塔里木油田超深井鉆井設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)
——以亞洲最深井輪探1井為例

楊 沛 劉洪濤 李 寧 周 波 陳 龍 文 亮

（ 1 長(zhǎng)江大學(xué)；2中國(guó)石油塔里木油田公司 ）

1 超深井鉆井難題

塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)海相油氣系統(tǒng)油氣資源豐富，勘探前景廣闊[1-2]，但由于大部分儲(chǔ)層埋藏深度大于8000m，地層溫度高、壓力高，給鉆井工程帶來(lái)一系列難題，嚴(yán)重影響了勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。以輪探1井為例，概述塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)寒武系儲(chǔ)層的超深井鉆井難題。

（1）壓力窗口窄，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，安全鉆井風(fēng)險(xiǎn)高。

全井自上而下穿越第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、石炭系、奧陶系、寒武系和震旦系，缺失二疊系、泥盆系、志留系，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下壓力特殊位置:①鄰井在石炭系卡拉沙依組普遍見(jiàn)油氣顯示，存在溢流風(fēng)險(xiǎn)；②石炭系和蓬萊壩組頂?shù)装l(fā)育不整合面，地層承壓能力低，存在漏失風(fēng)險(xiǎn)；③奧陶系存在縫洞、發(fā)育油氣，易漏，同時(shí)區(qū)域內(nèi)開(kāi)發(fā)區(qū)井位多，易出現(xiàn)壓力虧空；④寒武系缺少實(shí)鉆數(shù)據(jù)，沙依里克組膏巖發(fā)育，易蠕變；⑤肖爾布拉克組存在縫洞、發(fā)育油氣，易漏；⑥寒武系存在火成巖侵入體，地層坍塌壓力高。

（2）深部地層硬度大、研磨性強(qiáng)，鉆井提速難度大。

蓬萊壩組硅質(zhì)層和硅質(zhì)結(jié)核發(fā)育普遍，輪深2井和塔深1井蓬萊壩組—下丘里塔格組發(fā)育硅質(zhì)層，厚約430m，硅質(zhì)層石英含量高（含量90%以上），導(dǎo)致地層可鉆性差，機(jī)械鉆速低，單只鉆頭進(jìn)尺少。奧陶系鷹山組下部至寒武系以白云巖為主，區(qū)域奧陶系及以下地層白云巖、石灰?guī)r平均日進(jìn)尺為13m，平均單只鉆頭進(jìn)尺為109.3m，平均機(jī)械鉆速為1.58m/h。

（3）超深井套管載荷大，套管服役工況復(fù)雜。

輪探1井寒武系井段進(jìn)尺長(zhǎng)（超2000m），地層可鉆性差，鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)（預(yù)測(cè)鉆井周期為60天），三開(kāi)套管磨損風(fēng)險(xiǎn)高；超深井鉆井過(guò)程中井下工況惡劣，鉆具受力復(fù)雜易斷裂，鄰井輪深2井（完鉆井深為6920m）發(fā)生鉆具刺漏和斷鉆鋌各1次，塔深1井（完鉆井深為8408m）發(fā)生斷鉆鋌和斷鉆桿事故各1次。

2 超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 地層三壓力剖面預(yù)測(cè)

地層孔隙壓力預(yù)測(cè)主要包括鉆前預(yù)測(cè)、隨鉆監(jiān)測(cè)和鉆后評(píng)價(jià)[3]。鉆前預(yù)測(cè)主要是利用地震層速度資料，根據(jù)層速度與孔隙壓力的關(guān)系計(jì)算地層孔隙壓力，是目前最常用的地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法，其預(yù)測(cè)精度主要取決于地震資料的質(zhì)量、對(duì)地質(zhì)分層和巖性的了解程度以及計(jì)算模型的合理性。隨鉆監(jiān)測(cè)主要通過(guò)錄井?dāng)?shù)據(jù)及井下隨鉆壓力監(jiān)測(cè)計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鉆后評(píng)價(jià)主要依據(jù)電測(cè)資料進(jìn)行地層孔隙壓力模型的校核和驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

不同類(lèi)型的地層有不同的坍塌壓力模型[4]。輪探1井在三疊系及石炭系泥巖重點(diǎn)考慮水基鉆井液條件下的坍塌壓力及坍塌周期的計(jì)算問(wèn)題，采用力學(xué)和化學(xué)耦合的方法，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定鉆井液和地層相關(guān)參數(shù)；蓬萊壩組及火成巖地層重點(diǎn)考慮裂縫及節(jié)理發(fā)育條件下的地層坍塌壓力計(jì)算問(wèn)題，主要采用弱面模型，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定地層的摩擦系數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)；膏云巖及膏巖地層由于石膏的存在，重點(diǎn)考慮水基作用條件下的坍塌壓力計(jì)算問(wèn)題。

地層的漏失壓力是地層發(fā)生漏失時(shí)的壓力[5-6]，與區(qū)域構(gòu)造特征、斷裂帶發(fā)育情況、地層巖性、地層孔隙壓力、地層孔隙度及裂縫發(fā)育情況關(guān)系較大。在高孔隙度或微裂縫發(fā)育地層，地層的漏失壓力與孔隙壓力接近，接近的程度取決于地層滲透率的大小，滲透率越高，漏失壓力越接近孔隙壓力；漏失壓力隨孔隙壓力的升高而增大，隨孔隙壓力的降低而降低。在天然裂縫發(fā)育地層，漏失壓力接近地層的重新張開(kāi)壓力，漏失壓力取決于裂縫垂向的正應(yīng)力大小。在巖石完整性較好的地層，地層的漏失壓力等于地層的破裂壓力，取決于地層3個(gè)主應(yīng)力的大小及巖石的抗張強(qiáng)度。

根據(jù)三壓力剖面計(jì)算方法，結(jié)合塔里木盆地地質(zhì)特點(diǎn)，以地震資料及地層構(gòu)造解釋基本模型為起點(diǎn)，通過(guò)關(guān)鍵井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理，綜合利用地質(zhì)、地震、測(cè)井、鉆井、錄井及相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立區(qū)域地質(zhì)力學(xué)模型，同時(shí)結(jié)合已鉆井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，具體研究思路見(jiàn)圖1。

圖1 鉆前三壓力預(yù)測(cè)及地質(zhì)力學(xué)三維數(shù)據(jù)體建立路線圖Fig.1 Roadmap of prediction of three pressure parameters and build-up of 3D geomechanical data volume pre-drilling

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，行業(yè)內(nèi)主要有兩種井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即自下而上的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和自上而下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[7-9]。對(duì)于超深井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆探的核心目標(biāo)是滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，提高超深井鉆井的成功率。必須具備足夠的套管層次儲(chǔ)備，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)留有余地，以便遇到復(fù)雜層位時(shí)及時(shí)封隔，繼續(xù)鉆進(jìn)，因此要求每一層套管都要最大限度地發(fā)揮作用，要求上部裸眼盡量長(zhǎng)、上部大尺寸套管下入深度盡量深，以便在下部地層鉆進(jìn)時(shí)有一定的套管層次儲(chǔ)備，在鉆到目的層時(shí)有足夠大的完鉆井眼，不至于小井眼完井。

自下而上的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以使每層套管下入深度最淺，套管費(fèi)用最少，由于每層套管下入深度的合理性取決于對(duì)下部地層特性了解的準(zhǔn)確程度，因此該方法主要應(yīng)用于已探明地區(qū)的開(kāi)發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于超深探井，由于對(duì)下部地層了解不充分，難以應(yīng)用這種方法合理地確定每層套管的下入深度。

自上而下的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)裸眼井段安全鉆進(jìn)必須滿足的壓力平衡約束條件，在已確定表層套管下入深度的基礎(chǔ)上，從表層套管鞋處開(kāi)始向下逐層設(shè)計(jì)每一層技術(shù)套管的下入深度，直至到達(dá)目的層位。套管下入深度根據(jù)上部已鉆地層的資料確定，不受下部地層的影響，有利于井身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。每層套管下入深度越深，越有利于實(shí)現(xiàn)鉆探目的、順利鉆達(dá)目的層位。

通過(guò)采用自上而下和自下而上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，給出不同類(lèi)型井套管合理下深區(qū)間，開(kāi)發(fā)了適應(yīng)不同類(lèi)型必封點(diǎn)和不同地質(zhì)目的的井身結(jié)構(gòu)系列，同時(shí)完成了鉆機(jī)、套管等裝備的配套[10]。

基于地層三壓力剖面分析認(rèn)為，輪探1井具有3個(gè)必封點(diǎn):地表疏松地層；石炭系底部（石炭系頂部不整合面承壓能力高，卡拉沙依組地層壓力較高，下部鷹山組地層承壓能力相對(duì)較低，因此石炭系底部需單獨(dú)封隔）；下丘里塔格組底部（蓬萊壩組頂、底發(fā)育不整合面，地層承壓能力較低，下部阿瓦塔格組發(fā)育膏泥巖，具有一定塑性，需要高密度抑制，因此需要單獨(dú)封隔）。由于深部地層認(rèn)識(shí)不清，預(yù)測(cè)輪探1井寒武系阿瓦塔格組、沙依里克組不發(fā)育鹽層，但不排除鉆遇鹽層的可能，若四開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆遇鹽層或鉆遇其他復(fù)雜地況，可將四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為備用五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 輪探1井推薦井身結(jié)構(gòu)與備用井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Comparison of recommended and alternative well structures of Well Luntan 1

2.3 管柱強(qiáng)度校核

套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)必須根據(jù)油田具體條件和套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，解決好以下幾個(gè)問(wèn)題:①套管強(qiáng)度計(jì)算；②套管柱有效外載計(jì)算；③設(shè)計(jì)系數(shù)取值范圍確定；④套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法選擇。其中，套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)核心是有效外載的確定。

套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法很多，目前各個(gè)油田基本上都是按照安全系數(shù)法設(shè)計(jì)套管[11]，但針對(duì)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則，本文選擇三軸應(yīng)力強(qiáng)度，以便更好地符合鉆井實(shí)際工況以及挖掘井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的潛力。

三軸應(yīng)力強(qiáng)度法與一般安全系數(shù)法的設(shè)計(jì)程序基本相似，但使用的套管強(qiáng)度不是美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）強(qiáng)度，而是三軸應(yīng)力強(qiáng)度。三軸應(yīng)力強(qiáng)度法設(shè)計(jì)步驟為:先按抗擠強(qiáng)度自下而上進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度校核；當(dāng)設(shè)計(jì)到抗拉強(qiáng)度或抗內(nèi)壓強(qiáng)度不滿足要求時(shí)，改為按抗拉強(qiáng)度或抗內(nèi)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并進(jìn)行抗擠強(qiáng)度校核，如此一直設(shè)計(jì)到井口為止。

目前，國(guó)內(nèi)通用的SY/T 5724—2008套管強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)考慮鉆完井工況較少[12]，由于套管的井下服役實(shí)際情況反映不準(zhǔn)確，導(dǎo)致套管損壞事故頻發(fā)。通過(guò)細(xì)化實(shí)際鉆井工況，針對(duì)不同地質(zhì)特征和鉆井情況，梳理出46種鉆井工況，真實(shí)反映鉆井過(guò)程中的套管受力，并將其應(yīng)用在套管柱的強(qiáng)度校核上[13]。

結(jié)合實(shí)際情況可知，輪探1井具有以下特殊性:（1）鄰井檢測(cè)到H2S氣體，預(yù)測(cè)輪探1井可能含有H2S氣體，應(yīng)做好防硫工作。（2）二開(kāi)Φ343.7mm套管下深達(dá)5510m，套管擠毀風(fēng)險(xiǎn)大。依據(jù)鉆井過(guò)程中可能遇到的工程作業(yè)情況，利用WELLCAT軟件進(jìn)行套管強(qiáng)度校核，各開(kāi)次套管基本能夠滿足強(qiáng)度要求；二開(kāi)Φ343.7mm套管，需確保套管掏空度不超過(guò)臨界值20%（液面不低于1100m），以免套管擠毀，校核結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 輪探1井二開(kāi)套管校核Fig.3 Stress check of second spud casing in Well Luntan 1

在鉆具強(qiáng)度校核方面，輪探1井井眼深度達(dá)8500m，對(duì)鉆具強(qiáng)度要求高，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，四開(kāi)Φ177.8mm套管安全送入需要保證Φ127mm全新鉆桿1502m。

鉆具強(qiáng)度校核前提:（1）抗拉余量為500kN；（2）四開(kāi)鉆井液密度為1.3g/cm3，五開(kāi)鉆井液密度為1.25g/cm3。校核結(jié)果見(jiàn)表1。

3 超深井巖石可鉆性評(píng)價(jià)及鉆頭優(yōu)選技術(shù)

3.1 巖石可鉆性評(píng)價(jià)方法

通過(guò)調(diào)研國(guó)外關(guān)于巖石可鉆性評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)，巖石可鉆性評(píng)價(jià)方法主要包括:（1）通過(guò)微鉆頭等相似手段模擬來(lái)評(píng)價(jià)巖石的可鉆性；（2）采用巖石的硬度、強(qiáng)度等測(cè)試方法，間接反映巖石的可鉆性[14]；（3）基于測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)建立巖石可鉆性計(jì)算模型[15-17]，通過(guò)多元回歸分析得到巖石可鉆性與多個(gè)地層特征參數(shù)的關(guān)系。

中國(guó)石油鉆井行業(yè)普遍采用微鉆法[14]來(lái)評(píng)定巖石可鉆性，隨著勘探目標(biāo)向更深更復(fù)雜的地層進(jìn)軍，該方法表現(xiàn)出同實(shí)際情況不相符的一面，如超深井地層可鉆性指數(shù)普遍超過(guò)10，而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中只能評(píng)價(jià)可鉆性指數(shù)小于或等于10的地層，因此對(duì)于超深井地層微鉆法并不適用。

巖屑硬度法是利用鉆井過(guò)程中隨鉆井液返回地面的地層巖屑，在井口取樣后，測(cè)定巖屑的硬度，間接確定地層的可鉆性及其他力學(xué)性質(zhì)，并能夠在鉆井現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)鉆頭的選型。研究結(jié)果表明，采用巖屑微硬度法測(cè)定的巖石可鉆性，與井底取樣的大試樣巖心測(cè)定的結(jié)果很接近，但由于巖屑尺寸較小，巖屑硬度法可鉆性測(cè)試結(jié)果偶然性較大。

由于巖石的聲波時(shí)差與巖石的密度、泊松比和彈性模量等力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，值的大小反映巖石的強(qiáng)度、硬度等特征，巖石的可鉆性與巖石的這些力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)。巖石聲波時(shí)差法利用單因素?cái)?shù)理統(tǒng)計(jì)，建立聲波時(shí)差與地層巖石可鉆性之間的關(guān)系，進(jìn)而獲得地層巖石的力學(xué)參數(shù)，由于埋藏深度、泥質(zhì)含量和礦物成分等因素的影響，阻礙了聲波時(shí)差法的應(yīng)用。

總結(jié)以上方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合輪探1井的主要可鉆性評(píng)價(jià)難題，通過(guò)巖石力學(xué)破碎實(shí)驗(yàn)，尋找破壞過(guò)程中的主控因素及破壞特征，形成基于地層巖石破巖特征的巖石可鉆性評(píng)價(jià)方法[18]，評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖4。

圖4 巖石可鉆性評(píng)價(jià)流程圖Fig.4 Flow chart of rock drillability evaluation

3.2 輪探1井可鉆性評(píng)價(jià)及鉆頭優(yōu)選技術(shù)

3.2.1 奧陶系蓬萊壩組

基于礦物組分分析和巖石強(qiáng)度分析（圖5）可知，輪探1井奧陶系蓬萊壩組燧石主要成分為石英，巖石的研磨性強(qiáng)；巖石單軸抗壓強(qiáng)度高（200MPa）、楊氏模量高，在加壓過(guò)程中巖石變形小，呈現(xiàn)明顯的脆性；白云巖單軸抗壓強(qiáng)度較大（110MPa左右），加壓過(guò)程中裂縫形成較快，有明顯的脆性特征。

圖5 蓬萊壩組巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Rock mechanical test results of the Penglaiba Formation

蓬萊壩組白云巖地層巖石強(qiáng)度較大，PDC鉆頭不易壓入地層，無(wú)法形成有效剪切破巖，巖石脆性較大，因此宜采用沖擊破巖方式破巖；對(duì)于含燧石結(jié)核的地層，由于地層非均質(zhì)性強(qiáng)，對(duì)鉆頭沖擊性大，鉆頭優(yōu)選應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化鉆頭的抗沖擊性。

蓬萊壩組燧石條帶發(fā)育地層非均質(zhì)性強(qiáng)，要求鉆頭抗沖擊性強(qiáng)，可采用錐形齒、斧形齒等抗沖擊性強(qiáng)的非平面齒，7刀翼或8刀翼，力平衡設(shè)計(jì)，高密度布齒，長(zhǎng)保徑，以鉆頭抗沖擊性為主要設(shè)計(jì)方向，以提高行程鉆速為主要目標(biāo)。

3.2.2 下丘里塔格組及阿瓦塔格組

下丘里塔格組上部強(qiáng)度大、含硅質(zhì)，下部強(qiáng)度低，強(qiáng)度變化大；上部地層強(qiáng)調(diào)鉆頭的抗沖擊性和研磨性（含硅質(zhì)），鉆頭設(shè)計(jì)同蓬萊壩組，內(nèi)錐可適當(dāng)加深，提高研磨性；下部地層強(qiáng)調(diào)鉆頭的攻擊性，建議鉆頭采用5刀翼，長(zhǎng)保徑設(shè)計(jì)。

阿瓦塔格組及以下地層巖石強(qiáng)度變化大，非均質(zhì)性強(qiáng)，適合PDC鉆頭以剪切形式破巖，該地層需提高鉆頭在軟硬交錯(cuò)地層的適用性，建議鉆頭采用5刀翼，長(zhǎng)保徑設(shè)計(jì)。

4 超深井鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

鉆井參數(shù)可以分為兩大類(lèi):一類(lèi)是固定參數(shù)，或稱(chēng)不可調(diào)參數(shù)。主要指地層參數(shù)，包括巖石可鉆性、巖石成分、地層壓力等，此類(lèi)參數(shù)均為地層本身的特性，無(wú)法改變。另一類(lèi)可變參數(shù)主要指鉆井過(guò)程中的機(jī)械參數(shù)和水力參數(shù)，機(jī)械參數(shù)指轉(zhuǎn)速、鉆壓等；水力參數(shù)主要指泵壓、噴嘴尺寸以及鉆井液的性能和流變參數(shù)（密度、黏度等），由于鉆井泵屬于鉆井配套設(shè)備，鉆頭噴嘴屬于鉆頭廠商提供方案中的不可變動(dòng)項(xiàng)，因此水力參數(shù)優(yōu)化主要指鉆井液的排量參數(shù)優(yōu)化。

4.1 機(jī)械參數(shù)優(yōu)化

鉆井作業(yè)過(guò)程中由于井筒空間的限制，作業(yè)條件特殊常使鉆柱發(fā)生振動(dòng)。鉆柱在井筒中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是鉆井液、鉆柱本體、井壁、井底鉆頭等因素相互作用的結(jié)果。在地面設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下，鉆柱處于內(nèi)、外均有流動(dòng)鉆井液的環(huán)境中進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。因此，在整個(gè)鉆柱振動(dòng)系統(tǒng)中存在由鉆井液、井壁及井底等所引起的阻尼力和干擾力，以及鉆柱的慣性力、變形引起的彈性力。綜合以上影響因素，鉆柱會(huì)產(chǎn)生軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及三者相互耦合形成的耦合振動(dòng)。

國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)有限元的方法，建立鉆柱軸向、扭轉(zhuǎn)和水平振動(dòng)力學(xué)模型，并編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，借助仿真軟件計(jì)算結(jié)果可以對(duì)鉆頭處的阻力扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)[19-23]。

通過(guò)采用鉆具動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行鉆具的振動(dòng)分析，找出最優(yōu)的鉆具防止振動(dòng)施工參數(shù)區(qū)間。結(jié)合輪探1井的實(shí)際鉆探情況，以及各項(xiàng)鉆井參數(shù)，得到隨深度變化的鉆具防止振動(dòng)施工參數(shù)區(qū)間（圖6）。

圖6 輪探1井最優(yōu)轉(zhuǎn)速分析Fig.6 Analysis of optimal rotary speed in Well Luntan 1

4.2 水力參數(shù)優(yōu)化

在水力參數(shù)優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在水力輔助破巖的排量?jī)?yōu)選和壓力窗口范圍內(nèi)的ECD（循環(huán)當(dāng)量密度）排量?jī)?yōu)化[21]。輪探1井淺部地層以水力輔助破巖為主，深部地層為水力攜巖為主，在以上兩個(gè)基本原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井液安全密度窗口，優(yōu)化鉆井液ECD參數(shù)，保證安全鉆井。

4.2.1 基于水力輔助破巖的排量?jī)?yōu)化

水力輔助破巖主要對(duì)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，一個(gè)是鉆頭壓降，一個(gè)是鉆頭水功率。鉆頭壓降就是指鉆井液流過(guò)鉆頭噴嘴以后鉆井液壓力的降低值。依據(jù)流體力學(xué)原理，可以得到鉆頭的壓降公式為

式中 pb——鉆頭壓降，MPa；

Ao——鉆頭所有噴嘴的流通面積，cm2；

Q——鉆井液排量，L/s；

ρ——鉆井液密度，g/cm3；

C——噴嘴流量系數(shù)。

鉆頭水功率是指鉆井液流過(guò)鉆頭時(shí)所消耗的水力功率，大部分轉(zhuǎn)變成射流水功率，小部分則用于克服噴嘴阻力而作功。鉆頭比水功率（JIF/A）是指鉆頭端面在單位井底投影面積上所消耗的水力功率，是用來(lái)衡量水力能量利用水平的參數(shù)。根據(jù)流體力學(xué)原理，鉆頭比水功率的計(jì)算公式為

式中HPb——鉆頭比水功率，kW/cm2；

Ab——鉆頭端面在井底平面上的投影面積，cm2。

綜合考慮射流沖擊力（HSI）和鉆頭比水功率的影響，得到輪探1井各開(kāi)次鉆井液最優(yōu)排量（圖7）:二開(kāi)鉆井液最優(yōu)排量為60L/s，三開(kāi)鉆井液最優(yōu)排量為48L/s，四開(kāi)鉆井液最優(yōu)排量為36L/s。

圖7 基于水力輔助破巖的排量?jī)?yōu)化Fig.7 Optimization of pump rate based on bit characteristics of hydraulic auxiliary rock breaking

4.2.2壓力窗口范圍內(nèi)的ECD排量?jī)?yōu)選

鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度（ECD）可以定義為鉆井液當(dāng)量靜態(tài)密度(ESD)與鉆井液流動(dòng)造成的環(huán)空壓降之和。ECD主要受鉆井液密度、環(huán)空摩阻和環(huán)空巖屑濃度3方面因素的影響。鉆井過(guò)程中ECD值應(yīng)介于孔隙壓力和破裂壓力之間。

利用WELLPLAN軟件模擬三開(kāi)、四開(kāi)不同黏度下井底ECD情況（圖8），結(jié)果表明:三開(kāi)鉆進(jìn)循環(huán)壓耗附加值為0.017～0.025g/cm3；四開(kāi)鉆進(jìn)循環(huán)壓耗附加值為0.059～0.076g/cm3，可以滿足安全鉆井的需要。

圖8 井底鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度分布情況Fig.8 Downhole ECD distribution

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

5.1 井身結(jié)構(gòu)

輪探1井實(shí)鉆采用的井身結(jié)構(gòu)同設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)的主要差別在于地層下深不同，主體井身結(jié)構(gòu)同設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)相同。由于該井為風(fēng)險(xiǎn)探井，地層認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致實(shí)際地層下深同設(shè)計(jì)存在一定出入，見(jiàn)圖9。

圖9 輪探1井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)與實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.9 Comparison of designed and actual well structure of Well Luntan 1

5.2 提速應(yīng)用效果

在輪探1井高含燧石及硅質(zhì)的白云巖井段，針對(duì)性選用江鉆“獅虎獸”混合鉆頭，配合雙擺提速工具，利用牙輪預(yù)破碎地層產(chǎn)生裂紋，通過(guò)雙擺鉆具降低振動(dòng)，減少切削齒吃入不均易誘發(fā)黏滑而帶來(lái)鉆頭沖擊損傷。優(yōu)化后平均單只鉆頭進(jìn)尺為128.4m、機(jī)械鉆速為1.6m/h，較同尺寸類(lèi)似含燧石白云巖井段（塔深1井、楚探1井、玉龍6井）單只鉆頭進(jìn)尺提高146%，機(jī)械鉆速提高57.4%；在燧石及硅質(zhì)含量少的白云巖井段，選用史密斯X616斧型齒PDC鉆頭，兼顧攻擊性及抗沖擊性，配合雙擺工具提速。優(yōu)化后平均單只鉆頭進(jìn)尺為322m、機(jī)械鉆速為1.6m/h，較同尺寸類(lèi)似白云巖井段單只鉆頭進(jìn)尺提高204%、機(jī)械鉆速提高45.5%，具體結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同鉆頭提速效果對(duì)比Fig.10 Comparison of ROP with different types of drilling bit

輪探1井在中寒武統(tǒng)沙依里克組、下寒武統(tǒng)吾松格爾組、玉爾吐斯組與震旦系奇格布拉克組見(jiàn)良好油氣顯示，共發(fā)現(xiàn)氣測(cè)異常65.0m/29層。根據(jù)酸化壓裂效果分析，輪探1井出油層位為吾松格爾組，吾松格爾組生產(chǎn)層段測(cè)井溫度為162℃，根據(jù)關(guān)井壓力估算地層壓力為90.8MPa，為正常溫壓系統(tǒng)。

輪探1井一共創(chuàng)造6項(xiàng)亞洲工程紀(jì)錄:（1）取心深度為8649.5m，創(chuàng)亞洲陸上最深取心紀(jì)錄；（2）測(cè)井井深為8877m，創(chuàng)亞洲陸上最深測(cè)井紀(jì)錄；（3）Φ177.8mm套管下深為8860m，創(chuàng)亞洲陸上Φ177.8mm套管最深下深紀(jì)錄；（4）射孔井深為8750m，創(chuàng)亞洲陸上最深射孔紀(jì)錄；（5）完井管柱下深為8744.42m，創(chuàng)亞洲陸上完井管柱最深下深紀(jì)錄；（6）機(jī)械分層改造深度為8253.69m，創(chuàng)亞洲陸上機(jī)械分層改造最深紀(jì)錄。

6 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，塔里木油田形成了適用于超深井的系列井身結(jié)構(gòu)，同時(shí)針對(duì)井身結(jié)構(gòu)配套完善相關(guān)鉆井工藝技術(shù)，形成了超8000m超深井鉆探技術(shù)并進(jìn)行了推廣應(yīng)用，在該技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)持續(xù)配套完善鉆井技術(shù)，目前已經(jīng)具備9000m的鉆探能力，完成了克深9等一批超8000m超深油氣藏的開(kāi)發(fā)，完成了輪探1井8882m亞洲最深井的鉆探。

（2）目前的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在壓力系統(tǒng)不復(fù)雜地區(qū)可以保障9000m超深井的鉆探，但對(duì)于多條斷層和多套鹽層同時(shí)發(fā)育的地區(qū)應(yīng)對(duì)不足，急需開(kāi)展相關(guān)鉆井工藝及鉆井裝備配套技術(shù)研究。

（3）超深井條件下的超高溫超高壓小井眼測(cè)量、小井眼導(dǎo)向等關(guān)鍵技術(shù)目前尚未突破，是制約超深井有效勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，以上技術(shù)的有效突破對(duì)于超深油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。