克百斷裂帶BY1風(fēng)險(xiǎn)探井優(yōu)快鉆井技術(shù)

阮彪，徐小龍，楊洪，曾東初，江民盛

克百斷裂帶BY1風(fēng)險(xiǎn)探井優(yōu)快鉆井技術(shù)

阮彪1，徐小龍1，楊洪1，曾東初1，江民盛2

（1. 新疆油田分公司勘探事業(yè)部， 新疆 克拉瑪依 834000； 2. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

克百斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，裂縫發(fā)育，該區(qū)探井BY1井鉆遇石炭系、風(fēng)城組鉆進(jìn)時(shí)存在井漏嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低，可鉆性差和鉆井風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，給該地區(qū)的油氣勘探作業(yè)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。為了減少鉆遇復(fù)雜頻繁，通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效鉆頭、氮?dú)忏@井高性能鉆井液和垂直防斜打直技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了該區(qū)塊地質(zhì)復(fù)雜引起的鉆井效率低的問(wèn)題，并在BY1井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。BY1井采用以上優(yōu)快鉆井技術(shù)后，鉆井周期較鄰井縮短了近40 d，機(jī)械鉆速，破巖效率得到有效提高的同時(shí)，井漏問(wèn)題、井下事故的發(fā)生次數(shù)明顯減少，并形成了一套有針對(duì)性的克百斷裂帶風(fēng)險(xiǎn)探井鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)，為該區(qū)塊下一步的勘探鉆井作業(yè)提供了借鑒依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

風(fēng)險(xiǎn)探井；井漏；提速技術(shù)；氮?dú)忏@井

BY1井地處新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市烏爾禾區(qū)，是準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起克百斷裂帶百口泉斷鼻圈閉內(nèi)的一口風(fēng)險(xiǎn)探井（見(jiàn)圖1），主要探索準(zhǔn)噶爾盆地西北緣克百斷裂帶下盤掩伏構(gòu)造帶佳木河組的含油氣性。

BY1設(shè)計(jì)井深5 300 m, 井鉆遇地層復(fù)雜，裂縫發(fā)育，事故復(fù)雜率供，可鉆性差，導(dǎo)致克百斷裂帶鉆井速度普遍較慢，嚴(yán)重制約著該地區(qū)的勘探開(kāi)發(fā)速度[1]。為實(shí)現(xiàn)該區(qū)塊的高效率勘探開(kāi)發(fā)，提高鉆井速度，減少?gòu)?fù)雜情況發(fā)生，縮短鉆井周期，通過(guò)分析研究克百斷裂帶地質(zhì)資料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆井情況，開(kāi)展了適用于百斷裂帶的提速關(guān)鍵技術(shù)研究。

圖1 BY1井井位

1 鉆井提速難點(diǎn)分析

1.1 地質(zhì)情況復(fù)雜

BY1井地質(zhì)分層從上到下依次為吐谷魯群、侏羅系、石炭系、夏子街組、風(fēng)城組和佳木禾組。石炭系推覆體地層傾角大，厚度1 725 m，自然造斜力強(qiáng)，對(duì)防斜打直的要求高。夏子街組為致密層，地層可鉆性極差。佳木河組該區(qū)塊至今無(wú)井鉆遇，缺乏實(shí)鉆資料，壓力系數(shù)和地層巖性不確定[2]。

1.2 井漏情況頻發(fā)

掩伏帶構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，裂縫發(fā)育程度高。根據(jù)BY1井地質(zhì)資料看，上部吐谷魯群、侏羅系承壓能力弱，易發(fā)生漏失[3]。風(fēng)城組直劈裂縫發(fā)育、極易鉆遇破碎帶，漏失情況頻繁。從已鉆鄰井的漏失情況看，B56井發(fā)生多次嚴(yán)重井漏，采用1.1~1.22 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，井壁常有掉塊出現(xiàn)，造成多次起下鉆遇阻遇卡；BQ1井風(fēng)城組發(fā)生15次井漏，漏失密度1.1~1.22 g/cm3鉆井液共計(jì)856.23 m3；BQ2井風(fēng)城組發(fā)生16次井漏，漏失密度1.08~1.14 g/cm3鉆井液共計(jì)1 920.58 m3。

1.3 井下事故率大

深部地層鉆井工況惡劣，由井斜、井下沖擊等引起的交變應(yīng)力導(dǎo)致疲勞破壞，極易發(fā)生斷鉆具等井下事故。鄰井鉆進(jìn)過(guò)程中多次發(fā)生斷鉆具等井下事故，嚴(yán)重影響鉆井效率。

圖2 BY1地震解釋剖面

2 關(guān)鍵提速技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)BY1井地層壓力特征，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示，采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。一開(kāi)采用660.4 mm鉆頭鉆至501 m下入508.0 mm表層套管封隔淺層水及疏松層段。二開(kāi)444.5 mm鉆頭鉆至2 603 m處，下入339.7 mm技術(shù)套管封隔石炭系和二疊系壓力較高層段，預(yù)防下部層段可能出現(xiàn)的異常壓力，降低復(fù)雜發(fā)生危險(xiǎn)。三開(kāi)采用311.2 mm鉆頭鉆至4 202 m處，下入244.5 mm技套封隔不穩(wěn)定段夏子街組和裂縫發(fā)育層段風(fēng)城組。四開(kāi)采用215.9 mm鉆頭鉆至5 300 m處，完井回接177.8 mm套管至井口處，下入139.7 mm尾管懸掛器于3 800 m處，封固目的層段。優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)完全滿足安全快速鉆井的要求，鉆進(jìn)時(shí)復(fù)雜事故發(fā)生減少。

2.2 充氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)

風(fēng)城組及佳木河組可鉆性差的地層，均為巨厚砂礫巖或白云質(zhì)粉砂巖井段，巖性橫向變化大，均質(zhì)性差，沒(méi)有較為穩(wěn)定的泥巖段，極易發(fā)生井漏。為治理井漏問(wèn)題，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，采用充氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)。充氣欠平衡鉆井是指將一定量的可壓縮氣體通過(guò)注氣設(shè)備注入到鉆井液中作為循環(huán)介質(zhì)的工藝[4]。

BY1井三開(kāi)、四開(kāi)易漏井段采用充氮?dú)馇菲胶忏@井工藝，工藝流程如圖4所示。三開(kāi)鉆具組合采用Φ215.9 mm牙輪鉆頭＋雙母接頭＋箭型回壓閥2只＋Φ158.8 mm光鉆鋌×7柱＋ Φ127 mm 18°加重鉆桿+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿＋Φ168 mm鉆桿旋塞1只+Φ168 mm箭型回壓閥1只+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿。四開(kāi)鉆具組合采用Φ215.9 mm牙輪鉆頭＋雙母接頭＋箭型回壓閥2只＋Φ158.8 mm光鉆鋌×7柱＋Φ127 mm 18°加重鉆桿+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿＋Φ168 mm鉆桿旋塞1只+Φ168 mm箭型回壓閥1只+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿，總進(jìn)尺434.74 m, 平均機(jī)械鉆速2.38 m/h，鉆進(jìn)過(guò)程均無(wú)井壁失穩(wěn)、井漏等復(fù)雜情況，有效應(yīng)對(duì)風(fēng)城組及佳木河組鉆進(jìn)易漏問(wèn)題。

圖3 充氮?dú)忏@井技術(shù)工藝流程

2.3 高效鉆頭應(yīng)用

BY1井石炭系巖性為灰色砂礫巖，下部為安山巖、玄武巖夾凝灰?guī)r，推覆體地層傾角大，地層可鉆性5~6.5。針對(duì)石炭系地層可鉆性差的問(wèn)題，采用復(fù)合鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。復(fù)合鉆頭是PDC鉆頭結(jié)構(gòu)和牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合，結(jié)合了牙輪沖擊破巖和PDC鉆頭剪切破巖的特點(diǎn)，復(fù)合鉆頭能有效降低鉆進(jìn)時(shí)的扭矩、減少鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的橫向振動(dòng)，提高攜巖效率和鉆進(jìn)能力，適合于軟硬交錯(cuò)地層、含礫地層[5]。BY1井使用的復(fù)合鉆頭是3PDC固定刀翼+3牙輪相間布置的切削結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），3個(gè)牙輪采用楔形齒與中高密度相結(jié)合布齒方式，有利于減少鉆進(jìn)時(shí)的振動(dòng)；3PDC固定刀翼以120°對(duì)稱交錯(cuò)分布，采用獨(dú)立保徑設(shè)計(jì)，可以有效提高鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定性。BY1井二開(kāi)采用Φ444.5 mm復(fù)合鉆頭，平均單趟鉆進(jìn)尺370 m, 較相同尺寸其他鉆頭提高近2倍；平均機(jī)械鉆速2.34 m/h，較鄰井同層段提高70%，破巖效果顯著，對(duì)地層具有良好的適應(yīng)性。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)使用的復(fù)合鉆頭

2.4 防斜打直技術(shù)

BY1井二開(kāi)為高傾角大厚度石炭系推覆體地層，傾角40°，推覆體厚度自東南向西北逐漸變厚，地層構(gòu)造應(yīng)力集中，自然造斜能力強(qiáng)，可鉆性差。為解決鉆進(jìn)過(guò)程容易發(fā)生井斜問(wèn)題，采用斯倫貝謝公司Power-V垂直鉆井系統(tǒng)。

Power-V垂直鉆井系統(tǒng)是一套全自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向處置鉆井工具,主要由電子控制部分（CU）、機(jī)械導(dǎo)向部分（BU）合一個(gè)中間輔助部分（ES）組成[6]。CU是Power-V垂直鉆井系統(tǒng)的指揮核心，它由泥漿驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、陀螺儀、各種傳感器以及時(shí)鐘控制等組成；BU是一個(gè)機(jī)械式執(zhí)行裝置，由泥漿導(dǎo)流閥和泥漿伸縮片組成；ES則是一個(gè)泥漿濾網(wǎng)。其工作原理是控制部分傳感器自動(dòng)測(cè)量出鉆進(jìn)時(shí)井底井斜角和高邊方位角，當(dāng)與地面工程師預(yù)先設(shè)定的底邊工具面不同時(shí)，控制軸控制機(jī)械導(dǎo)向部分的泥漿導(dǎo)流閥和伸縮片產(chǎn)生側(cè)向力，并作用于井壁高邊，從而改變鉆頭切削的方向，使鉆頭的作用力指向低邊，井眼軌跡快速導(dǎo)向垂直方向，實(shí)現(xiàn)降斜的目的[7]。

BY1井在1 000 m井深開(kāi)始采用Power-V垂直鉆井系統(tǒng)，鉆進(jìn)至2 603.27 m井深處結(jié)束，累計(jì)進(jìn)行了9趟鉆，累計(jì)應(yīng)用進(jìn)尺1 603.27 m，純鉆總時(shí)間670.2 h，平均機(jī)械鉆速2.37 m/h。Power-V垂直鉆井系統(tǒng)在高傾角石炭系地層應(yīng)用后，井身質(zhì)量控制良好。BY1井1 000~2 000 m段井身質(zhì)量平均井斜1.29°,最大全角變化率0.56°/30 m，最大水平位移10.07 m。2 000~2 603.27 m段井身質(zhì)量平均井斜2.07°，最大全角變化率2.90°/30 m，最大水平位移14.91 m（見(jiàn)表1）。

本次會(huì)議還舉辦了第三屆“易創(chuàng)杯”組織學(xué)與胚胎學(xué)教學(xué)標(biāo)本制作大賽，參賽標(biāo)本包括石蠟切片、鋪片標(biāo)本、整體標(biāo)本等類型，有HE染色、特殊染色及銀染技術(shù)。標(biāo)本制作大賽為專業(yè)同行們提供了一個(gè)展示標(biāo)本制作技能的平臺(tái)。45件實(shí)驗(yàn)教學(xué)標(biāo)本中11件作品分別獲一、二、三等獎(jiǎng)。

表1 BY1井井身質(zhì)量

2.5 高性能鉆井液

鄰井復(fù)雜主要是井漏，多發(fā)生在風(fēng)城組和夏子街組，漏因多為鉆遇直裂縫和鉆井液密度偏高，漏失量大，防漏堵漏困難。針對(duì)井漏頻繁問(wèn)題，采用強(qiáng)抑制、封堵效果好、低粘切和低密度的鉆井液，實(shí)現(xiàn)抑制性、流變性和造壁潤(rùn)滑性協(xié)調(diào)統(tǒng)一，提高鉆井效率[8]。

一開(kāi)礫石層、礫巖井段膠結(jié)差易垮塌，井口易竄漏。采用濃度10%左右的高坂含、高粘切和高清潔的“三高”坂土漿增強(qiáng)地層的膠結(jié)能力，防止礫巖垮塌。在滲透量大的的井段加大隨鉆堵漏材料，增強(qiáng)封堵和膠結(jié)，以避免出現(xiàn)竄漏。確保泥漿具有較強(qiáng)的懸浮帶砂能力和良好的觸變性。

二開(kāi)侏羅系八道灣組煤層易井漏、垮塌；石炭系推覆體夾片中可能出現(xiàn)高壓；夏子街組地層穩(wěn)定性差，極易鉆遇破碎帶；周圍注水井引起地層壓力升高可能發(fā)生井漏。采用4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH+5% KCl+0.6%~0.8%JT888（SP- 8、MAN101）+ 0.6%~0.8% PMHA-2(MAN104、FA367) + 0.5%NPAN+ 2% SMP-1粉 +2% SPNH+ 3%~5%陽(yáng)離子乳化瀝青（磺化瀝青粉）+0.2%~0.5% CaO + 0.5%液體潤(rùn)滑劑 + 0.5%石墨粉+ 2% QCX-1 + 1% WC-1+2%~3%隨鉆堵漏劑+1%膠凝劑+重晶石的鉀鈣基聚磺鉆井液體系，通過(guò)大分子聚合物、KCl等復(fù)配,強(qiáng)化體系對(duì)地層、鉆屑的包被抑制能力。以PMHA-2(MAN104)和KCl加強(qiáng)包被、抑制泥巖水化膨脹，以JT888(SP-8、MAN101)、NPAN等降低濾失量，以磺化瀝青粉（陽(yáng)離子乳化瀝青、PHT）、SPNH、SMP-1(粉)（RSTF）、低熒光潤(rùn)滑劑、石墨粉改善濾餅質(zhì)量，調(diào)整流變性和鉆井液的潤(rùn)滑性。

三開(kāi)風(fēng)城組裂縫發(fā)育，井漏嚴(yán)重，鉆進(jìn)過(guò)程井壁容易失穩(wěn)。采用4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH + 5% KCl + 0.6%~0.8% JT888（SP-8、MAN101）+ 0.6%~0.8% PMHA-2(MAN104)+0.5% NPAN+ 2% SMP-1(粉)（RSTF）+2% SPNH+ 0.5%低熒光潤(rùn)滑劑+0.5%石墨粉+3%~5%磺化瀝青粉（陽(yáng)離子乳化瀝青、PHT）+0.2%~0.5%CaO+2%~3%隨鉆堵漏劑+1%膠凝劑+2% QCX-1+1% WC-1+0.2% ABSN+重晶石的鉀鈣基聚磺鉆井液體系。鉆井液中加入2% QCX-1、1%WC-1，天然瀝青粉（KH-n）的含量穩(wěn)定3%以上，并且在鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)補(bǔ)充，確保屏蔽暫堵材料在鉆井完井液中的含量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以形成致密高強(qiáng)度的“屏蔽環(huán)”，防止鉆井液對(duì)油氣層造成嚴(yán)重傷害。

四開(kāi)佳木禾組采用充氮?dú)忏@井技術(shù)，施工前預(yù)先配置好鉀鈣基聚磺置換液體系、足夠的堵漏材料、加重料，調(diào)整性能要求。各井段鉆井液主要性能見(jiàn)表2。

表2 各井段鉆井液的主要性能

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

針對(duì)克百斷裂帶地層復(fù)雜，井漏情況嚴(yán)重，可鉆性差等問(wèn)題，在BY1井2展開(kāi)提速關(guān)鍵技術(shù)研究并得到有效應(yīng)用，形成了以充氮?dú)忏@井、高效鉆頭、防斜打直技術(shù)等為主的鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)，有效解決了推覆體石炭系井斜、風(fēng)城組與佳木河組井漏的問(wèn)題，取得了良好現(xiàn)場(chǎng)效果，可以進(jìn)行全面的技術(shù)推廣應(yīng)用[9]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料來(lái)看，BY1井采用了優(yōu)化的“四開(kāi)+尾管懸掛”井身結(jié)構(gòu)，有效封隔了淺層疏松段，風(fēng)城組、夏子街組易漏層段。三開(kāi)和四開(kāi)部分段采用充氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)，進(jìn)尺434.74 m, 平均機(jī)械鉆速2.38 m/h，鉆速提高近50%。石炭系高傾角地層采用Power-V防斜打直技術(shù)，平均井斜角穩(wěn)定在1.5°以下，遠(yuǎn)低于鄰井相同井段平均井斜角，使用效果顯著。

二開(kāi)使用“3牙輪+3PDC”復(fù)合鉆頭和史密斯高效牙輪鉆頭，平均單只鉆頭進(jìn)尺和平均鉆速得到有效提高，鉆井周期縮短至180 d,與鄰井鉆井效率對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 BY1井與鄰井鉆井效率對(duì)比

一開(kāi)采用高坂含、高粘切和高清潔的坂土鉆井液，有效應(yīng)對(duì)淺層疏松層易跨塌問(wèn)題；二開(kāi)、三開(kāi)采用鉀鈣基聚磺鉆井液體系，井漏情況得到有效改善。

4 結(jié) 論

（1）在BY1井采用高性能鉆井液，利用充氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)，不僅提高了鉆井速度，還解決了風(fēng)城組、佳木河組易漏的問(wèn)題，宜推廣使用。

（2）復(fù)合鉆頭和Power-V垂直鉆井系統(tǒng)在BY1井的成功應(yīng)用，解決了該井鉆遇石炭系推覆體可鉆性差的問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)石炭系自然造斜能力強(qiáng)的難題提供了一個(gè)可行的方案。

（3）建議進(jìn)一步展開(kāi)充氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)的地層適應(yīng)性研究，開(kāi)展適用于克百斷裂帶地層的堵漏劑研究與開(kāi)發(fā)，加快多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)集成應(yīng)用，為克百斷裂帶安全高效勘探工作提供技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］靳軍,王劍,劉金,吐遜阿依·吐拉洪,季漢成,賈海波,房超,李晨. 準(zhǔn)噶爾盆地克—百斷裂帶石炭系深部巖性巖相及時(shí)空分布特征[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 48 (02): 238-245.

［2］嚴(yán)康,朱雪華,阮彪,田山川,辛小亮. 瑪湖凹陷西斜坡區(qū)鉆井提速技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì), 2018, 12 (05): 37-39+82-83.

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［4］楊虎.裂縫性儲(chǔ)層充氮?dú)馇菲胶忏@井流體參數(shù)設(shè)計(jì)圖版與實(shí)例[J].中國(guó)石油勘探,2017,22(06):118-124.

［5］朱寬亮,周巖,胡中志. PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在南堡油田大斜度井的應(yīng)用[J]. 石油鉆探技術(shù), 2017, 45 (06): 60-64.

［6］朱寬亮,李楠,李睿,王在明,崔海弟. 南堡油田玄武巖個(gè)性化高效鉆頭的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 石油學(xué)報(bào), 2009, 30 (05): 760-763.

［7］吉永忠,譚賓,王建章. 復(fù)雜井漏的鉆井液快速保障系統(tǒng)[J]. 鉆采工藝, 2017, 40 (03): 13-15+7-8.

［8］黃迪簫笙. 涪陵頁(yè)巖氣田江東區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程), 2019, 46 (04): 18-23.

［9］張建平,肖華,石麗娟,曾貴蓉. 垂直鉆井系統(tǒng)在吐哈盆地山前高陡構(gòu)造的應(yīng)用[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2011, 33 (10): 158-160+170.

Optimum Drilling Technology of High Risk Exploration BY1 Well in Kebai Fault Zone

1,1,1,1,2

(1. Exploration Division of PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China; 2. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

Kebai fault zone has complex geological structures and fractures. There were many problems of serious lost circulation, low mechanical drilling speed, poor drillability andhigh drilling risk during drilling the Carboniferous and Fengcheng formationsin BY1well, which brought great challenge to oil and gas exploration operations in the region. The application of well structure optimization, high-efficiency drill bit, nitrogen drilling high-performance drilling fluid and vertical anti-slant straightening technology effectively has solved the problem of low drilling efficiency caused by the geological complexity of the block. After using the above excellent drilling technology in BY1 well, the drilling cycle was shortened by nearly 40 days compared with the adjacent well. The mechanical drilling speed and rock breaking efficiency were effectively improved. At the same time, the number of well lost circulation problems and the number of underground accidents were significantly reduced, and a set of key drilling technology for Kebai fault zone was formed, which could provide reference and experience for the next exploration drilling operation of the block.

risk exploration well; lost circulation; drilling speed improvement; nitrogen drilling

2019-10-23

阮彪（1964-），男，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)，現(xiàn)從事鉆井科研管理工作。

江民盛（1995-），男，長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院在讀研究生，主要從事鉆井工藝研究。

TE242.9

A

1004-0935（2020）01-0104-05