風古001井二疊系地層鉆井提速技術探討

宋　琳，韓先柱，羅　增，張文波，武建國

（1.中國石油新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油新疆油田公司監(jiān)理公司，新疆克拉瑪依834000）

風古001井二疊系地層鉆井提速技術探討

宋琳*1，韓先柱2，羅增1，張文波1，武建國2

（1.中國石油新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油新疆油田公司監(jiān)理公司，新疆克拉瑪依834000）

風古001井鉆遇二疊系地層具有埋深淺、厚度大且凝灰?guī)r、白云巖、凝灰質砂礫巖優(yōu)勢明顯的特點，呈現(xiàn)出巖石研磨性強、可鉆性差（可鉆性級值5～8）的特征，造成機械鉆速低，鉆井周期長；同時，下盤二疊系風城組儲集空間類型均以裂縫、溶孔為主，造成風古001井井漏復雜時有發(fā)生。為提高本井機械鉆速，縮短建井周期，根據風古001井鉆遇地層的特性，分別從鉆井工具和鉆井工藝2個方面改進風古001井鉆井提速技術措施，從而為可鉆性差的研磨性硬地層鉆井提速提供新的技術途徑。

二疊系；提速工具；氣體鉆井可行性分析；氮氣鉆井

1　風古001井概況

風古001井是準噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶西端的一口重點開發(fā)評價井，鉆探目的為探索淺層下二疊系含油特征，落實儲層及油層展布。本井鉆遇地層為白堊系吐谷魯組，侏羅系齊古組，上盤二疊系中統(tǒng)混層、風城組。上部白堊系吐谷魯群（K1Tg）—上盤二疊系中統(tǒng)（P2l）為碎屑巖、砂泥巖互層。進入上盤風城組（P1fl）開始至井底為一大套凝灰?guī)r［1］。

表1　風古001井實鉆地質分層表

圖1　風古001井石炭系凝灰?guī)r錄井照片

圖2　風古001井二疊系風城組（P1f）XRMI成像識別裂縫

表2　風古001井井身結構表

2　風古001井鉆井提速技術難點

（1）該井二開地層為風城組，其巖石呈現(xiàn)灰質和白云質特征，膠結性差，易發(fā)生井壁掉塊及坍塌；

（2）實鉆期間三疊系巖石特征未表現(xiàn)，常規(guī)的地質層位缺失，給鉆井期間工程方案執(zhí)行提出挑戰(zhàn)；

（3）該井二疊系風城組，凝灰?guī)r及白云質巖石優(yōu)勢明顯，其地層可鉆性差、地層傾角大、裂縫帶多，致使機速低，鉆頭選型和井斜控制難度大；

（4）XRMI測量井段為3118.0～3690.0m，結果表明：二疊系風城組層理發(fā)育，根據白云質泥巖綠模式，地層傾角在40°～50°之間，傾向偏北，防斜打直難度較高；

（5）對本井下盤二疊系風城組進行經鑄體薄片分析，其儲集空間類型以裂縫、溶孔為主，易發(fā)生失返性井漏，井控風險大。該井二開期間共發(fā)生11次井漏，增加了鉆井周期和成本；

（6）地層巖石強度大，研磨性高，可鉆性級值在5～8之間，鉆頭牙齒損壞嚴重。

3　鉆速提高工藝選擇

3.1提速工具的應用

3.1.1幾種提速工具介紹

風古001井二開自井深600m開始鉆進，鉆進至井深1250m后機械鉆速明顯降低。該井二疊系和石炭系巖石可鉆性差，本井二開機械鉆速嚴重偏低，采用了多種提速方法（主要是特殊工具在鉆井中應用）。

經過篩選，風古001井主要應用了渦輪鉆具、液力推進器、減震器等特殊鉆井工具。

渦輪鉆具是一種自身具有壓降較大、無橡膠元件、抗高溫能力更強的井下動力鉆具，它能夠提供更高的鉆速、扭矩。針對深井、超深井及高溫高壓井的鉆井提速，渦輪鉆具的應用較為廣泛，能夠適應井下高溫、高密度鉆井液體系。然而，由于渦輪鉆具的結構較復雜，目前國內渦輪鉆具性能參差不齊，使用成本高，而且對鉆井液固相含量和固體顆粒大小要求嚴格，導致推廣使用受限。

液力推進器連接在鉆頭和鉆鋌之間，將下部的壓力降轉換為軸向的鉆壓傳遞給鉆頭，在鉆進過程中起到減震的作用，能改善井下鉆柱受力狀態(tài)，從而提高鉆速并防止鉆柱損壞。

減震器可以提高鉆頭使用壽命，在功能上滿足3點要求：傳遞鉆壓，將上部鉆鋌的鉆壓傳遞到鉆頭上；傳遞扭矩，將來自轉盤的扭矩傳遞到鉆頭上；減震，吸收來自鉆頭的軸向沖擊能量，減緩鉆柱的震動及對鉆頭的沖擊載荷，從而延長鉆頭使用壽命［4］。

3.1.2現(xiàn)場應用

風古001井二疊系地層高致密性凝灰?guī)r硬度大，研磨性極強，鉆進過程中偶發(fā)憋跳，常規(guī)鉆具組合鉆進時，鉆頭牙輪多次出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，鉆井提速困難。二開后期鉆進考慮采用多種特殊工具配合三牙輪鉆頭。

風古001井使用的幾種特殊工藝鉆具組合：

渦輪鉆具組合：?311.15mm孕鑲式鉆頭+渦輪鉆具+ ?203mm鉆鋌×9根+?178mm鉆鋌×3根+?127mm加重鉆桿×6根+?127mm鉆桿。

液力推進器鉆具組合：?311.15mm鉆頭+?240mm液力推進器+?228.60mm鉆鋌2根+?311mm穩(wěn)定器+ ?228.60mm鉆鋌1根+?203.2mm鉆鋌5根+?177.80mm鉆鋌9根+?178mm隨鉆震擊器+?177.80mm鉆鋌3 根+?127mm鉆桿。

減震器鉆具組合：?311.15mm鉆頭+?229mm減震器+ ?228.60mm鉆鋌2根+?311mm穩(wěn)定器+?228.60mm鉆鋌1根+?203.2mm鉆鋌6根+?177.80mm鉆鋌9根+ ?178mm隨鉆震擊器+?177.80mm鉆鋌3根+?127mm鉆桿。

3.1.3效果分析

采用多種提速方法均無明顯效果，在1281～3120m地層分段鉆井情況顯示：常規(guī)鉆井平均機速為0.58m/h，其他提速工具平均機速為0.52m/h，液力推進器平均機速為1.36m/h。在同一地層，使用液力推進器井段的機械鉆速相對較高（如表3所示）。

表3　風古001井不同提速工具機械鉆速對比表

3.2氮氣鉆井

3.2.1氮氣鉆井的特點

欠平衡氮氣鉆井技術主要具有4方面的優(yōu)點：①可減少對產層的損害，有效保護油氣層，從而提高油氣井的產量的效果，有利于及時發(fā)現(xiàn)低壓低滲油氣層，為勘探開發(fā)整體方案設計提供準確依據；②減少大量用水，氮氣取得方便，成本低；③大幅度提高機械鉆速，延長鉆頭使用壽命，從而縮短鉆井周期；④有效地控制漏失，并減少和避免壓差卡鉆等井下復雜情況的發(fā)生，同時減少或免去油層改造等作業(yè)措施及昂貴的費用。

但是，氮氣鉆井對地層穩(wěn)定性要求很高，要求先期對地層有足夠的了解，井下掌握準確；同時，氮氣鉆井井內為負壓，屬欠平衡鉆井，從平衡鉆井角度來看，大大增加了井控風險，對現(xiàn)場操作提出了挑戰(zhàn)。

3.2.2氮氣鉆井的應用情況

3.2.2.1可行性分析

結合風古001井二疊系鉆速緩慢情況，提出應用欠平衡氮氣鉆井的可行性。

風古001井三開將可能鉆遇夏子街組（P2x）、風城組（P1f），參考鄰井相同地層對三開二疊系地層的井壁穩(wěn)定性及鉆井風險展開評價。

（1）若鉆遇P2x組。從準噶爾盆地西北緣瑪湖地區(qū)的鉆井地質情況來看，P2x組地層穩(wěn)定性較好，巖性為白云質砂泥巖，地層基本不存在發(fā)生水化坍塌的風險［3］。風南8井P2x井眼擴大率小于10%，坍塌壓力小于0.2。白22井夏子街組實施泡沫欠平衡鉆井，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，夏子街組（P2x）地層穩(wěn)定性較好，具備實施氣體鉆井條件。

（2）若鉆遇P1f組。根據鄰井風19井、風南8井測井資料分析及實鉆情況來看，風城組P1f組屬于力學穩(wěn)定地層，巖性以云化的白云巖為主，基本不存在井壁坍塌的風險，該地層井段具備實施氣體鉆井的條件［2-3］。

（3）氮氣鉆井地層出油/水后鉆井風險預測分析。氮氣鉆井條件下，若沒有地層水/原油進入井筒，環(huán)空中的鉆屑不會結塊且排砂口返屑正常。但當?shù)獨忏@井鉆遇水層/油層后，環(huán)空中的粉塵遇到少量水/或油會相互結塊，形成單位重量較大的塊狀巖屑。大尺寸巖屑隨鉆運移到鉆鋌和鉆桿連接處頂點，該處環(huán)空面積突然增大，上返速度減小，使得巖屑在該處發(fā)生因環(huán)空返速不夠而導致攜巖不暢，在工程上則有可能導致卡鉆。同時，形成因流道面積變化而可能產生井下燃爆［3］。

圖3　風南8井坍塌壓力剖面及井徑擴大率

此外，地層出水后隨鉆進入井筒的地層水，在氣流攜帶作用下沿井筒向上運移，地層水與井壁接觸，則有可能導致部分層段吸水后的坍塌卡鉆。而井壁坍塌后，則有可能發(fā)生因環(huán)空面積增加、流速不夠而導致卡鉆。因此，地層出水后，根據井眼穩(wěn)定及出水情況，進行鉆井工藝的轉換。

根據鄰井風南5井和風南7井在風城組多段解釋為油氣層，風南3井、風南4井在風城組風一段解釋有水層，同時本井地質認識尚不完全清楚，鉆遇地層具有一定的不確定性，即在三開氮氣鉆井中存在因地層出水導致攜巖不暢卡鉆的風險。就現(xiàn)有技術而言，氣體鉆井泥餅環(huán)導致的卡鉆風險尚無有效工藝予以完全消除。因此，如果地層出水出油影響到攜巖時，必須考慮到及時進行工藝轉換，保證鉆井安全。

（4）氮氣鉆井井控風險分析。地質設計提示本井風城組井段3060～3660m有良好油氣顯示可能，預測目的層壓力系數(shù)達到1.38g/cm3，井底底層壓力高達51MPa。另外，本井地質認識模糊，在鉆井中存在著因地質預測誤差導致的潛在井控風險。因此，要求在氮氣/氮氣霧化鉆井階段，做好可能鉆遇高壓油氣藏的井筒壓力控制應急方案。

本設計應對井控風險的技術措施：①目的層上層技術套管按照管內全掏空的情況下，對套管進行強度校核，下入套管必須滿足其強度要求。②選用70MPa壓力級別井控裝備；③旋轉控制頭需達到設計試壓標準；④所用鉆具達到一級鉆具標準。

施工方做好鉆遇油氣層應急預案，在氮氣鉆進作業(yè)期間，做好地層流體監(jiān)測工作，一旦鉆遇高壓高產油氣，立即執(zhí)行應急預案。

3.2.2.2氮氣鉆井提速效果

現(xiàn)場的氮氣鉆井鉆具組合為：?215.9mm鉆頭+?165mm單流閥+?158.8mm鉆鋌2根+?215mm扶正器+?158.8mm鉆鋌20根+?165mm隨鉆震擊器+?158.8mm鉆鋌3 根+?127mm鉆桿。

將三牙輪鉆頭更換空氣錘后的鉆具組合：PKQC180-216I空氣錘+?165mm單流閥+?158.8mm鉆鋌2根+?215mm扶正器+?158.8mm鉆鋌20根+?165mm隨鉆震擊器+?158.8mm鉆鋌3根+?127mm鉆桿。

從表4可以看出，在風古001井應用氮氣鉆井工藝，其機械鉆速為轉盤鉆井機械鉆速的4倍，提速效果明顯，既縮短了鉆井周期，又有效避免了風古001井持續(xù)的井漏復雜情況。

4　建議及結論

（1）通過分析烏夏地區(qū)二疊系風城組鉆井、地質資料，二疊系地層巖性縱橫變化大，均質性差，深部地層硬、研磨性強、巖石可鉆性差，要選用具有抗沖擊和抗研磨性的鉆頭；

表4　氮氣鉆井與常規(guī)轉盤鉆井機械鉆速情況表

（2）為保證提速應用的成功率，建議做好不同鉆井方式的鉆前可行性論證，減少和避免不必要的深井起下鉆；

（3）類似烏夏地區(qū)二疊系風城組地層傾角大、穿越斷層多，且地層壓力低，容易造成失返性漏失的特點，建議應用氣基流體欠平衡鉆井為提速的最優(yōu)鉆井方式；

（4）無論采取何種類型的流體介質，何種作業(yè)工況，均必須能夠實現(xiàn)對所鉆井井底壓力的有效控制，即鉆井必須在井控安全的前提下進行。

［1］阮彪.新疆油田烏夏地區(qū)二疊系地層巖石特性及鉆井提速技術研究［R］.長江大學，2013.

［2］風古001井三開氮氣鉆井工程設計［R］.新疆油田公司工程技術研究院，2014.

［3］陳廷根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.東營：中國石油大學出版社，2000.

［4］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術手冊［M］.中國石化出版社，2007.

Technology Discussion to Improve Drilling Speed of Fenggu 001 Well in Permian Strata

SONG Lin1，HAN Xian-zhu2，LUO Zeng1，ZHANG Wen-bo1，WU Jian-guo2
（1.Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oil Field Co.，PetroChina，Karamay Xinjiang 834000，China；2.China Petroleum Xinjiang Oil Field Co.Supervision Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

Permian strata in which Fenggu 001 Well was in the drilling have characteristics of superficial buried depth，big thickness and dominant amount of tuff，dolomite，tuffaceous sandstone，showing the features of strong rock abrasivenesss and poor drillability（drillability value is from 5 to 8），which lead to low rate of penetration and long drilling cycle.Meanwhile the reservoir space types of footwall Permian Fengcheng Formation are mainly fracture and corroded hollow which occasionally caused lost circulation of Fenggu 001 Wells.In order to improve the penetration rate and shorten the construction cycle，according to the drilling strata characteristics of Fenggu 001 Well，this paper improves the technical measures to increase the drilling rate of the Fenggu 001well，respectively from two aspects of drilling tools and drilling technics. This can provide new technical way to improve drilling speed for hard formation with strong rock abrasivenesss and poor drillability.

Permian；speed raising tool；feasibility analysis of gas drilling；nitrogen drilling

TD82.72

A

1004-5716（2016）05-0027-05

2015-05-07

2015-05-08

宋琳（1989-），男（漢族），山東陽谷人，助理工程師，現(xiàn)從事油氣井固完井工程設計工作。