克百斷裂帶BY1風險探井優快鉆井技術

阮彪，徐小龍，楊洪，曾東初，江民盛

克百斷裂帶BY1風險探井優快鉆井技術

阮彪1，徐小龍1，楊洪1，曾東初1，江民盛2

（1. 新疆油田分公司勘探事業部， 新疆 克拉瑪依 834000； 2. 長江大學石油工程學院， 湖北 武漢 430100）

克百斷裂帶地質構造復雜，裂縫發育，該區探井BY1井鉆遇石炭系、風城組鉆進時存在井漏嚴重，機械鉆速低，可鉆性差和鉆井風險大等問題，給該地區的油氣勘探作業帶來極大的挑戰。為了減少鉆遇復雜頻繁，通過井身結構優化、高效鉆頭、氮氣鉆井高性能鉆井液和垂直防斜打直技術的應用，有效解決了該區塊地質復雜引起的鉆井效率低的問題，并在BY1井進行了現場應用。BY1井采用以上優快鉆井技術后，鉆井周期較鄰井縮短了近40 d，機械鉆速，破巖效率得到有效提高的同時，井漏問題、井下事故的發生次數明顯減少，并形成了一套有針對性的克百斷裂帶風險探井鉆井提速關鍵技術，為該區塊下一步的勘探鉆井作業提供了借鑒依據和經驗。

風險探井；井漏；提速技術；氮氣鉆井

BY1井地處新疆維吾爾自治區克拉瑪依市烏爾禾區，是準噶爾盆地西部隆起克百斷裂帶百口泉斷鼻圈閉內的一口風險探井（見圖1），主要探索準噶爾盆地西北緣克百斷裂帶下盤掩伏構造帶佳木河組的含油氣性。

BY1設計井深5 300 m, 井鉆遇地層復雜，裂縫發育，事故復雜率供，可鉆性差，導致克百斷裂帶鉆井速度普遍較慢，嚴重制約著該地區的勘探開發速度[1]。為實現該區塊的高效率勘探開發，提高鉆井速度，減少復雜情況發生，縮短鉆井周期，通過分析研究克百斷裂帶地質資料，并結合現場實際鉆井情況，開展了適用于百斷裂帶的提速關鍵技術研究。

圖1 BY1井井位

1 鉆井提速難點分析

1.1 地質情況復雜

BY1井地質分層從上到下依次為吐谷魯群、侏羅系、石炭系、夏子街組、風城組和佳木禾組。石炭系推覆體地層傾角大，厚度1 725 m，自然造斜力強，對防斜打直的要求高。夏子街組為致密層，地層可鉆性極差。佳木河組該區塊至今無井鉆遇，缺乏實鉆資料，壓力系數和地層巖性不確定[2]。

1.2 井漏情況頻發

掩伏帶構造活動強烈，裂縫發育程度高。根據BY1井地質資料看，上部吐谷魯群、侏羅系承壓能力弱，易發生漏失[3]。風城組直劈裂縫發育、極易鉆遇破碎帶，漏失情況頻繁。從已鉆鄰井的漏失情況看，B56井發生多次嚴重井漏，采用1.1~1.22 g/cm3鉆井液鉆進時，井壁常有掉塊出現，造成多次起下鉆遇阻遇卡；BQ1井風城組發生15次井漏，漏失密度1.1~1.22 g/cm3鉆井液共計856.23 m3；BQ2井風城組發生16次井漏，漏失密度1.08~1.14 g/cm3鉆井液共計1 920.58 m3。

1.3 井下事故率大

深部地層鉆井工況惡劣，由井斜、井下沖擊等引起的交變應力導致疲勞破壞，極易發生斷鉆具等井下事故。鄰井鉆進過程中多次發生斷鉆具等井下事故，嚴重影響鉆井效率。

圖2 BY1地震解釋剖面

2 關鍵提速技術

2.1 井身結構優化

針對BY1井地層壓力特征，對井身結構進行優化，如圖3所示，采用四開井身結構。一開采用660.4 mm鉆頭鉆至501 m下入508.0 mm表層套管封隔淺層水及疏松層段。二開444.5 mm鉆頭鉆至2 603 m處，下入339.7 mm技術套管封隔石炭系和二疊系壓力較高層段，預防下部層段可能出現的異常壓力，降低復雜發生危險。三開采用311.2 mm鉆頭鉆至4 202 m處，下入244.5 mm技套封隔不穩定段夏子街組和裂縫發育層段風城組。四開采用215.9 mm鉆頭鉆至5 300 m處，完井回接177.8 mm套管至井口處，下入139.7 mm尾管懸掛器于3 800 m處，封固目的層段。優化后的井身結構完全滿足安全快速鉆井的要求，鉆進時復雜事故發生減少。

2.2 充氮氣欠平衡鉆井技術

風城組及佳木河組可鉆性差的地層，均為巨厚砂礫巖或白云質粉砂巖井段，巖性橫向變化大，均質性差，沒有較為穩定的泥巖段，極易發生井漏。為治理井漏問題，提高機械鉆速，縮短鉆井周期，采用充氮氣欠平衡鉆井技術。充氣欠平衡鉆井是指將一定量的可壓縮氣體通過注氣設備注入到鉆井液中作為循環介質的工藝[4]。

BY1井三開、四開易漏井段采用充氮氣欠平衡鉆井工藝，工藝流程如圖4所示。三開鉆具組合采用Φ215.9 mm牙輪鉆頭＋雙母接頭＋箭型回壓閥2只＋Φ158.8 mm光鉆鋌×7柱＋ Φ127 mm 18°加重鉆桿+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿＋Φ168 mm鉆桿旋塞1只+Φ168 mm箭型回壓閥1只+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿。四開鉆具組合采用Φ215.9 mm牙輪鉆頭＋雙母接頭＋箭型回壓閥2只＋Φ158.8 mm光鉆鋌×7柱＋Φ127 mm 18°加重鉆桿+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿＋Φ168 mm鉆桿旋塞1只+Φ168 mm箭型回壓閥1只+Φ127 mm 18°斜坡鉆桿，總進尺434.74 m, 平均機械鉆速2.38 m/h，鉆進過程均無井壁失穩、井漏等復雜情況，有效應對風城組及佳木河組鉆進易漏問題。

圖3 充氮氣鉆井技術工藝流程

2.3 高效鉆頭應用

BY1井石炭系巖性為灰色砂礫巖，下部為安山巖、玄武巖夾凝灰巖，推覆體地層傾角大，地層可鉆性5~6.5。針對石炭系地層可鉆性差的問題，采用復合鉆頭進行鉆進。復合鉆頭是PDC鉆頭結構和牙輪鉆頭結構的有機組合，結合了牙輪沖擊破巖和PDC鉆頭剪切破巖的特點，復合鉆頭能有效降低鉆進時的扭矩、減少鉆頭鉆進時的橫向振動，提高攜巖效率和鉆進能力，適合于軟硬交錯地層、含礫地層[5]。BY1井使用的復合鉆頭是3PDC固定刀翼+3牙輪相間布置的切削結構（見圖4），3個牙輪采用楔形齒與中高密度相結合布齒方式，有利于減少鉆進時的振動；3PDC固定刀翼以120°對稱交錯分布，采用獨立保徑設計，可以有效提高鉆頭鉆進時的穩定性。BY1井二開采用Φ444.5 mm復合鉆頭，平均單趟鉆進尺370 m, 較相同尺寸其他鉆頭提高近2倍；平均機械鉆速2.34 m/h，較鄰井同層段提高70%，破巖效果顯著，對地層具有良好的適應性。

圖4 現場使用的復合鉆頭

2.4 防斜打直技術

BY1井二開為高傾角大厚度石炭系推覆體地層，傾角40°，推覆體厚度自東南向西北逐漸變厚，地層構造應力集中，自然造斜能力強，可鉆性差。為解決鉆進過程容易發生井斜問題，采用斯倫貝謝公司Power-V垂直鉆井系統。

Power-V垂直鉆井系統是一套全自動化旋轉導向處置鉆井工具,主要由電子控制部分（CU）、機械導向部分（BU）合一個中間輔助部分（ES）組成[6]。CU是Power-V垂直鉆井系統的指揮核心，它由泥漿驅動的發電機、陀螺儀、各種傳感器以及時鐘控制等組成；BU是一個機械式執行裝置，由泥漿導流閥和泥漿伸縮片組成；ES則是一個泥漿濾網。其工作原理是控制部分傳感器自動測量出鉆進時井底井斜角和高邊方位角，當與地面工程師預先設定的底邊工具面不同時，控制軸控制機械導向部分的泥漿導流閥和伸縮片產生側向力，并作用于井壁高邊，從而改變鉆頭切削的方向，使鉆頭的作用力指向低邊，井眼軌跡快速導向垂直方向，實現降斜的目的[7]。

BY1井在1 000 m井深開始采用Power-V垂直鉆井系統，鉆進至2 603.27 m井深處結束，累計進行了9趟鉆，累計應用進尺1 603.27 m，純鉆總時間670.2 h，平均機械鉆速2.37 m/h。Power-V垂直鉆井系統在高傾角石炭系地層應用后，井身質量控制良好。BY1井1 000~2 000 m段井身質量平均井斜1.29°,最大全角變化率0.56°/30 m，最大水平位移10.07 m。2 000~2 603.27 m段井身質量平均井斜2.07°，最大全角變化率2.90°/30 m，最大水平位移14.91 m（見表1）。

本次會議還舉辦了第三屆“易創杯”組織學與胚胎學教學標本制作大賽，參賽標本包括石蠟切片、鋪片標本、整體標本等類型，有HE染色、特殊染色及銀染技術。標本制作大賽為專業同行們提供了一個展示標本制作技能的平臺。45件實驗教學標本中11件作品分別獲一、二、三等獎。

表1 BY1井井身質量

2.5 高性能鉆井液

鄰井復雜主要是井漏，多發生在風城組和夏子街組，漏因多為鉆遇直裂縫和鉆井液密度偏高，漏失量大，防漏堵漏困難。針對井漏頻繁問題，采用強抑制、封堵效果好、低粘切和低密度的鉆井液，實現抑制性、流變性和造壁潤滑性協調統一，提高鉆井效率[8]。

一開礫石層、礫巖井段膠結差易垮塌，井口易竄漏。采用濃度10%左右的高坂含、高粘切和高清潔的“三高”坂土漿增強地層的膠結能力，防止礫巖垮塌。在滲透量大的的井段加大隨鉆堵漏材料，增強封堵和膠結，以避免出現竄漏。確保泥漿具有較強的懸浮帶砂能力和良好的觸變性。

二開侏羅系八道灣組煤層易井漏、垮塌；石炭系推覆體夾片中可能出現高壓；夏子街組地層穩定性差，極易鉆遇破碎帶；周圍注水井引起地層壓力升高可能發生井漏。采用4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH+5% KCl+0.6%~0.8%JT888（SP- 8、MAN101）+ 0.6%~0.8% PMHA-2(MAN104、FA367) + 0.5%NPAN+ 2% SMP-1粉 +2% SPNH+ 3%~5%陽離子乳化瀝青（磺化瀝青粉）+0.2%~0.5% CaO + 0.5%液體潤滑劑 + 0.5%石墨粉+ 2% QCX-1 + 1% WC-1+2%~3%隨鉆堵漏劑+1%膠凝劑+重晶石的鉀鈣基聚磺鉆井液體系，通過大分子聚合物、KCl等復配,強化體系對地層、鉆屑的包被抑制能力。以PMHA-2(MAN104)和KCl加強包被、抑制泥巖水化膨脹，以JT888(SP-8、MAN101)、NPAN等降低濾失量，以磺化瀝青粉（陽離子乳化瀝青、PHT）、SPNH、SMP-1(粉)（RSTF）、低熒光潤滑劑、石墨粉改善濾餅質量，調整流變性和鉆井液的潤滑性。

三開風城組裂縫發育，井漏嚴重，鉆進過程井壁容易失穩。采用4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH + 5% KCl + 0.6%~0.8% JT888（SP-8、MAN101）+ 0.6%~0.8% PMHA-2(MAN104)+0.5% NPAN+ 2% SMP-1(粉)（RSTF）+2% SPNH+ 0.5%低熒光潤滑劑+0.5%石墨粉+3%~5%磺化瀝青粉（陽離子乳化瀝青、PHT）+0.2%~0.5%CaO+2%~3%隨鉆堵漏劑+1%膠凝劑+2% QCX-1+1% WC-1+0.2% ABSN+重晶石的鉀鈣基聚磺鉆井液體系。鉆井液中加入2% QCX-1、1%WC-1，天然瀝青粉（KH-n）的含量穩定3%以上，并且在鉆進過程中隨時補充，確保屏蔽暫堵材料在鉆井完井液中的含量達到設計要求，以形成致密高強度的“屏蔽環”，防止鉆井液對油氣層造成嚴重傷害。

四開佳木禾組采用充氮氣鉆井技術，施工前預先配置好鉀鈣基聚磺置換液體系、足夠的堵漏材料、加重料，調整性能要求。各井段鉆井液主要性能見表2。

表2 各井段鉆井液的主要性能

3 現場應用效果

針對克百斷裂帶地層復雜，井漏情況嚴重，可鉆性差等問題，在BY1井2展開提速關鍵技術研究并得到有效應用，形成了以充氮氣鉆井、高效鉆頭、防斜打直技術等為主的鉆井提速關鍵技術，有效解決了推覆體石炭系井斜、風城組與佳木河組井漏的問題，取得了良好現場效果，可以進行全面的技術推廣應用[9]。

根據現場資料來看，BY1井采用了優化的“四開+尾管懸掛”井身結構，有效封隔了淺層疏松段，風城組、夏子街組易漏層段。三開和四開部分段采用充氮氣欠平衡鉆井技術，進尺434.74 m, 平均機械鉆速2.38 m/h，鉆速提高近50%。石炭系高傾角地層采用Power-V防斜打直技術，平均井斜角穩定在1.5°以下，遠低于鄰井相同井段平均井斜角，使用效果顯著。

二開使用“3牙輪+3PDC”復合鉆頭和史密斯高效牙輪鉆頭，平均單只鉆頭進尺和平均鉆速得到有效提高，鉆井周期縮短至180 d,與鄰井鉆井效率對比見表3。

表3 BY1井與鄰井鉆井效率對比

一開采用高坂含、高粘切和高清潔的坂土鉆井液，有效應對淺層疏松層易跨塌問題；二開、三開采用鉀鈣基聚磺鉆井液體系，井漏情況得到有效改善。

4 結 論

（1）在BY1井采用高性能鉆井液，利用充氮氣欠平衡鉆井技術，不僅提高了鉆井速度，還解決了風城組、佳木河組易漏的問題，宜推廣使用。

（2）復合鉆頭和Power-V垂直鉆井系統在BY1井的成功應用，解決了該井鉆遇石炭系推覆體可鉆性差的問題，同時針對石炭系自然造斜能力強的難題提供了一個可行的方案。

（3）建議進一步展開充氮氣欠平衡鉆井技術的地層適應性研究，開展適用于克百斷裂帶地層的堵漏劑研究與開發，加快多項關鍵技術集成應用，為克百斷裂帶安全高效勘探工作提供技術基礎。

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Optimum Drilling Technology of High Risk Exploration BY1 Well in Kebai Fault Zone

1,1,1,1,2

(1. Exploration Division of PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China; 2. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

Kebai fault zone has complex geological structures and fractures. There were many problems of serious lost circulation, low mechanical drilling speed, poor drillability andhigh drilling risk during drilling the Carboniferous and Fengcheng formationsin BY1well, which brought great challenge to oil and gas exploration operations in the region. The application of well structure optimization, high-efficiency drill bit, nitrogen drilling high-performance drilling fluid and vertical anti-slant straightening technology effectively has solved the problem of low drilling efficiency caused by the geological complexity of the block. After using the above excellent drilling technology in BY1 well, the drilling cycle was shortened by nearly 40 days compared with the adjacent well. The mechanical drilling speed and rock breaking efficiency were effectively improved. At the same time, the number of well lost circulation problems and the number of underground accidents were significantly reduced, and a set of key drilling technology for Kebai fault zone was formed, which could provide reference and experience for the next exploration drilling operation of the block.

risk exploration well; lost circulation; drilling speed improvement; nitrogen drilling

2019-10-23

阮彪（1964-），男，工程師，碩士，2012年畢業于長江大學，現從事鉆井科研管理工作。

江民盛（1995-），男，長江大學石油工程學院在讀研究生，主要從事鉆井工藝研究。

TE242.9

A

1004-0935（2020）01-0104-05