川深1井超深井鉆井提速關鍵技術

葉金龍， 沈建文， 吳玉君， 杜征鴻， 睢 圣， 李 林

（1.中石化石油工程技術服務股份有限公司工程技術部，北京 100020；2.中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽 618000；3.中石化西南石油工程有限公司技術發展處，四川成都 610041）

隨著我國油氣資源的勘探開發向深層、超深層發展，開展超深井復雜地層鉆井技術研究，成為鉆井面臨的迫切任務[1-5]。近年來，隨著我國鉆井裝備和配套工藝、技術的不斷進步，鉆深能力得到逐步提高，深井、超深井數量快速增長，但超深井鉆井過程中面臨的裸眼段長、高低壓并存、地質條件復雜等問題尚未得到有效解決[6-7]。川深1井是部署在四川盆地川中地區的一口重點勘探井，設計井深8 690.00 m，實鉆井深8 420.00 m。儲層埋藏超深，氣藏具有高溫、高壓、高含H2S的“三高”特征，鉆井過程中存在井眼失穩、卡鉆、H2S氣侵和鉆遇高壓氣層等復雜情況，導致機械鉆速低、井下安全風險高、鉆井周期長和鉆井成本高等工程問題。為此，結合工程地質特征，應用了系列鉆井提速技術——優化應用泡沫鉆井技術、氣體鉆井技術、“孕鑲金剛石鉆頭＋高速螺桿鉆具”復合鉆井技術、預彎曲動力學防斜打快技術等關鍵技術[8]，有效解決了該井鉆井過程中遇到的各種鉆井難題，實現了安全、快速鉆井，也為該類超深井鉆井提速積累了技術經驗。

1 川深1井概況

1.1 地層簡況

川深1井自上而下依次鉆遇侏羅系蓬萊鎮組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、自流井組，三疊系須家河組、小塘子組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關組，二疊系長興組、吳家坪組、茅口組、棲霞組、梁山組，志留系龍馬溪組，奧陶系五峰組、寶塔組、湄潭組，寒武系洗象池群組、陡坡寺組、龍王廟組、滄浪鋪組、仙女洞組、筇竹寺組，震旦系燈影組。

受沉積環境影響，川深1井鉆遇地層巖性復雜，陸相地層厚度達4 100.00 m，主要為砂泥巖頻繁互層，泥頁巖厚度大，泥頁巖厚度占陸相地層厚度的50%左右。海相地層膏鹽巖發育，深部地層井溫高達190 ℃。沙溪廟組至自流井組地層含多套含氣層。須家河組、小塘子組含石英砂巖，砂巖中石英含量高，其中須家河砂巖中平均石英含量達75%以上，須家河三段煤層發育。嘉陵江組膏鹽巖發育，平均厚度占比達50%～70%，鹽巖溶解性好。雷口坡組至長興組主要為灰巖，含有泥頁巖互層。龍馬溪組存在大段泥巖，極易水化分散。洗象池群組至龍王廟組地層主要為泥巖和白云巖，巖石強度整體較高，具有很強的研磨性。儲層燈影組地層巖性主要為灰巖、白云巖，巖石含溶孔、溶洞，膠結性差，地層破碎。

1.2 鉆井難點

川深1井采用五開井身結構，其實鉆井身結構如圖1所示。該井鉆井中存在如下難點：

圖1 川深1井實鉆井身結構Fig.1 Casing program of Well Chuanshen-1

1）一開為φ660.4 mm井眼，一開井段較元壩地區類似井深200 m左右。大尺寸井眼應用泡沫鉆井時井眼穩定和攜砂性能要求高。該段蓬萊鎮組地層泥質含量高，易造漿，影響泡沫鉆井的井眼穩定，施工難度大[9]。鄰井星1井一開采用泡沫鉆井，發生井眼失穩卡鉆；元壩10-3井一開采用泡沫鉆至井深703.00 m，井底大段沉砂，下鉆遇阻，劃眼時間長。

2）二開為φ444.5 mm井眼，鉆穿遂寧組—雷口坡組四段。大尺寸井眼需要破巖功率大，但常規鉆井方式鉆進須家河組和小塘子組等高研磨性地層時破巖效率非常低，如馬深1井φ444.5 mm井段在上述地層平均機械鉆速不到2.00 m/h。另外，自流井組地層含礫石，須家河組、小塘子組地層石英含量高、膠結致密，研磨性強、可鉆性差，大尺寸條件下鉆進效率更低。如馬深1井φ444.5 mm井段自流井組和須家河組地層采用“牙輪/混合鉆頭+常規鉆井技術”，平均機械鉆速僅0.68 m/h，平均單只鉆頭進尺僅36.50 m；馬深1井φ406.4 mm井段須家河組地層采用“牙輪鉆頭+常規鉆井技術”和“孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”鉆進時，平均機械鉆速僅0.76 m/h，平均單只鉆頭進尺僅34.40 m。

3）超深井井下情況復雜，提速工具的應用受到一定限制（部分提速技術的應用尚在試驗階段），采用常規鉆井方式時機械鉆速低。如馬深1井在長興組底部地層以下主要采用“牙輪/PDC鉆頭+常規鉆井技術”，平均機械鉆速僅1.15 m/h，單只鉆頭平均進尺僅50.74 m。

4）侏羅系地層以泥巖、泥質粉砂巖等厚互層為主，含礫石，極易損壞PDC鉆頭。三疊系—二疊系地層巖性復雜，須家河組巖石抗壓強度為160 MPa，可鉆性級值5～8（見表1）。長興組底部以下地層硅質含量高，含燧石，地層硬度大，研磨性強；小塘子組巖石抗壓強度達到192 MPa，且細粒巖屑砂巖、石英粉砂巖研磨性強，機械鉆速只有0.50 m/h；飛仙關組至梁山組抗壓強度在200 MPa左右；吳家坪組抗壓強度較高，接近250 MPa，可鉆性差，導致機械鉆速慢且鉆頭磨損快，鉆頭選型困難。

表1 川深1井所在區塊巖心試驗結果Table 1 Core test results of the block of Well Chuanshen-1

5）超深井直井段井斜角控制困難，鉆井工藝選擇難度大。地層泥巖、粉砂質泥巖、砂巖互層頻繁，軟硬交錯，控制井斜角的難度很大；輕壓吊打鉆井速度慢，周期長。如馬深1井四開鉆至井深6 420.00 m時，最大井斜角達到7.73°。

2 超深井鉆井提速關鍵技術

2.1 泡沫鉆井技術

川深1井一開φ660.4 mm井段，蓬萊鎮組和遂寧組地層易出水，空氣、霧化鉆井應用受限：使用常規鉆井液鉆井時，速度慢，攜砂困難，容易卡鉆；常規泡沫鉆井液體系抑制性不足，容易發生井壁坍塌，引起井下復雜情況[9-12]。

針對上述問題，研發了耐溫、抗鹽發泡劑，形成了泡沫鉆井液體系：清水+0.5%抑制性發泡劑+2.6%小分子穩泡劑+0.5%聚丙烯酰胺，其發泡體積可達400 mL以上，半衰期可達90 min以上。

該井段應用的鉆具組合為：φ660.4 mm SKG515CGK牙輪鉆頭+浮閥+φ279.4 mm鉆鋌3根+φ241.3 mm螺旋鉆鋌6根+φ203.2 mm螺旋鉆鋌9根+φ139.7 mm鉆桿。根據環空最低返速不低于0.5 m/s、環空巖屑濃度小于4%、井口壓力為3～5 MPa等安全限定條件，設計了泡沫鉆井參數：推薦氣量180～200 m3/min，推薦液量12～15 m3/min。

2.2 氣體鉆井技術

根據莫爾-庫侖準則和圍壓下井底巖石可鉆性模型，計算蓬萊鎮組—自流井組氣體鉆井時巖石的黏聚力，對該井氣體鉆井的井眼穩定性風險進行評價，從而確定適合氣體鉆井的井段。計算發現：900.00～2 500.00 m井段巖石黏聚力理論計算值普遍高于氣體鉆井黏聚力臨界值，原始地層坍塌密度普遍低于氣體鉆井臨界坍塌密度，氣體鉆井時井壁較為穩定，具備實施氣體鉆井的條件。根據研究成果，二開上部地層應用氣體鉆井技術，鉆具組合為φ444.5 mm牙輪鉆頭+浮閥+φ279.4 mm鉆鋌3根+φ241.3 mm螺旋鉆鋌6根+φ203.2 mm無磁鉆鋌1根+φ203.2 mm螺旋鉆鋌8根+φ139.7 mm鉆桿，主要鉆井參數見表2。

表2 川深1井氣體鉆井參數設計Table 2 Parameters design of gas drilling in Well Chuanshen-1

2.3 旋沖鉆井技術

旋沖鉆井技術能夠提高硬地層的鉆壓傳遞效率，硬地層巖石在旋沖作用下更容易發生脆性破碎，能夠改善鉆齒的受力狀態，更好地保護切削齒，提高鉆進效率[13-15]。借鑒川東北地區深井鉆井經驗，采用“高效PDC鉆頭+旋沖工具”進行提速，在下沙溪廟組、千佛崖組及自流井組馬鞍山段采用“PDC鉆頭+旋沖工具”鉆進。旋沖工具的沖程為3～13 mm，沖擊頻率為馬達轉速的3～4倍，最大排量為75 L/s，作業壽命長達150 h，能夠滿足大排量和長壽命的技術要求。同時，根據地層巖性設計了配套KS1662DGR型高效PDC鉆頭，該鉆頭具有以下特點：深內錐結構，可提高穩定性；大后傾角，可提高抗沖擊能力；主刀翼雙排切削結構；內錐、鼻部設計有環形減震帶，可提高鉆頭的抗沖擊能力；采用高耐磨復合片。

2.4 “孕鑲金剛石鉆頭＋高速螺桿鉆具”復合鉆井技術

川東北地區高壓強研磨性地層使用“進口孕鑲金剛石鉆頭＋高速渦輪鉆具”鉆進，取得了一定的提速效果，但綜合成本較高。目前國內高速螺桿鉆具日漸成熟，且經濟優勢明顯，因此建議采用“國產孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”鉆井提速技術。高速螺桿能夠為鉆頭提供恒定的轉速和鉆壓，可使鉆頭連續接觸井底切削巖石，且能保持足夠的扭矩。通過分析對比，選擇了最高轉速可達250 r/min、輸出扭矩大于4 kN·m的高速螺桿，可以滿足川深1井高壓硬地層鉆進的需要。孕鑲金剛石鉆頭局部設計有楔形切削齒，可在硬地層中提高破巖效率；后排采用了齒形致密孕鑲塊，可保護前排齒、延長鉆頭使用壽命（見圖2）。

圖2 孕鑲金剛石鉆頭示意Fig.2 Schematic diagram of the PDC bit

2.5 預彎曲動力學防斜打快技術

預彎曲動力學防斜打快技術可實現滑動導向鉆進與旋轉鉆進的結合，可采用高于鐘擺極限鉆壓50%以上的鉆壓值，從而有效提高機械鉆速[16-17]。該技術一方面通過鉆具組合的變形和動力學行為給鉆頭提供較大的降斜力；另一方面通過預彎曲設置使鉆具組合按合適的彎曲形狀進行變形，最終使鉆頭偏向造成的側向力合力盡可能達到最小。當鉆頭上的降斜力超過地層增斜力時，達到降斜目的。為進一步提高機械鉆速，對鉆具組合中上穩定器位置及鉆進參數進行了優化設計。

2.5.1 基于穩定器位置分析的鉆具組合優化

對于預彎曲動力學鉆具組合而言，上穩定器的位置對鉆具組合的防斜能力影響很大。穩定器在不同位置對鉆頭側向力的影響如圖3所示。

圖3 穩定器位置與鉆頭側向力關系曲線Fig.3 The relationship curve between the position of centralizer and bit lateral force

從圖3可以看出，隨著上穩定器與螺桿鉆具頂部的距離增加，鉆具降斜力減小，因此在使用彎螺桿鉆具復合鉆進技術防斜打直時，可在單彎螺桿上部直接連接穩定器，或者連接1根3～5 m的短鉆鋌，以對螺桿鉆具起到一定的保護作用。

預彎曲動力學鉆具組合優化結果：φ320.7 mm PDC鉆頭×0.43 m+φ215.9 mm×1.0°單彎螺桿鉆具+φ203.2 mm短鉆鋌×3.01 m+φ318.0 mm穩定器×1.55 m+φ203.2 mm無磁鉆鋌1根+φ203.2 mm鉆鋌6根+隨鉆震擊器+φ203.2 mm鉆鋌1根+φ139.7 mm加重鉆桿15根+φ139.7 mm鉆桿+φ149.2 mm鉆桿。

2.5.2 基于鉆壓分析的鉆頭研制及鉆井參數選擇

復合鉆進鉆頭在不同鉆壓下的側向力如圖4所示。

圖4 鉆壓與鉆頭側向力的關系曲線Fig.4 The relationship curve between the WOB and bit lateral force

從圖4可以看出，隨著鉆壓增大，鐘擺鉆具組合的降斜力逐漸減小，而單彎螺桿鉆具的復合降斜力卻隨之增大，且遠大于鐘擺鉆具組合的降斜力，這說明預彎曲動力學防斜降斜技術比鐘擺鉆具更有利于釋放鉆井參數，防斜打快效果更好。

川深1井所在區塊鄰區雷口坡組—長興組地層采用φ13.0 mm切削齒六刀翼PDC鉆頭鉆進時，機械鉆速低。因此，研制了φ19.0 mm主切削齒、φ16.0 mm副切削齒復合片的KM1652ADGR五刀翼PDC鉆頭，配合預彎曲鉆具組合鉆進。預彎曲動力學鉆具復合鉆井參數為：鉆壓80～120 kN，頂驅轉速50 r/min，排量42 L/s，泵壓22～24 MPa。

3 現場施工及效果分析

川深1井超深井鉆井提速關鍵技術的應用，很好地解決了該井鉆遇的各種鉆井難題，減少了井下故障，提高了機械鉆速。同時，該井大量采用了國產鉆具，縮短了起下鉆時間，減少了鉆頭使用量，取得了很好的經濟效益。

3.1 一開井段

一開φ660.4 mm井眼，20.00～910.00 m井段采用空氣泡沫鉆井技術，未發生井下故障，平均機械鉆速5.67 m/h，較設計值提高3.1%，與常規鉆井相比，機械鉆速提高4倍以上，提速效果很好。

3.2 二開井段

二開910.00～2 318.10 m井段采用氣體鉆井技術3趟鉆完成，平均機械鉆速10.63 m/h，提速效果顯著；2 318.10～2 909.30 m井段采用旋沖鉆井技術，平均機械鉆速2.11 m/h，較閬中1井同層位采用牙輪鉆頭的鉆速提高了129.35%，較馬深1井采用“進口PDC鉆頭+螺桿鉆具”的鉆速提高17.22%，提速提效顯著。

3.3 三開井段

三開φ320.7 mm井眼4 548.86～6 248.50 m井段為雷口坡組三段—長興組地層，采用預彎曲動力學防斜打快技術，平均機械鉆速4.06 m/h（見表3），較設計的三開鉆速提高了114.4%，較鄰區塊類似井機械鉆速提高了120.0%，提速效果明顯。

表3 預彎曲動力學防斜打快技術鉆井技術指標Table 3 Technical indicators of the pre-bending dynamics deviation control

3.4 四開井段

四開φ241.3 mm井眼6 885.00～7 359.11 m井段為棲霞組—洗象池群組地層，采用預彎曲動力學防斜打快技術，鉆至井深7 228.40 m后為取心卡層控時鉆進，平均機械鉆速達到4.09 m/h（見表3），較馬深1井同層位機械鉆速提高31.51%。在實鉆過程中配合應用MWD，起到了很好的防斜效果，最大井斜角僅為0.79°，與鄰區馬深1井對應層段的最大井斜角5.74°相比，防斜打直效果明顯。

四開φ241.3 mm井眼7 359.11～7 506.00 m井段為陡坡寺組地層，采用“PDC鉆頭＋國產旋沖螺桿鉆具”技術，平均機械鉆速2.41 m/h，較馬深1井陡坡寺組機械鉆速提高了161.96%，并減少6趟起下鉆、少用6只鉆頭。7 518.27～7 625.00 m井段（滄浪鋪組地層）采用“孕鑲金剛石鉆頭+高速長壽命螺桿鉆具”，平均機械鉆速0.67 m/h，單只鉆頭進尺是馬深1井的3.3倍，大幅度減少了起下鉆時間。

4 結論及建議

1）針對超深井上部井段原始地層坍塌密度低于氣體鉆井臨界坍塌密度的工況，采用氣體鉆井和泡沫鉆井技術，可大幅提高機械鉆速。針對超深井常規泡沫鉆井液體系存在抑制性不足、易造成井眼坍塌引起井下復雜情況的問題，研制了抑制泥巖水化膨脹的泡沫鉆井液體系。

2）針對超深井深部地層破巖時效低的問題，采用了旋沖鉆井技術和“孕鑲金剛石鉆頭＋高速螺桿鉆具”復合鉆井技術，并選用了高轉速螺桿鉆具，輸出扭矩大于4 kN·m，能滿足硬地層鉆進需要，在孕鑲金剛石鉆頭局部設計楔形切削齒、后排用齒形致密孕鑲塊，可延長鉆頭使用壽命。

3）對于預彎曲動力防斜打快技術，通過優化設計鉆進參數，可實現滑動導向鉆進與旋轉鉆進相結合；采用高于鐘擺極限鉆壓50%以上的鉆壓值，配套高效PDC鉆頭為核心的深部難鉆地層鉆井技術，可有效提高機械鉆速，保證井身質量。

4）井下儲層的位置、產量大小難以準確預知，還有井下異常高溫源的溫度、位置以及各井可燃氣體的成分，目前都不能進行準確預測，建議就這方面的問題進行科研攻關。