火焰山中央隆起帶安全快速鉆井技術(shù)探討

趙彥彬，閆志剛，楊佳偉

1.中國(guó)石油吐哈油田分公司監(jiān)督中心（新疆鄯善838200）

2.中國(guó)石油西部鉆探吐哈鉆井公司（新疆鄯善838200）

■工程技術(shù)

火焰山中央隆起帶安全快速鉆井技術(shù)探討

趙彥彬1，閆志剛1，楊佳偉2

1.中國(guó)石油吐哈油田分公司監(jiān)督中心（新疆鄯善838200）

2.中國(guó)石油西部鉆探吐哈鉆井公司（新疆鄯善838200）

火焰山中央隆起帶位于魯克沁油田北區(qū)火焰山周邊區(qū)域，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受褶皺及斷層影響，地層傾角大且傾角變化范圍大，表層裂縫發(fā)育、中部地層煤層且斷層發(fā)育、下部地層可鉆性差，在鉆井過(guò)程中復(fù)雜事故頻發(fā)，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)已鉆井的調(diào)研分析，可知復(fù)雜事故發(fā)生的層位及類(lèi)型，經(jīng)過(guò)開(kāi)展表層防漏堵漏技術(shù)、優(yōu)選個(gè)性化鉆頭、優(yōu)化井眼軌跡控制技術(shù)、防卡鉆井技術(shù)、大傾角地層防斜技術(shù)等研究，在很大程度上降低了復(fù)雜事故率，縮短了鉆井周期。

推覆體；斷層；表層井漏；煤層卡鉆；配套鉆井技術(shù)

火焰山中央隆起帶屬于火焰山構(gòu)造帶，主要開(kāi)發(fā)層位為二疊系梧桐溝組（P3w），是吐哈油田新的產(chǎn)能增長(zhǎng)點(diǎn)。在2013-2014年期間完成了6口井，平均井深4 654.6m，機(jī)械鉆速3.24m/h，鉆井周期163.91d，事故復(fù)雜率22.51%，存在機(jī)速慢、復(fù)雜事故時(shí)率高、鉆井周期長(zhǎng)等諸多問(wèn)題。該區(qū)塊復(fù)雜事故率高是受地質(zhì)條件影響，主要表現(xiàn)為全井地層傾角大、表層井漏嚴(yán)重、中部煤層及斷層坍塌卡鉆、下部地層可鉆性差。因此通過(guò)對(duì)已鉆井復(fù)雜事故的調(diào)查分析，開(kāi)展針對(duì)性的技術(shù)研究，形成了適合該區(qū)塊的配套鉆井技術(shù)，包括表層防漏堵漏技術(shù)、優(yōu)選個(gè)性化鉆頭、優(yōu)化井眼軌跡控制技術(shù)、防卡鉆井技術(shù)，大傾角地層防斜技術(shù)，該綜合配套技術(shù)的實(shí)施極大地改善了鉆井成效。

1 前期鉆井情況

火焰山中央隆起帶受火焰山地形影響，開(kāi)發(fā)方式以定向井為主，井身結(jié)構(gòu)為二開(kāi)井。

井身結(jié)構(gòu)：Φ375mm鉆頭、Φ273mm套管×1 200m +Φ216mm鉆頭、Φ139.7mm套管×4 688m。

井眼軌跡：造斜點(diǎn)1 300～1 500m，最大井斜34°～53°，斜井段長(zhǎng)3 100～3 500m，水平位移1 100～1 600m。

在前期鉆井中主要表現(xiàn)為以下難點(diǎn)。

1.1 表層井漏突出

表層（Q-K1tg）裂縫發(fā)育，漏失主要集中在K1tg以上地層（井段30～500m）（表1）。

表1 井漏情況統(tǒng)計(jì)表

1.2 煤層、斷層事故率高

中部地層（上盤(pán)J2x-下盤(pán)J1）推覆體逆斷層構(gòu)造，煤層、斷層、破碎帶發(fā)育，易坍塌，事故率高（表2）。

1.3 下部地層可鉆性差

下部地層（T2-3k-P2w）存在大段砂礫巖，地層壓實(shí)程度高，夾層多，研磨性強(qiáng)。鉆井過(guò)程中該段礫徑較均勻，無(wú)大粒徑礫石，粒徑在5mm以?xún)?nèi)，鉆時(shí)由4min逐漸增加，最大達(dá)到180min，地層機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)。

表2 卡鉆情況統(tǒng)計(jì)表

1.4 全井地層傾角大

全井地層傾角大（18°～58°），全井段易斜，方位固定不變，井身質(zhì)量控制難度大（表3）。完成井表層井斜均超標(biāo)，玉北6井井斜超標(biāo)造成填井側(cè)鉆；斜井段調(diào)整軌跡、倒換鉆具結(jié)構(gòu)次數(shù)多（表4），調(diào)整軌跡需要13.46d。

表3 表層井身質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

表4 斜井段調(diào)整軌跡數(shù)據(jù)表

2 配套鉆井技術(shù)研究

2.1 表層堵漏技術(shù)研究

2.1.1 漏失情況分析

火焰山中央隆起帶表層巖性特征：上部為大套棕紅色泥巖，中部為灰綠色泥巖，下部為大套雜色砂礫巖夾棕紅色泥巖［1-2］。

該區(qū)塊前期6口井中有4口發(fā)生嚴(yán)重漏失，表現(xiàn)為漏失速度快，漏失量大，存在失返現(xiàn)象，堵漏后進(jìn)入新地層馬上出現(xiàn)漏失，堵漏效果差，三大漏失段：30～50m、100～150m、300～400m。結(jié)合地質(zhì)因素分析其漏失機(jī)理為：受喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，火焰山上部地層破碎嚴(yán)重，存在大段裂縫，裂縫垂直發(fā)育，連通性好，鉆井過(guò)程中進(jìn)入破碎，地層發(fā)生裂縫性漏失，由于裂縫寬度較大，延伸范圍較廣，鉆井液漏失量大，且不易堵住，并且由于裂縫延伸方向多為水平方向，垂直方向裂縫連通程度較低，堵漏成功后鉆入新地層會(huì)發(fā)生新的裂縫性漏失。

2.1.2 堵漏方案及堵漏機(jī)理

根據(jù)表層的井漏特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)漏失后采取堵漏措施不可能起到較好的堵漏效果，因?yàn)橐坏┿@入新地層，漏失情況就會(huì)反復(fù)發(fā)生，為提高堵漏及鉆井效率，可以在不危及鉆井安全性的前提下，采取隨鉆堵漏的措施，邊堵漏邊鉆進(jìn)，爭(zhēng)取將整個(gè)漏層鉆完后，再采用水泥漿封固漏層，堵漏機(jī)理為架橋機(jī)理和水泥的凝固機(jī)理，具體施工方案如下。

1）0～60m井段：①前20m發(fā)生漏失后采用打水泥漿堵漏，后40m發(fā)生漏失若漏速未達(dá)到失返則采用隨鉆堵漏或靜置堵漏；②鉆至60m采用導(dǎo)管封固，防止表層串漏，基礎(chǔ)下沉。

2）60～500m井段：①優(yōu)化鉆井參數(shù)，避免人為誘導(dǎo)性漏失；②確定漏層井段，鉆時(shí)變快或泥漿返出減少則進(jìn)入漏層，鉆時(shí)由快變慢漏層鉆穿，充分暴露漏層；③漏失量小時(shí)采取隨鉆堵漏或打堵漏漿起鉆靜堵，漏失量大或失返時(shí)采用小排量強(qiáng)鉆，充分暴露裂縫后，打水泥封固漏層；④打入水泥漿凝固5h（水泥強(qiáng)度達(dá)到終凝）開(kāi)始鉆進(jìn)，防止水泥石強(qiáng)度過(guò)高，鉆塞時(shí)鉆出新漏層。

2.2 煤層、斷層防卡技術(shù)研究

2.2.1 煤層坍塌機(jī)理

煤層分布特點(diǎn)：①煤層主要在中侏羅系西山窯及下侏羅系發(fā)育；②受逆斷層影響，煤層分布段長(zhǎng)，分布井段在2 600～3 700m；③煤層數(shù)量多，最多出現(xiàn)15層；④層間埋藏深度無(wú)規(guī)律。

煤層坍塌主要受煤層本身的脆弱性、鉆井液中水、油含量、煤層的應(yīng)力狀態(tài)影響。煤層坍塌的機(jī)理有以下幾點(diǎn)：①由于煤巖及其發(fā)育的節(jié)理和裂隙，膠結(jié)較疏松，容易破碎，當(dāng)?shù)貙颖汇@開(kāi)時(shí)，鉆井液進(jìn)入后，產(chǎn)生水力沖擊、壓力波動(dòng)及震動(dòng)等，煤巖之間的膠結(jié)力被降低，導(dǎo)致坍塌［3］；②由于煤層中含有多種黏土礦物，造成水化極其不均勻，導(dǎo)致煤層的局部強(qiáng)度有所下降；高溫會(huì)進(jìn)一步加劇煤層的水化，使得黏土分散、水化產(chǎn)生內(nèi)張力，從而導(dǎo)致煤體崩解；③泥頁(yè)巖的膨脹推擠和格檔效應(yīng)；④鉆井液密度低，地層坍塌壓力不能被液柱壓力平衡，容易造成井壁的坍塌；⑤在鉆井施工過(guò)程中，鉆具與井壁之間的相互碰撞、起鉆和下鉆操作不平穩(wěn)時(shí)，也會(huì)促使地層垮塌。

2.2.2 斷層分布特點(diǎn)

推覆體逆斷層橫穿區(qū)塊，發(fā)生斷層的層位不一致。斷層發(fā)育較多，主要分布在垂深3 100～3 300m，有些斷層橫穿下盤(pán)整個(gè)侏羅系和三疊系地層。斷層交界面巖性變化：克拉瑪依組灰色細(xì)砂巖結(jié)束，西山窯組（下盤(pán)）地層出現(xiàn)厚層深灰色泥巖夾灰色泥質(zhì)粉砂巖。

2.2.3 煤層、斷層防卡技術(shù)措施

1）優(yōu)化井眼軌跡，采用直井段穿煤層、斷層，減少煤層、斷層裸露段長(zhǎng)。

2）應(yīng)用防卡PDC鉆頭，優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)，預(yù)防煤層卡鉆。

防卡PDC鉆頭特點(diǎn)：與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭能將煤層剪切為細(xì)小巖屑，避免出現(xiàn)大塊卡死鉆頭；PDC鉆頭較牙輪鉆頭震動(dòng)小，減小了煤層坍塌風(fēng)險(xiǎn)；保徑末端采用魚(yú)尾形狀上置倒劃眼齒，增加鉆頭冠部與地層之間的間隙，倒劃眼中魚(yú)尾形狀能夠形成楔形作用楔入地層塌塊中，倒劃眼齒能夠在倒劃眼中破碎較大掉塊。

優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)。鉆具結(jié)構(gòu)：防卡PDC+無(wú)扶彎螺桿+鉆鋌+隨鉆震擊器+加重鉆桿+鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓20kN，轉(zhuǎn)速20r/min，排量30L/s。特點(diǎn)：使用無(wú)扶螺桿鉆具，減小鉆具外徑，增加環(huán)空間隙；加帶隨鉆震擊器，發(fā)生卡鉆第一時(shí)間進(jìn)行震擊解卡，增加解卡成功率；控制轉(zhuǎn)速，降低鉆具對(duì)井壁的碰撞；控制鉆壓，達(dá)到控時(shí)鉆進(jìn)的目的。

3）應(yīng)用隨鉆安全倒扣裝置降低事故處理難度，減少施工工序，保障斷層安全鉆進(jìn)。

隨鉆安全倒扣裝置特點(diǎn)：使用方便，通過(guò)投球蹩壓，使空芯花鍵軸脫離上接頭和下接頭的連接部分，再將下接頭與上接頭快速脫扣，即可完成鉆具快速脫離；安裝位置靈活，加在扶正器以上，無(wú)扶正器安裝位置離鉆頭一根鉆鋌；降低事故處理難度，卡鉆后可以將接頭以上鉆具起出，減少井內(nèi)被卡鉆具，防止粘卡；減少施工工序，減少測(cè)卡、爆炸松扣時(shí)間。

優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)。鉆具結(jié)構(gòu)：牙輪+鉆鋌+隨鉆安全倒扣裝置+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓20kN，轉(zhuǎn)速60r/min，排量32L/s。特點(diǎn)：鉆具組合抗扭力強(qiáng)，增強(qiáng)處理復(fù)雜事故能力；加帶隨鉆安全倒扣裝置，增加事故處理手段；控制轉(zhuǎn)速，降低鉆具對(duì)井壁的碰撞；控制鉆壓，達(dá)到控時(shí)鉆進(jìn)的目的。

2.3 克拉瑪依組硬地層提速技術(shù)研究

2.3.1 地層巖性分析

利用微鉆頭法和聲波測(cè)井資料得出了克拉瑪依組以下地層巖石的可鉆性、研磨性評(píng)估結(jié)果（表5）。

2.3.2 選用抗研磨性強(qiáng)的DS系列鉆頭

根據(jù)克拉瑪依組以下地層巖石的巖性及可鉆性、研磨性評(píng)估結(jié)果，發(fā)現(xiàn)機(jī)速低的主要原因是該地層的抗研磨性突出，因此經(jīng)過(guò)鉆頭優(yōu)選后，確定出采用抗研磨性強(qiáng)的DS系列鉆頭（圖1）。

該型鉆頭采取了降低刀翼厚度，增大排泄槽，優(yōu)化水眼布局，增強(qiáng)排屑能力及防止鉆頭泥包；選用適合硬地層快速鉆進(jìn)的PDC復(fù)合片（H3齒），增強(qiáng)穿夾層能力；改進(jìn)主刀翼和輔刀翼布齒角度，采用非同心布齒，增強(qiáng)鉆頭工作穩(wěn)定性，提高鉆頭行程鉆速的設(shè)計(jì)，具有較好的破巖效率。

表5 巖石可鉆性、研磨性

圖1 DS系列鉆頭

2.4 大傾角地層防斜提速技術(shù)研究

依據(jù)地層自然造斜規(guī)律，優(yōu)化鉆具組合，解決了表層井身質(zhì)量難控制的問(wèn)題，減少了斜井段滑動(dòng)定向，縮短了軌跡控制時(shí)間［4-5］。

2.4.1 地層自然造斜規(guī)律研究

受推覆體構(gòu)造影響，該區(qū)塊地層傾角大，三間房以上地層，地層傾角在18°～30°，傾向25°；西山窯至侏羅系下統(tǒng)受推覆體影響，地層傾角變化在35°～58°，傾向變化不固定，在25°～345°之間；克拉瑪依組以下地層地層傾角在18°～22°，傾向25°，造成區(qū)塊地層自然造斜率大，自然方位（200°）固定不變。

2.4.2 鉆具增斜能力分析

目前吐哈區(qū)塊經(jīng)常使用1°和1.25°螺桿進(jìn)行定向施工，針對(duì)3種1°和1.25°單彎螺桿鉆具組合在Ф216mm井眼內(nèi)增斜能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)對(duì)無(wú)扶螺桿鉆具結(jié)構(gòu)、單彎單穩(wěn)鉆具結(jié)構(gòu)、單彎雙穩(wěn)鉆具結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：1°無(wú)扶單彎單穩(wěn)鉆具增斜力＜1°；單彎單穩(wěn)鉆具增斜力＜1.25°；單彎雙穩(wěn)鉆具增斜力＜1.25°；1.25°無(wú)扶單彎單穩(wěn)鉆具增斜力＜1.25°；單彎單穩(wěn)鉆具增斜力＜1.25°；單彎雙穩(wěn)鉆具增斜力＜1°。

2.4.3 表層防斜打直技術(shù)

表層井斜難以控制的原因分析：①地層傾角大，自然造斜率高；②裂縫性漏失，簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)，輕壓吊打、效率低、機(jī)速慢；③弱化參數(shù)，影響隨鉆儀器的正常使用。

表層井斜解決方法：400m以后堵漏成功，則下入Ф244.5mm1.25°單彎螺桿+MWD控制井斜，螺桿扶正器增大至Ф368～372mm，提高螺桿造斜率。

鉆具結(jié)構(gòu)：Ф375mmPDC+Ф244.5mm1.25°螺桿（368～371mm扶正器）+Φ372mm扶正器+Ф203mm無(wú)磁DC+Ф178mmDC+127mmDP。

2.4.4 二開(kāi)直井段、斜井段鉆具組合優(yōu)化

定向段設(shè)計(jì)方位（150°～220°）與地層自然方位相同，地層造斜規(guī)律呈增斜趨勢(shì)。

J2s以上地層（2 600m以前）：采用1.25°單彎雙穩(wěn)鉆具，實(shí)現(xiàn)“直-增-微增”一趟鉆。

J2X-J1（2 600～3 800m）：采用1.25°無(wú)扶單彎單穩(wěn)鉆具煤層段穩(wěn)斜鉆進(jìn)，進(jìn)入斷層前下入牙輪常規(guī)鉆具。

T2-3K以下地層：采用1°單彎雙穩(wěn)鉆具進(jìn)行穩(wěn)斜鉆井。

3 綜合配套技術(shù)實(shí)施效果

2015年在火焰山中央隆起帶6口井實(shí)施了該綜合配套技術(shù)。

3.1 表層堵漏技術(shù)實(shí)施效果

通過(guò)應(yīng)用表層堵漏技術(shù)，6口井的平均漏失量減少了412.03m3，損失時(shí)間減少了10.8d，鉆井周期縮短了16.39d（表6）。

表6 表層堵漏實(shí)施效果

3.2 煤層、斷層防卡技術(shù)實(shí)施效果

煤層、斷層防卡技術(shù)完成3口井，共鉆遇煤層27套，煤層厚度95.8m，其中最厚一套煤層為14.4m，鉆穿3套斷層，安全無(wú)事故（表7）。

3.3 克拉瑪依組硬地層提速技術(shù)實(shí)施效果

相比應(yīng)用前機(jī)速提高了2.9m/h，提高了105.07%，鉆井周期縮短了11.84d，縮短了54.89%（表8）。

表7 煤層、斷層防卡技術(shù)實(shí)施效果

表8 硬地層提速實(shí)施效果

3.4 大傾角地層防斜提速技術(shù)實(shí)施效果

3.4.1 表層井身防斜實(shí)施效果

通過(guò)使用Ф244.5mm1.25°螺桿+MWD鉆具結(jié)構(gòu)，有效解決了表層大井眼井身質(zhì)量控制難的問(wèn)題，應(yīng)用后井身質(zhì)量合格（表9）。

表9 表層井身質(zhì)量控制效果

3.4.2 表層井身防斜實(shí)施效果

通過(guò)優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)，平均軌跡調(diào)整次數(shù)減少了7.5次，倒換鉆具次數(shù)減少了4.34次，調(diào)整段縮短了111.67m，調(diào)整軌跡時(shí)間縮短了8.12d（表10）。

表10 二開(kāi)軌跡控制效果

3.5 配套技術(shù)綜合實(shí)施效果

通過(guò)應(yīng)用配套技術(shù)，共完成4口井，鉆井周期縮短了52.71d，機(jī)械鉆速提高了1.52m/h，月速提高了297.16m/臺(tái)，事故復(fù)雜率降低了19.15%（表11）。

表11 配套技術(shù)綜合實(shí)施效果

綜合配套技術(shù)極大地降低了復(fù)雜事故率，提高了機(jī)速。

4 結(jié)論

1）火焰山中央隆起帶安全快速綜合配套技術(shù)由四部分組成，其分別針對(duì)該區(qū)塊鉆井中的突出難點(diǎn)，在鉆井實(shí)踐中根據(jù)具體地質(zhì)情況組合使用。根據(jù)4口綜合配套井技術(shù)實(shí)施情況統(tǒng)計(jì)，可知該技術(shù)極大地降低了復(fù)雜事故率，提高了機(jī)械鉆速。

2）通過(guò)對(duì)各難點(diǎn)提速技術(shù)實(shí)施效果進(jìn)行考察：表層堵漏技術(shù)使平均漏失量減少了412.03m3，平均損失時(shí)間減少了10.8d；煤層、斷層防卡技術(shù)使卡鉆事故率降低至0；硬地層提速技術(shù)使機(jī)速提高了2.9m/h；大傾角地層防斜提速技術(shù)可以減少軌跡調(diào)整7.5次，縮短調(diào)整軌跡8.12d。

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Flame Mountains central uplift zone locates in the Flame Mountains surrounding area in the north of Lukeqin Oilfield.The geological structure of the area is complex.Under the influence of fold and fault，formation dip angle and its variation range are great，the fractures are developed in the shallow formation，coal seams and faults are developed in the middle formation，and the deep forma?tion has poor drillability.In drilling process，complex accidents occur frequently，mechanical drilling speed is low，and drilling cycle is long.The layers in which complex accident occurs and the types of the complex accidents are analyzed and summarized based on the in?vestigation and analysis of the drilled wells.The frequency of the complex accidents and the cycle of well drilling are reduced through the application of surface leakage-preventing leakage-plugging technique，bit selection，borehole trajectory control optimization，antisticking drilling technology，deviation control technique for high dip angle formation，etc.

nappe；fault；surface well leakage；coal seam sticking drilling；matching drilling technology

左學(xué)敏

2016-06-29

趙彥彬（1967-），男，工程師，主要從事鉆井工程監(jiān)督工作。