元壩7井鉆井設(shè)計與施工

黃志遠(yuǎn)

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257061)

元壩區(qū)塊位于四川盆地東部的巴中、南充及廣元地區(qū)，構(gòu)造位于九龍山構(gòu)造帶南翼、通南巴背斜帶西南側(cè)，屬于元壩低緩構(gòu)造帶的主體部分，長興組和飛仙關(guān)組是前期勘探開發(fā)部署井位的主要目的層位[1]。隨著勘探開發(fā)的持續(xù)深入，茅口組地層顯示出較好的開發(fā)潛力。元壩地區(qū)元壩22、元壩222、元壩223等井也鉆遇茅三段淺灘儲層，油氣顯示活躍。經(jīng)地震層序?qū)Ρ确治?，預(yù)測茅三段臺緣淺灘沉積能量較高，同時受東吳運(yùn)動影響，元壩地區(qū)茅三段臺緣淺灘相帶疊合巖溶作用，優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育，物性更好，具有形成大中型氣田的有利烴源條件。元壩7井設(shè)計井深7 280 m，以下二疊統(tǒng)茅口組三段為主要目的層，目的是揭示茅口組烴源巖的發(fā)育特征。

1 鉆井難點(diǎn)分析

結(jié)合鄰井實(shí)鉆情況及地質(zhì)資料，本井可能面臨的施工難點(diǎn)主要包括：

(1)壓力層系復(fù)雜，鉆井液安全密度窗口較窄。從地質(zhì)預(yù)測來看，縱向上地層壓力呈現(xiàn)低—高—低—高—低的變化趨勢。其中，自流井組和須家河組壓力系數(shù)1.55～2.00，氣藏特征分析認(rèn)為是高壓低滲裂縫型儲層，易出現(xiàn)噴、漏同層，鉆井液安全密度窗口窄，井控風(fēng)險高[2]。

(2)機(jī)械鉆速慢，鉆井周期長。區(qū)域鉆井資料表明沙溪廟地層出水，大尺寸井眼空氣鉆提速受限。自流井組、須家河組地層砂礫巖地層可鉆行差，PDC鉆頭復(fù)合片易磨損，牙輪鉆頭易跳鉆崩壞牙齒，此外，礫巖地層跳鉆嚴(yán)重，扭矩波動較大，鉆具易疲勞斷裂造成井下復(fù)雜情況[3- 4]。

(3)地層含有硫化氫，井控風(fēng)險大。鄰井元壩2、元壩22等井在雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、吳家坪組測試及酸壓過程中硫化氫含量最高達(dá)到5.81%，為高含硫化氫地層，鉆井風(fēng)險大[5]。

(4)井底溫度高，鉆井液性能不穩(wěn)定。元壩7井設(shè)計井深7 280 m，為超深井，井底最高溫度可達(dá)160 ℃以上，鉆井液性能不穩(wěn)定，維護(hù)難度大。

2 鉆井工程設(shè)計

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

為確保順利鉆至目的層完成鉆探任務(wù)，在綜合考慮本井所鉆地層地質(zhì)特點(diǎn)，針對鄰井實(shí)鉆過程中遇到的復(fù)雜情況，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，最終確定了元壩7井采用導(dǎo)管+五開的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：

(1)Φ720 mm導(dǎo)管下深約30 m，如果淺層出現(xiàn)漏失且鉆井速度較快，可適當(dāng)加深，建立井口。

(2)一開使用Φ660.4 mm或Φ558.8 mm鉆頭鉆進(jìn)，Φ476.25 mm表層套管下深約700 m，目的是封隔地表水、松散黏土流砂、砂礫層，為二開鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。

(3)二開使用Φ444.5 mm或Φ406.4 mm鉆頭鉆進(jìn)至約3 602 m，下入Φ339.7 mm技術(shù)套管，目的是封隔上沙溪廟組及以上不穩(wěn)定、承壓能力低地層，為下一開次可能存在油氣層段的千佛崖組、自流井組、須家河組安全鉆進(jìn)打下基礎(chǔ)。

(4)三開使用Φ311.2 mm鉆頭鉆至約5 202 m，下入Φ273.1mm技術(shù)套管，目的是封過雷口坡組四段可能的儲層段，為下一開次安全鉆井創(chuàng)造條件。Φ273.1 mm套管先懸掛尾管后回接至井口。

(5)四開使用Φ241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)至約6 900 m，下入Φ193.7 mm套管，封過嘉陵江組可能的高壓鹽水層及飛仙關(guān)組可能存在的氣層，為五開揭開目的層和安全鉆井創(chuàng)造條件。如果Φ193.7 mm尾管固井質(zhì)量合格、Φ273.1 mm套管試壓合格、井口裝置試壓合格，則Φ193.7 mm尾管可暫不回接，上述三個條件有任一個或幾個不滿足，則先回接Φ193.7 mm尾管至井口,后實(shí)施五開鉆進(jìn)[5]。

(6)五開使用Φ165.1 mm鉆頭鉆至設(shè)計井深，下入Φ139.7 mm尾管完井。如果五開鉆開茅口組產(chǎn)層前上部井筒不能保證茅口組產(chǎn)層的鉆井作業(yè)安全，可提前下入Φ139.7 mm尾管，用小鉆頭鉆開茅口組產(chǎn)層，裸眼完井。井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1。

表1 元壩7井設(shè)計井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

2.2 鉆具組合設(shè)計

一開、二開設(shè)計使用鐘擺鉆具、塔式鉆具，采用防斜打直技術(shù)，保證井身質(zhì)量。

三開設(shè)計使用鐘擺鉆具、塔式鉆具以及滿眼鉆具。三開井徑大、井眼深，在水力參數(shù)選擇、井底清洗和巖屑攜帶能力等方面存在諸多問題。實(shí)際鉆進(jìn)過程中可根據(jù)實(shí)際情況嘗試使用“低轉(zhuǎn)速大扭矩馬達(dá)+PDC”、“復(fù)合沖擊器+ PDC”、“渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭”等提速提效工具提高鉆進(jìn)速度[6]。

四開設(shè)計使用鐘擺鉆具、滿眼鉆具以及螺桿鉆具。推薦使用“大扭矩低轉(zhuǎn)速螺桿+PDC”進(jìn)行提速。

五開設(shè)計使用鐘擺鉆具和復(fù)合鉆具。

2.3 鉆井液設(shè)計

一開、二開陸相地層井段使用氣體鉆井，氣體鉆井不能進(jìn)行的井段采用霧化鉆井、充氣鉆井液鉆井、泡沫鉆井液鉆井或純鉆井液鉆井。

二開下部及其他井段采用聚磺防塌鉆井液，重點(diǎn)是提高泥餅質(zhì)量，嚴(yán)格控制失水，提高鉆井液抗污染能力，盡量降低固相和液相的侵入，實(shí)施近平衡壓力鉆井，確保氣層污染降至最低限度。

實(shí)鉆過程中任何時候，如果發(fā)生鹽水侵，可以轉(zhuǎn)換為欠飽和鹽水或飽和鹽水鉆井液。

2.4 固井設(shè)計

超深井固井普遍面臨著井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長封固段易竄、易漏等問題，結(jié)合本井固井難題分析，確定安全合理的固井方案。

導(dǎo)眼、一開采用常規(guī)或低密度防竄水泥漿體系。

二開采用低密度(漂珠)泥餅固化防竄彈韌性固井水泥漿體系或常規(guī)防氣竄彈韌性水泥漿體系。

三開、四開、五開采用加重膠粒(或膠乳)防竄彈韌性水泥漿體系。

3 鉆井施工

3.1 一開井段(30～703 m)

一開主要地層為劍門關(guān)組、蓬萊鎮(zhèn)組，使用Φ660.4 mmSKG515牙輪鉆頭鉆至井深703 m，平均機(jī)械鉆速為5.14 m/h，最大井斜角為1.47°。Φ476.25 mm表層套管下深700.28 m，采用插入法固井，水泥返至地面。

本開次井眼尺寸大，地層軟硬交錯頻繁，且傾角較大，易井斜[7]，現(xiàn)場主要采用氣體鉆井配合塔式鉆具鉆進(jìn)，在提高機(jī)械鉆速的同時防斜打直，保證井身質(zhì)量。

3.2 二開井段(703～3 688 m)

二開鉆遇地層為上沙溪廟組、下沙溪廟組，使用優(yōu)選的Φ444.5 mmRKQC275、HJT537GK等鉆頭鉆至井深3 688 m，平均鉆速為4.62 m/h，最大井斜角為3.99°。Φ339.7 mm技術(shù)套管下深3 680.46 m，采用常規(guī)方式固井。

使用氣體鉆井鉆至3 108.88 m，由于井下扭矩出現(xiàn)異常，并且已鉆至上沙溪廟組底部，為了井下安全，轉(zhuǎn)換成聚合物防塌鉆井液體系[8]，鉆井液配方為：

4%NV-1+0.3%Na2CO3+0.2%NaOH+0.5%PAC-LV+1%COP-LFL+0.5%PL+0.3%DS-301+0.3%LV-CMC+1%NH4HPAN+3%SCL+3%FT-1+0.5%SEA+2%AOP-1+0.3%聚胺。

繼續(xù)使用Φ406.4 mm鉆頭鉆進(jìn)至中完井深3 688 m。優(yōu)選的鉆井液體系具有較強(qiáng)的抑制性，且具有較強(qiáng)的攜巖性能，實(shí)鉆過程中未發(fā)生井壁坍塌、黏卡等井下復(fù)雜情況。

3.3 三開井段(3 688～5 035 m)

三開鉆遇地層為千佛崖組、自流井組、須家河組、雷口坡組，使用優(yōu)選的Φ311.2 mm MDSi616、HJT37GK等鉆頭鉆至井深5 035 m，平均鉆速為0.9 m/h，最大井斜角為4.36°。Φ273.1mm技術(shù)套管采用先懸掛后回接方法進(jìn)行固井。

三開裸眼段長，穿越多個地層，砂泥巖膠結(jié)致密，可鉆性差，鉆頭選型困難，平均機(jī)械鉆速低。對施工過程中起出的每一只鉆頭認(rèn)真分析，優(yōu)選出適合該地層鉆進(jìn)的鉆頭，其中MDSi616鉆頭使用效果較好，平均機(jī)械鉆速為2.17 m/h。此外，在機(jī)械鉆速低井段嘗試使用低轉(zhuǎn)速大扭矩馬達(dá)+PDC、復(fù)合沖擊器+ PDC、渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭三種方式進(jìn)行提速，其中渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭平均機(jī)械鉆速為1.27 m/h，機(jī)械鉆速相較于同地層牙輪鉆頭提高了84%，單只鉆頭進(jìn)尺提高了427%，純鉆時效提高了56%，提速效果顯著。

三開鉆井液配方為：二開井漿+5%KCl+2%SMP-2+10%膠液(3%SCL+3%FT-1+0.5%PAC-LV+0.5%SEA+0.5%NaOH)+加重劑，施工過程中聚磺防塌鉆井液性能穩(wěn)定，井壁穩(wěn)定性好，除了因地層承壓性差導(dǎo)致井漏外，未發(fā)生其他復(fù)雜情況。

3.4 四開井段(5 035～6 890.26 m)

四開鉆遇地層為雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、吳家坪組，采用Φ241.3 mm HJT537G、T1365R等鉆頭鉆至井深6 890.26 m，平均鉆速為2.72 m/h，最大井斜角為3.19°。Φ193.7 mm技術(shù)套管采用先懸掛后回接方法進(jìn)行固井。

四開井眼較深，鉆井液性能不穩(wěn)定，嘉陵江組分布有大段鹽膏層，對鉆井液的污染嚴(yán)重[8]；吳家坪組巖性含有硅質(zhì)，地層研磨性強(qiáng)，可鉆性較差。施工過程中繼續(xù)采用聚磺防塌鉆井液體系鉆進(jìn)，保持鉆井液較好的流變性和抗溫抗污染能力[9]。針對地層可鉆性差，，使用大扭矩低轉(zhuǎn)速螺桿+PDC進(jìn)行提速，平均機(jī)械鉆速達(dá)到4.66 m/h，是牙輪鉆頭的2.57倍，提速效果明顯。

3.5 五開井段(6 890.26～7 366 m)

五開鉆遇地層為吳家坪組、茅口組、梁山組、韓家店組，采用Φ165.1 mm鉆頭鉆至井深7 366 m，全井段使用聚磺防塌鉆井液體系鉆進(jìn)，平均鉆速為1.40 m/h，最大井斜角為3.76°，下入Φ139.7 mm尾管完井。

五開井段鉆頭、鉆具較小，鉆頭加壓困難，鉆速較慢。為了井控安全和取全地質(zhì)資料，未使用提速工具，現(xiàn)場通過鉆頭優(yōu)選，推薦使用的MX-DS50DX牙輪鉆頭，采用球形齒，小鉆壓鉆進(jìn)，抗磨性極強(qiáng)，單只鉆頭進(jìn)尺367.85 m，雖然機(jī)械鉆速較低(1.53 m/h)，但純鉆時間長達(dá)240 h，減少了起下鉆次數(shù)，節(jié)約了大量時效。

茅口組地層壓力系數(shù)高，鉆井期間氣侵嚴(yán)重而且居高不下，通過循環(huán)提密度，將鉆井液密度由1.93提高至2.25 g/cm3才將氣層壓穩(wěn)。同時，下部地層承壓能力弱，導(dǎo)致頻繁發(fā)生井漏，共發(fā)生13次井漏，共漏失鉆井液777.25 m3。

3.6 施工總結(jié)

元壩7井于2017年12月完鉆，鉆井周期為431 d，平均機(jī)械鉆速為2.22 m/h，全井除發(fā)生多次漏失外未發(fā)生其他復(fù)雜情況。2018年4月4日，元壩7井試獲超百萬立方米高產(chǎn)工業(yè)氣流，取得元壩地區(qū)新層系勘探重大突破。

4 結(jié) 論

(1)五開次井身結(jié)構(gòu)較好地滿足了安全鉆進(jìn)的需要，除因地層承壓能力低導(dǎo)致的井漏外，全井未發(fā)生井壁坍塌、溢流、井涌、卡鉆等其他復(fù)雜情況，元壩7井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計合理有效，對元壩區(qū)塊茅口組氣層后期的勘探開發(fā)具有重要的借鑒作用。

(2)陸相須家河組地層采用渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭平均機(jī)械鉆速為1.27 m/h，機(jī)械鉆速相較于同地層牙輪鉆頭提高了84%，單只鉆頭進(jìn)尺提高了427%，純鉆時效提高了56%。海相嘉陵江組地層使用大扭矩低轉(zhuǎn)速螺桿+PDC進(jìn)行提速，平均機(jī)械鉆速達(dá)到4.66 m/h，是牙輪鉆頭的2.57倍。兩種提速工具的成功應(yīng)用為四川盆地相同層位提速提效提供了新的思路。

(3)茅口組地層壓力較高，同時地層承壓能力低，鉆井液安全密度窗口較窄，后續(xù)鉆井施工過程中應(yīng)加強(qiáng)鉆井液性能控制，避免或減少井漏情況的發(fā)生。

(4)聚磺防塌鉆井液體系高溫穩(wěn)定性高、抗污染能力強(qiáng)，防竄彈韌性水泥漿體系防氣竄效果佳，固井質(zhì)量較好，適合元壩區(qū)塊超深井鉆井作業(yè)施工。