摘 要：四川盆地樂山—龍女寺古隆起震旦系埋藏深度在5000～6000m，地層可鉆性差、縱向上多產(chǎn)層多壓力系統(tǒng)等復(fù)雜地質(zhì)條件制約了鉆井速度。針對鉆井提速難點，重點從井身結(jié)構(gòu)、鉆頭個性化設(shè)計及有機鹽鉆井液體系等方面進(jìn)行了攻關(guān)研究與現(xiàn)場試驗，初步形成了適應(yīng)該地區(qū)的鉆井提速技術(shù)模式：①優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)縮短了大尺寸井眼長度，減少了作業(yè)時間，同時又能夠滿足完井與后期生產(chǎn)作業(yè)的要求。②個性化設(shè)計PDC鉆頭，應(yīng)用效果表明較已完鉆井機械鉆速提高了31％～473％，在侏羅系沙溪廟組試驗剛體PDC鉆頭平均機械鉆速l6.57m／h，已接近空氣鉆進(jìn)效果；在適合井段試驗等壁厚長壽命螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)，機械鉆速較常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機械鉆速提高44％。③配合使用有機鹽低固相鉆井液，抑制性較聚磺鉆井液更強，亞微米粒子含量減少，實現(xiàn)了輔助提高機械鉆速的效果，井壁較使用聚磺鉆井液的更穩(wěn)定。2012年完鉆的6口深井平均機械鉆速由l.69m／h提高到2.54m／h，平均鉆井周期從302d縮短到189d，實現(xiàn)了該區(qū)震旦系超深井的安全快速鉆井。
關(guān)鍵詞：四川盆地 樂山 龍女寺古隆起 早古生代 震旦紀(jì)PDC鉆頭 等壁厚螺桿 有機鹽鉆井液 快速鉆進(jìn)
Fast drilling technology of ultra deep wells in the Sinian reservoirs in the Leshan-Longnfisi palaeohigh．Sichuan Basin
Abstract：The Sinian strata of Leshan-Longniisi palaeohigh in the Sichuan Basin are of 5，000～6，000m depth underground，where the drilling rate has been restricted by poor drillability of formations，multiple pay zones&multiple pressure systeITls，and other complex geological conditions．In view of this，scientific research and field trials were performed，focusing on the wellhorc siructure，specific design of a drill bit，and the innovative organic salt drilling fluid system，thus a fast drilling technology model was formed applicable to this region.a．the wellbore structure is optimized；compared with the conventional one，the length of the large size borehole is shortened and the operating time is reduced；additionally，the requirements for well completion and later-stage production are fulfilled．b．The PDC bit is particularly designed toincrease the penetration rate(ROP)by 31-473％；with thc rigid PDC bit．The average ROP in the Shaximiao Fm is up to 16.57m／h，close to the effect of air drilling；with the composite drilling of the PDC bit and the equal wall thickness screw rod with a long service life in proper well sections，the ROP is increased by 44％bigtler than that by the normal rotary drilling．c．With the use of organic salt and a low-solid content，the innovative fluid system has a much higher inhibitive capacity compared with the polysulfonate drilling fluid and the content of sub-micron particles is also decreased，thus the ROP is improved and the well wall is more stable than that when using the polysulfonate drilling fluid．With the above techniaues．the average ROP of 6 deep wells drilled and completed in this study area in 2012 was increased from l.69 to 2.54m／h，and the average drilling cycle was shortened from 302 to 189 days．
Key words：Sichuan Basin，Leshan-Longnnsi palaeohigh，Sinian，Lower Paleozoic，PDC bit，equal wall thickness screw rod，organic salt mud，fast drilling
四川盆地樂山—龍女寺古隆起自1964年發(fā)現(xiàn)威遠(yuǎn)震旦系氣藏之后，以燈影組為主要目的層，在四川盆地外圍鉆探了強1、會l、寧l和寧2等4口井，因地表出露地層較老，保存條件差而產(chǎn)水。后來在高石梯磨溪構(gòu)造東部鉆探了女基井，證實了高石梯磨溪的構(gòu)造存在，并在燈四段中獲得了工業(yè)氣流。2010年加快了四川盆地下古生界震旦系勘探，在高石梯構(gòu)造上部署了風(fēng)險探井——高石1井，該井于2010年8月20日開鉆，2011年6月17日完鉆，完鉆井深5841m，完鉆層位陡山沱組。2011年7月12日測試獲大氣，震旦系油氣勘探取得重大進(jìn)展。但高石1井鉆井周期長達(dá)302d，平均機械鉆速僅1.69m／h，急需探索將近年來的鉆井新技術(shù)[1-2]集成應(yīng)用到該地區(qū)以提高鉆井速度。2012年圍繞鉆頭個性化沒計與改進(jìn)、提高鉆頭使用時間及減少井下復(fù)雜事故時間進(jìn)行科研攻關(guān)和6口井現(xiàn)場試驗，鉆井提速取得明顯效果。
1 鉆井提速難點
四川盆地深井—超深井鉆井提速一直是制約天然氣勘探開發(fā)的難題，氣體欠平衡鉆井、PDC鉆頭的應(yīng)用一定程度提高了深井鉆井速度，但還不能滿足國家經(jīng)濟發(fā)展對天然氣勘探開發(fā)的形勢和要求。而四川中部地區(qū)的樂山 龍女寺古隆起儲層埋藏深，垂直井深超過5000m，鉆遇地層類型多，巖性復(fù)雜，提高鉆井速度遇到以下4個方面的工程地質(zhì)難點。
1．1 縱向上多產(chǎn)層，多壓力系統(tǒng)特征
該區(qū)塊上部大安寨組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組等地層屬區(qū)域產(chǎn)層，嘉二段—嘉一段地層壓力系數(shù)達(dá)到2.00，下部飛仙關(guān)組—燈影組氣測顯示頻繁，燈影組地層壓力系數(shù)僅為l.10，地層壓力系數(shù)縱向上相差較大，多產(chǎn)層和多壓力系統(tǒng)增加了鉆井作業(yè)的施工難度。
1．2 上部地層穩(wěn)定性差，出水出油，氣體鉆井提速工藝難以實施
上部涼高山組、自流井組地層穩(wěn)定性差，鉆井過程中易發(fā)生井壁垮塌，高石1井在自流井組一須家河組井段平均井徑擴大率14％，最大擴大率39％；地層水分布缺乏規(guī)律性，高石l、磨溪8、高石2井在沙溪廟組空氣鉆井遇地層水，被迫轉(zhuǎn)為霧化鉆井或欠平衡鉆井；高石2井、磨溪8井在大安寨組均鉆遇地層出油，鉆井液密度提高至l.50～1.70g／cm3。
1．3 多層段巖石可鉆性差，機械鉆速低
海相地層占全井進(jìn)尺的57％(約3000m)，巖石強度高，硅質(zhì)含量重，部分層段含燧石結(jié)核和角礫云巖，機械鉆速極低，高科1井、高石l井各地層平均機械鉆速統(tǒng)計如圖1所示，不能采用氣體鉆提速的陸相碎屑巖地層的平均機械鉆速小于2.50m／h，嚴(yán)重影響了全井鉆井速度。
1．4 高溫、高壓、高含硫
磨溪、高石梯構(gòu)造的燈影組溫度最高達(dá)到l70℃，荷包場構(gòu)造燈影組溫度最高可達(dá)l85℃對井下儀器、工具、鉆井液和水泥漿的抗高溫性能要求高。高石梯、磨溪構(gòu)造最高地層壓力達(dá)到90MPa。雷口坡組—震旦系地層均含硫化氫。
2 快速鉆井技術(shù)
圍繞樂山—龍女寺古隆起震旦系深井超深井鉆井提速，通過近2年的技術(shù)攻關(guān)，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，把優(yōu)選的高效PDC鉆頭和等壁厚長壽命螺桿復(fù)合鉆井等一批成熟技術(shù)進(jìn)行配套試驗與推廣應(yīng)用，鉆井指標(biāo)明顯提高，初步形成了適宜于震旦系深井的鉆井捉速技術(shù)模式。
2．1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化
2．1．1已鉆井井身結(jié)構(gòu)分析
通過對高石梯 磨溪構(gòu)造已鉆井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，已鉆大多數(shù)井在大尺寸Æ444.50mm井眼段可超過1000m，見圖2中的高石l井，常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)速度慢，耗時長；為開展氣體鉆井提速試驗，第一輪磨溪8井等將Æ339.7mm套管下深l006m(圖2)，但高石2井、磨溪8井在實施氣體鉆井過程中因為地層出水、出油，難以發(fā)揮氣體鉆井提速優(yōu)勢，井身結(jié)構(gòu)不能滿足鉆井提速的需要(圖1、2)。
2．1．2井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化
第二輪井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計以地層3個壓力剖面為依據(jù)，在充分分析地質(zhì)條件后，對Æ339.7mm表層套管下深進(jìn)行了合理調(diào)整至500～600m(圖2中的磨溪11井)，縮短了Æ444.5mm井眼段進(jìn)尺300～500m，確保Æ311.2mm井眼在鉆遇氣層后具備一定的井控能力，實施后的施工周期同比節(jié)約了6～7d。
針對部分區(qū)塊雷口坡組存在異常高壓的情況優(yōu)化設(shè)計了非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)[1]。圖3為標(biāo)準(zhǔn)尺寸與非常規(guī)尺寸優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)示意圖。
2．2 PDC鉆頭個性化設(shè)計與應(yīng)用
通過已鉆井測井資料建立巖石可鉆性剖面(圖4)，聯(lián)合國際知名鉆頭廠家進(jìn)行攻關(guān)，針對不同層位地層特性對鉆頭進(jìn)行個性化設(shè)計[2-4]，以“先導(dǎo)性試驗、反饋改進(jìn)、擴大試驗、優(yōu)選、固化”為思路，經(jīng)過兩輪井的現(xiàn)場試驗，對PDC鉆頭選型應(yīng)用進(jìn)行滾動評價發(fā)現(xiàn)鉆頭使用中的問題，做到一只一總結(jié)，一層一總結(jié)，一井一總結(jié)，一批一總結(jié)，從4個方面優(yōu)化與改進(jìn)了FX55D鉆頭設(shè)計(圖5)。
1)增加中心部位切削齒數(shù)量提高鉆頭修復(fù)能力。
2)切削齒背斜角從15°、20°、25°、30°改變?yōu)?span lang="EN-US">l5°、15°、20°、25°，增強肩部齒攻擊能力。
3)5個標(biāo)準(zhǔn)噴嘴更改為7個小噴嘴，增強井眼清潔能力。
4)更換Æ13mm后排齒，減少后排齒暴露。
通過試驗與優(yōu)化改進(jìn)PDC鉆頭，逐步優(yōu)選出適應(yīng)各層位的PDC鉆頭型號(圖6)，機械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺大幅度提高，第二批正鉆井在沙溪廟地層試驗剛體PDC鉆頭取得新進(jìn)展，平均機械鉆速由傳統(tǒng)胎體PDC鉆頭7.24m／h提高到16.27m／h(表1)，已接近空氣鉆進(jìn)效果。
2．3 螺桿鉆具優(yōu)選
鉆井提速技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用PDC鉆頭+螺桿鉆具的復(fù)合鉆井模式[2]，螺桿的使用增加了井底鉆頭轉(zhuǎn)速從而大幅提高鉆井速度。但常規(guī)螺桿鉆具在大尺寸井段的扭矩不足，隨著井底溫度升高也會對螺桿定子橡膠產(chǎn)生影響[5-6]，通過對不同井眼尺寸的螺桿鉆具應(yīng)用試驗效果進(jìn)行分析，推薦了螺桿鉆具應(yīng)用的參數(shù)要求(表2)，從而更好地與PDC鉆頭使用時間匹配：
1)在Æ311.2mm井眼通過增加螺桿級數(shù)來滿足扭矩要求，在此基礎(chǔ)上選用5～6頭螺桿進(jìn)一步提高鉆頭轉(zhuǎn)速，提高鉆頭破巖能量。
2)長壽命螺桿鉆具具有單級密封壓力高、轉(zhuǎn)速低、扭矩大、曲率半徑小、使用壽命長、耐高溫和使用更加安全可靠等技術(shù)優(yōu)勢，適合在常規(guī)生產(chǎn)井、深井、斜井和定向井中使用，在涼高山組—珍珠沖組，雷口坡組—長興組以及龍?zhí)督M等深部井段地層試驗等壁厚長壽命螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)，結(jié)果較常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機械鉆速提高44％，由于螺桿使用壽命長達(dá)300h，減少了起下鉆趟數(shù)，有效節(jié)約了鉆井時間。
2．4 優(yōu)質(zhì)鉆井液研究與應(yīng)用
針對上部地層井壁失穩(wěn)，膏鹽污染，下部地層高溫高壓及保護(hù)儲層需求，開展了有機鹽鉆井液鉆的流變性能、抗溫性能、抗膏鹽污染能力[7-8]評價實驗。
有機鹽鉆井液是通過在傳統(tǒng)鉆井液體系中加入有機鹽抑制劑W2提高鉆井液抑制能力，其抑制能力優(yōu)于鉀聚磺鉆井液體系，能夠降低井徑擴大率，減少因井壁水化膨脹而引起的井下復(fù)雜。沙溪廟組—須家河組地層巖性以泥頁巖為主，泥頁巖水化易產(chǎn)生鉆頭泥包而影響鉆進(jìn)效率[9]，要求鉆井液具有強抑制性，考慮到雷口坡組以下層段地層壓力較高，而有機鹽體系可以有效降低高密度鉆井液的固相含量。
2．4．1有機鹽聚合物低固相鉆井液
加入抑制能力較強的有機鹽抑制劑W2進(jìn)行鉆井液抑制性對比實驗(圖7)，配方為2％～3％膨潤土漿+0.4％～0.6％NaOH+0.1％～0.2％KPAM+0.1％～0.2％FA367+1％～2％DJS+0.2％～0.3％BP-F+3％～4％RLC-101+4％～5％PHD+20％～30％W2+2％～4％CaCO3(600目)。
通過實驗數(shù)據(jù)可知，巖屑膨脹量小，說明該鉆井液相比聚合物低固相鉆井液具有更強的泥頁巖抑制能力。
加入有機鹽加重劑W3提高鉆井液密度，不增加鉆井液中同相含量，可以配置不同密度的鉆井液，其配方如下：
2％膨潤土漿+0.6％～l.2％NaOH+0.1％～0.2％KPAM+0.1％～0.2％FA367+1％～2％DJS+3％～4％RLC-l01+4％～5％PHD+4％～6％NSMC+4％～6％SMP-2+4％～6％RSTF+10％～15％W2+20％～30％W3+3％～4％CaCO3(600目)+0.5％～0.8％CaO+BaSO4
表3為有機鹽聚磺低同相與聚磺鉆井液性能比較數(shù)據(jù)，采用有機鹽加重劑配制的有機鹽聚磺低固相鉆井液，與單獨采用重晶石加重配制的聚磺鉆井液配相比，其流變性更好，固相含量更低，有利于改善鉆頭研磨巖石的井底工作環(huán)境，提高機械鉆速。
2．4．2有機鹽聚合物低固相鉆井液應(yīng)用效果
有機鹽鉆井液體系在高石2井、高石6井、磨溪8井、磨溪9井、磨溪l0井的Æ311.2mm井段和Æ215.9mm井段現(xiàn)場應(yīng)用。表4為高石2、高石6、磨溪8、磨溪9、磨溪l0井Æ311.2mm井段應(yīng)用有機鹽鉆井液的平均井徑對比數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為有機鹽體系后的滾動回收率均提高，機械鉆速明顯提高，平均井徑擴大率明顯降低(表4)，高石2井等井由于上部氣體鉆形成的大井徑，造成井徑擴大率偏高。
現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，以“有機鹽”為代表的優(yōu)質(zhì)鉆井液明顯抑制了井眼垮塌，實現(xiàn)電測一次成功率100％，為減少事故復(fù)雜率，縮短鉆井周期提供了有力的技術(shù)支撐。
2．5 鉆井提速效果
2012年，西南油氣田在樂山—龍女寺古隆起以震旦系為目的層應(yīng)用快速鉆井配套技術(shù)完鉆6口井，全面實現(xiàn)了7.5個臺月鉆成一口井的目標(biāo)，平均機械鉆速從提速前的l.69m／h提高到2.54m／h，增幅51.19％，平均鉆井周期從302d縮短到189d，減少了ll3d。
6口完鉆井平均事故復(fù)雜綜合時效為1.85％，比高石l井下降4.15％。單只鉆頭進(jìn)尺提高，起下鉆時間減少，純鉆時效提高，實現(xiàn)了震旦系超深復(fù)雜井的安全鉆井。
3 認(rèn)識和建議
1)形成的優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)縮短了大尺寸井眼長度，減少了作業(yè)時間，同時滿足完井與后期生產(chǎn)作業(yè)的要求。
2)以個性化設(shè)計PDC鉆頭為主的特色鉆頭技術(shù)有效提高了機械鉆速，在適合井段配合等壁厚長壽命直螺桿能顯著減少起下鉆時間，提高鉆井效率，但需針對深部硅質(zhì)含量大、巖石硬度高、研磨性強地層加大個性化鉆頭研制和試驗力度。
3)地層出水出油與井壁易垮塌制約了氣體鉆井和液相欠平衡鉆井技術(shù)的應(yīng)用，建議針對下部存在噴漏同層實施精細(xì)控壓鉆井，以實現(xiàn)窄密度安全窗口井段的安全鉆進(jìn)。
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本文作者：鄭述權(quán) 張帆 鐘廣榮 張果
作者單位：中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院
中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司
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