博孜地區(qū)超深氣井鉆井提速工具研究及應用

饒加富 張曉兵 陳雪峰 李 博 李明印

（中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206）

塔里木盆地的油氣藏的埋深超過6000 米[1]，特別是庫車前陸盆地，埋深超過6500 米，高溫達到170℃，高壓達到115Mpa，地質構造復雜，巨厚復合鹽層和高壓鹽水層發(fā)育，蠕變性強，安全密度窗口窄，鉆井難度大，風險高。同時，鹽上巨厚礫石層發(fā)育，地層傾角大、研磨性強，可鉆性差、控斜難度大；鹽間分布低壓薄弱層，井筒穩(wěn)定性差，井漏問題突出，導致機械鉆速度低，鉆井成本高[2-5]。博孜-大北區(qū)塊是庫車前陸盆地“兩帶三突”中克拉蘇-依奇克里克沖斷帶的一部分，是塔里木油田在超深層復雜天然氣開發(fā)和上產的重要區(qū)塊[6]。

1 復雜地質條件下鉆井提速技術難點

博孜區(qū)塊為克拉蘇構造帶，位于塔里木盆地庫車坳陷北部，該構造為連通性好，孔隙度高的砂巖儲層，具有鹽上層、鹽體、鹽下層“三位一體”構造變形特征，博孜區(qū)段為超深、高溫、超高壓、構造變形強的復雜構造區(qū)，勘探程度低，是塔里木盆地天然氣增儲上產的最重要領域[2,3,7]。但由于地質條件復雜，鉆完井過程中，存在著易失穩(wěn)垮塌、易漏失、難鉆進的特點。博孜區(qū)塊的鉆井難點主要有：(1) 博孜1 片區(qū)位于木扎爾特河沉積扇扇中, 礫石含量高，壓實程度高，可鉆性差;(2) 博孜3 片區(qū)位于阿瓦特沉積扇, 成巖段礫石含量低，壓實程度低，可鉆性相對較好。(3) 博孜其他片區(qū)位于木扎爾特河沉積扇扇根/緣，受沉積扇范圍影響，砂泥巖夾層多,可鉆井相對較好。總體來講，地層可鉆性差，對鉆頭和井下工具要求高，井眼軌跡控制難度大，井壁穩(wěn)定性差易引發(fā)卡鉆事故，安全泥漿密度窗口窄，易誘發(fā)井內惡性井漏。

2 提速工具組合及綜合配套工藝技術

2.1 鉆頭優(yōu)選

本文以博孜3 片區(qū)為例：

二開層位為西域組、庫車組，巖性主要以礫石、砂礫巖為主，礫石層膠結較致密，可鉆性一般?？傮w表現(xiàn)非平面齒應用效果較為突出，混合齒也體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，在應用的實踐中，國產KPM1633DST 混合齒鉆頭使用6 只，單只進尺631m，鉆頭平均機械鉆速達2.94m/h，單只最大鉆速達4.21m/h，博孜3 片區(qū)二開各井的鉆井進尺，如圖1 所示。

圖1 二開博孜3 片區(qū)各井鉆進情況

三開井段大致在5000-6000m，層位以康村組、吉迪克組為主，巖性主要以含礫砂、泥巖、粉砂巖、含膏泥巖為主，總體以非平面齒PDC 鉆頭表現(xiàn)較好。如圖2 所示，博孜3 片區(qū)三開各井的鉆井進尺，在表現(xiàn)超過平均機速的五種鉆頭中，其中非平面齒鉆頭有四種表現(xiàn)好于區(qū)塊平均機速，另外一種GT55s 為常規(guī)PDC 鉆頭表現(xiàn)好于平均機械鉆速，達3.77m/h。

圖2 三開博孜3 片區(qū)各井鉆進情況

四開鹽層鉆進，進尺較小，8 口井共用鉆頭22 只。四開井段在6000-7000m，層位為庫姆格列木群，巖性主要以泥巖、鹽巖、膏鹽巖為主，本開次平均進尺235.3m，平均機速2.17m/h，博孜3片區(qū)四開各井的鉆井進尺，如圖3 所示。

圖3 四開博孜3 片區(qū)各井鉆進情況

五開總進尺2379.44m，平均進尺297.43m，共用鉆頭27 只，單只進尺88.13m，平均機速1.21m/h。五開井段在6800-7400m左右，層位為巴什基奇克組、巴西改組，巖性主要以泥巖、細砂巖、粉砂巖為主。井深較深，溫度壓力系統(tǒng)處于極端，巖石的耐磨性、抗沖擊性較強，總體可鉆性較差。從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本區(qū)塊鉆進以PDC 鉆頭為主，共用22 只，同時，博孜13 井使用了三只鉆頭，全部為非平面齒，本井段總體以常規(guī)PDC 鉆頭表現(xiàn)較好，博孜3 片區(qū)五開各井的鉆井進尺，如圖4 所示。

圖4 五開博孜3 片區(qū)各井鉆進情況

2.2 強化鉆井提速工具配套

博孜3 片區(qū)鉆進提速工具主要有：牙輪+垂鉆、混合齒+垂鉆、牙輪+雙扶鉆具組合；三者占據(jù)了總進尺的55%，如圖5 所示。由于本區(qū)塊礫石層的成巖性較差，巖石壓實程度、耐磨性等都稍微相對弱化些，未用到孕鑲+渦輪鉆具組合。為了提高礫石層的機械鉆速、優(yōu)化提速模板。本區(qū)塊以垂鉆提速為主，選配多維沖擊器和混合齒鉆頭進行鉆進提速，提速效果顯著。特別是混合齒鉆頭的使用，結合了牙輪的PDC 的優(yōu)點，盡量避免了各單類型的缺點，增加了博孜礫石層鉆頭的可選范圍，取得了一定的成效。

圖5 不同提速組合進尺對比

2.3 鉆具組合配套研究

針對博孜區(qū)塊所用的鉆井提速工具進行原理性和應用型分析，試驗獲得適合于各區(qū)塊特定的提速工具模板，提高提速工具的適應性。博孜3 片區(qū)采用雙擺工具鉆具組合，如圖6 所示。雙擺提速工具基于陀螺特性原理，以鉆井泥漿為動力帶動陀螺高速旋轉，利用陀螺穩(wěn)定鉆頭穩(wěn)定鉆頭軸向和徑向的擺動，有效克服鉆井過程中的鉆具渦動效應、減少鉆頭重復破碎，確保鉆頭有效、持續(xù)切削，達到鉆井提速目的[8]。

圖6 雙擺工具鉆具組合

單擺是在雙擺的基礎上改進行程的提速工具，和雙擺工具配合使用巖石耐壓強度大、硬度高的鉆井提速問題，確保鉆頭傳壓有效、持續(xù)切削，延長壽命，達到斜井段鉆井提速目的。

雙擺的鉆具組合從已經完鉆的井來看，主要有鉆頭+雙擺、鉆頭+垂鉆+雙擺、鉆頭+多維沖擊器+雙擺。以非平面齒配合垂鉆工具，結合雙擺工具，既能增加鉆壓又能控制井斜，可以顯著提高機速，博孜6 井444.5mm 井眼單只非平面齒進尺433m，機械鉆速達5.11m/h。

3 現(xiàn)場應用效果

如圖7 所示，單純的從鉆頭選型上進行分析和從整體上考慮鉆頭和提速工具的配合兩者效果還是略有不同，盡管混合齒鉆頭的整體鉆進效果不好，單從鉆具組合上來講混合齒+垂鉆以及混合齒+雙扶的效果還是可觀的，其中前者在博孜3 片區(qū)及其鄰區(qū)機械鉆速達4.07m/h，相比區(qū)塊平均機械鉆速要高29%，提速效果明顯。整體上來看，機械鉆速超過平均機械鉆速的組合還有：PDC 常規(guī)、PDC+垂鉆、PDC 非+垂鉆、PDC 非+螺桿，這7 種鉆具組合中以PDC 非+垂鉆工具進尺最多，占整個區(qū)塊進尺的41%，另外混合齒+垂鉆也占據(jù)整個區(qū)塊進尺的20%，可見非平面齒PDC 鉆頭配合常規(guī)控斜工具確實承擔了提速的主力。同等條件下小批量應用的混合齒+垂鉆提速效果要略好于PDC 非+垂鉆，后期可進一步試驗此種鉆具組合的鉆進效果，豐富礫石層提速鉆具組合類型。如圖8 所示，非平面齒入井前后情況對比。

圖7 不同鉆具組合下的機械鉆速

圖8 非平面齒鉆頭入井前后對比圖

4 結論與建議

針對博孜區(qū)塊的地質特點，開展了針對性的研究，各個層段采用不同的鉆頭和鉆井提速工具配套，形成了超深氣井的個性化鉆井提速技術。

4.1 博孜區(qū)塊一開為淺層疏松地層，井深較淺，以常規(guī)雙扶鉆具組合能夠達到鉆進進尺要求，同時井斜保持率較好。

4.2 博孜區(qū)塊二開、三開鉆進，地層普遍含有礫石層，地層的研磨性強、可鉆性差，鉆遇該地層時極為困難，同時礫石層的分散特性使得鉆進過程中極易造成跳鉆、井斜超標。以垂直鉆井工具為主要提速工具的配套鉆具組合來糾斜和提速，在高含礫、高陡構造地質情況下提速顯著，針對跳鉆等現(xiàn)象，則采用垂鉆工具配合扭沖、多維等沖擊工具以消除鉆頭的粘滑現(xiàn)象，針對鉆頭易損，則試驗了雙擺鉆具組合，或配套垂鉆+雙擺鉆具組合，能有效提高鉆頭單只進尺。

4.3 在鉆頭優(yōu)選和提速工具配套方面，以進一步加強非平面齒鉆頭的研究及商業(yè)化應用，降低已成熟非平面齒的成本，進一步加強礫石層提速工具的研究，形成螺桿鉆具、垂鉆、扭沖等集成化的提速工具組合。