川中高石梯區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)及其應(yīng)用

牟長林 張 杰 羅 超 曾令佳 卓 云 李曉端 胡 誠

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司，重慶 401120；2.中國石油西南油氣田公司工程項(xiàng)目造價(jià)中心，四川 成都 610051；3.中國石油集團(tuán)西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川 瀘州 646000）

0 引言

四川盆地中部高石梯區(qū)塊震旦系巖層埋藏深度達(dá)到了5 500 m，工程地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，鉆井周期長、提速慢、成本高等因素極大地抑制了鉆探開發(fā)進(jìn)程。20 世紀(jì)完鉆的安平X 井與高科X 井完鉆周期分別為894 d和402 d，不僅機(jī)械鉆速低，還出現(xiàn)了較多鉆井復(fù)雜。2010 年該區(qū)塊鉆井周期最短的高石X井，在全井未發(fā)生重大事故的情況下，鉆井周期仍高達(dá)300 d［1-6］。

伴隨著高石X 井在震旦系燈影組獲得較佳的天然氣勘測結(jié)果，2011 年以寒武系龍王廟組為目的層勘探開發(fā)的磨溪X井等接連4口井獲得天然氣產(chǎn)量超過100×104m3／d，展現(xiàn)了該地區(qū)豐富的自然資源與龐大的勘測發(fā)掘潛力。因此高石梯—磨溪區(qū)塊成為近幾年來天然氣勘測的重要區(qū)塊之一，迫切需要鉆井以提速加速區(qū)塊天然氣開發(fā)步伐。

1 探區(qū)鉆井工程地質(zhì)特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

高石梯區(qū)塊震旦系探井鉆遇地層從上到下分別為侏羅系、三疊系、二疊系、志留系、奧陶系、寒武系和震旦系，鉆遇的地層巖性多種多樣，存在較多不明確的地質(zhì)問題，特別是地層壓力與流體性質(zhì)無法準(zhǔn)確預(yù)測［7-12］。難以預(yù)料的工程地質(zhì)情況致使設(shè)計(jì)和實(shí)鉆符合性較差，出現(xiàn)較多鉆井事故，不但影響鉆井工程安全與地質(zhì)勘探開發(fā)，同時(shí)也制約了鉆井的提速，致使鉆井成本持續(xù)上升［13］。通過分析發(fā)現(xiàn)，影響鉆井速度提升的技術(shù)問題大致在以下幾方面：①上部侏羅系井壁穩(wěn)固性差，地層欠壓實(shí)且含油、氣、水，氣體鉆井難以實(shí)施。上部侏羅系砂泥巖頻繁交替、巖石強(qiáng)度與可鉆性差別大、鉆頭選型較為棘手、大尺寸井眼實(shí)施氣體鉆井提速效果差。②在縱向上存在多壓力體系，有著局部高壓。在?311.2 mm 井段，沙溪廟組地層壓力系數(shù)為1.00，而須家河組地層壓力系數(shù)為1.35，局部區(qū)域高達(dá)1.50；?215.9 mm 井段，嘉陵江組二段、嘉陵江組一段地層壓力系數(shù)則高達(dá)2.00，長興組—棲霞組地層壓力系數(shù)為1.90，飛仙關(guān)組地層壓力系數(shù)僅為1.65，同一裸眼井段內(nèi)并存2個(gè)及以上高、低壓層［14］（圖1）。單一的技術(shù)套管不能夠把眾多復(fù)雜層段全部分開，存在井下噴、漏、塌、卡等復(fù)雜情況相互轉(zhuǎn)換伴生，鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大。③鉆頭適應(yīng)性差。鉆遇地層夾層多，巖石強(qiáng)度高，鉆頭不能滿足地層的抗研磨和沖擊性要求，單只鉆頭機(jī)械鉆速低，很大限度制約了鉆井提速。④高密度鉆井液性能難以滿足鉆進(jìn)要求。中深部海相地層，有著高溫、高壓、高含硫的特點(diǎn)。三疊系以下長興組—棲霞組地層局部有著異常高壓，且都是區(qū)域性含油氣水層。地層壓力系數(shù)普遍高于1.5，局部高達(dá)2.10。對(duì)井下器具、水泥漿、鉆井液性能及流變參數(shù)的抗高溫性能限制較多［15］。 ⑤燈影組地層噴漏同存。燈影組產(chǎn)層為裂縫—孔隙型儲(chǔ)層，鉆井液密度窗口較窄，鉆井液密度略高則井漏，略低則出現(xiàn)溢流，出現(xiàn)井漏時(shí)須采取堵漏方可恢復(fù)地層承壓能力，潛存著由于井漏后液柱壓力降低而導(dǎo)致溢流的風(fēng)險(xiǎn)，且該區(qū)域含有H2S，對(duì)井控要求高。

圖1 典型地層壓力分布圖

2 高石梯區(qū)塊鉆井提速技術(shù)

2.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

2011 年經(jīng)過對(duì)高石梯—磨溪區(qū)塊上部地層的3個(gè)壓力剖面及含油氣測井解釋剖析發(fā)現(xiàn)，要實(shí)行氣體鉆井提速，一定要將侏羅系的水層隔斷［16］。前期大部分444.5 mm井眼已鉆井的井深超過1 000 m，鉆進(jìn)速度慢、周期長。2010 年高石X 井444.5 mm 井眼采用空氣鉆進(jìn)進(jìn)行提速，?339.7 mm 套管下至井深800 m，在?311.2 mm 井眼繼續(xù)采用空氣鉆進(jìn)至井深為1 026 m時(shí)地層出水。因此停止氣體鉆進(jìn)，未達(dá)到氣體鉆進(jìn)提速的預(yù)期效果，全井周期達(dá)300 d。

為了封隔侏羅系的出水地層，減小對(duì)氣體鉆進(jìn)的影響，2011 年在磨溪X 井、高石X 井合理改變?339.7 mm 套管下深至1 099 m，且施行了試驗(yàn)。然而高石X 井在?311.2 mm 井眼鉆進(jìn)至井深為1 458.51 m時(shí)地層出油，導(dǎo)致氣體鉆進(jìn)有效井段受限，再次影響提速效果。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，機(jī)械鉆速提升獲得了較為突出的成效，然而由于地層出水、出油致使符合氣體鉆進(jìn)的井段有限，所以整體提速形勢并不理想，全井周期也達(dá)220 d［17］。

在后續(xù)的探井中，為了進(jìn)一步提升大井眼段的機(jī)械鉆速，根據(jù)實(shí)驗(yàn)地層破裂壓力系數(shù)與鉆井液密度的設(shè)計(jì)，將井身結(jié)構(gòu)中的上部表層套管下入深度由1 000 m 縮短至500 m 左右，不僅封隔了上部沙溪廟組一段的垮塌層，同時(shí)縮減了大尺寸井眼鉆井進(jìn)尺，減少了事故復(fù)雜時(shí)效。例如，高石X 井在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，把?339.7 mm套管下深從1 100 m縮減至500 m。此井身結(jié)構(gòu)已成為高石梯區(qū)塊震旦系鉆井施工的標(biāo)準(zhǔn)井身結(jié)構(gòu)（表1、圖2），不但有效提升了機(jī)械鉆速，同時(shí)大幅縮短了?311.2 mm井段的鉆井周期。

表1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化情況一覽表 單位：m

圖2 高石梯區(qū)塊優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)圖

2.2 合理選擇使用鉆頭

對(duì)高石梯區(qū)塊整體的鉆井工程地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行剖析，運(yùn)用測井參數(shù)分析，得到了巖石的硬度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，分析得出高石梯區(qū)塊須家河組上部地層軟硬交錯(cuò)，下部地層相對(duì)較均質(zhì)，但巖性致密、研磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，所以一直存在單只鉆頭進(jìn)尺少、平均機(jī)械鉆速低的提速難題［18］。

高石梯區(qū)塊震旦系前期在須家河組均采用PDC或牙輪鉆頭鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速僅2.64 m／h（表2）。后續(xù)漸漸改進(jìn)了高石梯震旦系須家河組及其他層位的鉆頭選型，機(jī)械鉆速與單只鉆頭進(jìn)尺得到了一定程度的提升。須家河組采用復(fù)合鉆頭鉆進(jìn)后效果顯著，平均機(jī)械鉆速達(dá)到5.37 m／h［19］（表3、表4）。

表2 牙輪／PDC鉆頭使用情況表

表3 復(fù)合鉆頭使用情況表

表4 分層位鉆頭選型綜合推薦表

2.3 強(qiáng)化、優(yōu)化鉆井施工參數(shù)與工藝

提升鉆進(jìn)排量和劃眼時(shí)效對(duì)解決高石梯區(qū)塊上部井段易發(fā)生阻卡問題有著顯著的效果。保證?311.2 mm 井段鉆井排量為55～60 L／s，同時(shí)堅(jiān)持每鉆進(jìn)200～300 m 短程起下鉆拉劃井壁；?215.9 mm井段采用低黏切鉆井液鉆進(jìn)，采用固控設(shè)備降低鉆井液中的有害固相含量，嚴(yán)格按照固控設(shè)備要求使用振動(dòng)篩，保證一體機(jī)100%運(yùn)行，離心機(jī)使用時(shí)間不低于純鉆時(shí)間的60%。選擇大功率、高扭矩、工作時(shí)間更長的螺桿，會(huì)提升機(jī)械鉆速、減少起下鉆次數(shù)，從而提高?215.9 mm井段的鉆井速度。

針對(duì)?311.2 mm 井段雷口坡組—嘉陵江組大段石膏層，使用排量為50～55 L／s 的鉀聚磺鉆井液體系鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)30 m 利用頂驅(qū)進(jìn)行倒劃眼和正劃眼，鉆遇石膏段則縮短到3～5 m 拉劃一次井壁［20］。如高石001-XX井在該段鉆進(jìn)的純鉆時(shí)間為300.26 h，劃眼時(shí)間為36.51 h，劃眼時(shí)間占鉆進(jìn)時(shí)間的比例高達(dá)13.5%，利用頂驅(qū)倒劃眼與正劃眼反復(fù)修整井壁保證井眼光滑，使得后期通井、電測、下套管都十分順利，無阻卡。?311.2 mm井眼電測耗時(shí)為12.5 h，三扶通井時(shí)間僅為15.5 h，下套管12 h 到位，說明?311.2 mm 井眼在經(jīng)過反復(fù)劃眼操作后，通井和下套管過程順利，石膏段的縮徑問題得到有效控制，如表5所示，列出了各層對(duì)應(yīng)鉆井提速參數(shù)。

表5 鉆井提速參數(shù)表

3 提速技術(shù)應(yīng)用情況

通過三輪實(shí)驗(yàn)井的技術(shù)探索，對(duì)?339.7 mm套管下深的調(diào)整、鉆頭選擇及鉆井參數(shù)的不斷優(yōu)化，頂驅(qū)＋螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用，鉆井周期由220 d下降到目前的150 d，獲得了較為理想的鉆井提速效果，高石001-XX 井創(chuàng)造了井深達(dá)6 165 m 且137.05 d 完鉆的記錄，如表6 所示，列出了實(shí)施的井次及完鉆周期情況。

表6 高石梯區(qū)塊震旦系鉆井提速情況表

4 結(jié)論

1）通過近年來的持續(xù)探索，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)選和應(yīng)用個(gè)性化PDC鉆頭、復(fù)合鉆頭，采用復(fù)合鉆井技術(shù)并優(yōu)化鉆井施工參數(shù)等措施，總結(jié)出一套適用于高石梯區(qū)塊鉆井地質(zhì)環(huán)境的震旦系鉆井提速技術(shù)。

2）通過對(duì)?339.7 mm 套管下深的調(diào)整、鉆頭及鉆井參數(shù)的不斷優(yōu)化，平均鉆井周期同比下降了75 d，對(duì)加快國內(nèi)最大整裝氣田——高石梯氣田的鉆探開發(fā)起到了促進(jìn)作用。