環(huán)瑪湖地區(qū)具有較好的應(yīng)用效果，初步形成了環(huán)瑪湖地區(qū)全井鉆頭序列，對(duì)重點(diǎn)攻關(guān)層位已經(jīng)進(jìn)行了個(gè)性化PDC鉆頭的優(yōu)選，建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其他層位個(gè)性化鉆頭的改進(jìn)工作。

（4）扭力沖擊器+PDC鉆頭和高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)是鉆井提速的重要手段，建議在該地區(qū)進(jìn)一步推廣應(yīng)用，并優(yōu)化水力參數(shù)和機(jī)械參數(shù)，提高綜合使用效果。

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（修改稿收到日期 2014-04-22）

〔編輯 薛改珍〕

ROP enhancing technology for circum-mahu lake depression in Junggar Basin

WANG Haitao1,ZHANG Wei2,WANG Guobin2,GAN Renzhong2,LI Jun2,ZHANG Xuefei1
（1.Petroleum Engineering College Yangtze University,Wuhan430100,China;2.Exploration Division of Xinjiang Oilfield Company,Petrochina,Karamay834000,China）

The circum-Mahu depression of Junggar is a complex pressure system;its regional pressure changes greatly;conglomerates have grown at base of Badaowan Formation with a thicknes of 100-350 m and poor drillability,leading to low ROP and long drilling period,which greatly hinders the exploration progress in circum-Mahu area.Since 2012,according to the drilling geological characteristics of this block,efforts have been made to tackle the technical difficulties in drilling acceleration,and a complete set of techniques have been developed for drilling acceleration through such measures as optimization of wellbore configuration and effective PDC drill bits,using lost circulation prevention drilling fluid system and using auxiliary accelerating tools.In 20 wells to which these techniques have been applied,the average rate of penetration was 6.29 m/h,up by 63.4%;drilling period was 72.29 d,shortened by 37.2%,and downhole trouble rate were 1.13%,down by 72.9%.Field application showed that the techniques for drilling acceleration have improved the ROP,shortened the drilling period and reduced the downhole troube rate.So,the above technical measures are worth promoting.

Junggar Basin;drilling technology;rate of penetration (ROP);well configuration;drilling bit optimization;power drill

王海濤，張偉，王國(guó)斌，等.準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖凹陷鉆井提速技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：30-33.

TE22

：A

1000–7393（2014）04–0030–04

10.13639/j.odpt.2014.04.008

中石油股份公司鉆井科研項(xiàng)目“環(huán)瑪湖凹陷低滲儲(chǔ)層鉆井提速技術(shù)研究及昌吉油田致密油藏開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)鉆井技術(shù)研究”。

王海濤，1987年生。就讀于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院油氣井工程專業(yè)，主要從事巖石力學(xué)和鉆井工藝技術(shù)研究。電話：15299990159。E-mail：wanghaitao_sun@163.com。