風(fēng)古001井二疊系地層鉆井提速技術(shù)探討

宋　琳，韓先柱，羅　增，張文波，武建國(guó)

（1.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國(guó)石油新疆油田公司監(jiān)理公司，新疆克拉瑪依834000）

風(fēng)古001井二疊系地層鉆井提速技術(shù)探討

宋琳*1，韓先柱2，羅增1，張文波1，武建國(guó)2

（1.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國(guó)石油新疆油田公司監(jiān)理公司，新疆克拉瑪依834000）

風(fēng)古001井鉆遇二疊系地層具有埋深淺、厚度大且凝灰?guī)r、白云巖、凝灰質(zhì)砂礫巖優(yōu)勢(shì)明顯的特點(diǎn)，呈現(xiàn)出巖石研磨性強(qiáng)、可鉆性差（可鉆性級(jí)值5～8）的特征，造成機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)；同時(shí)，下盤(pán)二疊系風(fēng)城組儲(chǔ)集空間類型均以裂縫、溶孔為主，造成風(fēng)古001井井漏復(fù)雜時(shí)有發(fā)生。為提高本井機(jī)械鉆速，縮短建井周期，根據(jù)風(fēng)古001井鉆遇地層的特性，分別從鉆井工具和鉆井工藝2個(gè)方面改進(jìn)風(fēng)古001井鉆井提速技術(shù)措施，從而為可鉆性差的研磨性硬地層鉆井提速提供新的技術(shù)途徑。

二疊系；提速工具；氣體鉆井可行性分析；氮?dú)忏@井

1　風(fēng)古001井概況

風(fēng)古001井是準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶西端的一口重點(diǎn)開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)井，鉆探目的為探索淺層下二疊系含油特征，落實(shí)儲(chǔ)層及油層展布。本井鉆遇地層為白堊系吐谷魯組，侏羅系齊古組，上盤(pán)二疊系中統(tǒng)混層、風(fēng)城組。上部白堊系吐谷魯群（K1Tg）—上盤(pán)二疊系中統(tǒng)（P2l）為碎屑巖、砂泥巖互層。進(jìn)入上盤(pán)風(fēng)城組（P1fl）開(kāi)始至井底為一大套凝灰?guī)r［1］。

表1　風(fēng)古001井實(shí)鉆地質(zhì)分層表

圖1　風(fēng)古001井石炭系凝灰?guī)r錄井照片

圖2　風(fēng)古001井二疊系風(fēng)城組（P1f）XRMI成像識(shí)別裂縫

表2　風(fēng)古001井井身結(jié)構(gòu)表

2　風(fēng)古001井鉆井提速技術(shù)難點(diǎn)

（1）該井二開(kāi)地層為風(fēng)城組，其巖石呈現(xiàn)灰質(zhì)和白云質(zhì)特征，膠結(jié)性差，易發(fā)生井壁掉塊及坍塌；

（2）實(shí)鉆期間三疊系巖石特征未表現(xiàn)，常規(guī)的地質(zhì)層位缺失，給鉆井期間工程方案執(zhí)行提出挑戰(zhàn)；

（3）該井二疊系風(fēng)城組，凝灰?guī)r及白云質(zhì)巖石優(yōu)勢(shì)明顯，其地層可鉆性差、地層傾角大、裂縫帶多，致使機(jī)速低，鉆頭選型和井斜控制難度大；

（4）XRMI測(cè)量井段為3118.0～3690.0m，結(jié)果表明：二疊系風(fēng)城組層理發(fā)育，根據(jù)白云質(zhì)泥巖綠模式，地層傾角在40°～50°之間，傾向偏北，防斜打直難度較高；

（5）對(duì)本井下盤(pán)二疊系風(fēng)城組進(jìn)行經(jīng)鑄體薄片分析，其儲(chǔ)集空間類型以裂縫、溶孔為主，易發(fā)生失返性井漏，井控風(fēng)險(xiǎn)大。該井二開(kāi)期間共發(fā)生11次井漏，增加了鉆井周期和成本；

（6）地層巖石強(qiáng)度大，研磨性高，可鉆性級(jí)值在5～8之間，鉆頭牙齒損壞嚴(yán)重。

3　鉆速提高工藝選擇

3.1提速工具的應(yīng)用

3.1.1幾種提速工具介紹

風(fēng)古001井二開(kāi)自井深600m開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至井深1250m后機(jī)械鉆速明顯降低。該井二疊系和石炭系巖石可鉆性差，本井二開(kāi)機(jī)械鉆速嚴(yán)重偏低，采用了多種提速方法（主要是特殊工具在鉆井中應(yīng)用）。

經(jīng)過(guò)篩選，風(fēng)古001井主要應(yīng)用了渦輪鉆具、液力推進(jìn)器、減震器等特殊鉆井工具。

渦輪鉆具是一種自身具有壓降較大、無(wú)橡膠元件、抗高溫能力更強(qiáng)的井下動(dòng)力鉆具，它能夠提供更高的鉆速、扭矩。針對(duì)深井、超深井及高溫高壓井的鉆井提速，渦輪鉆具的應(yīng)用較為廣泛，能夠適應(yīng)井下高溫、高密度鉆井液體系。然而，由于渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)渦輪鉆具性能參差不齊，使用成本高，而且對(duì)鉆井液固相含量和固體顆粒大小要求嚴(yán)格，導(dǎo)致推廣使用受限。

液力推進(jìn)器連接在鉆頭和鉆鋌之間，將下部的壓力降轉(zhuǎn)換為軸向的鉆壓傳遞給鉆頭，在鉆進(jìn)過(guò)程中起到減震的作用，能改善井下鉆柱受力狀態(tài)，從而提高鉆速并防止鉆柱損壞。

減震器可以提高鉆頭使用壽命，在功能上滿足3點(diǎn)要求：傳遞鉆壓，將上部鉆鋌的鉆壓傳遞到鉆頭上；傳遞扭矩，將來(lái)自轉(zhuǎn)盤(pán)的扭矩傳遞到鉆頭上；減震，吸收來(lái)自鉆頭的軸向沖擊能量，減緩鉆柱的震動(dòng)及對(duì)鉆頭的沖擊載荷，從而延長(zhǎng)鉆頭使用壽命［4］。

3.1.2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

風(fēng)古001井二疊系地層高致密性凝灰?guī)r硬度大，研磨性極強(qiáng)，鉆進(jìn)過(guò)程中偶發(fā)憋跳，常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭牙輪多次出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，鉆井提速困難。二開(kāi)后期鉆進(jìn)考慮采用多種特殊工具配合三牙輪鉆頭。

風(fēng)古001井使用的幾種特殊工藝鉆具組合：

渦輪鉆具組合：?311.15mm孕鑲式鉆頭+渦輪鉆具+ ?203mm鉆鋌×9根+?178mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×6根+?127mm鉆桿。

液力推進(jìn)器鉆具組合：?311.15mm鉆頭+?240mm液力推進(jìn)器+?228.60mm鉆鋌2根+?311mm穩(wěn)定器+ ?228.60mm鉆鋌1根+?203.2mm鉆鋌5根+?177.80mm鉆鋌9根+?178mm隨鉆震擊器+?177.80mm鉆鋌3 根+?127mm鉆桿。

減震器鉆具組合：?311.15mm鉆頭+?229mm減震器+ ?228.60mm鉆鋌2根+?311mm穩(wěn)定器+?228.60mm鉆鋌1根+?203.2mm鉆鋌6根+?177.80mm鉆鋌9根+ ?178mm隨鉆震擊器+?177.80mm鉆鋌3根+?127mm鉆桿。

3.1.3效果分析

采用多種提速方法均無(wú)明顯效果，在1281～3120m地層分段鉆井情況顯示：常規(guī)鉆井平均機(jī)速為0.58m/h，其他提速工具平均機(jī)速為0.52m/h，液力推進(jìn)器平均機(jī)速為1.36m/h。在同一地層，使用液力推進(jìn)器井段的機(jī)械鉆速相對(duì)較高（如表3所示）。

表3　風(fēng)古001井不同提速工具機(jī)械鉆速對(duì)比表

3.2氮?dú)忏@井

3.2.1氮?dú)忏@井的特點(diǎn)

欠平衡氮?dú)忏@井技術(shù)主要具有4方面的優(yōu)點(diǎn)：①可減少對(duì)產(chǎn)層的損害，有效保護(hù)油氣層，從而提高油氣井的產(chǎn)量的效果，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)低壓低滲油氣層，為勘探開(kāi)發(fā)整體方案設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)；②減少大量用水，氮?dú)馊〉梅奖?，成本低；③大幅度提高機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，從而縮短鉆井周期；④有效地控制漏失，并減少和避免壓差卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生，同時(shí)減少或免去油層改造等作業(yè)措施及昂貴的費(fèi)用。

但是，氮?dú)忏@井對(duì)地層穩(wěn)定性要求很高，要求先期對(duì)地層有足夠的了解，井下掌握準(zhǔn)確；同時(shí)，氮?dú)忏@井井內(nèi)為負(fù)壓，屬欠平衡鉆井，從平衡鉆井角度來(lái)看，大大增加了井控風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作提出了挑戰(zhàn)。

3.2.2氮?dú)忏@井的應(yīng)用情況

3.2.2.1可行性分析

結(jié)合風(fēng)古001井二疊系鉆速緩慢情況，提出應(yīng)用欠平衡氮?dú)忏@井的可行性。

風(fēng)古001井三開(kāi)將可能鉆遇夏子街組（P2x）、風(fēng)城組（P1f），參考鄰井相同地層對(duì)三開(kāi)二疊系地層的井壁穩(wěn)定性及鉆井風(fēng)險(xiǎn)展開(kāi)評(píng)價(jià)。

（1）若鉆遇P2x組。從準(zhǔn)噶爾盆地西北緣瑪湖地區(qū)的鉆井地質(zhì)情況來(lái)看，P2x組地層穩(wěn)定性較好，巖性為白云質(zhì)砂泥巖，地層基本不存在發(fā)生水化坍塌的風(fēng)險(xiǎn)［3］。風(fēng)南8井P2x井眼擴(kuò)大率小于10%，坍塌壓力小于0.2。白22井夏子街組實(shí)施泡沫欠平衡鉆井，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，夏子街組（P2x）地層穩(wěn)定性較好，具備實(shí)施氣體鉆井條件。

（2）若鉆遇P1f組。根據(jù)鄰井風(fēng)19井、風(fēng)南8井測(cè)井資料分析及實(shí)鉆情況來(lái)看，風(fēng)城組P1f組屬于力學(xué)穩(wěn)定地層，巖性以云化的白云巖為主，基本不存在井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，該地層井段具備實(shí)施氣體鉆井的條件［2-3］。

（3）氮?dú)忏@井地層出油/水后鉆井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析。氮?dú)忏@井條件下，若沒(méi)有地層水/原油進(jìn)入井筒，環(huán)空中的鉆屑不會(huì)結(jié)塊且排砂口返屑正常。但當(dāng)?shù)獨(dú)忏@井鉆遇水層/油層后，環(huán)空中的粉塵遇到少量水/或油會(huì)相互結(jié)塊，形成單位重量較大的塊狀巖屑。大尺寸巖屑隨鉆運(yùn)移到鉆鋌和鉆桿連接處頂點(diǎn)，該處環(huán)空面積突然增大，上返速度減小，使得巖屑在該處發(fā)生因環(huán)空返速不夠而導(dǎo)致攜巖不暢，在工程上則有可能導(dǎo)致卡鉆。同時(shí)，形成因流道面積變化而可能產(chǎn)生井下燃爆［3］。

圖3　風(fēng)南8井坍塌壓力剖面及井徑擴(kuò)大率

此外，地層出水后隨鉆進(jìn)入井筒的地層水，在氣流攜帶作用下沿井筒向上運(yùn)移，地層水與井壁接觸，則有可能導(dǎo)致部分層段吸水后的坍塌卡鉆。而井壁坍塌后，則有可能發(fā)生因環(huán)空面積增加、流速不夠而導(dǎo)致卡鉆。因此，地層出水后，根據(jù)井眼穩(wěn)定及出水情況，進(jìn)行鉆井工藝的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)鄰井風(fēng)南5井和風(fēng)南7井在風(fēng)城組多段解釋為油氣層，風(fēng)南3井、風(fēng)南4井在風(fēng)城組風(fēng)一段解釋有水層，同時(shí)本井地質(zhì)認(rèn)識(shí)尚不完全清楚，鉆遇地層具有一定的不確定性，即在三開(kāi)氮?dú)忏@井中存在因地層出水導(dǎo)致攜巖不暢卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。就現(xiàn)有技術(shù)而言，氣體鉆井泥餅環(huán)導(dǎo)致的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)尚無(wú)有效工藝予以完全消除。因此，如果地層出水出油影響到攜巖時(shí)，必須考慮到及時(shí)進(jìn)行工藝轉(zhuǎn)換，保證鉆井安全。

（4）氮?dú)忏@井井控風(fēng)險(xiǎn)分析。地質(zhì)設(shè)計(jì)提示本井風(fēng)城組井段3060～3660m有良好油氣顯示可能，預(yù)測(cè)目的層壓力系數(shù)達(dá)到1.38g/cm3，井底底層壓力高達(dá)51MPa。另外，本井地質(zhì)認(rèn)識(shí)模糊，在鉆井中存在著因地質(zhì)預(yù)測(cè)誤差導(dǎo)致的潛在井控風(fēng)險(xiǎn)。因此，要求在氮?dú)?氮?dú)忪F化鉆井階段，做好可能鉆遇高壓油氣藏的井筒壓力控制應(yīng)急方案。

本設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)措施：①目的層上層技術(shù)套管按照管內(nèi)全掏空的情況下，對(duì)套管進(jìn)行強(qiáng)度校核，下入套管必須滿足其強(qiáng)度要求。②選用70MPa壓力級(jí)別井控裝備；③旋轉(zhuǎn)控制頭需達(dá)到設(shè)計(jì)試壓標(biāo)準(zhǔn)；④所用鉆具達(dá)到一級(jí)鉆具標(biāo)準(zhǔn)。

施工方做好鉆遇油氣層應(yīng)急預(yù)案，在氮?dú)忏@進(jìn)作業(yè)期間，做好地層流體監(jiān)測(cè)工作，一旦鉆遇高壓高產(chǎn)油氣，立即執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案。

3.2.2.2氮?dú)忏@井提速效果

現(xiàn)場(chǎng)的氮?dú)忏@井鉆具組合為：?215.9mm鉆頭+?165mm單流閥+?158.8mm鉆鋌2根+?215mm扶正器+?158.8mm鉆鋌20根+?165mm隨鉆震擊器+?158.8mm鉆鋌3 根+?127mm鉆桿。

將三牙輪鉆頭更換空氣錘后的鉆具組合：PKQC180-216I空氣錘+?165mm單流閥+?158.8mm鉆鋌2根+?215mm扶正器+?158.8mm鉆鋌20根+?165mm隨鉆震擊器+?158.8mm鉆鋌3根+?127mm鉆桿。

從表4可以看出，在風(fēng)古001井應(yīng)用氮?dú)忏@井工藝，其機(jī)械鉆速為轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井機(jī)械鉆速的4倍，提速效果明顯，既縮短了鉆井周期，又有效避免了風(fēng)古001井持續(xù)的井漏復(fù)雜情況。

4　建議及結(jié)論

（1）通過(guò)分析烏夏地區(qū)二疊系風(fēng)城組鉆井、地質(zhì)資料，二疊系地層巖性縱橫變化大，均質(zhì)性差，深部地層硬、研磨性強(qiáng)、巖石可鉆性差，要選用具有抗沖擊和抗研磨性的鉆頭；

表4　氮?dú)忏@井與常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井機(jī)械鉆速情況表

（2）為保證提速應(yīng)用的成功率，建議做好不同鉆井方式的鉆前可行性論證，減少和避免不必要的深井起下鉆；

（3）類似烏夏地區(qū)二疊系風(fēng)城組地層傾角大、穿越斷層多，且地層壓力低，容易造成失返性漏失的特點(diǎn)，建議應(yīng)用氣基流體欠平衡鉆井為提速的最優(yōu)鉆井方式；

（4）無(wú)論采取何種類型的流體介質(zhì)，何種作業(yè)工況，均必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所鉆井井底壓力的有效控制，即鉆井必須在井控安全的前提下進(jìn)行。

［1］阮彪.新疆油田烏夏地區(qū)二疊系地層巖石特性及鉆井提速技術(shù)研究［R］.長(zhǎng)江大學(xué)，2013.

［2］風(fēng)古001井三開(kāi)氮?dú)忏@井工程設(shè)計(jì)［R］.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，2014.

［3］陳廷根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2000.

［4］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)［M］.中國(guó)石化出版社，2007.

Technology Discussion to Improve Drilling Speed of Fenggu 001 Well in Permian Strata

SONG Lin1，HAN Xian-zhu2，LUO Zeng1，ZHANG Wen-bo1，WU Jian-guo2
（1.Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oil Field Co.，PetroChina，Karamay Xinjiang 834000，China；2.China Petroleum Xinjiang Oil Field Co.Supervision Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

Permian strata in which Fenggu 001 Well was in the drilling have characteristics of superficial buried depth，big thickness and dominant amount of tuff，dolomite，tuffaceous sandstone，showing the features of strong rock abrasivenesss and poor drillability（drillability value is from 5 to 8），which lead to low rate of penetration and long drilling cycle.Meanwhile the reservoir space types of footwall Permian Fengcheng Formation are mainly fracture and corroded hollow which occasionally caused lost circulation of Fenggu 001 Wells.In order to improve the penetration rate and shorten the construction cycle，according to the drilling strata characteristics of Fenggu 001 Well，this paper improves the technical measures to increase the drilling rate of the Fenggu 001well，respectively from two aspects of drilling tools and drilling technics. This can provide new technical way to improve drilling speed for hard formation with strong rock abrasivenesss and poor drillability.

Permian；speed raising tool；feasibility analysis of gas drilling；nitrogen drilling

TD82.72

A

1004-5716（2016）05-0027-05

2015-05-07

2015-05-08

宋琳（1989-），男（漢族），山東陽(yáng)谷人，助理工程師，現(xiàn)從事油氣井固完井工程設(shè)計(jì)工作。