鄂爾多斯盆地寧陜區(qū)塊深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

石崇東

（中國石油川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

為確保長慶油田油氣當量穩(wěn)產(chǎn)5 000×104t，長慶油田的勘探開發(fā)范圍逐步向邊緣地區(qū)、深地層發(fā)展。近兩年施工的7口井深達5 000.0 m以上，荔參1井達6 535.0 m，有4口井鉆至元古界長城系。寒武系鮞?；?guī)r以及長城系的淺紫紅色變質(zhì)含礫石英砂巖可鉆性差[1]，平均機械鉆速低且單只鉆頭進尺少，存在地質(zhì)斷層、井漏、憋跳鉆嚴重等復雜情況，平均鉆井周期長達146 d。針對鄂爾多斯盆地寧陜區(qū)塊深井提速技術(shù)難點進行系統(tǒng)分析和總結(jié)，并研究相應的技術(shù)對策，對鄂爾多斯盆地深井鉆井提速，縮短鉆井周期，加快勘探開發(fā)步伐具有一定的實際意義。

1 深井鉆井技術(shù)難點

1.1 地層可鉆性差

寒武系、長城系地層沉積年代遠，地層硬度高、不均質(zhì)。地層研磨性高，砂巖泥巖極致密。根據(jù)聲波測井法可確定巖石可鉆性，結(jié)合古探1井、桃59井測井資料，利用聲波時差與巖石可鉆性分析，確定寒武系、長城系地層巖石的可鉆性極值為6～7（表1），可鉆性差[2]。

表1 各井段可鉆性極值

1.2 上部地層井壁穩(wěn)定性差

1.3 井底溫度高

鄂爾多斯盆地地溫梯度為 2.56～3.10 ℃/100 m，深井井底溫度最高達 217.00 ℃，對鉆井液材料、隨鉆測斜儀器和井底動力鉆具的耐溫能力要求高。抗高溫鉆井液材料選擇范圍窄。大尺寸井眼動力鉆具的應用受到限制，復合鉆進技術(shù)難以實施，井壁穩(wěn)定難度大。

1.4 部分區(qū)塊地層傾角大

鄂爾多斯盆地部分區(qū)塊地層傾角為20°～40°，鉆井過程中井斜不易控制，斷層多，地層均質(zhì)性差，防斜打直效率低。

2 深井鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄂爾多斯盆地地表主要為黃土層或流沙層。為防止膠結(jié)程度低的黃土層漏或流沙層塌，根據(jù)地層故障提示，將井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計為導管+三開井身結(jié)構(gòu)，封固上部井壁穩(wěn)定性差的易漏或易塌層位，同時出現(xiàn)意外復雜情況預留一層套管。具體井身結(jié)構(gòu)為：φ444.5 mm×900 m/φ339.7 mm×900 m+φ311.1 mm×4 005 m/φ244.5 mm×4 005 m+215.9 mm×6 535 m/φ177.8 mm×(3 796～6 535) m。

采用φ660 mm鉆頭鉆至井深60 m，φ508 mm導管下至井深60 m，封第四系上部欠壓實黏土層，實鉆過程采用低比重膨潤土鉆井液，小排量（40 L/s）、低轉(zhuǎn)速（40 轉(zhuǎn)/min）鉆進，導管封固，確保表層鉆井過程中井架基礎穩(wěn)定。

2.2 孕鑲金剛石配合渦輪鉆井技術(shù)

針對長城系地層研磨性極強、可鉆性差、機械鉆速低等難題，首次嘗試與中高速螺桿動力鉆具配合使用，擴展了“孕鑲金剛石鉆頭 + 渦輪/螺桿鉆具”復合鉆井技術(shù)的應用領(lǐng)域。

2.2.1 渦輪原理

渦輪鉆具由動力部分、軸承部分組成（圖1）。渦輪葉片由定子與轉(zhuǎn)子組合，渦輪葉片定子固定在工具殼體上，相對于外殼不轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子固定于芯軸上面，推動芯軸自由轉(zhuǎn)動把鉆井液的液力能轉(zhuǎn)化為機械能，然后通過傳動軸傳遞給鉆頭[3]。 渦輪鉆具減少鉆頭與井壁的磨損，能夠有效縮短鉆頭保徑長度，同時減少鉆頭粘卡。

NI LabVIEW在高職“電類”實踐課程中課程改革的探討………………………………彭小平，凌雙明(79)

圖1 渦輪軸承組

2.2.2 孕鑲金剛石鉆頭

孕鑲鉆頭切削結(jié)構(gòu)是由天然金剛石砂、人造金剛石顆粒、碳化鎢粉末以及粘合劑（鈷、鎳等稀有金屬）澆注而成[4]。具有極高的抗研磨性和耐久度。特別適合于具有挑戰(zhàn)性的火成巖、花崗巖、致密膠結(jié)砂巖、含礫石地層以及軟硬交錯沖擊性強的地層。古探1井應用哈里伯頓渦輪工具配合孕鑲金剛石鉆頭（圖2），單只鉆頭平均進尺為該區(qū)塊其他型號鉆頭平均鉆進的6倍左右，單只鉆頭平均機械鉆速是該區(qū)塊其他型號平均機械鉆速的2倍左右（表2）。孕鑲鉆頭與牙輪鉆頭相比，單只鉆頭進尺高，可減少起下鉆次數(shù)，能有效提高行程機速，同時提高了施工效率。

表2 古探1井長城系鉆頭使用情況

圖2 孕鑲金剛石鉆頭

2.3 “獅虎獸”牙輪金剛石復合鉆頭+耐高溫螺桿

“獅虎獸”牙輪金剛石復合鉆頭融合了聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭和牙輪鉆頭技術(shù)特點，在鉆遇復雜地層時，該鉆頭具備PDC切削齒的連續(xù)剪切特性，同時具有牙輪鉆頭壓碎效應和穩(wěn)定性的特點[5]。通過牙輪齒預破碎，降低巖石強度，從而提高復合片切削效率，減輕復合片損壞程度（圖3）。

圖3 獅虎獸鉆頭

耐高溫螺桿提供中高轉(zhuǎn)速動力，抗高溫能力達180.00 ℃，轉(zhuǎn)速最高達230轉(zhuǎn)/min。李34井在寒武系、長城系地層采用“獅虎獸”牙輪金剛石鉆頭配合耐高溫螺桿入井4次，平均機械鉆速0.98 m/h?！蔼{虎獸”牙輪金剛石鉆頭存在使用時間限制，有掉牙輪的風險，使用過程中應嚴格控制入井使用時間（表3）。

表3 李34井在寒武系、長城系鉆頭使用情況

2.4 氮氣鉆井

氮氣鉆井是氣體鉆井的一種方式，屬于欠平衡鉆井范疇。將高壓氮氣作為鉆井介質(zhì)，注入鉆具內(nèi)，氮氣在流經(jīng)鉆頭時冷卻鉆頭，攜帶鉆屑，再通過井口及排砂管線排出[6]。

2.4.1 工藝流程

氮氣鉆井是以空氣為介質(zhì)，用空壓機對空氣進行初級加壓，然后輸?shù)街频獧C，制氮機生產(chǎn)出氮氣，再將氮氣輸?shù)皆鰤簷C，增壓機對氮氣增壓。通過管線將高壓氮氣經(jīng)立管三通注入鉆具，氮氣通過鉆頭時對鉆頭進行冷卻，同時完成攜帶巖屑的任務，再通過井口，氮氣和巖屑進入排砂管線，排砂管線上安裝取樣器便于取砂樣，最后到巖屑池。

2.4.2 鉆井優(yōu)點

氮氣鉆井時不用鉆井液，可減少整個沿程壓力損耗，減少廢棄鉆井液的排放。氮氣鉆井鉆速快，有利于井眼穩(wěn)定，可避免井漏；有利于環(huán)境保護。

統(tǒng)105井和桃91井為兩口預探井。鉆探的主要目的在于查明馬家溝組馬五41風化殼儲層、馬五5-馬五10白云巖儲層發(fā)育及含氣情況，落實盒8、山西組砂體展布范圍及含氣性，兼探寒武系及長城系深層（表4、表5）。兩口井三開采用氮氣鉆井，氮氣鉆進至長城系完鉆。三開氮氣鉆井都是一趟鉆，杜絕帶壓起下鉆的風險，采用φ152.4 mm牙輪鉆頭鉆進至長城系。鉆具組合：φ152.4 mm牙輪+雙母接頭+回壓閥+φ120.0 mm DC 1根+回壓閥+φ120.0 mm DC 1根+旁通閥+φ120.0 mm DC 7根+φ88.9 mm HWDP4柱 +φ88.9 mm DP+旋塞閥+回壓閥+φ88.9 mm DP。參數(shù)：鉆壓為40～120 kN，排量75 m3/min（氮氣），轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/min，立管壓力為3.5 MPa。

表4 統(tǒng)105氮氣鉆井機速

表5 桃91氮氣鉆井機速

2.5 PowerV 垂直旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的應用

旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)是指讓鉆柱在旋轉(zhuǎn)鉆進過程中實現(xiàn)過去只有傳統(tǒng)泥漿馬達才能實現(xiàn)的準確增斜、穩(wěn)斜、降斜或者糾方位的功能。PowerV 是斯倫貝謝公司旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)PowerDrive的一種型號[7-9]。

PowerV主要有兩個組成部分，分別是上端的Control Unit（電子控制部分）和下端的Bias Unit（機械部分）。在兩者中間還有一個輔助部分Extension Sub（加長短接），鉆具旋轉(zhuǎn)時進行糾斜，不需滑動鉆進，在鉆進時自動感應井斜、自動化糾斜、無線控制、主動防斜。

梁探1井位于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶，部分地層存在斷層（紙坊組-石千峰組），地層傾角為20°～40°，在鉆井過程中易井斜，井眼軌跡控制難度較大。鉆具組合：φ311.2 mm PDC+Power-V900×4.2 m+濾網(wǎng)接頭+φ228.0 mm螺桿+回壓凡爾+MWD接頭+φ203.0 mm無磁鉆鋌+φ203.0 mm鉆鋌×3根+轉(zhuǎn)換接頭+φ177.8 mm鉆鋌×9根+轉(zhuǎn)換接頭+φ168.0 mm加重鉆桿×15根+φ168.0 mm鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+φ139.7mm鉆桿鉆井參數(shù)：鉆壓8～12 t，轉(zhuǎn)速60+LZ，排量51 L/s，泵壓16 MPa。

鉆井效果：從井深1 512.8 m開始使用Power-V900，使用工具前井斜為1.19°，鉆至2 675.0 m時，井斜達0.2°，防斜打直效果明顯。

3 高溫鉆井液體系

長慶地區(qū)部分區(qū)塊地溫相對較高，采用“KCl+聚磺”抗高溫鉆井液體系[10]。高溫條件下，鉆井液中有機添加劑會逐漸降解、失效，同時還會引起黏土鈍化，造成鉆井液性能惡化。通過室內(nèi)實驗，優(yōu)選抗高溫處理劑，吸附于黏土粒子表面，以提高其芎電位和增大水化膜厚度，保證鉆井液中膠體粒子的比率。提高聚合物濾液黏度可增強微粒的堵孔能力，從而提高濾餅質(zhì)量，降低濾餅滲濾系數(shù)，以達到降低鉆井液高溫高壓濾失量的目的。

3.1 室內(nèi)抗高溫降濾失劑優(yōu)選

鉆進過程中鉆井液出口溫度較高，高溫下鉆井液中處理劑分子鏈易發(fā)生斷裂，處理劑的效果降低。黏土粒子經(jīng)高溫后分散程度加劇，鉆井液會出現(xiàn)降黏、增稠、固化等性能變化，造成井下復雜情況[9]。通過室內(nèi)優(yōu)選出抗高溫能力強的鉆井液處理劑，提高鉆井液體系的抗溫能力。由表6可知，ZR-13的降失水效果明顯優(yōu)于SMP-2和HA-1，所以優(yōu)選降失水劑ZR-13 。

表6 降失水劑優(yōu)選

3.2 室內(nèi)抗高溫配方優(yōu)選

井筒鉆井液熱滾后體系黏度及動切顯著下降，而API失水明顯增大。膨潤土及三磺加入后，體系黏度顯著上升，而API失水顯著降低，體系性能有了較為明顯地改善。由表7可知，“KCl+聚磺”抗高溫鉆井液體系，KCl既可以使高溫高壓失水降低，又可以防止泥巖地層垮塌，同時級配不同粒徑的封堵材料，降低滲透率，該體系抗溫達200 ℃左右。

表7 抗高溫配方優(yōu)選

4 結(jié)論及建議

（1）長城系含礫石英砂巖、碳質(zhì)板巖、結(jié)晶灰?guī)r及云母片巖等研磨性極強，可根據(jù)實際情況采用孕鑲金剛石配合渦輪組合或氮氣鉆井方式，提高深井施工效率。

（2）室內(nèi)實驗與現(xiàn)場應用相結(jié)合，優(yōu)選抗高溫處理劑，解決了鉆井液遇高溫后降黏、增稠、固化等性能變化，形成了一套適合長慶區(qū)域深井高溫鉆井液體系。

（3）針對地層傾角較大的現(xiàn)象，采用power-V防斜打直工具可有效解決井斜超標問題。