哥倫比亞Matambo區(qū)塊深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

鄭振國(guó)， 黎紅勝， 趙海艷， 溫慧蕓， 孫東方

(1.中化石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100077；2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司職工教育培訓(xùn)中心,天津 300280；3.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459)

Matambo區(qū)塊(以下簡(jiǎn)稱M區(qū)塊)位于哥倫比亞南部Huila省，是中化集團(tuán)投資的一個(gè)石油區(qū)塊。該區(qū)塊地處山地，油藏埋深4 750.00～5 100.00 m，已完鉆G1A井、G2井、G3井、G4井、G5井和G10井等6口定向井(其中，G10井側(cè)鉆失敗后，又在該井眼中側(cè)鉆了G10ST2井、G10ST3井和G10ST4井，均因井下故障頻繁而失敗)，平均井深4 780.00 m，平均鉆井周期272 d，平均機(jī)械鉆速3.00 m/h。該區(qū)塊地質(zhì)條件異常復(fù)雜，存在山前構(gòu)造帶常見的高陡地層、多套壓力系統(tǒng)、多層斷層破碎帶、多層易坍塌剝落的泥頁(yè)巖地層及大段礫巖層等，鉆井過程中遇阻、卡鉆、卡套管、井漏和井眼垮塌等井下故障頻發(fā)，處理井下故障耗時(shí)約占鉆井周期的30%，導(dǎo)致鉆井周期較長(zhǎng)，影響了油氣勘探開發(fā)效益。為了提高M(jìn)區(qū)塊深井的鉆井速度，針對(duì)該區(qū)塊存在的鉆井難點(diǎn)，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌道設(shè)計(jì)及軌跡控制、多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)和分析、固井工藝優(yōu)化及鉆井液體系優(yōu)選等方面進(jìn)行了研究，初步形成了M區(qū)塊深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，并在G10ST5井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，機(jī)械鉆速大幅提高，井下故障明顯減少，為該區(qū)塊深井實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速和高效鉆井積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 地層巖性及鉆井難點(diǎn)

1.1 地層巖性

M區(qū)塊深井自上而下鉆遇的地層主要為：

Honda組地層，埋深約1 926.00 m，主要為泥巖、砂巖和礫巖，鉆井過程中易出現(xiàn)漏失和阻卡；

Barzalosa組地層，埋深約2 274.00 m，主要為泥巖，鉆井過程中易出現(xiàn)漏失、坍塌、縮徑和卡鉆等井下故障；

Doima組地層，埋深約2 654.00 m，主要為礫巖、砂巖和泥巖，部分含有頁(yè)巖,鉆井過程中易出現(xiàn)卡鉆；

Potrerillo組地層，埋深約3 183.00 m，主要為泥巖、砂巖和礫巖，鉆井過程中易出現(xiàn)漏失、卡鉆和阻卡；

Chicoral組地層，埋深約3 476.00 m，主要為礫巖、砂巖和泥巖，鉆井過程中易出現(xiàn)漏失和卡鉆；

Teruel組地層，埋深約3 746.00 m，主要為砂巖和泥巖，鉆井過程中易出現(xiàn)漏失和縮徑；

San Francisco組地層，埋深約4 129.00 m，主要為泥巖，鉆井過程中易出現(xiàn)卡鉆和阻卡；

Tobo組地層，埋深約4 360.00 m，主要為石灰?guī)r，鉆井過程中易出現(xiàn)漏失和壓差卡鉆；

Villeta組地層，埋深約4 778.00 m，主要為頁(yè)巖、泥頁(yè)巖和石灰?guī)r，鉆井過程中易出現(xiàn)氣侵、卡鉆和阻卡；

Tetuan組地層，埋深約4 848.00 m，是該區(qū)塊儲(chǔ)層，主要為砂巖、石灰?guī)r和火成巖，鉆井過程中易出現(xiàn)壓差卡鉆和電測(cè)阻卡；

Caballos組地層，埋深約4 892.00 m，是該區(qū)塊儲(chǔ)層，主要為砂巖和泥巖，鉆井過程中易出現(xiàn)壓差卡鉆和電測(cè)阻卡；

Saldana組地層，埋深約4 920.00 m，為基巖。

1.2 主要鉆井難點(diǎn)

截至目前，M區(qū)塊已完鉆6口深井，鉆井過程中出現(xiàn)的井下故障主要為：鉆進(jìn)Doima組、Chicoral組、Teruel組和Tobo組地層時(shí)，鉆井液漏失及由此引發(fā)的卡鉆、斷鉆具等故障；鉆進(jìn)San Francisco組地層時(shí)，因高地應(yīng)力及斷裂帶導(dǎo)致井壁嚴(yán)重失穩(wěn)；鉆進(jìn)Villeta組地層時(shí)，因高地應(yīng)力導(dǎo)致井壁失穩(wěn)和地層壓力異常導(dǎo)致溢流井涌等。分析認(rèn)為，該區(qū)塊地層存在傾角大(最大達(dá)到80°)、多層斷層破碎帶、多套壓力系統(tǒng)、多層大段泥頁(yè)巖及大段礫石層等，導(dǎo)致深井鉆井過程中出現(xiàn)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與井眼軌跡控制困難、井壁失穩(wěn)嚴(yán)重、套管下入和固井難度大、高研磨性地層機(jī)械鉆速低、井眼摩阻大等技術(shù)難點(diǎn)[1-8]。

1.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難

由該區(qū)塊某井地層三壓力剖面可知，該區(qū)塊存在多套壓力系統(tǒng)，地層孔隙壓力逐漸升高而呈現(xiàn)異常。Chicoral組及以上地層孔隙壓力系數(shù)為1.00～1.07，Teruel組、San Francisco組和Tobo組地層的孔隙壓力系數(shù)分別為1.07～1.10，1.20～1.30和1.45～1.50，Villeta組地層的孔隙壓力系數(shù)為1.63～1.69(為高壓氣層)，Tetuan組和Caballos組地層的原始地層壓力系數(shù)為1.02～1.05，但Tetuan組地層由于經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間開采，目前地層壓力已低于原始地層壓力。

該區(qū)塊地層巖性變化頻繁且地層軟硬交錯(cuò)，導(dǎo)致地層坍塌壓力變化較大，1 981.00～2 895.00 m井段的地層坍塌壓力高于地層孔隙壓力；破裂壓力隨井深增加而逐漸增大，但整體偏低。

由于地層存在多套壓力系統(tǒng)，且地層巖性復(fù)雜，該區(qū)塊深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大,主要體現(xiàn)在：地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，淺層礫巖含量高，易發(fā)生漏失；深部地層裂縫、斷層發(fā)育，井壁不穩(wěn)定，易坍塌；Tetuan層含高壓氣層，且鉆井液密度安全窗口窄，鉆井過程中漏失嚴(yán)重；地應(yīng)力高，導(dǎo)致地層坍塌嚴(yán)重，且不容易確定坍塌層深度；地層巖性變化大，目前預(yù)測(cè)的壓力剖面存在一定的不確定性；由于對(duì)地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)不清，地層縱向上存在多套壓力系統(tǒng)，必封點(diǎn)存在一定的不確定性。

1.2.2 井眼軌道設(shè)計(jì)及井眼軌跡控制困難

M區(qū)塊地處山地，修建鉆井平臺(tái)受到限制，且該區(qū)塊位于山前構(gòu)造帶，地層傾角大，井眼軌道設(shè)計(jì)和井眼軌跡控制存在較多的困難：

1) 由于該區(qū)塊處于崇山峻嶺之間，修建井場(chǎng)存在一定的難度，一個(gè)鉆井平臺(tái)往往會(huì)設(shè)計(jì)多口井，因而只能設(shè)計(jì)為小斜度定向井，進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)存在靶前距不夠大的問題。例如，G10井與G2井在同一個(gè)井場(chǎng)，由于井場(chǎng)條件的限制，G10井設(shè)計(jì)采用勺形井眼軌道，為后續(xù)鉆井作業(yè)增加了很多困難。

2) San Francisco組和Villeta組地層破碎帶、斷層高度發(fā)育，且地應(yīng)力高，鉆井過程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)。因此，在進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)，需避開破碎帶和斷層，同時(shí)需考慮井眼方位角和井斜角，防止地應(yīng)力高而造成的井壁失穩(wěn)。例如，G10井在井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)由于未避開高地應(yīng)力地層和破碎帶地層，導(dǎo)致3次側(cè)鉆均未能穿越該段地層。

3) 上部地層具有自然造斜的趨勢(shì)，因此上部直井段防斜打直比較困難。

4) San Francisco組和Villeta組地層傾角大且不穩(wěn)定，應(yīng)用常規(guī)鉆具組合很難控制井眼軌跡，即使采用動(dòng)力鉆具，井眼軌跡控制效果也不理想，且該井段有大段礫石層，其高研磨性給井身質(zhì)量控制增加了難度。例如，G3井在鉆進(jìn)該井段時(shí)，應(yīng)用常規(guī)穩(wěn)斜鉆具組合不能穩(wěn)斜，應(yīng)用鐘擺降斜鉆具組合反而增斜，應(yīng)用1.25°動(dòng)力鉆具也達(dá)不到糾斜效果，最后應(yīng)用2.25°動(dòng)力鉆具糾斜才達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.2.3 井壁失穩(wěn)嚴(yán)重

受造山帶區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及山體重力擠壓作用的影響，M區(qū)塊普遍存在各向異性高地應(yīng)力地層和欠壓實(shí)地層交錯(cuò)分布的現(xiàn)象，且大小斷層破碎帶相互交錯(cuò)分布，泥頁(yè)巖地層水敏性強(qiáng)，鉆井過程中頻繁出現(xiàn)井漏、地層掉塊、井壁坍塌、鉆具阻卡、起下鉆困難和套管遇卡或下不到底等問題。

1) Barzalosa組和Doima組地層上部主要為泥巖和礫巖，部分含有頁(yè)巖，巖石脆性較大，容易破碎，鉆井過程中一旦發(fā)生嚴(yán)重漏失或井下壓力波動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致井壁大段坍塌，造成憋泵、卡鉆，甚至掩埋鉆具。該區(qū)塊4口井在鉆進(jìn)該地層時(shí)都發(fā)生了漏失，處理井漏共耗時(shí)31 d。

2) San Francisco組地層主要巖性為巨厚泥巖、伊/蒙混層及含微裂縫的高地應(yīng)力地層，地層傾角變化大，大小斷層相互交錯(cuò)，地層破碎，鉆井過程中極易發(fā)生井漏和井塌。例如，G1A井在鉆進(jìn)該地層時(shí)，多次出現(xiàn)坍塌、阻卡、卡鉆等井下故障，最終因無(wú)法解卡而被迫填井側(cè)鉆。

3) Villeta組地層含大段泥頁(yè)巖，水敏性強(qiáng)，極易水化而造成地層剝落、掉塊和井塌，導(dǎo)致出現(xiàn)憋泵、蹩鉆、卡鉆和起下鉆遇阻等井下故障。例如，G10ST4井在鉆進(jìn)該地層時(shí)因井壁失穩(wěn)而發(fā)生卡鉆，通過震擊、泡解卡劑等多種手段解卡無(wú)效后，最終采用泡酸成功解卡，損失鉆井時(shí)間4 d。

1.2.4 下部井段套管下入困難且固井質(zhì)量難以保證

M區(qū)塊深井四開φ215.9 mm井段采用φ177.8 mm尾管固井，主要封固San Francisco組、Tobo組和Villeta組地層；五開φ142.4 mm井段采用φ127.0 mm尾管固井，主要封固Tetuan組和Caballos組2個(gè)儲(chǔ)層。

四開和五開井段尾管固井時(shí)，由于環(huán)空間隙小、井眼不規(guī)則，一旦井壁失穩(wěn)發(fā)生井塌，極易造成尾管遇阻、下不到底、開泵困難等井下故障，從而增大固井施工難度，固井質(zhì)量也很難保證[9-12]。例如，G2井φ177.8 mm尾管下入過程中因遇阻而被迫起鉆，重新通井后再次下入，導(dǎo)致?lián)p失鉆井時(shí)間5 d；G10ST3井由于井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致φ177.8 mm尾管未能下到井底，并發(fā)生卡套管事故，被迫提前固井；另外，G10ST3井因尾管下不到底且環(huán)空堵塞，無(wú)法注水泥，射孔補(bǔ)救時(shí)壓漏地層，破壞了φ177.8 mm尾管的封固完整性，最后在炮眼處擠注膠質(zhì)水泥才封住漏層，損失鉆井時(shí)間10 d。Villeta組地層為高壓氣層，固井過程中容易發(fā)生氣竄，影響固井質(zhì)量，且補(bǔ)救作業(yè)困難。例如，G5井尾管固井過程中在該地層發(fā)生氣竄，多次補(bǔ)救后才封住氣竄，損失鉆井時(shí)間41 d。

1.2.5 地層研磨性高，井眼摩阻大

M區(qū)塊2 600.00～3 600.00 m井段主要為Doima組至Chicoral組地層，含有大段巨厚礫石層，研磨性高，導(dǎo)致鉆速慢，經(jīng)常發(fā)生蹩鉆、跳鉆，鉆具磨損嚴(yán)重，甚至發(fā)生斷鉆具事故。例如，G3井在鉆進(jìn)該井段時(shí)發(fā)生2次鉆具斷裂落井事故，且鉆頭磨損嚴(yán)重，發(fā)生掉牙輪事故2次，嚴(yán)重影響了鉆井速度。

中部地層的穩(wěn)定性差，含有破碎帶，鉆井過程中經(jīng)常發(fā)生掉塊，井徑擴(kuò)大率大，而且在鉆進(jìn)高陡地層時(shí)易形成鋸齒形螺旋井眼，導(dǎo)致井眼摩阻高，鉆具超拉嚴(yán)重、扭矩大，易造成鉆具磨損嚴(yán)重、斷裂落井等井下故障。例如，G10ST2井在鉆井過程中鉆具摩阻扭矩過大，導(dǎo)致加重鉆桿彎曲、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具支撐臂損壞和MWD與無(wú)磁鉆鋌發(fā)生嚴(yán)重變形等問題，嚴(yán)重影響了定向效果。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)M區(qū)塊6口深井鉆井過程中出現(xiàn)的問題，開展了該區(qū)塊深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究，包括井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌道設(shè)計(jì)及軌跡控制技術(shù)優(yōu)化、優(yōu)選鉆井液體系、優(yōu)化固井技術(shù)及應(yīng)用多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)等，初步形成了適用于M區(qū)塊地層特性的深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前，M區(qū)塊6口已完鉆深井主要采用五開和四開井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，G1A井、G2井、G3井和G5井采用了五開井身結(jié)構(gòu)(如圖1(a)所示)：一開，φ660.4 mm鉆頭鉆至井深約300.00 m，φ508.0 mm表層套管下深約300.00 m，封住地表水層和松散地層；二開，φ444.5 mm鉆頭鉆至井深約2 570.00 m(Doima組地層頂部)，φ339.7 mm技術(shù)套管下深約2 568.00 m，封固Honda組和Barzalosa組地層；三開，φ311.1 mm鉆頭鉆至井深約3 870.00 m (San Francisco組地層頂部)，φ244.5 mm技術(shù)套管下深約3 870.00 m，封固Doima組、Potrerillo組、Chicoral組和Teruel組地層；四開，φ215.9 mm鉆頭鉆至井深約4 850.00 m，φ177.8 mm生產(chǎn)尾管下至Tetuan組地層頂部；五開，φ152.4 mm鉆頭鉆至井深約4 925.00 m，φ127.0 mm生產(chǎn)尾管下至井深4 920.00 m，用于封固產(chǎn)層。

G4井和G10井采用的四開井身結(jié)構(gòu)(如圖1(b)所示)是在五開井身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其中G4井井身結(jié)構(gòu)為：一開，φ660.4 mm鉆頭鉆至井深328.00 m，φ508.0 mm表層套管下深325.00 m，封住地表水層和松散地層；二開，φ444.5 mm鉆頭鉆至井深約2 628.00 m，φ339.7 mm技術(shù)套管下深約2 617.00 m，封固Honda組、Barzalosa組和Doima組地層；三開，φ311.1 mm鉆頭鉆至井深約3 861.00 m，φ244.5 mm技術(shù)套管下深約3 860.00 m，封固Doima組、Potrerillo組、Chicoral組、Teruel組、San Francisco組、Tobo組和Villeta組地層；四開，φ215.9 mm鉆頭鉆至井深約4 980.00 m，φ177.8 mm生產(chǎn)尾管下至井深4 939.00 m，封固Tetuan組和Caballos組產(chǎn)層。與G4井相比，G10井采用φ339.7 mm表層套管(下入深度為459.00 m)封住地表水層和松散地層，φ244.5 mm套管封固Honda組—Chicoral組地層，φ177.8 mm尾管封固Teruel組—Villeta組地層，φ127.0 mm生產(chǎn)尾管用于封固產(chǎn)層(如圖1(b)所示)。

圖1 M區(qū)塊深井優(yōu)化前后的井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing programs of pre/post-deep well optimization in the Block Matambo

采用五開井身結(jié)構(gòu)的4口井，三開井段鉆至San Francisco組地層頂部，使四開井段中San Francisco組和Villeta組2個(gè)異常復(fù)雜的地層處于同一裸眼段，鉆井過程中頻繁出現(xiàn)漏失、阻卡、蹩鉆、憋泵和卡鉆等井下故障。采用四開井身結(jié)構(gòu)的2口井，San Fransisco組和Villeta組地層同樣位于同一個(gè)井段，鉆井過程中也頻繁出現(xiàn)井下故障。

根據(jù)M區(qū)塊地質(zhì)情況和已鉆井的經(jīng)驗(yàn)，主要的必封點(diǎn)有Barzalosa組泥巖地層、San Francisco組地層的斷層破碎帶及Villeta組異常高壓地層，為此，對(duì)原井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將San Francisco組地層的斷層破碎帶和Villeta組異常高壓地層分別封固，形成新的五開井身結(jié)構(gòu)(如圖1(c)所示)：一開采用φ660.4 mm鉆頭鉆至井深約300.00 m，φ508.0 mm表層套管下至井深約300.00 m，主要封固地表水層和松散地層；二開采用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深約2 745.00 m(Doima組地層頂部)，φ339.7 mm技術(shù)套管下至井深約2 743.00 m，主要封固Honda組和Barzalosa組松軟地層；三開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深約4 147.00 m(進(jìn)入Villeta組地層3.00～5.00 m)，φ244.5 mm套管下至井深約4 145.00 m，主要封固Doima組、Potrerillo組、Chicoral組、Teruel組、San Francisco組和Tobo組地層；四開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深約4 848.00 m(Villeta組地層底部)，φ177.8 mm生產(chǎn)尾管下至井深約4 876.00 m，主要封固Villeta組地層；五開采用152.4 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深約5 031.00 m，下入φ127.0 mm生產(chǎn)篩管至井深約5 029.00 m。

2.2 井眼軌道設(shè)計(jì)及井眼軌跡控制技術(shù)

2.2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

M區(qū)塊地處山地，為了繞開地面障礙物，并避免山前構(gòu)造帶和高地應(yīng)力的影響，深井普遍設(shè)計(jì)為小斜度定向井，水平位移300.00～500.00 m，井斜角15°～25°。進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮地下靶點(diǎn)與地面的關(guān)系，盡量采用“直—增—穩(wěn)”三段式井眼軌道，如需要繞開斷裂帶、高陡山前帶和斷層縱橫交錯(cuò)區(qū)等不穩(wěn)定層段，應(yīng)盡量使井眼方位垂直于最小主應(yīng)力方向，并保持全角變化率不超過4.5°/30m。同時(shí)，應(yīng)采取深造斜點(diǎn)、低造斜率的設(shè)計(jì)方案，并充分利用方位自然漂移和地層對(duì)井斜的影響，以保持井眼軌跡平滑，降低鉆進(jìn)時(shí)的摩阻扭矩。表1為G10ST5井的井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 G10ST5井井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Wellbore trajectory design parameters of the Well G10ST5

2.2.2 井眼軌跡控制技術(shù)

表層井段采用塔式鉆具組合鉆進(jìn)，在保證打直的同時(shí)加大鉆壓，以提高機(jī)械鉆速；直井段采用雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，充分釋放鉆壓，以提高機(jī)械鉆速，并降低鉆具的上下振動(dòng)；造斜段采用螺桿鉆具組合鉆進(jìn)，防止出現(xiàn)過大的井眼狗腿度，確保井眼軌跡平滑，提高井眼軌跡與設(shè)計(jì)井眼軌道的符合率。

四開井段井壁不穩(wěn)定，地層容易剝落，井壁摩阻大，在鉆進(jìn)過程中易發(fā)生井下故障，因此設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)控制井眼軌跡，并應(yīng)用MWD+LWD進(jìn)行隨鉆監(jiān)測(cè)；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)可以克服滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)的不足，能確保井眼軌跡平滑，有利于套管的下入；同時(shí)，可以減少起下鉆次數(shù)，縮短該井段鉆井液浸泡時(shí)間，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 優(yōu)選鉆井液

在鉆進(jìn)Doima組、Chicoral組和Tobo組等易漏地層時(shí)，選用MI-SVACO高性能水基鉆井液，以有效控制鉆井液漏失。其配方為0.03%～0.07%氫氧化鈉+1.50%碳酸鈣+0.20%～0.35% IDCAP D(頁(yè)巖抑制劑)+0.30%～0.50%SP-101(降濾失劑)+1.50%～1.70%DRILLZONE(潤(rùn)滑劑)+0.60%～1.15%封堵劑；主要性能參數(shù)為：密度1.08～1.12 kg/L，塑性黏度10～15 mPa·s，動(dòng)切力25～30 Pa，漏斗黏度50～70 s，固相含量6%～8%，靜切力10/30 Pa，中壓濾失量5 mL，高壓濾失量8～12 mL。在鉆井過程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液密度，并根據(jù)井壁掉塊情況及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，以控制井壁掉塊和井壁坍塌。

由于Teruel組、San Francisco組和Villeta組地層存在大段泥巖、多層斷層破碎帶和異常高壓地層，因此鉆進(jìn)Teruel組和San Francisco組地層時(shí)選用了POLYMER-IDCAP D聚合物強(qiáng)抑制性水基鉆井液體系，充分利用其封堵效果好和對(duì)泥頁(yè)巖抑制作用強(qiáng)的特性，提高井壁穩(wěn)定性。其配方為0.15%～0.30%DUOVIS(增黏劑)+1.20%～1.60% UNITROL(降濾失劑)+0.60%～0.70% POLYPAC UL(降濾失劑)+0.30%～0.50% IDCAP D(頁(yè)巖抑制劑)+1.00%～1.50%SACK BLACK(封堵材料)+1.50%～2.00% ASPHASOL SU PREME(封堵材料)+1.50%～2.00% DRILLZONE(潤(rùn)滑劑)，主要性能參數(shù)為：密度1.57～1.61 kg/L，塑性黏度25～35 mPa·s，動(dòng)切力22～35 Pa，靜切力15/35 Pa，漏斗黏度40～55 s，API濾失量3.75～10.00 mL，鈣離子質(zhì)量濃度100～200 mg/L。鉆井過程中要隨時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液的濾失量、潤(rùn)滑性以及抑制性，確保鉆井液性能穩(wěn)定，以保持井壁穩(wěn)定;同時(shí)，還需要提高鉆井液切力，以保持鉆井液具有良好的攜巖能力。

鉆進(jìn)Villeta組地層時(shí)選用KLA SHIELD水基鉆井液，其配方為0.10%～0.25% DUOVIS(增黏劑)+0.60%～0.70% UNITROL(降濾失劑)+0.60%～0.70% POLYPAC UL(降濾失劑)+0.30%～0.50% IDCAP D(頁(yè)巖抑制劑)+0.60%～1.15% STARGLIDE(潤(rùn)滑劑)+0.60%～0.90% POROSEAL(封堵劑)+1.15%～2.30% ASPHASOL(封堵材料)+1.15%～1.70% SACK BLACK(封堵材料)+2.30%～2.85% DRILZONE(潤(rùn)滑劑)+0.40%～0.50% K-52(有機(jī)鉀抑制劑)+1.80%～2.30% KLA STOP(泥巖抑制劑)，主要性能參數(shù)為：密度1.70 kg/L，塑性黏度35～45 mPa·s，動(dòng)切力35～42 Pa，靜切力15/35 Pa，漏斗黏度40～70 s，API濾失量3.8～5.0 mL，鈣離子質(zhì)量濃度80～800 mg/L。該鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，可以抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹，從而提高大段泥巖井段的井壁穩(wěn)定性。另外，Villeta組地層存在局部異常高壓層段，鉆井液密度低于1.57 kg/L時(shí)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的氣侵，從而嚴(yán)重影響鉆井和固井安全，同時(shí)考慮到井壁力學(xué)穩(wěn)定和平衡地層壓力的需要，因此要求鉆井液密度不能低于1.65 kg/L。

鉆進(jìn)Tetuan組和Caballos組地層時(shí)選用FLOPRO低密度無(wú)固相鉆井液，其配方為0.15%～0.30%DUOVIS(增黏劑)+1.15%～1.70%DUAL-FLO HT(防漏劑)+0.60%～1.15%STARGLIDE(潤(rùn)滑劑)+6.80% M325碳酸鈣+2.50%碳酸鈣(600目)+2.00%碳酸鈣(1 200目)+0.60% PTS200(抗高溫穩(wěn)定劑)+2.85% SODIUM FORMATE(甲酸鉀)+0.50% BUTILGL YCOL & EB 8490(防乳化劑)，主要性能參數(shù)為：密度1.06～1.08 kg/L，塑性黏度9～11 mPa·s，動(dòng)切力14～25 Pa，靜切力8～12/22～28 Pa，漏斗黏度40～60 s，API濾失量4.0～4.9 mL。該鉆井液中加入了600目和1 200目碳酸鈣,可以在Tetuan組地層井壁上形成封堵層;加入了325目、600目和1 200目碳酸鈣,可以在Caballos組地層井壁上形成封堵層，實(shí)現(xiàn)保護(hù)砂巖儲(chǔ)層的目的。

2.4 優(yōu)化San Francisco組和Villeta組地層固井工藝

2.4.1 下套管技術(shù)措施

針對(duì)San Francisco組和Villeta組地層井壁不穩(wěn)定、存在蠕變等問題，尾管固井時(shí)選用了TN-140HCSD型高抗扭無(wú)節(jié)箍楔形扣套管，其抗擠強(qiáng)度為111 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)度為105 MPa，楔形扣具有很好的密封效果，無(wú)節(jié)箍可以減小下套管阻力;選用封隔式尾管懸掛器，以防止固井后高壓層發(fā)生氣竄;下套管前進(jìn)行充分通井;起鉆前在裸眼井段加足量玻璃小球和潤(rùn)滑劑，以確保井眼穩(wěn)定和潤(rùn)滑。套管串中帶有可鉆式套管鉆頭和可轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)眼器Rhino XS Reamer(如圖2所示)，一旦下套管遇阻，可鉆式套管鉆頭能對(duì)地層進(jìn)行修整，且在下完套管后，可通過鉆頭鉆除;而可轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)眼器可通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)方式對(duì)井壁進(jìn)行修整，起到通井作用，從而實(shí)現(xiàn)套管串的正常下入。

圖2 Rhino XS Reamer可轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)眼器Fig.2 Rhino XS Reamer rotary reamer

下套管過程中，在套管鞋上方3.00 m處安裝1個(gè)扶正器，在浮箍上方3.00 m處安裝1個(gè)扶正器，最下部的150.00 m套管柱每1根套管安裝1個(gè)扶正器。上部井段每4根套管安裝1個(gè)扶正器，尾管重疊段安裝1個(gè)扶正器，確保套管居中。小斜度井固井采用彈性扶正器，大斜度井固井采用剛性和彈性扶正器。

2.4.2 優(yōu)選隔離液及水泥漿體系

M區(qū)塊四開和五開井段固井中存在地層井眼穩(wěn)定性差、地層承壓能力低、井底溫度高和環(huán)空間隙小等問題，給水泥漿體系優(yōu)選及性能優(yōu)化帶來(lái)了很大困難；同時(shí)，采用尾管懸掛器固井時(shí)對(duì)懸掛器及配件的質(zhì)量和可靠性要求較高。為此，在優(yōu)化固井工藝的基礎(chǔ)上，為提高頂替效率，優(yōu)選了潤(rùn)濕性好、黏度合適、動(dòng)塑比低和流變性好的MI Spacer隔離液，其配方為：100%水+0.5%FP-6L消泡劑+5.0%Xantgan Gum膠黏劑+2.0%MCSA-LB表面活性劑+75.0%加重劑，其主要性能參數(shù)為：密度1.5～1.6 kg/L，動(dòng)切力25 Pa，塑性黏度25 mPa·s。

為有效控制氣竄，提高固井質(zhì)量，M區(qū)塊深井四開和五開井段固井選用了低濾失防竄加砂水泥漿體系，其配方為：100 g水泥+35.00%S-8石英砂+0.35% FL-52降濾失劑+0.60% FL-67L降濾失劑+0.60% BA-100LB防氣竄劑+0.25% CD-Ultra分散劑+0.08% R-21LB緩凝劑+0.02% FP-6L消泡劑+44 g水。該水泥漿體系具有防氣竄、低濾失、零析水、沉降穩(wěn)定好和凝固后不收縮等特點(diǎn)，能保證水泥環(huán)長(zhǎng)期具有良好的膠結(jié)性能及密封性能，其主要性能參數(shù)為：密度1.92 kg/L，濾失量26 mL，稠化時(shí)間225 min，游離液量為0，初始稠度20 Bc，24 h抗壓強(qiáng)度17.8 MPa。

2.5 多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)

為了更有效地控制San Francisco地層和Villeta地層的井壁失穩(wěn)問題，在鉆進(jìn)φ215.9 mm井段時(shí)，應(yīng)用了多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)通過安裝在鉆具中的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底鉆井液密度，并將其保持在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)通過測(cè)量停泵時(shí)的鉆井液等效靜態(tài)密度ESD和鉆井泵工作時(shí)的鉆井液等效循環(huán)密度ECD，可以及時(shí)計(jì)算出液柱壓力、地層破裂壓力和地層坍塌壓力，提供較為準(zhǔn)確的“壓力窗口”，從而確保鉆井安全。另外，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力，分析井眼清潔情況、鉆具振動(dòng)情況及摩阻扭矩變化等，從而實(shí)時(shí)判斷井壁掉塊及井壁坍塌等情況，并及時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)提示。施工人員根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)提示，可以及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)、鉆井液性能、鉆具組合等，預(yù)防和減少井漏、井塌卡鉆等井下故障的發(fā)生，從而保證鉆井施工安全。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

哥倫比亞M區(qū)塊深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)在G10ST5井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井是在G10井中實(shí)施的一口側(cè)鉆井。G10井設(shè)計(jì)為水平井，設(shè)計(jì)采用四開井身結(jié)構(gòu)(如圖1(b)所示)，由于井場(chǎng)的限制，導(dǎo)致靶前距不夠，設(shè)計(jì)采用勺形井眼軌道。該井在鉆進(jìn)San Francisco組和Villeta組地層時(shí)遇到復(fù)雜地應(yīng)力帶和破碎帶，側(cè)鉆3次均未成功。最終，該井停鉆，重新設(shè)計(jì)側(cè)鉆了G10ST5井。

G10ST5井設(shè)計(jì)井深4 876.0 m，側(cè)鉆點(diǎn)井深3 970.0 m，采用了四開井身結(jié)構(gòu)。根據(jù)地應(yīng)力研究結(jié)果調(diào)整了井眼軌道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)井斜角在30°以內(nèi)，井眼方位沿著最大水平主應(yīng)力方向，以降低地應(yīng)力對(duì)井壁穩(wěn)定的影響，同時(shí)在進(jìn)入San Francisco地層之前完成造斜，穩(wěn)斜穩(wěn)方位地穿過San Francisco組、Villeta組地層和儲(chǔ)層。

G10ST5井鉆進(jìn)San Francisco組和Villeta組地層時(shí)應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，降低了鉆進(jìn)摩阻和扭矩，提高了井眼軌跡控制精度；鉆進(jìn)井壁失穩(wěn)嚴(yán)重的井段時(shí)采用了MI-SVACO高性能水基鉆井液，保持了井壁穩(wěn)定，減少了井下故障；封固San Francisco組和Villeta組地層時(shí)選用了高抗扭無(wú)節(jié)箍套管、高性能MI Spacer隔離液和低濾失防竄加砂水泥漿體系，并采取多次通井、應(yīng)用可鉆式鉆頭和Rhino XS Reamer可轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)眼器等技術(shù)措施,順利將套管下至井底，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。

鉆進(jìn)San Francisco組地層時(shí)應(yīng)用多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)與分析技術(shù),多次成功地對(duì)井下風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了預(yù)警，減少了井下故障的發(fā)生，確保了鉆井安全。例如，該井在鉆進(jìn)4 210.00～4 665.00 m井段過程中(φ215.9 mm井眼)，倒劃眼時(shí)遇阻嚴(yán)重，巖屑返出量從0.318上升到1.272 m3/h，ECD從1.83增至1.86 kg/L，最高達(dá)1.95 kg/L，泵壓升高，排量忽高忽低。根據(jù)多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，認(rèn)為繼續(xù)鉆進(jìn)存在較大的井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)，如繼續(xù)采用1.75 kg/L的鉆井液鉆進(jìn)下部地層能會(huì)發(fā)生漏失等問題，因此提出倒劃眼起鉆措施，并隨時(shí)監(jiān)測(cè)井壁掉塊情況，起鉆至井口發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)損壞，鉆具發(fā)生變形，從而避免了繼續(xù)鉆進(jìn)帶來(lái)的井下風(fēng)險(xiǎn)。

G10ST5井應(yīng)用深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)順利鉆至設(shè)計(jì)井深，井身質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，固井質(zhì)量達(dá)到全井段優(yōu)質(zhì)。與該區(qū)塊其他6口深井相比，該井鉆井周期縮短20.7 d，平均機(jī)械鉆速由原來(lái)的3.00 m/h提高至7.00 m/h；全井僅發(fā)生1次卡鉆，井下故障損失時(shí)間在鉆井周期中的占比由原來(lái)的15%～30%降至7%，綜合鉆井成本降低近45%，提速、提效效果顯著。

4 結(jié)論與建議

1) Matambo區(qū)塊易縮徑、垮塌的Barzaloza組地層，易漏失的Doima組和Chicoral組地層，含有斷層破碎帶的San Francisco組地層和含有異常高壓層的Villeta組地層是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的必封點(diǎn)。

2) Matambo區(qū)塊深井宜采用五開井身結(jié)構(gòu)，井眼軌道設(shè)計(jì)要最大限度地朝向最大主應(yīng)力方向，并盡量避開或垂直穿過斷層和斷層破碎帶，在進(jìn)入San Francisco組地層之前完成造斜，穩(wěn)斜穩(wěn)方位穿過San Francisco組和Villeta組地層。

3) 采用高切高黏強(qiáng)抑制性鉆井液是保持井眼穩(wěn)定的關(guān)鍵，鉆井過程中要重點(diǎn)維護(hù)好鉆井液的攜巖性能和堵漏性能，并根據(jù)各個(gè)層段的巖性特點(diǎn)調(diào)整鉆井液性能。

4) 封固San Francisco組和Villeta組地層時(shí)可選用高抗扭無(wú)節(jié)箍楔形扣套管，并選用封隔式尾管懸掛器，以防止固井后高壓層發(fā)生氣竄。下套管時(shí)除充分通井外，還需加足量玻璃小球與潤(rùn)滑劑、應(yīng)用可鉆式套管鉆頭和可轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)眼器Rhino XS Reamer，以防止套管下入遇阻，實(shí)現(xiàn)套管串的正常下入。

5) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)和分析技術(shù)不但可以有效控制井眼軌跡和減少井下故障，保證井眼平滑、規(guī)則，還是提高井身質(zhì)量和固井質(zhì)量的關(guān)鍵。

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