地質調查井桂融頁1井鉆井關鍵技術

陳小元

（中國石化華東石油工程公司江蘇鉆井公司，江蘇揚州 225261）

桂融頁1 井位于滇黔桂盆地東北部南盤江-桂中坳陷雪峰山隆起南翼柳州斜坡帶沙坪復向斜，是一口直井參數(shù)井。該井位于廣西喀斯特地貌帶，地質條件復雜、地層古老可鉆性差、鄰井資料少，導致施工難度大，存在井漏風險高、防斜打直難度大、地層不穩(wěn)定易垮塌、鉆頭選型困難、機械鉆速低等難點［1-3］。針對難點，為減少故障與復雜時效、提高機械鉆速和保證工程質量，采取了井身結構優(yōu)化、應用物探法確定井口位置、防斜打直、鉆頭優(yōu)選、中長筒取心、優(yōu)選鉆井液體系等技術，圓滿完成施工任務，鉆機臺月比設計縮短10 d，并在石炭系鹿寨組發(fā)現(xiàn)良好的油氣顯示。

1 工程概況

該井于2019年10月16日開鉆，2020年2月1日完井。鉆遇石炭系的羅城組、寺門組、黃金組、鹿寨組、堯云嶺組；泥盆系的五指山組、榴江組（缺失）、東崗嶺組、信都組；寒武系的清溪組；震旦系的老堡組。目的層位:石炭系鹿寨組、寒武系清溪組。地層巖性除鹿寨組上部、信都組以石英砂巖、硅質條帶泥灰?guī)r為主外，其余地層為泥巖、頁巖、砂巖，灰?guī)r等。井身結構見圖1。一開以?406.4 mm 鉆頭鉆穿石炭系羅城組、進入寺門組10 m 完鉆，井深360 m，下入?339.7 mm 表層套管，封隔羅城組砂泥巖、深灰色灰?guī)r地層；二開以?311.2 mm 鉆頭鉆穿石炭系鹿寨組、進入堯云嶺組10 m 完鉆，井深1 650 m，下入?244.5 mm 技術套管，封隔寺門組泥灰?guī)r夾頁巖地層、黃金組砂泥巖、鹿寨組頁巖及砂泥巖地層；三開以?215.9 mm 鉆頭鉆至完鉆井深，鉆穿寒武系清溪組、進入震旦系老堡組30 m 完鉆。該井設計井深3 300 m，實際井深3 305 m，鉆井周期99.56 d，鉆機臺月3.62 月，機械鉆速3.68 m/h，復雜故障時效為0，取心進尺163.75 m，收獲率96.92%。鹿寨組發(fā)現(xiàn)良好的油氣顯示，清溪組無油氣顯示，在技術套管井口及套管鞋位置打水泥塞封井完井。

圖1 桂融頁1井實際井身結構

2 鉆井施工難點

（1）井漏風險高。廣西喀斯特地區(qū)淺層溶洞較發(fā)育，下部鉆遇地層為泥盆系、石炭系碳酸鹽巖地層，主要巖性為（泥）灰?guī)r、白云質灰?guī)r、灰質白云巖，中深層裂縫較為發(fā)育，發(fā)生井漏的風險較高［4］。

（2）防斜打直難度大。本井為直井，所鉆的幾口鄰井顯示本區(qū)地層巖性復雜，存在溶洞、裂縫、斷層、夾層較多，石炭系地層存在造斜現(xiàn)象，防斜打直難度大。鄰井柳1 井直井井斜達41°，桂參1 井直井井斜達到17.5°。桂中1 井地層研磨性強，傾角大，鉆井過程中鉆具蹩跳鉆、磨損嚴重，Power-V 垂直鉆井系統(tǒng)效果一般。

（3）石炭系泥頁巖地層穩(wěn)定性差，易垮塌。本井石炭系鹿寨組、羅城組深灰、灰黑色（炭質）泥頁巖厚度較大，穩(wěn)定性相對較差，鉆井過程中泥頁巖段易發(fā)生井眼垮塌或縮徑。

（4）地層可鉆性差、研磨性強，鉆頭選型困難。本井地層軟硬變化頻繁，夾雜大小不等孔蝕；寒武系、震旦系等古老地層，地層可鉆性更差［5-7］；石英砂巖及硅質條帶泥巖及灰?guī)r等地層研磨性極強，鉆頭選型困難，導致鉆頭磨損嚴重，機械鉆速低，起下鉆多，嚴重影響施工進度。

3 鉆井關鍵技術

3.1 應用物探方法探測溶洞或破碎帶，確定井口，避開溶洞或破碎帶。

桂融頁1 井地表屬于典型的喀斯特地貌，有巖溶漏斗及溶洞分布，因此出現(xiàn)地下巖溶管道及溶洞或破碎帶的可能性極大。目前對溶洞性漏失或破碎帶，堵漏時間長或垮塌嚴重、耗費多，成功率低，最好的方法是避免鉆遇溶洞或破碎帶。為此，在確定井口位置前，在擬定井口的一定范圍內，進行了高密度電法、音頻大地電磁法（EH4）、放射性測氡三種物探方法施工［8-11］，以探測地表深1 000 m以上是否存在溶洞或破碎帶，避免井口布置在溶洞或破碎帶上方（見圖2）。

圖2 桂融頁1井井場溶洞探測測線

高密度電法（對稱四極電測深）:探測100 m 以淺主要地質結構、構造及巖溶地質特征；布置在第1和第3測線，點距為5 m。

音頻大地電磁法（EH4）:探測1 000 m以淺主要地質結構、構造及巖溶地質特征；布置在第1、2和第4測線，點距為10 m。

放射性測氡:構造異常識別；布置在第1 測線，點距為10 m。

經(jīng)分析相關物探資料，擬定2 個井口位置。綜合考慮井場修整、井場道路的建造等鉆前工作量的大小，確定位置2 作為本井井口。該井物探資料見圖2—圖7。

圖7 第4測線EH4反演視電阻率斷面

圖5 第2測線EH4反演視電阻率斷面

圖6 第3測線對稱四極電測深反演視電阻率斷面

3.2 一開空氣鉆技術

雖然經(jīng)過物探測井，桂融頁1 井井口位置避免了大的溶洞或破碎帶，但上部井段可能裂縫仍較為發(fā)育，易出現(xiàn)鉆井液惡性漏失等復雜情況，故一開采用空氣鉆穿漏。鉆具組合:?426 mm 空氣錘+?203 mm 無磁鉆鋌+?203 mm 螺旋鉆鋌5 根+?178 mm 螺旋鉆鋌3 根+?165 mm 螺旋鉆鋌3 根+?127 mm 加重鉆桿。鉆壓:20～40 kN；轉速:50～60 r/min；氣量:100～120 m3/min。一開空氣錘鉆進平均機械鉆速4.86 m/h，與鄰井桂中1 井相比提高65.87%。平均井徑擴大率5.31%。采用井口噴淋法灌滿井筒后進行電測，從灌滿鉆井液體積看，略大于計算體積，考慮到未使用規(guī)格為?444.5 mm 而采用?426 mm 的空氣錘，井徑擴大率較小，?339.7 mm表套剛性大，難以下入的問題，由于井場缺“?426 mm鉆頭+254 mm 鉆鋌+420 mm 穩(wěn)定器”，采用“?406 mm+228 mm 鉆鋌+402 mm 穩(wěn)定器”的大鐘擺組合，利用頂驅每柱主動擴劃到底的方法進行通井。但由于鉆頭及穩(wěn)定器外徑小，擴劃效果不好。在下表套到80 m 時，下套管遇阻，采取下壓旋轉等方式，還是難以下入，起鉆采用“?406 mm 鉆頭+?203 mm 的1°單彎螺桿+228 mm 鉆鋌+402 mm 穩(wěn)定器”的大鐘擺組合進行通井主動擴劃眼后，在下表套到80 m時，采取下壓旋轉等方式下入，在120 m 后順暢下至井底。

3.3 防斜打直技術

從第1 測線對稱四極反演電阻率斷面圖（圖4）中可看出:該井地層傾角基本在45°左右，傾角大，地層傾向70°左右，極易造斜。為控制好井身軌跡，采取了以下措施:

圖4 第1測線對稱四極反演電阻率斷面

（1）設定軌跡控制圓柱。從第1 測線測氡曲線和EH4 反演電阻率斷面圖（圖3）看，1 000 m 井深內，閉合位移若超過20 m，在東西向有可能鉆遇破碎帶或溶洞，故1 000 m以內閉合位移不許超過20 m。

圖3 第1測線測氡曲線和EH4反演電阻率斷面

（2）優(yōu)選防斜組合，井斜接近超標時，及時糾斜。一開?426 mm 井眼，由于空氣錘鉆進主要是利用空氣錘的沖擊破巖，上部鉆鋌不提供鉆壓，基本不彎曲，故有利于防斜打直。實際一開井深390 m，最大井斜0.67°。井斜、位移在標準范圍內時，主要采用“大尺寸鉆鋌+直螺桿”鐘擺鉆具組合，高轉速低鉆壓有利于防斜提速。一旦井斜或位移將超標時，采用“MWD+單彎雙穩(wěn)”鉆具組合進行及時糾斜，糾斜完成后進行復合穩(wěn)斜鉆進。在?311 mm 井眼:為了增加鐘擺力，螺桿尺寸由常規(guī)的?203 mm 優(yōu)化為?244.5 mm，鉆鋌由常規(guī)的?203 mm 優(yōu)化為?228 mm；為保證工具面穩(wěn)定，單彎雙穩(wěn)組合使用?203 mm 或?216 mm 的螺桿。該井共糾斜4 次，實鉆軌跡表明:在堯云嶺組地層前，軌跡易朝東飄移；穿過堯云嶺組后，軌跡易朝南飄移。

（3）優(yōu)選鉆井參數(shù)。增加鉆鋌尺寸，以便強化鉆壓，鉆壓以螺桿壓降升高1～1.5MPa為宜，頂驅轉速控制在50 r/min左右。

通過采取以上措施，各井段井斜位移均滿足設計要求，井身質量優(yōu)。在井深1 000 m 以內，位移控制在16.18 m 內。全井最大井斜控制在標準7°內，最大為5.92°，最大閉合位移控制在標準120 m 內，為76.30 m。

3.4 鉆頭優(yōu)選技術

該井除鉆遇石英砂巖、硅質條帶時機械鉆速較低外，其余井段通過優(yōu)選鉆頭，均取得較高的機械鉆速。

（1）二開?311 mm 井眼，在井段360～1 091.95 m，優(yōu)選進口16 mm 復合片的2 只5 刀翼FL1653JH及1只7刀翼的S1675FGA 的PDC 鉆頭，使用效果較好，平均機械鉆速達到3.66 m/h。但在鉆遇鹿寨組上部石英砂巖、硅質條帶時，鉆頭磨損嚴重，機械鉆速低，壽命短、進尺少。在井段1 091.95～1 216.67 m 的209.64 m 進尺，共使用KPM1633DST 混合鉆頭1只、7刀翼13 mm 齒FL1373JH 鉆頭1只、HJT637GL牙輪鉆頭2 只，平均機械鉆速僅1.49 m/h，最低進尺僅為23.51 m,最低機械鉆速僅為1.03 m/h。在鉆穿石英砂巖及硅質條帶地層后，機械鉆速明顯提高，使用7 刀翼13 mm 齒M137J1DR 鉆頭1 只、FLG1655取心鉆頭1 只，鉆至二開井深1 605 m, 平均機械鉆速達5.79 m/h。

（2）三開?216 mm 井眼，鉆遇泥盆系、寒武系、震旦系地層，比上部地層可鉆性差，機械鉆速相對較低。1只HJT637GH牙輪鉆頭在2 755.09～2 861.08 m 鉆遇信都組地層的石英砂巖、1 只舊的FL1653JH的PDC 鉆頭在3 023.95～3 060.26 m 鉆遇清溪組的硅質條帶，二井段機械鉆速平均僅為1.18 m/h。在1 650～2 755.09 m、2 861.08～3 023.95 m、3 060.26～3 305 m 的井段共使用FLG1655 取心鉆頭2 只，F(xiàn)L1665JH 的PDC 鉆 頭1 只，M137J1DR 鉆 頭1 只，KPM1642ART 混合鉆頭1 只,平均機械鉆速為1.68 m/h。通過鉆頭優(yōu)選，在井段1 670～2 662.04 m，使用1 只FL1653JH 的PDC 鉆頭，平均機械鉆速達到10.07 m/h。

3.5 取心技術措施

桂融頁1井取心進尺多、地層破碎及可鉆性差，取心存在機械鉆速低、易堵心、收獲率難以保證等問題，為提高取心速度及收獲率，采取了以下措施:

（1）優(yōu)化取心鉆頭。優(yōu)化8刀翼PDC取心鉆頭，把常規(guī)圓形齒改為尖圓混合齒，增加鉆頭對硬地層的吃入能力。

（2）采用蘇Ⅲ多功能通用底軸承雙扶取心筒，減少底部取心工具的擺動。在較為穩(wěn)定的地層，采用中長筒取心技術，有效縮短了取心周期。

在?311 mm 井眼取心時，在取心筒上方串接?310 mm穩(wěn)定器，減少鉆具的振動，提高收獲率。

（3）使用蘇Ⅲ型取心工具，先將球放置懸掛內筒里，上方加裝內防噴工具，滿足頁巖氣井井控要求。桂融頁1井屬海相地層，以灰?guī)r和頁巖為主，地層較硬，下鉆過程中內筒不會進虛泥餅，到底不必循環(huán)沖洗內筒。

（4）及時判斷是否堵心。密切注意鉆時變化情況，每0.5 m 記錄一次鉆時。在鉆進參數(shù)不變的情況下，若發(fā)現(xiàn)鉆時突然猛增，轉盤負荷變輕，指重表只降不回升等現(xiàn)象，很可能是“堵心”的反映。若經(jīng)判斷是堵心，應果斷割心起鉆。是否堵心的經(jīng)驗判斷法:如果鉆時發(fā)生較大的偏差，根據(jù)鄰井鉆時及地質撈砂判斷不了是否堵心，則可以上提鉆具來判斷，上提到“原懸重+摩阻”（下到底循環(huán)時上提下放，記下各摩阻值），如原懸重100 t，摩阻20 t，則上提120 t 剎住，如果指重表停在120t，則說明心在內筒，可下放至鉆壓2～3 t 啟動轉盤繼續(xù)取心鉆進。如果上提時指重表始終未超過120t，且和平時活動鉆具一樣，結合超長的鉆時可判斷堵心，下探如無遇阻現(xiàn)象，可判斷為堵心直接起鉆。

通過采取以上措施，取得較好的取心效果。該井取心進尺為163.57 m，收獲率96.92%，共11 趟取心，10 趟為雙筒取心，平均每筒巖心長度達到14.43 m，機械鉆速為2.84 m/h。在1 598.62～1 616.82 m井段取心，進尺18.2 m，收獲率100%，機械鉆速達到11.38 m/h。

3.6 鉆井液技術

桂融頁1 井為1 字號探井，鄰井地質資料參考少，地層3 個壓力不詳，鉆井過程中存在井壁失穩(wěn)、井漏、溢流的風險。一開采用空氣鉆鉆進，二開、三開采用鉀胺聚合醇聚合物防塌鉆井液體系。本井設計的鉆井液密度為1.08～1.15 g/cm3。鉆井液處理維護要點:

（1）二開:①水泥塞鉆完后，用淡水及膠液補充鉆井液，膨潤土含量控制在60 g/L 以下。聚合物配合0.3%～0.5%聚胺，再加入降失水劑和防塌劑等相關處理劑，提升鉆井液的抑制性，調整鉆井液性能達到設計要求后即可二開；②鉆至滲透性好、孔隙壓力低的井段前加入一定濃度的單封及超細鈣，進行隨鉆封堵；③進入鹿寨組前50 m，將鉆井液轉換成鉀胺基聚合物體系。聚胺加量0.3%～0.5%，使用LV-PAV 降低鉆井液的失水，復配使用各種防塌劑，保證井下安全；④進入目的層前調整鉆井液性能，補充聚合醇儲層保護劑，質量分數(shù)2%。

（2）三開:①鉆完水泥塞及鈣離子被徹底清除后，繼續(xù)用膠液補充鉆井液，保持聚胺加量，進行高低壓大排量循環(huán)，調整鉆井液性能達到最優(yōu)；②聚胺加量0.3%～0.5%，使用LV-PAV 降低鉆井液的失水，復配使用各種防塌劑，保證其含量，發(fā)揮最大防塌作用，在3 000 m 以后，使用抗高溫降濾失劑，提升鉆井液的抗高溫性能，保證井下安全；③控制鉆井液API 濾失量小于4 mL，高溫高壓濾失量小于12 mL。

通過良好維護，鉆井液性能滿足設計要求，全井無垮塌等現(xiàn)象。實際最高鉆井液密度控制在1.14 g/cm3內，滿足施工要求。

4 認識與體會

（1）在喀斯特地貌區(qū)，在確定井口前，進行地球物理方法探測溶洞或破碎帶，避免井口位置定在溶洞或破碎帶上方；一開使用空氣鉆技術，有效減少上部地層的漏失風險。

（2）采用設定軌跡控制圓柱、主動控斜的方法，保證了防斜打直。從本井的井身軌跡控制看，單彎雙穩(wěn)組合比直螺桿大鐘擺組合防斜效果好，建議在高陡構造井中應用單彎雙穩(wěn)組合。

（3）本井在鉆遇石英砂巖、硅質條帶時，鉆頭磨損嚴重，機械鉆速低。建議在鉆高研磨性地層時，加強同鉆頭廠家的結合，進行鉆頭個性化設計，提高壽命，同時應用恒扭矩等提速工具，提高機械鉆速。

（4）采用中長筒取心技術及13 mm 復合片、8 刀翼進口復合片尖圓齒取心PDC 鉆頭，取得較高的機械鉆速，有效提高了施工速度。

（5）鉀胺聚合醇聚合物防塌鉆井液體系滿足了設計要求，全井未發(fā)生垮塌等問題，滿足了油氣勘探的需求。