吐哈盆地火焰山構(gòu)造帶深層水平井鉆井提速技術(shù)

任 凱，馮 義，王品德，戢能斌，趙久平

(中國石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院，新疆哈密 839009)

近年來吐哈油田對(duì)增儲(chǔ)增產(chǎn)的需求日益迫切，嚴(yán)峻形勢下油氣勘探逐步向深層、超深層長水平段方向發(fā)展，吐哈盆地火焰山構(gòu)造帶深層油氣成為十分重要的勘探目標(biāo)，目前已取得階段性成果。該區(qū)塊的目的層為下侏羅統(tǒng)三工河組，巖性主要為灰色泥巖、粉砂巖互層及砂礫巖，鉆井項(xiàng)目以導(dǎo)眼井+側(cè)鉆水平井為主，水平井井深為4 000.0～4 500.0 m。該區(qū)塊地表礫石層松散不成巖，易垮易漏；中部地層孕育多套石膏層、膏泥巖及軟泥巖，鉆進(jìn)時(shí)易縮徑、坍塌；下部水平段巖石壓實(shí)作用強(qiáng)，儲(chǔ)層可鉆性差，且井底環(huán)境復(fù)雜，隨鉆儀器易發(fā)生故障。這些因素導(dǎo)致該區(qū)塊鉆井周期過長、機(jī)械鉆速慢、油層鉆遇率低，制約著火焰山構(gòu)造帶勘探開發(fā)的進(jìn)程。因此分析該區(qū)塊深層水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，調(diào)研國內(nèi)外各大油田鉆井技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合吐哈油田當(dāng)前鉆井技術(shù)水平，制定適當(dāng)?shù)你@井提速技術(shù)措施，對(duì)加快該區(qū)塊勘探開發(fā)步伐大有裨益[1-13]。

1 地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特點(diǎn)

火焰山構(gòu)造帶位于吐哈盆地火焰山中央隆起帶火焰山構(gòu)造下盤，在中燕山期已具有獨(dú)立背斜背景，且背斜北翼伸向勝北生烴區(qū)，區(qū)內(nèi)主要成藏期為晚燕山期，因此，火焰山構(gòu)造帶既是油氣匯聚的有利區(qū)，又具有長期捕獲油氣的地質(zhì)條件?；鹧嫔綐?gòu)造帶自上而下地質(zhì)分層及巖性分別為第四系砂礫巖夾泥巖、新近系-古近系膏巖層及膏泥巖、白堊系軟泥巖以及侏羅系砂泥巖互層和夾煤巖的泥巖層，縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)，巖性變化大?；鹧嫔綐?gòu)造帶地質(zhì)分層如表1所示，發(fā)育有中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組(J2q)、三間房組(J2s)、西山窯組(J2x)和下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)四套儲(chǔ)層，儲(chǔ)層巖性致密，壓實(shí)作用強(qiáng)，可鉆性差。井底溫度達(dá)到125 ℃以上，壓力超過45.0 MPa。

表1 火焰山構(gòu)造帶地質(zhì)分層

1.2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.2.1 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

火焰山構(gòu)造帶受地表?xiàng)l件和逆掩帶影響，地震資料難以成像，品相較差，難以把握構(gòu)造細(xì)節(jié)，地層的不確定性導(dǎo)致對(duì)目的層埋深、走向、傾角等資料掌握不全面，并且油藏的細(xì)微構(gòu)造變化大，縱向頂面起伏，橫向巖性差異明顯，難以準(zhǔn)確確定油層信息，因此鉆井過程中軌跡調(diào)整頻繁，定向施工難度大，導(dǎo)致油層鉆遇率低，平均鉆遇率僅為81%。

1.2.2 井壁穩(wěn)定性差

上部第四系砂礫巖夾泥巖層松散不成巖，易垮易漏；中部新近系-古近系(桃樹園組、鄯善群組)、白堊系孕育著多套石膏層、膏泥巖、軟泥巖，易坍塌掉塊、縮徑，且山前構(gòu)造井斜難以控制，防斜打直難度較大；下部白堊系與侏羅系不整合面，以及侏羅系西山窯組泥巖段、三工河組煤巖段井壁穩(wěn)定性差，易垮塌漏失。總體而言井壁穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，平均復(fù)雜時(shí)效占比16.4%。

1.2.3 目的層可鉆性差

區(qū)內(nèi)目的層為侏羅系西山窯組-三工河組，地層埋深超過4 000.0 m，巖性為泥巖與粉砂巖互層，并含有夾煤巖層的泥巖段，地層壓實(shí)作用強(qiáng)，巖石研磨性高，地層可鉆性差，對(duì)普通PDC鉆頭有很強(qiáng)的破壞能力，火焰山構(gòu)造帶巖石可鉆性分級(jí)表如表2所示，水平段平均單只鉆頭進(jìn)尺150.0 m，鉆井周期超過50 d。

表2 火焰山構(gòu)造帶巖石可鉆性分級(jí)

1.2.4 隨鉆儀器易故障

火焰山構(gòu)造帶已鉆井溫度、壓力數(shù)據(jù)如表3所示。預(yù)測井底溫度125～140 ℃，井底壓力44.0～49.5 MPa，井底高溫高壓高密高黏環(huán)境對(duì)隨鉆儀器性能影響大，且在一定程度上易導(dǎo)致螺桿鉆具壽命縮短、PDC鉆頭復(fù)合片耐磨性能降低。已鉆井施工過程中多次出現(xiàn)隨鉆測量儀器故障、鉆頭磨削損壞、螺桿轉(zhuǎn)子端部斷裂等復(fù)雜工況，水平段平均起下鉆次數(shù)多達(dá)11次。

表3 火焰山構(gòu)造帶已鉆井井下溫度、壓力數(shù)據(jù)

1.2.5 提速工具應(yīng)用少

深層水平井應(yīng)用提速工具較少，造斜段和水平段出現(xiàn)托壓現(xiàn)象無法緩解，鉆頭處鉆壓小，無法吃入地層，機(jī)械鉆速低，鉆井提速困難；環(huán)空間隙小，巖屑不能被有效攜帶，易堆積形成巖屑床，已鉆井起下鉆時(shí)多次發(fā)生阻塞鉆具、卡鉆等故障。

2 深層水平井鉆井提速技術(shù)研究

2.1 精確中靶及提高油層鉆遇率

針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、油層鉆遇率低的問題，從軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化、建立中靶模型、工程地質(zhì)一體化導(dǎo)向三個(gè)方面入手，總結(jié)“模擬實(shí)鉆、精確監(jiān)控、穩(wěn)斜探頂、復(fù)合入窗”的軌跡控制原則，確保精確中靶及提高油層鉆遇率。

2.1.1 軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過油藏精細(xì)描述優(yōu)化井網(wǎng)布置、地質(zhì)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)軌道類型和參數(shù)，達(dá)到造斜率、靶前位移、摩阻扭矩間相對(duì)平衡，實(shí)現(xiàn)摩阻和扭矩最小。利用導(dǎo)眼完井電測的油層垂深準(zhǔn)確預(yù)測油層位置，做好造斜段前期鉆具穩(wěn)定、早扭方位作業(yè)。軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化如圖1所示，采用“一探、二驗(yàn)、三調(diào)”的著陸模式，即一根穩(wěn)斜探頂，二根穩(wěn)斜驗(yàn)層，三根調(diào)整軌跡，確保精確探頂中靶，卡準(zhǔn)油層。

圖1 軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化示意圖

2.1.2 建立中靶模型

結(jié)合前期導(dǎo)眼井測井解釋資料，在已知油層厚度情況下，本著超薄油層目的層“寧底勿頂、中部穿行”的安全鉆井模式，采用雙(多)探底技術(shù)(圖2)，實(shí)時(shí)模擬油層傾角，模擬目的層走勢，建立目的層動(dòng)態(tài)長方體靶區(qū)三維模型，提高油層鉆遇率。

圖2 雙探底技術(shù)示意圖

2.1.3 工程地質(zhì)一體化

工程組合導(dǎo)向系統(tǒng)與地質(zhì)隨鉆綜合錄測井系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補(bǔ)的工作模式，增強(qiáng)地層評(píng)估力度，鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)成圖，對(duì)比并調(diào)整井眼軌跡，達(dá)到最優(yōu)化鉆井。將隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)測得的自然伽馬、電阻率數(shù)據(jù)繪制成圖，結(jié)合地質(zhì)綜合錄測井參數(shù)(巖屑、巖性)資料，與鄰井測井曲線對(duì)比，總結(jié)同區(qū)塊地層的變化情況，把握地層造斜能力及井斜變化規(guī)律，應(yīng)用軌跡模擬軟件預(yù)測鉆頭位置的井斜和方位，判斷鉆頭位置、井斜角與油層傾角的一致性，及時(shí)調(diào)整軌跡，提高油層鉆遇率。

2.2 低成本鉆井提速工藝工具

2.2.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，調(diào)整各開次井眼和套管深度。一開444.5 mm井眼，縮短井深和套管下深，快速封閉礫石層；二開311.1 mm井眼，延長表層套管封固長度，完整封固膏泥巖、軟泥巖層；三開215.9 mm井眼，延長造斜段，降低造斜率，減少定向段，增加復(fù)合段。優(yōu)化前后對(duì)比如表4所示。

表4 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

2.2.2 優(yōu)化鉆具組合

二開直井段采用“強(qiáng)攻擊PDC鉆頭+雙扶螺桿+井壁修復(fù)器”強(qiáng)控斜鉆具組合，完善系列化全壓控斜鉆具；造斜段采用“造斜型鉆頭+高造斜螺桿+水力振蕩器”鉆具組合，快速增斜、增方位，防止鉆頭泥包、井眼縮徑；水平段采用“中低速單扶螺桿+井壁修復(fù)器+水力振蕩器”鉆具組合，配合倒裝鉆具，降低水平段摩阻、減少定向鉆進(jìn)黏滑托壓，穩(wěn)斜鉆進(jìn)，精確卡層。優(yōu)化鉆具組合如表5所示。

表5 鉆具組合優(yōu)化

2.2.3 鉆井提速工具

可破碎井壁落物的PDC鉆頭、雙向通井工具(圖3a)、隨鉆井壁修復(fù)器(圖3b)等工具，可以解決泥巖、膏鹽層、交界面地層頻繁劃眼、阻卡等難題，提高井眼質(zhì)量；巖屑床清除器、水力振蕩器、液力推進(jìn)器等工具，可以改善長段水平井的鉆壓傳遞效果、降低摩阻扭矩，消除托壓、黏卡現(xiàn)象，提高定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)效率。

圖3 鉆井提速工具

2.3 高耐性隨鉆儀器

為應(yīng)對(duì)火焰山構(gòu)造帶井下高溫高壓高密高黏環(huán)境，對(duì)隨鉆儀器各元件的耐性進(jìn)行攻關(guān)，通過數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)室篩選、礦場試驗(yàn)一系列措施，最終組合成高耐性隨鉆儀器。測量儀器的誤差在0.1%以內(nèi)，耐溫范圍為-50～150 ℃，耐壓強(qiáng)度可達(dá)137.0 MPa，抗振性能同比增加2.5倍，完全滿足該區(qū)塊隨鉆測量要求。

2.4 高效鉆井液體系

選用復(fù)合鹽弱凝膠高效鉆井液體系，采用多元協(xié)同理論，從抑制泥頁巖水化分散、膨脹和實(shí)現(xiàn)離子活度平衡機(jī)理出發(fā)，通過復(fù)配KCl、有機(jī)鹽、抑制劑協(xié)同增效，充分發(fā)揮K+、Na+等離子抑制黏土層間水化作用，增強(qiáng)體系抑制性，降低固相，改善流變性能，提高承壓能力，從而有效解決地層膨脹、縮徑、垮塌、井漏等井下復(fù)雜情況。

根據(jù)地層變化設(shè)置鉆井液密度和性能，鉆至上侏羅統(tǒng)齊古組(J3q)前，鉆井液密度逐步升高至1.45 g/cm3，有序提高有機(jī)鹽加量，降低濾液活度，配合納米封堵劑實(shí)現(xiàn)納米-微米封堵，在巖石表面形成保護(hù)膜，減少濾液浸入；進(jìn)入齊古組(J3q)后，鉆井液密度為1.45～1.55 g/cm3，逐步提高鉆井液封堵材料含量，強(qiáng)化鉆井液物理封堵能力，并根據(jù)井斜變化及時(shí)補(bǔ)充潤滑劑。當(dāng)井斜為0°～30°時(shí)，潤滑劑有效含量為3%以上；當(dāng)井斜為30°～60°時(shí)，潤滑劑有效含量為4%以上；當(dāng)井斜60°～90°時(shí)，潤滑劑有效含量為5%以上。

3 技術(shù)應(yīng)用

火805H井是吐哈盆地火焰山構(gòu)造火8井區(qū)塊的一口預(yù)探井，鉆井設(shè)計(jì)為導(dǎo)眼井+水平井，井身結(jié)構(gòu)為一開φ444.5 mm井眼/φ339.7 mm套管×300.0 m，二開φ311.1 mm井眼/φ244.5 mm套管×3 400.0 m，三開/側(cè)鉆φ215.9 mm井眼/φ139.7 mm套管×4 120.0 m/5 262.0 m，使用復(fù)合鹽弱凝膠鉆井液，鉆具組合如下：

二開直井段鉆具組合：φ311.1 mm PDC鉆頭+1.25°雙扶螺桿(φ308.0 mm*310.0 mm)+單流閥+定向接頭+無磁鉆鋌+鉆鋌×1根+井壁修復(fù)器+鉆鋌×3根+鉆桿。

三開造斜段鉆具組合：φ215.9 mm PDC鉆頭+1.50°螺桿+單流閥+定向接頭+無磁鉆鋌+加重鉆桿×27根+水力振蕩器+加重鉆桿×3根+斜坡鉆桿。

三開水平段鉆具組合：φ215.9 mm PDC鉆頭+1.25°螺桿+單流閥+φ212.0 mm井壁修復(fù)器+定向接頭+無磁鉆鋌+加重鉆桿×3根+斜坡鉆桿×26根+水力振蕩器+斜坡鉆桿×94根+加重鉆桿×27根+斜坡鉆桿。

通井鉆具組合：雙向通井工具+加重鉆桿×2根+φ212.0 mm井壁修復(fù)器+加重鉆桿×1根+鉆頭伴侶+鉆桿。

實(shí)鉆導(dǎo)眼井深4 110.0 m，側(cè)鉆水平井井深5 050.0 m，實(shí)鉆井眼軌跡如圖4所示。

圖4 火805H井實(shí)鉆軌跡

技術(shù)應(yīng)用結(jié)果表明，火805H井鉆完井周期由154.5 d縮短至106.0 d，縮短幅度29.3%；其中鉆井周期由134.5 d縮短至90.0 d，縮短幅度33.0%；完井周期由20.0 d縮短至16.0 d，縮短幅度20.0%。平均機(jī)械鉆速由3.78 m/h提高到4.96 m/h，提高31.2%；油層鉆遇率由81.0%提高至94.8%?；?05H井純鉆時(shí)效為59.45%，與火803H井、火804H井相比，分別提高了16.63%、21.22%；火805H井復(fù)雜時(shí)效占比為0.93%，與火803H井、火804H井相比，分別降低了95.70%、90.10%；火805H井造斜段和水平段實(shí)現(xiàn)了一趟鉆鉆井目標(biāo)，鉆井提速技術(shù)展現(xiàn)顯著效果。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用精確中靶及提高油層鉆遇率技術(shù)，優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)，建立中靶模型，推進(jìn)工程地質(zhì)一體化，解決了地質(zhì)卡層困難的問題，有效提高了油層鉆遇率。

(2)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆具組合優(yōu)化及鉆井提速工具的應(yīng)用，降低了造斜率，減少了定向段，增加了復(fù)合段，消除了黏卡托壓現(xiàn)象，縮短了鉆井周期，提高了鉆井速度。

(3)高耐性隨鉆儀器能夠應(yīng)對(duì)井下高溫高壓高密高黏環(huán)境，減少起下鉆次數(shù)，滿足隨鉆測量要求。

(4)復(fù)合鹽弱凝膠鉆井液體系穩(wěn)定井壁能力強(qiáng)，提高了事故預(yù)防與處理能力，有助于提高機(jī)械鉆速，降低復(fù)雜時(shí)效。