四川盆地九龍山地區(qū)超深井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)

王 軍 范翔宇

1. 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司

0 引言

九龍山氣田位于四川盆地北部的蒼溪縣、旺蒼縣境內(nèi), 構(gòu)造面積大、含油氣層段多，預(yù)測儲量上千億，在其海相三疊統(tǒng)、二疊系的碳酸鹽巖中均已發(fā)現(xiàn)良好的含油氣儲層，具有資源豐富、氣質(zhì)優(yōu)良、立體勘探等優(yōu)勢。該區(qū)塊是中石油繼高磨氣田之后天然氣增儲上產(chǎn)的又一重點(diǎn)探區(qū)［1］。該構(gòu)造自20世紀(jì)80年代實(shí)施海相深井鉆探以來，截至2019年12月31日，九龍山地區(qū)完鉆海相超深井8口，除去龍4井年代久遠(yuǎn)以外，通過其余7口井的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。通過分析可知，隨著提速技術(shù)的推廣應(yīng)用，平均鉆井周期由815.35 d縮短至468.1 d，縮短了44.3%，平均機(jī)械鉆速從1.17 m/h提高至2.25 m/h，提高了48.9%。但是在區(qū)塊整體提速的大背景下，各井技術(shù)指標(biāo)差別較大，主要是因?yàn)橐恍┚阢@井過程中遇到了一系列技術(shù)難題, 嚴(yán)重影響了鉆井周期和機(jī)械鉆速，由此可知，只要針對這些技術(shù)難題, 研究相應(yīng)的對策措施，找到適合九龍山地區(qū)的優(yōu)快鉆井技術(shù)，那么九龍山地區(qū)就會有較大的鉆井提速挖潛空間。

1 九龍山地區(qū)主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 陸相地層井段長，氣體鉆進(jìn)尺受限

1）0～200 m淺部陸相多層位地層出水，如龍104井氣體鉆鉆達(dá)井深180.0～214.6 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)地層出水，出水量為15 m3/h，此后被迫改為鉆井液鉆井。

2）在氣體介質(zhì)下，中侏羅統(tǒng)沙溪廟組二段易鉆遇淺層水和淺層氣，沙一段易坍塌，如龍16井氣體鉆鉆至2 156.3 m時(shí)，發(fā)生井壁垮塌，阻卡嚴(yán)重，改為鉆井液鉆井。因?yàn)樵跉怏w介質(zhì)下無法解決沙溪廟中下部井壁穩(wěn)定的問題，氣體鉆井應(yīng)用井段有限。所以除龍16井以外，九龍山地區(qū)7口超深井的氣體鉆所鉆井深均未能超過2 230.0 m（表1）。

1.2 陸相地層研磨性強(qiáng)，可鉆性差

從沙溪廟中下部開始地層研磨性逐漸增強(qiáng)，下侏羅統(tǒng)珍珠沖組含有石英礫石，嚴(yán)重影響提速工具壽命，鉆頭選型受限；上三疊統(tǒng)須家河組以研磨性石英質(zhì)砂巖為主，單軸抗壓強(qiáng)度100～332 MPa，可鉆性極差，鉆頭壽命低，鉆井提速難度大（表2）。

1.3 縱向多套壓力系統(tǒng)，地層壓力分布復(fù)雜

從上部第四系到二疊系棲霞組，一共可分為6個壓力梯度帶，壓力系數(shù)從1.00直到2.15。由于橫向上儲層分布不穩(wěn)定及儲層類型多樣化，壓力系統(tǒng)相對獨(dú)立，同一構(gòu)造同一層橫向上地層壓力對比性差，設(shè)計(jì)與實(shí)鉆差異較大。有限的套管層序很難對多個壓力系統(tǒng)做到完全精準(zhǔn)化的分隔，造成同一個裸眼內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)噴漏的復(fù)雜情況。噴漏同存現(xiàn)象普遍存在，井下在“噴漏”和“漏噴”之間頻繁轉(zhuǎn)換，龍?zhí)?井在處理?xiàng)冀M噴漏復(fù)雜的過程中最高套壓達(dá)17.5 MPa,龍16井處理大隆組噴漏復(fù)雜時(shí)套壓最高達(dá)14.0 MPa，井控風(fēng)險(xiǎn)極大。

1.4 深部海相地層普遍含硫

下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組及其以下地層井漏頻繁，其中龍16井中二疊統(tǒng)茅口組測試天然氣含硫化氫11.1 g/m3。而龍4井在處理茅口組噴漏同存復(fù)雜期間發(fā)生鉆具氫脆，鉆桿斷為8節(jié)。

1.5 造斜井段普遍存在滑動鉆井 托壓 現(xiàn)象

九龍山地區(qū)深部地層的大斜度井、水平井由于具有井深(5 000 m 以上) 、裸眼段長(2 000 m以上) 、鉆井液密度高(2.0 g /cm3以上) 特點(diǎn)，造斜井段普遍存在滑動鉆井“托壓”現(xiàn)象，定向托壓導(dǎo)致的機(jī)械速度和鉆井時(shí)效低的問題十分突出。

表1 九龍山地區(qū)氣體鉆井統(tǒng)計(jì)表

表2 九龍山地區(qū)珍珠沖、須家河組井段總體鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表

2 實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井的配套技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)

九龍山構(gòu)造開發(fā)前期由于對地層特性認(rèn)識不清，已鉆深井均采用了常規(guī)的?508.0 mmh?339.7 mmh?244.5 mmh?177.8 mmh?127.0 mm套管串結(jié)構(gòu)（圖1）。這種管串結(jié)構(gòu)不能有效應(yīng)對九龍山地區(qū)同一裸眼內(nèi)存在多個壓力系統(tǒng)的井下復(fù)雜情況。其主要表現(xiàn)為以下2點(diǎn)：①無法單獨(dú)封隔嘉二段高壓鹽水層，如與其他層位合打，必然造成薄弱地層的漏失；②飛仙關(guān)組的壓力窗口極窄，與下部高壓氣層合打，極易造成噴漏同存，處理難度和井控風(fēng)險(xiǎn)極大。

因此在九龍山構(gòu)造的深井、超深井都采用七開井身結(jié)構(gòu)（圖1）。設(shè)計(jì)思路為：①用?720 mm導(dǎo)管封閉上部未成巖的井段；②安裝簡易井口裝置，為氣體鉆井提供條件，將?508 mm套管下到350 m左右，封隔地表竄漏、垮塌層及可能的水層； ③將?365.1 mm套管下深2 100 m (條件允許可干井眼固井)，水泥返至地面，封隔上部可能存在的垮塌層及淺油氣層；④采用?273.05 mm技術(shù)套管封隔沙溪廟組—嘉二段頂，封隔上部油氣層、垮塌層、雷口坡組—嘉四段膏巖層段及低承壓能力井段，為下部高壓、裂縫性氣層的安全鉆井創(chuàng)造條件；⑤采用懸掛回接的方式下入?219.08 mm套管，若鉆遇高壓鹽水層導(dǎo)致鉆進(jìn)困難時(shí)，可提前下入該層套管，完全封隔高壓鹽水層，若沒有鉆遇高壓鹽水層則下至飛仙關(guān)組底； ⑥第5層?168.28 mm (懸掛)+193.68 mm(回接)套管下至茅口組頂；⑦之后采用140 mm鉆頭鉆至完鉆井深。

圖1 九龍山工區(qū)優(yōu)化前五開井身結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后七開井身結(jié)構(gòu)對比示意圖

九龍山地區(qū)實(shí)施井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果十分顯著，與優(yōu)化前相比，整個地區(qū)鉆井周期縮短了29.0%～47.2%，平均機(jī)械鉆速提高42.1%～52.9%，井下故障復(fù)雜損失時(shí)間減少了66.5%，實(shí)踐證明該井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠滿足九龍山地區(qū)深井、超深井復(fù)雜壓力系統(tǒng)安全快速鉆進(jìn)的需要［2-3］。

3.2 氣體鉆進(jìn)

?660.4 mm井眼容積大、空壓機(jī)排量有限、環(huán)空返速低，采用空氣鉆井常因地層出水，大尺寸井眼中空氣攜巖困難，無法順利實(shí)施。根據(jù)以上特點(diǎn)，采用無固相鉆井液充氣鉆井，選用寬齒牙輪鉆頭，優(yōu)化氣液比，保證出口返出連續(xù)，增加攜巖效果的同時(shí)解決淺表層井漏問題。

根據(jù)前期九龍山地區(qū)多口井的實(shí)鉆情況分析，進(jìn)入沙溪廟組450～500 m以后，地層坍塌應(yīng)力在1.2 g/cm3左右，必須替入鉆井液保持井壁穩(wěn)定。所以?444.5 mm井眼全程使用“氣體鉆+空氣錘”鉆井模式，為滿足帶砂，上部井段氣量180 m3/s，下部氣量逐步調(diào)整到200 m3/s，在進(jìn)入沙溪廟組中部應(yīng)力垮塌層之前50 m左右，終止氣體鉆，在沒有明顯油氣水顯示、井壁穩(wěn)定的情況下干井眼下套管固井。目前，在九龍山地區(qū)實(shí)施表層?339.7 mm，?365.1 mm套管干井固井4井次，最大套管下深2 230 m。固井質(zhì)量通過測井評價(jià)發(fā)現(xiàn)比常規(guī)固井方式有較大幅度提高，總體優(yōu)質(zhì)率63%，合格率79%。

目前九龍山構(gòu)造沙溪廟組井段累計(jì)實(shí)施空氣鉆井，總進(jìn)尺達(dá)10h104m，平均機(jī)械鉆速超過9.7 m/h，鉆井提速明顯。龍016-H1井二開 350～1 800 m 井段 (?444.5 mm 井眼)采用空氣鉆井技術(shù)，進(jìn)尺達(dá)1 450 m，施工周期僅為7.38 d ，平均機(jī)械鉆速為15.01 m/h ，最高日進(jìn)尺為508 m ，單只空氣錘最高進(jìn)尺為 1 205 m。氣體鉆作業(yè)中未出現(xiàn)井壁垮塌、地層出水，起下鉆和下套管都很通暢，未遇阻卡。

2.3 難鉆地層鉆頭及提速工具優(yōu)選

龍016-H1井沙溪廟組至大安寨組試用?311.2 mm個性化混鑲PDC鉆頭GS1606ST+等壁厚大扭矩螺桿，相比鄰井的常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭具有顯著的提速效果。機(jī)械鉆速比龍004-X1井提高67.9%，比龍?zhí)?井提高57.4%；鉆井周期比龍004-X1井縮短65%，比龍?zhí)?井縮短50%(表3)。

針對珍珠沖組礫石層，龍?zhí)?井試用?333.8 mm孕鑲金剛石鉆頭K507配合NewDrill提速工具，使用成本高而提速效果非常有限。龍016-H1井使用特殊設(shè)計(jì)礫石層專用的HJ637GL鉆頭配合重型減震器實(shí)施礫石層的鉆進(jìn)，HJ637GL鉆頭具有超硬材料強(qiáng)化外排、背錐設(shè)計(jì)、防鉆頭縮徑的特點(diǎn),重型減震器可以吸收鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的震動，消耗震動能量，減輕鉆頭、鉆具的疲勞，減少受損，保護(hù)鉆頭和鉆具，取得較好的現(xiàn)場效果（表4）。

針對須家河組的巖性，龍004-X1井共使用16只鉆頭，其中11只牙輪鉆頭，單只鉆頭進(jìn)尺37.74 m，平均機(jī)械鉆速0.8 m/h，龍?zhí)?井曾使用Newdrill+高效PDC技術(shù)，相比龍004-X1井平均單只鉆頭進(jìn)尺提高至77.86 m，機(jī)械鉆速1.14 m/h，大幅提高了94%，行程鉆速提高了100%（表5）。

表3 九龍山地區(qū)沙溪廟組至大安寨組各類鉆頭鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表

表5 九龍山地區(qū)須家河地層各類鉆頭鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表

從表5可知,龍016-H1井須家河組頂部井段使用“三牙輪三刀翼”國產(chǎn)江漢復(fù)合鉆頭KPM633，提速效果顯著，單只鉆頭最多進(jìn)尺437.07 m，機(jī)械鉆速2.43 m/h，機(jī)械鉆速在龍?zhí)?井的基礎(chǔ)上又提高53.38%，同時(shí)每米成本下降32%，具有很好的經(jīng)濟(jì)性［4-5］。

2.4 剛性粒子+高失水 高效承壓堵漏技術(shù)

針對九龍山深部漏層裂縫開口尺寸難以把握，漏速和漏失量大，堵墻的抗壓強(qiáng)度要求高的特點(diǎn)，發(fā)展形成了“剛性粒子+高失水材料”的復(fù)合橋接堵漏技術(shù)，該技術(shù)是將各種粒徑配比的GZD剛性粒子、HHH高失水材料與細(xì)核桃殼復(fù)配而成,其堵漏機(jī)理是由剛性粒子在裂縫孔道完成架橋，高失水材料在其間失水形成致密的封堵帶。堵漏材料與漏失通道的配比性強(qiáng),而且抗高溫、抗高壓，所形成的堵墻抗壓強(qiáng)度高，堵漏成功率高［6-11］。

該堵漏技術(shù)在龍?zhí)?井飛仙關(guān)地層成功應(yīng)用，使用總濃度65%的堵漏鉆井液40 m3（配方：清水+30%HHH+30%GZD剛性粒子+5%細(xì)核桃殼+重晶石適量）進(jìn)行承壓堵漏，下光鉆桿到套管鞋以上300 m，關(guān)井向裸眼內(nèi)反推堵漏鉆井液，將堵漏鉆井液液面推至管鞋以上50 m，堵漏鉆井液累計(jì)推入漏層28 m3，憋壓12 MPa候堵24 h，井口壓力幾乎不降。開井后，通過井口控壓循環(huán)來檢驗(yàn)，飛仙關(guān)組的承壓能力由當(dāng)量密度2.15 g/cm3提高至2.35 g/cm3，后續(xù)施工中未發(fā)生復(fù)漏。

3.5 控壓鉆井

九龍山地區(qū)飛仙關(guān)組至棲霞組是典型的壓力敏感性儲層，鉆井液安全密度窗口窄, 實(shí)鉆過程中溢流和井漏交替的發(fā)生,導(dǎo)致井控風(fēng)險(xiǎn)高，復(fù)雜時(shí)效高，泥漿漏失量大，鉆井成本高，同時(shí)頻繁的堵漏和壓井對儲層造成了嚴(yán)重傷害。精細(xì)控壓鉆井技術(shù)可以有效解決九龍山地區(qū)壓力敏感性儲層窄安全密度窗口的難題。九龍山工區(qū)控壓鉆井的技術(shù)思路是：鉆井液密度設(shè)計(jì)保證液柱壓力超過地層壓力1～2 MPa，設(shè)備正常情況下，停止循環(huán)，控制井口回壓3～4 MPa，開泵循環(huán)，鉆井液靜液柱壓力和環(huán)空壓耗超過地層壓力1～2 MPa；即使在控壓裝置出現(xiàn)故障不能控壓，完全依靠液柱壓力也能在井底保持1～2 MPa的正壓差，防止H2S溢出。以龍004-x1井為例，這口井在大隆組和吳家坪組使用精細(xì)控壓鉆井，采用 1.97～2.10 g/cm3鉆井液密度鉆進(jìn)，有效降低鉆井液密度，鉆進(jìn)中不控壓，接單根控壓3～4 MPa，鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)漏失、氣侵及明顯垮塌等復(fù)雜情況，順利鉆至預(yù)計(jì)井段（表6）。

表6 九龍山地區(qū)常規(guī)鉆井與精細(xì)控壓鉆井效果對比表

龍016-H1井飛仙關(guān)水平段鉆井過程中，不但井口安裝有控壓設(shè)備，井下鉆具中帶有PDW工具，實(shí)時(shí)測量井底壓力，然后使用先進(jìn)的水力模擬軟件根據(jù)實(shí)時(shí)反饋至地面的井底測壓數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整井口壓力，對井底壓力控制更穩(wěn)定，更加接近地層壓力，真正實(shí)現(xiàn)精確控壓鉆井［12］。

2.6 使用扭擺減阻技術(shù)消除深部井段定向托壓問題

龍016-H1井是九龍山構(gòu)造的1口對飛仙關(guān)組氣層進(jìn)行水平段鉆進(jìn)的開發(fā)井，造斜點(diǎn)位于4 950 m，最大狗腿度6.3e/30 m,使用單彎螺桿常規(guī)定向組合，在定向施工過程中使用了扭擺減阻系統(tǒng)。通過摸索，龍016-H1井現(xiàn)場分別設(shè)定正擺扭矩/反擺扭矩分別為6 000 Ngm和4 000 Ngm，通過正反旋轉(zhuǎn)鉆柱，取得了良好的減摩減阻效果。扭擺減阻系統(tǒng)啟動期間，基本沒有發(fā)生井壁摩阻突然釋放使鉆壓增大的現(xiàn)象，滑動定向平均鉆時(shí)由45～50 min降低到35～40 min，工具面穩(wěn)定且易于調(diào)整，定向效率得到極大提高（圖 2）［13］。

2.7 優(yōu)選有機(jī)鹽聚磺鉆井液體系

圖2 龍016-H1井常規(guī)滑動鉆進(jìn)與扭擺鉆進(jìn)效果對比圖

在九龍山高風(fēng)險(xiǎn)超深井的鉆井施工中，逐步發(fā)展出了有機(jī)鹽聚磺鉆井液體系，其具有高溫穩(wěn)定性強(qiáng)、抗酸性氣體和石膏污染能力更強(qiáng)，超長裸眼段潤滑性更好等優(yōu)勢。針對九龍山工區(qū)的性能要求可以總結(jié)為上部陸相地層強(qiáng)調(diào)“合理密度支撐+強(qiáng)抑制+強(qiáng)包被”，預(yù)防頁巖水化膨脹和垮塌。雷口坡至嘉陵江組可能鉆遇大段膏鹽層，同時(shí)可能出現(xiàn)井漏，進(jìn)入該層前應(yīng)做好鉆井液抗膏鹽污染及防漏堵漏準(zhǔn)備工作；嘉二段可能鉆遇高壓鹽水層，進(jìn)入該層前應(yīng)做好鉆井液抗鹽水污染工作；飛仙關(guān)—梁山組由于井深、鉆井液密度高，應(yīng)優(yōu)化鉆井液性能，降低循環(huán)壓耗，做好防漏堵漏和防硫化氫等準(zhǔn)備工作，且此段安全密度窗口窄，重點(diǎn)強(qiáng)化封堵性能，盡可能提高地層承壓能力，擴(kuò)大安全密度窗口。此外，由于小井眼、高密度、井底溫度高（超過150°），鉆井液應(yīng)具有良好的抗高溫穩(wěn)定性、潤滑性。同時(shí)要保證即使在大壓差下也要有足夠小的濾失量，減少壓差卡鉆的可能性［14-18］。

九龍山工區(qū)開發(fā)前期使用常規(guī)聚磺防塌鉆井液體系，每口井平均劃眼時(shí)間為270 h，使用有機(jī)鹽體系后劃眼時(shí)間縮短為96 h。使用有機(jī)鹽體系后井眼擴(kuò)大率也從使用前的17%下降到8.9%。

2.8 噴漏同存裂縫性高含硫氣藏配套井控技術(shù)

由于九龍山深部海相地層鉆井液安全密度窗口極窄，采用常規(guī)井控技術(shù)處理溢流氣侵時(shí)存在一壓即漏、由漏轉(zhuǎn)噴的問題，例如在處理龍?zhí)?井棲霞組“上漏下噴”復(fù)雜情況中，關(guān)井后井口壓力最高達(dá)16.5 MPa，井控風(fēng)險(xiǎn)極大。為解決該問題，基于安全控制井筒壓力并重建安全壓力窗口的指導(dǎo)思想，提出了針對性的堵漏壓井方法。此種堵漏壓井方法的主要原理是：通過壓井管匯先從環(huán)空推入壓井液將侵入環(huán)空的氣體原路壓回地層，然后吊灌壓穩(wěn)起鉆換光鉆桿，并經(jīng)由鉆柱向漏失地層泵入“剛性粒子+高失水”堵漏泥漿封堵裂縫來提高地層承壓能力，從而重新建立安全壓力窗口。同時(shí)用常規(guī)井控技術(shù)恢復(fù)井筒壓力平衡。

龍016-H1井在飛仙關(guān)水平段鉆進(jìn)中先出現(xiàn)井漏，然后發(fā)生重力置換型溢流，井口套壓16 MPa。先用反推鉆井液60 m3將井口壓力降為0，以2倍鉆具體積吊灌起鉆，換光鉆桿下鉆，再用“剛性粒子+高失水”堵漏鉆井液和壓井液同時(shí)完成堵漏和壓井。只用15.5 h就解除了井控險(xiǎn)情［19-25］。

3 配套技術(shù)方案的現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)各配套技術(shù)的特點(diǎn)和地層的適應(yīng)性，并結(jié)合其他區(qū)塊的鉆井經(jīng)驗(yàn)，形成了九龍山地區(qū)超深井配套技術(shù)技術(shù)集成方案：包括井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鉆井方式、鉆頭、提速工具優(yōu)選，高效承壓堵漏技術(shù)、井身軌跡控制、鉆井液體系優(yōu)選，配套井控技術(shù)等。

自2013年在九龍山地區(qū)推廣該配套技術(shù)方案，并在應(yīng)用中逐步改進(jìn)，機(jī)械鉆速逐年提高，鉆井周期逐年縮短，事故復(fù)雜率逐年下降（表7）。

表7 九龍山地區(qū)應(yīng)用配套技術(shù)前后技術(shù)指標(biāo)對比一覽表

龍004-3井完鉆井深6 468 m，采用了七開井身結(jié)構(gòu)。在全井筒鉆進(jìn)過程中應(yīng)用了鉆井提速技術(shù)集成方案：在珍珠沖礫石層井段采用專用牙輪鉆頭＋重型減震器鉆井技術(shù)，須家河井段采用復(fù)合鉆頭＋中速螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，在茅口、棲霞組的裂縫性漏層的堵漏過程中，使用“剛性粒子+高失水”堵漏配方，一次堵漏成功率達(dá)到了66.8%，整體提速效果顯著，為全井鉆井周期的縮短奠定了基礎(chǔ)。該井鉆井周期僅288 d，平均機(jī)械鉆速3.51 m/h，與之前的地區(qū)平均水平相比，鉆井周期縮短了44.1%，機(jī)械鉆速提高了33.9%。該井創(chuàng)造了九龍山構(gòu)造的超深井最短鉆井周期紀(jì)錄

4 結(jié)論

1）九龍山海相超深井七開制井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是安全快速鉆井的根本。

2）“礫石層專用牙輪鉆頭＋重型減震器”、“復(fù)合鉆頭＋中低速螺桿”鉆具組合在九龍山地區(qū)陸相高研磨地層中見到了明顯的提速效果。

3）“剛性粒子+高失水”堵漏配方主要通過多種材料相互協(xié)同增效實(shí)現(xiàn)封堵，對裂縫適應(yīng)能力強(qiáng)、承壓能力高，適用于九龍山深部海相地層的惡性井漏。