順北油田含侵入巖區域超深井安全高效鉆井技術

劉彪 張俊 王居賀 李文霞 李少安

1. 中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院；2. 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室

順托果勒低隆北緣為西北油田分公司探明的重點區塊，其中，奧陶系桑塔木組火成巖侵入體面積約117 km2，自上而下地層存在二疊系火成巖漏失、深部泥巖井壁失穩以及桑塔木組侵入體漏塌同層等問題，前期采用了?120.6 mm井眼完鉆的四級井身結構，配套了井筒穩定與提速技術，應用效果較好。然而，隨著布井方向向斷裂帶兩側與兩翼延伸，井深增加、溫度升高，面臨二疊系裂縫結構更復雜、密度1.85 g/cm3鉆井液未能有效抑制侵入巖坍塌、古生界機械鉆速低以及?120.6 mm井眼MWD儀器故障率高等新的問題。為此，筆者在分析地層特征基礎上，擴大了井眼尺寸，研制了新型的井筒防塌、防漏鉆井液配方及輔助處理措施，優化了超深短半徑水平井軌跡與鉆井工藝，并試驗了分層提速技術，現場應用6口井，平均鉆井周期縮短26.5 d，為實現該區安全高效鉆井提供了技術支撐。

1 主要鉆井難題

1.1 二疊系漏失堵漏耗時長

二疊系火成巖裂縫發育、壓力敏感、易漏，前期針對縫寬小于2 mm，采用隨鉆防漏、堵漏漿鉆進以及橋漿承壓堵漏［1］3種方式，漏失井數量由100%降至40%。隨勘探區域擴大，二疊系火成巖縫寬跨度高限由毫米級別增至厘米級別，密度1.25 g/cm3鉆井液鉆遇裂縫瞬時漏失量達50 m3/h以上，承壓堵漏期間，在誘導壓力作用下，張開縫與天然閉合縫形成復雜縫網，加劇了堵漏難度，3口井漏失量達1 632 m3，耗時32.5 d，堵漏42井次成功率僅10%。

1.2 高密度鉆井液未能有效維持井壁穩定

奧陶系桑塔木組局部發育火成巖侵入體，埋深6 600～6 900 m，長石含量82.5%、黏土含量4.5%；地應力狀態為走滑應力場，最大、最小水平主應力梯度2.56 MPa/100 m、1.62 MPa/100 m；微裂縫縫寬90～420 μm。為抑制井壁失穩鉆井液最高密度1.85 g/cm3，仍出現間斷性小漏，并返出片狀掉塊40 mm×30 mm。從5口井井徑對比看，鉆井液密度1.80～1.85 g/cm3，侵入體井徑擴大率55%，表明高密度鉆井液緩解了憋卡，未降低井徑擴大率。分析認為坍塌的主控因素：(1)坍塌壓力高，地層揭開瞬時應力釋放大;(2)基于Griffith強度準則［2］，高密度鉆井液侵入巖石裂縫內部，出現水力劈裂［2］作用，導致應力支撐與巖石破壞應力失衡；(3)巖石脆性強，鉆具擾動剝落掉塊。

1.3 古生界地層機械鉆速低

二疊系巖性以英安巖、凝灰巖、玄武巖為主，厚度420～500 m，采用“PDC鉆頭+中速螺桿”，機械鉆速2.1 m/h，單趟鉆進尺132 m，PDC鉆頭崩齒比例80%。石炭系、志留系、奧陶系桑塔木組巖性以泥巖為主，厚度1 700～2 000 m，采用“PDC鉆頭+大扭矩螺桿”，機械鉆速3.8 m/h，PDC鉆頭攻擊性弱、磨損程度低。侵入巖厚度35～60 m，機械鉆速1.05 m/h，受掉塊、可鉆性差影響，下部機械鉆速僅1.24 m/h，PDC鉆頭崩齒、牙輪鉆頭掉齒占比分別45%、65%，3口井鉆頭外徑165.1 mm縮至145.3 mm。

1.4 小尺寸井眼易損壞MWD儀器

國內MWD額定抗溫175 ℃、抗壓172.3 MPa，在順北油田?120.6 mm井眼應用7口井，平均1口井4次故障，在?149.2 mm井眼應用19口井，平均1口井不足2次故障。損壞主要特征：一是工作溫度大于160 ℃，信號傳輸不正常，高溫下探管橡膠扶正套脫落；二是靜液柱壓力大于139 MPa，脈沖和探管外筒易沖蝕、電路板易損壞。

2 高效鉆井技術研究

2.1 井身結構優化

利用Drillworks地層壓力分析軟件［2］對已完鉆井的測井資料、試油、巖性分析與計算，建立了地層三壓力剖面(見圖1)。(1)地層孔隙壓力系數1.04～1.23，屬正常壓力系統；(2)地層坍塌壓力系數0.9～1.58，二疊系、志留系壓力系數1.22～1.30，桑塔木組壓力系數1.30～1.58；(3)地層破裂壓力系數2.0左右，輝綠巖頂部最低1.91，桑塔木組下泥巖段最低1.98。

前期采用井身結構［3］見圖2a，實鉆鉆井液密度大于1.35 g/cm3揭示志留系易漏，為確保鉆井安全，將?193.7 mm套管下至侵入巖之上，再采用密度1.80～1.85 g/cm3鉆井液揭示侵入巖，考慮儲層縫洞發育，應用?139.7 mm尾管下至目的層頂部，再降低鉆井液密度揭示奧陶系儲層。

圖1 地層三壓力剖面Fig. 1 Three-pressure profile

原井身結構弊端，一是由于志留系為薄弱地層，而二開套管下至桑塔木組侵入巖頂部增加了300 m；二是?120.6 mm井眼循環降溫能力與鉆具振動大。

為消除原結構弊端，優化出了新型四級結構(圖2b)：一是表層套管?298.5 mm下至1 999 m，封隔淺部疏松地層；二是技術套管?219.1 mm封隔志留系底部；三是技術套管下至目的層頂部，封隔侵入巖地層；四是四開采用?143.9 mm鉆頭鉆開目的層，裸眼完井。

圖2 含侵入體區域井身結構優化Fig. 2 Optimization of casing program in the areas with intrusive rocks

優化結構存在以下優勢：一是二開井深縮短了300 m，將大尺寸井眼段長縮短，三開小尺寸井眼段長延長，縮短鉆井周期；二是完鉆井眼尺寸由?120.6擴大至?143.9 mm，適用排量10 L/s升至15 L/s，循環降溫8 ℃升至15 ℃，使MWD儀器適用的井筒靜止溫度由168 ℃升至175 ℃；三是沖擊振動監測表明?120.6 mm、?143.9 mm井眼振動半弦波瞬間最大值分別90g、30g，正?？刂普駝又敌∮?0g儀器受損概率由85%減少至25%；四是?143.9 mm井眼相比?120.6 mm井眼，鉆桿接箍位置間隙由6.3 mm升至18 mm，一旦斷鉆具便于處理。

2.2 井筒穩定技術

2.2.1 強化二疊系堵漏技術

針對裂縫寬度小于2 cm，伴生微米、毫米級別裂縫，為進一步提高封堵裂縫寬度范圍，堵漏工藝進行以下優化。

(1)隨鉆堵漏方面，優化配方為“0.5%聚合物凝膠+1%竹纖維+2%瀝青+1%超細碳酸鈣”，該體系引入了聚合物凝膠材料，抗溫達130 ℃不破膠，對不同縫寬自適應強，以抓壁方式縮小縫寬，形成縫網內架橋，配合其他堵漏材料填充，體系抗溫由90～110 ℃提高至100～130 ℃，封堵裂縫寬度從“微米-毫米”提高至“微米-厘米”級別。

(2)承壓堵漏方面，一是以“BZ-STAⅠ和BZSTAⅡ”材料［4］為主，基于不同漏速，配置相應比例的材料與堵漏漿濃度，室內實驗表明，質量分數大于35%，縫寬2 cm，承壓能力可達9 MPa；二是采用抗高溫凝膠堵漏技術，實現成膠時間1～24 h可調，承壓能力＞50 MPa，抗溫＞140 ℃，相比前期的橋漿承壓堵漏，克服了堵漏材料不易進入裂縫、材料抗溫與抗壓能力低的問題。

2.2.2 強化侵入巖防塌防漏技術

為降低井壁失穩，確保安全鉆井問題，優化了3項技術措施。

（1）提高井漿對裂縫的封堵，進侵入體前50 m，一次性加入“3%瀝青類+2%超細碳酸鈣+1%PB-1”，提高體系初始隨鉆封堵性能；視滲漏加大和巖屑尺寸增大，復配1%高軟化點乳化瀝青，強化封堵能力；保證井漿中“瀝青類+PB-1+剛性封堵粒子”總濃度為4%～6%，動態提高地層承壓能力，防止水力“錐進”微裂縫擴展；若封堵材料被篩除，需定期補充。

（2）優化鉆井液性能，提高攜巖效率，基于坍塌壓力分析，優化鉆井液密度1.85 g/cm3降至1.60 g/cm3，控制塑性黏度30～40 mPa · s、動切力5～12 Pa，實現降低環空流動阻力和井壁沖刷能力，滿足片狀巖屑尺寸2 cm×3 cm攜帶出井。

（3）是稠塞洗井，每次起鉆或下鉆到底，以稠塞(漏斗黏度150 s以上)循環清潔井底，密度不低于井漿。

2.3 古生界地層分層提速技術

根據巖石強度參數、機械比能原理分析，針對二疊系火成巖、石炭系—志留系泥巖以及侵入體火成巖地層，考慮井眼尺寸、鉆頭結構、切削方式、鉆井參數及破巖扭矩大小，指導鉆頭與提速工具選型。

2.3.1 二疊系破巖技術

二疊系火成巖抗壓強度75～150 MPa，泊松比0.25～0.35，內聚力8～10 MPa，內摩擦角31～42 °，楊氏模量22～46 GPa，可鉆性級值5～7，破巖扭矩7～11 kN · m，采用“加強型混合鉆頭+ ? 197 mm等壁厚螺桿”破巖工藝。

利用沖擊與剪切破碎相結合的原理，配套等壁厚大扭矩螺桿，工作扭矩10.9 kN · m增至13.9 kN · m，設計全金屬馬達與高級橡膠定子提高螺桿膠芯抗沖蝕能力，抗溫能力達180 ℃。相比早期混合鉆頭，內錐優選13 mm復合片，增加齒穴金剛石保護結構，防掏心；優選梯度處理的錐形齒，增大受力面積；強化牙輪背錐、牙掌掌尖，增強軸承壽命。

2.3.2 “石炭系—志留系”破巖技術

二疊系下部與石炭系—志留系均發育砂泥巖地層，抗壓強度40～120 MPa，泊松比0.30～0.42，內聚力低于9 MPa，內摩擦角31～42°，楊氏模量42～68 GPa，可鉆性級值4～6，破巖扭矩5～10 kN · m，采用“尖圓齒PDC鉆頭+等壁厚螺桿”［5］破巖工藝。

針對砂泥巖地層塑性強，鉆頭吃入不深的問題，設計了5刀翼、外徑16 mm雙排尖圓齒PDC鉆頭。該鉆頭具有以下特點：(1)主切削齒為尖齒與圓齒交替分布，尖齒優先吃入地層預先破壞地層應力，圓齒二次剪切破巖，提高破巖效率；(2)為提高尖齒抗研磨性，設計了抗高溫復合片，加厚2～3 mm；(3)保徑齒單排優化為雙排，增加布齒2顆，呈螺旋分布，提高排屑效率。

2.3.3 奧陶系桑塔木組高效破巖技術

侵入巖段以火成巖為主，侵入巖之上與之下均以灰質泥巖為主，地層抗壓強度40～195 MPa，泊松比0.20～0.35，內聚力低于6～10 MPa，楊氏模量30～58 GPa，可鉆性級值4～8，破巖扭矩5～10 kN · m，采用“防卡尖錐型PDC鉆頭+ ? 150 mm等壁厚螺桿”破巖工藝。

優選高抗研磨PDC鉆頭，該鉆頭選用5刀翼、外徑13 mm雙排齒，以斧型齒與stinger尖錐齒破巖，具有如下特點：(1)stinger齒降低硬地層應力，斧型齒犁削破巖，提高效率；(2)鉆頭頸部設計倒錐齒和圓錐齒，重復切削掉塊；增大排屑槽面積，增加上返流速；(3)小外圓接頭，增大環空間隙；保徑末端呈倒圓角，減小起鉆阻力；(4)延長鉆頭冠部拋物線長度，增加布齒1顆，提高抗研磨性；(5)采用螺旋形布齒方式，主切削齒側翼設計2顆保護齒孔，降低沖擊載荷與提高鉆頭保徑。

2.4 超深井定向鉆井技術

(1)剖面優化。短半徑井眼，垂距僅90 m，若工具造斜能力低，不利于中靶，將單增剖面優化為雙增剖面，井眼曲率由22 (°)/30 m優化為 “26 (°)/30 m+10 (°)/30 m”，最大井斜角由90°優化為85°，降低了入靶點控制難度。

(2)螺桿優選。尺寸由95 mm增至120 mm，一是螺桿彎度1.5～2.5°，模擬計算造斜率12～32 (°)/30 m，滿足井眼曲率要求；二是工作扭矩1 440 N · m增至2 380 N · m，提高破巖效率；三是純鉆壽命由30 h增至70 h，降低起下鉆趟數。

(3)定向鉆頭優選。第一增斜段應用“4刀翼2牙輪的混合鉆頭”，一是固定刀翼呈“X”型分布與牙輪齒形分布結合，具有10點定位特點，工具面穩定；二是“牙輪+PDC”可預破碎地層，低鉆壓10～30 kN可降低定向扭矩，實現穩定工作。第二增斜段應用“定向PDC鉆頭”，一是設計淺內錐-短外錐的鉆頭冠部，呈20°螺旋保徑結構，降低井壁摩擦力；二是優化不同位置切削齒的后傾角，冠部15°、外圈20°、保徑齒25°，實現受力均衡。

(4)軌跡監測儀器選型。采用APS-MWD無線隨鉆監測儀器，額定抗溫175 ℃，該儀器已在順北油田應用30余口井，工作溫度低于160 ℃工具穩定性好，通過增大井眼尺寸后，提高了循環降溫能力，確保了儀器工作的溫度區間。

(5)定向工藝優化。第一增斜段采用“2.5°單彎螺桿+混合鉆頭”鉆至井斜角50°，段長約60 m，純鉆時間40 h，將高造斜率井段3～4趟鉆降低至1趟鉆完成；第二增斜段采用“1.5°單彎螺桿+PDC鉆頭”滑動或復合交替鉆至入靶點穩斜角85°，段長100 m，純鉆時間45 h；因純鉆時間短，可不用起鉆換鉆具組合，若水平段小于200 m，可實現“第二增斜段與水平段”一趟鉆完成。

(6)鉆具組合優選。底部鉆具將非標?88.9 mm-S135鉆桿優化為標準?88.9 mm-G105倒裝鉆具，提高了鉆具防硫化氫腐蝕能力；上部設計?114.3 mm非標鉆桿，抗拉強度3 100 kN，相比?101.6 mm標準鉆桿提高19%,鉆桿極限深度提高至8 600 m。排量13 L/s時，泵壓23.2 MPa，最低環空返速0.85 m/s，滿足攜巖要求。

3 現場應用

新型四級井身結構及提速技術在X1-11、X1-13、X1-17H等6口井應用后，平均鉆井周期171.2 d，相比優化前平均鉆井周期節省26.5 d，鉆井周期縮短率達13.4%。

3.1 長裸眼井段提速

通過優化鉆井液隨鉆封堵與承壓堵漏技術，配套高效提速工藝，二開平均段長4 652 m，平均鉆井周期61.8 d，機械鉆速6.3 m/h，同比優化前鉆井周期75.7 d，平均機械鉆速5.85 m/h，節省鉆井周期13.9 d，機械鉆速提高7.8%。堵漏周期由10.8 d降至5.2 d，降低幅度達51.9%，單井漏失量由544 m3降至124.4 m3。

3.2 侵入巖井段鉆井指標

鉆井液密度降至1.6 g/cm3，強化鉆井液封堵、攜巖以及井底清潔技術鉆揭侵入體后，三開平均段長765 m，鉆井周期19.4 d，機械鉆速2.8 m/h，同比優化前鉆井周期32.7 d，平均機械鉆速1.24 m/h，節省鉆井周期13.3 d，機械鉆速提高125.8%。平均井徑擴大率25%，其中X1-10H井、X3井輝綠巖井段平均井徑擴大率低于10%。

3.3 超深井軌跡控制技術

優化前?120.6 mm井眼循環降溫8 ℃，優化后?143.9 mm井眼循環降溫15 ℃，實現了工作溫度低于160 ℃；MWD儀器損壞率由平均4井次降低至不足2井次；優化為?120 mm螺桿后，螺桿純鉆時間由43 h提高至72 h，節省定向段3～4趟鉆，縮短周期8～12 d?！?.5°彎螺桿+PDC鉆頭”定向技術，一趟鉆進尺357.6 m，機械鉆速4.31 m/h，提高了115%；X1-17H井創?143.9 mm井眼國內陸上水平井最深紀錄8 220 m。

4 結論與建議

(1)通過地層壓力與復雜特征分析，確定了2個必封點與1個風險點，考慮套管層序、防漏堵漏、防塌技術以及降低MWD儀器故障，縮短了二開井眼長度，放大了各開次井眼尺寸。

(2)非平面齒PDC鉆頭較常規圓齒，攻擊力顯著提高，可進一步推廣應用。

(3)為實現桑塔木組侵入巖優快鉆井，集成隨鉆封堵、高效攜巖以及井底清潔技術措施，將鉆井液密度1.85 g/cm3降低至1.60 g/cm3，并配套高效鉆井提速工藝，提高了鉆井效率。

(4)四級井身結構提速提效成效顯著，尤其針對侵入巖井段已出現質的飛越，沒有對二疊系地層做高承壓工作，導致固井質量差，針對產油壽命較長的井，可能為套管穿孔埋下隱患。下步仍需進一步優化防漏堵漏工藝，提高固井質量，保證井筒完整性。