塔深5井超深層鉆井關鍵技術

王建云，韓 濤，趙寬心，張立軍，席寶濱，葉 翔

（1.中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011；2.中石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841000）

塔深5井是部署在塔河油田主體老區(qū)的一口預探井，位于塔里木盆地塔北隆起阿克庫勒凸起。該井所在區(qū)塊奧陶系油藏開發(fā)經(jīng)驗較為成熟[1]，但對寒武系沙依里克組、肖爾布拉克組及震旦系奇格布拉克組的儲層發(fā)育特征及含油氣性還不甚了解，需要鉆探、分析[2]。根據(jù)相關資料，塔深5井存在寒武系下丘里塔格組被走滑斷層貫穿易井漏，鷹山組下部、蓬萊壩組和下丘里塔格組局部地層傾角大易井斜，奧陶系蓬萊壩組中下部、寒武系下丘里塔格組中上部含大段白云巖、硅質(zhì)云巖導致可鉆性差等鉆井技術難點。因此，為應對井漏問題，筆者研究了漸進式承壓堵漏技術和高溫超深層斷裂帶堵漏技術；為應對地層傾角大的問題，研究了垂直鉆井工具配合大扭矩直螺桿防斜提速技術；為應對硅質(zhì)云巖、巨厚白云巖可鉆性差的問題，優(yōu)選了六刀翼、七刀翼、八刀翼PDC鉆頭，配合使用扭力沖擊器與等壁厚大扭矩螺桿，PDC鉆頭抗研磨效果好，等壁厚大扭矩螺桿輸出功率大，扭力沖擊器能減少粘滑振動。采用上述鉆井關鍵技術后，塔深5井順利鉆至完鉆井深9 017 m，刷新了中國石化直井最深紀錄，也成為亞洲陸上最深直井。該井成功完鉆，對國內(nèi)外超深井安全鉆井和提速提效具有借鑒意義。

1 塔深5井概況及鉆井技術難點

1.1 塔深5井概況

塔深5井目的層為寒武系沙依里克組、肖爾布拉克組及震旦系奇格布拉克組，根據(jù)地層情況，設計為五開制直井，設計井深8 890 m，其鉆遇地層和各層的厚度見表1。根據(jù)設計的井身結(jié)構(gòu)，該井一開、二開主要封隔奧陶系鷹山組以上地層，三開主要封隔奧陶系及寒武系下丘里塔格組等易漏、易垮地層，四開封隔寒武系地層，為完井和分層評價創(chuàng)造條件，五開鉆進震旦系奇格布拉克組45 m完鉆（見圖1）。

表1 塔深5井設計的鉆遇地層及各層厚度Table 1 Formations encountered and corresponding thickness for the designed drilling of Well Tashen 5

1.2 鉆井技術難點

塔深5井鉆遇的鷹山組以上地層已經(jīng)過多年開發(fā)，對其認識已較為深入，鉆井方面的問題不多；鷹山組以下地層存在鉆井技術難點較多。在分析塔深5井地質(zhì)特征和巖性的基礎上[3-5]，結(jié)合井身結(jié)構(gòu)設計結(jié)果、鄰井調(diào)研情況，認為該井主要存在以下鉆井技術難點：

1）井漏概率大。塔深5井附近存在斷層，地質(zhì)資料顯示下丘里塔格組被走滑斷層貫穿，地層破碎且破碎程度極不均勻，斷層裂縫體系的封閉性、充填程度及強度不均勻。如鄰井塔深2井采用密度1.45～1.52 kg/L的鉆井液鉆進6 747～6 930 m井段（下丘里塔格組），發(fā)生7次井漏，累計漏失鉆井液1 036.04 m3，漏層埋藏深，井下溫度高（140～160 ℃），常用的植物果殼類堵漏材料易碳化失效；初始漏速快，堵漏后漏速明顯降低，堵漏成功后有時復漏；漏速不均勻，隨著揭開新地層，漏速時大時小，時漏時不漏；井漏受控于繼承發(fā)育的斷裂強烈情況及巖性，所有井漏段巖性均為白云巖，漏點多，且無規(guī)律。

2）井斜難控制。奧陶系鷹山組底部、蓬萊壩組和寒武系下丘里塔格組中下部地層傾角約7°，局部發(fā)育傾角大于80°的高角度裂縫，易發(fā)生井斜。如輪探1井使用常規(guī)鉆具組合鉆進鷹山組下部和下丘里塔格組下部時井斜角難以控制，井斜角最大達到7.0°；塔深1井使用常規(guī)鉆具組合鉆進蓬萊壩組時井斜角持續(xù)增大，后期井斜角最大達26.47°；塔深2井使用常規(guī)鉆具組合鉆至蓬萊壩與鷹山組交界處井斜角突然增大，井斜角最大達到12.41°。

圖1 塔深5井設計井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Designed casing program of Well Tashen 5

3）機械鉆速低。白云巖抗壓強度大（250 MPa以上）、地層厚，蓬萊壩組和下丘里塔格組發(fā)育硅質(zhì)結(jié)核，研磨性高，可鉆性差，機械鉆速低。如鄰井輪探1井三開該井段應用雙擺提速工具后，平均機械鉆速只有1.38 m/h。

4）卡鉆風險高。斷層貫穿下丘里塔格組-玉爾吐斯組，地層破碎且破碎程度極為不均勻，斷層裂縫體系的封閉性和充填程度及強度不均勻，掉塊多且大，形成不規(guī)則井眼。例如，鄰井輪探1井7 500～8 870 m井段的平均井徑擴大率為10.26%，最大井徑擴大率為50.93%。

2 鉆井關鍵技術研究

為解決超深層高溫堵漏困難的問題，優(yōu)選抗溫堵漏材料，優(yōu)化材料配比和粒徑，輔以隨鉆堵漏和漸進式堵漏方法逐步提高地層的承壓能力；為解決井身質(zhì)量控制和提速的矛盾，應用了垂直鉆井工具+大扭矩螺桿的防斜提速技術，兼顧防斜和提速；為解決白云巖地層可鉆性差、研磨性強的問題，選用減振耐磨PDC鉆頭，配合扭力沖擊器與大扭矩螺桿進行鉆進。

2.1 高溫超深層斷裂帶堵漏技術

1）優(yōu)選云母、蛭石及礦物纖維GT-MF、GT-1等礦物類堵漏材料，提高堵漏材料的抗溫性。纖維類材料在堵漏漿中占比達到約30%，確保堵漏漿進入孔隙后能夠形成團聚滯留效果，達到快速封堵目的。剛性顆粒類堵漏材料粒徑配比為粗∶中粗∶細=1∶1∶2，達到大顆粒架橋，中、細顆粒遞進封堵形成致密橋塞隔絕漏層的效果[6]。

2）由于鉆具組合中帶有螺桿和隨鉆監(jiān)測儀器（MWD），現(xiàn)場不斷探索堵漏材料粒徑配比，可適當加入中粗云母（5%～6%）和粗云母（2%～5%），堵漏材料的質(zhì)量分數(shù)最高可達到31%～37%；頂替過程中堵漏漿要全部替出鉆頭，避免滯留在鉆具內(nèi)部間隙較小的位置，造成堵塞水眼的嚴重后果，給下部施工帶來風險。

3）根據(jù)“隨鉆封堵和漸進式承壓堵漏”的理念逐步提高鉆井液密度，全裸眼強化鉆井液隨鉆封堵，以優(yōu)質(zhì)護膠膨潤土漿、微裂縫隨鉆封堵劑MFP-1、高軟化點瀝青和超微細超細碳酸鈣（800目、1 250目、2 500目）提高井漿屏蔽暫堵能力。井深5 876，5 876和6 419 m處起鉆前泵入10%～16%堵漏漿，起至套管內(nèi)適度憋壓1.0～2.5 MPa，使封堵材料進入地層微裂縫孔喉，漸進式提高地層承壓能力。

4）不同漏速的處理措施。針對鉆進期間漏速8 m3/h以下的滲漏，可更換低目數(shù)篩布（20目），全井補充細顆粒堵漏材料，其含量保持在6%～8%，以達到隨漏隨堵的目的；漏速為8～16 m3/h的漏層，連續(xù)多次泵入10～15 m3堵漏漿，待堵漏漿出鉆頭后，漏速會明顯降低，能達到強鉆并揭開大段漏層的目的；針對漏速大于16 m3/h的連通性好的漏層，一次性泵入長400～500 m井筒容積的高濃度堵漏漿，然后起鉆至堵漏漿上部，靜置一段時間，再循環(huán)逐步提高排量，讓堵漏漿充分進入漏層，形成穩(wěn)定的橋塞，提高承壓能力，下鉆驗漏，如堵漏成功，則恢復鉆進。

2.2 垂直鉆井工具+大扭矩螺桿防斜提速技術

鄰井輪探1井在6 386～6 552 m井段采用垂直鉆井工具+雙擺鉆具組合糾斜，未帶螺桿，機械鉆速僅1.17 m/h；鄰井塔深1井鉆進奧陶系蓬萊壩組時發(fā)生井斜，使用彎螺桿+MWD糾斜，受施工工藝限制，效果不理想，后期采用常規(guī)鉆具組合鉆進，井斜角最大達26.47°，未達到糾斜目的。

結(jié)合上述2口鄰井的施工經(jīng)驗，為兼顧防斜和提速[7-10]，在監(jiān)測到井斜角有增大趨勢后，隨即起鉆并采用垂直鉆井工具+大扭矩直螺桿鉆進，鉆具組合為φ311.1 mm PDC鉆頭+垂直鉆井工具+雙公接頭+φ244.5 mm大扭矩直螺桿（螺桿上部帶φ310.0 mm螺旋穩(wěn)定器）+φ228.6 mm浮閥+φ228.6 mm無磁鉆鋌+φ228.6 mm無磁懸掛器+φ228.6 mm配合接頭+φ308.0 mm穩(wěn)定器+φ228.6 mm螺旋鉆鋌+φ203.2 mm螺旋鉆鋌+φ203.2 mm隨鉆震擊器+φ139.7 mm無磁加重鉆桿+φ139.7 mm鉆桿+φ152.4 mm鉆桿。主要鉆井參數(shù)：鉆壓100～120 kN，轉(zhuǎn)速40 r/min，排量51 L/s，泵壓31 MPa，扭矩13.5～17.0 kN·m。

2.3 白云巖地層減振提速技術

寒武系巨厚白云巖使用常規(guī)PDC鉆頭+螺桿鉆具組合復合鉆進時，易出現(xiàn)跳鉆、蹩鉆和粘滑振動等問題，加之硅質(zhì)結(jié)核造成巖層不均質(zhì)，極易損壞鉆頭，鉆頭重復切削、粘滑，造成機械鉆速較低。在調(diào)研鄰井資料和國內(nèi)鉆井減振提速工具的基礎上[11-18]，為減輕惡性振動（橫向、縱向和扭向）、提高鉆頭切削效率和破巖效率，選用了強化減振耐磨PDC鉆頭，配合DeepDrill扭力沖擊器與大扭矩螺桿鉆具進行鉆進。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果選擇史密斯鉆頭，并針對性優(yōu)化設計了減振構(gòu)型，在主切削齒后布置了尖錐齒。不同巖性選用不同數(shù)量刀翼的PDC鉆頭：在泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)云巖、泥質(zhì)云巖等地層，選用Z616型六刀翼PDC鉆頭；在較純的白云巖地層，選用Z716型七刀翼PDC鉆頭；在含硅云巖（藍灰色不透明硅質(zhì)巖塊為主）地層，選用減振抗研磨效果最好的XZ816型八刀翼PDC鉆頭。Z616型六刀翼、Z716型七刀翼和XZ816型八刀翼PDC鉆頭的形貌如圖2所示。

針對塔深5井隨鉆堵漏和間斷進行承壓堵漏的技術需求，經(jīng)調(diào)研對比后選用了扭力沖擊器。扭力沖擊器結(jié)構(gòu)簡單，無渦輪、螺桿和葉輪等復雜零件，可靠性高，水眼通過性高。扭力沖擊器的工作原理是，利用液力驅(qū)動，使內(nèi)部擺錘在圓周方向上產(chǎn)生高頻率（800～1 800次/min）的沖擊扭矩，將原來的“剪切”破巖轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹羟?高頻沖擊”破巖，增加了破巖能量，能夠緩解鉆頭剪切不均質(zhì)巖屑時蹩卡帶來的不規(guī)律振動，穩(wěn)定鉆頭工作面。實踐表明，扭力沖擊器可以很好地應對硬地層，鉆井提速效果顯著[19-23]。

3 塔深5井實鉆效果

3.1 鉆井施工簡況

塔深5井采用ZJ90D型鉆機進行全井鉆井作業(yè)，鉆井過程較為順利，完鉆井深9 017 m（比設計井深多127 m），實際鉆井周期299.81 d（比設計鉆井周期縮短19.19 d），提速提效明顯。塔深5井實鉆地層及各層厚度見表2，實鉆井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 鉆井關鍵技術應用效果

塔深5井應用前述鉆井關鍵技術后，總體較為順利，但也發(fā)生了井漏、鎖緊座下部套管脫扣等井下故障。因此，三開中完后采取了φ244.5 mm套管開窗側(cè)鉆、將設計的四開和五開合并等措施。

3.2.1 高溫超深層斷裂帶堵漏技術

塔深5井鉆井過程中，下丘里塔格組共發(fā)生8次井漏。

第1次（井深6 773.08 m）、第2次（井深6 869.69 m）井漏，裂縫較小，漏失量不大。采用配方為7.5%SQD-98（中粗）+5.0%SQD-98（細）+5.0%微裂縫封堵劑+2.5%超細碳酸鈣（400目）的堵漏漿，通過降低井漿密度、降低漏層液柱壓力和使用粒徑小于1 mm的顆粒堵漏材料，有效封堵了漏層。

第3次（井深7 225.15 m）井漏，因井漿密度提高至1.30 kg/L而漏失，降至1.28 kg/L后正常。

第4次（井深7 259.04 m）井漏，鉆遇裂縫較大，采用配方為6%SQD-98（細）+7%SQD-98（中粗）+3%云母（細）+6%微裂縫封堵劑+4%超細碳酸鈣（400目）+3%云母（中粗）的堵漏漿進行堵漏，實際堵漏效果較好。

表2 塔深5井實鉆地層及各層厚度Table 2 Formations encountered and corresponding thickness during the drilling of Well Tashen 5

第5次（井深7 271.09 m）井漏，先期漏層暴露較少，采取靜止堵漏方法，漏速降低；逐步揭開漏層，漏速明顯增大，采用配方為3%SQD-98（細）+5%SQD-98（中粗）+5%SQD-98（粗）+3%云母（細）+3%云母（中粗）+5%云母（粗）+5%微裂縫封堵劑+5%超細碳酸鈣（400目）的堵漏漿進行堵漏，有效封堵了裂縫性漏失。

第6次（井深7 366.10 m）井漏，因揭開了新地層而漏失，出口流量持續(xù)下降直至失返，漏速明顯增大，表明鉆遇新斷裂帶，其附近發(fā)育裂縫性漏層，采用配方為4% SQD-98（細）+5% SQD-98（中粗）+5%云母（細）+5%云母（中粗）+2%云母（粗）+5%微裂縫封堵劑+2% GT-MF +3% GT-1的堵漏漿進行堵漏。該堵漏漿中加大了中粗、粗云母的加量，堵漏漿進入裂縫過程中可以快速架橋，堵塞漏失通道，形成更為穩(wěn)定的封堵塞，提高漏層承壓能力。

圖3 塔深5井實鉆井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Drilled casing program of Well Tashen 5

第7次（井深7 439.34～7 478.00 m）井漏，漏速極不均勻，隨著揭開新地層，漏速時大時小，時漏時不漏，說明該段地層破碎且破碎程度極為不均勻，斷層裂縫體系的封閉性和充填程度及強度亦不均勻，為此，采用配方為4% SQD-98（細）+5% SQD-98（中粗）+4%云母（細）+5%云母（中粗）+4%云母（粗）+5%微裂縫封堵劑+2%GT-MF+2% GT-1+3%NTBASE的堵漏漿進行堵漏。

第8次（井深7 521.89 m）井漏，因新揭開漏層而漏失，注入堵漏漿后漏速降低。堵漏漿配方為4%SQD-98（細）+5% SQD-98（中粗）+5%云母（細）+6%云母（中粗）+5%云母（粗）+5%微裂縫封堵劑+2% GT-MF +2% GT-1 +3%NTBASE。

3.2.2 垂直鉆井工具+大扭矩螺桿防斜提速技術

塔深5井5 876～6 114 m井段使用PDC鉆頭+垂直鉆井工具+φ244.5 mm等壁厚大扭矩螺桿，進尺238 m，平均機械鉆速6.25 m/h，井斜角由1.74°減小至0.40°。對比輪探1井同井段，提速約29%，井身質(zhì)量達到優(yōu)質(zhì)。應用表明，垂直鉆井工具+大扭矩螺桿防斜提速技術一方面可解放鉆壓，另一方面因使用了螺桿鉆具可兼顧防斜和提速要求。對比分析認為，垂直鉆井工具+大扭矩直螺桿鉆具組合適合該地層特性，較單純使用垂直鉆井工具或使用單彎螺桿在糾斜方面有一定優(yōu)勢。

3.2.3 減振提速技術

塔深5井6 738.00～7 144.00 和7 257.00～7 628.00 m井段鉆進白云巖地層時，應用了減振提速技術，使用4只PDC鉆頭順利鉆至三開中完，累計進尺777 m，純鉆時間375.4 h，平均機械鉆速2.07 m/h；與鄰井輪探1井相比，機械鉆速提高約35%（見表3）。

表3 塔深5井與輪探1井在不同工藝下的機械鉆速對比Table 3 Comparison of the ROP between Well Tashen 5 and Well Luntan 1 with different drilling technologies

4 結(jié)論與建議

1）高溫超深層斷裂帶堵漏技術現(xiàn)場應用效果較好，能夠解決井壁物理支撐需求與斷裂帶實際存在的矛盾，能實現(xiàn)原有鉆具迅速堵漏、承壓何恢復鉆進，縮短處理井下故障的時間。

2）垂直鉆井工具+大扭矩螺桿防斜提速技術在一定程度上達到了易斜井段的防斜提速目的，但傳動軸下部增加了垂直鉆井工具，對螺桿的壽命和可靠性有一定影響，可考慮應用大扭矩金屬螺桿，也建議螺桿鉆具生產(chǎn)廠家強化螺桿軸承和進一步提高螺桿的輸出功率。

3）減振提速技術是超硬地層提高鉆頭切削效率的理想選擇，該技術也可減少鉆頭無序的彈跳、蹩鉆和粘滑振動。

4）制約塔河油田超深層進一步提速的因素包括地層高溫、高壓和地層壓實程度高等，應用的提速工具需滿足井下復雜環(huán)境的要求，國內(nèi)成熟的儀器、工具較少，建議進一步提高大扭矩螺桿鉆具的輸出功率、壽命和可靠性。