克拉蘇構造帶博孜1區塊復雜超深井鉆井完井關鍵技術

殷召海，李國強，王 海，丁永亮，王 雲，劉長柱

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井分公司，天津300450；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司國際工程分公司，天津300450）

克拉蘇構造帶博孜1區塊位于南天山南麓，為巴什基奇克組巨大砂巖體沉積于湖盆環境形成的整裝斷背斜型構造氣藏。隨著對地質構造的再認識和勘探技術的不斷提升，克拉蘇構造帶博孜1區塊巴什基奇克組致密砂巖復雜油氣藏勘探開發取得了突破，探明含氣面積 180km2，預測地質儲量 1500×108m3，目的層埋深 6900.00～7300.00m，成為重要的接替資源[1-2]。2015—2017年，該區塊已完鉆的3口井采用了六開井身結構，平均機械鉆速1.54m/h，平均鉆井周期487d，平均完井周期520d。該區塊鉆井過程中存在機械鉆速慢、井漏、溢流和鹽底卡層困難等技術難點，制約了安全高效鉆井完井[3-5]。

為此，筆者在分析博孜1區塊鉆井完井技術難點的基礎上，優化了井身結構，優選了系列鉆井提速技術，改進了鹽底卡層技術，針對不同地層優選了鉆井液，制定了防漏堵漏和固井等技術措施，形成了博孜1區塊復雜超深井鉆井完井關鍵技術，現場試驗效果良好，縮短了鉆井完井周期，為加快博孜1區塊勘探開發提供了技術支撐。

1 鉆井完井技術難點

博孜1區塊油氣藏埋深普遍超過7000.00m，表層西域組至吉迪克組上部的巨厚礫巖層可鉆性極差，吉迪克組中下部存在高壓水層，庫姆格列木群發育鹽膏層，多套復雜地層易漏失，給安全高效鉆井完井帶來了極大挑戰。分析認為，該區塊主要存在以下技術難點：

1）表層西域組、庫車組和康村組至吉迪克組上部發育有厚度超過5000.00m的礫巖層，礫石粒徑2～8mm，成分為片麻巖、花崗巖和灰巖等，可鉆性差。如B1井和B2井該層段的平均機械鉆速僅為1.45m/h。

2）吉迪克組中下部高壓水層的壓力系數達1.75，且安全密度窗口窄。已鉆井有2口井發生溢流，溢流時鉆井液密度1.50～1.72kg/L；2口井發生漏失，漏失時鉆井液密度1.85～1.88kg/L；庫姆格列木群發育厚達250～400m的鹽膏層，夾含泥巖、白云巖薄層，給鹽底卡層帶來了困難。

3）區塊上部礫石層膠結差，已鉆井在該層段發生8次掉塊卡鉆和20次井漏；鹽膏層蠕變性強，鉆井液密度最高達2.30kg/L；白云巖薄弱夾層承壓能力低、易漏失，有3口井在該層段發生了井漏。因井漏導致固井質量差，鹽膏層以上地層固井合格率64.7%，鹽膏層固井合格率43.5%。

4）目的層巴什基奇克組以致密砂巖為主，水敏性強。室溫測試水敏損害率達到74.4%，130℃高溫下測試水敏損害率為54.0%。

2 鉆井完井關鍵技術

2.1 井身結構優化

博孜1區塊原井身結構為六開井身結構：一開套管下至井深200.00m，封固上部疏松地層；二開套管下至井深2500.00m，封固未壓實礫巖層；三開套管下至井深3600.00m，為揭開吉迪克組高壓水層創造井眼條件；四開套管下至庫姆格列木群鹽膏層頂部，為安全鉆進鹽膏層奠定基礎；五開套管封固鹽膏層；六開儲層專打。

充分考慮地層三壓力剖面、高壓鹽水層和鹽膏層的分布情況[6]，同時結合已鉆井情況，對井身結構進行優化。由于井深3000.00m以深礫巖層壓實程度好，將二開套管下至井深3000.00m；三開套管下至庫姆格列木群鹽膏層頂部，下部的鹽膏層和儲層仍然分別專封專打，減少了一個開次，形成了五開井身結構。

2.2 提速提效技術

2.2.1 鉆井參數優化

排量、轉速、鉆壓是最主要的鉆井參數。大排量可以提高井眼清潔能力，高轉速可以提高機械鉆速和井眼清潔能力，大鉆壓可以提高機械鉆速。在以提高鉆頭壓降和比水功率為基礎，避免鉆具形成渦動和鉆具疲勞的前提下，對排量、轉速、鉆壓等鉆井參數進行優化[7-8]。

為了提高二開φ365.1mm 井眼和三開φ333.3mm井眼的機械鉆速和攜砂能力，通過模擬計算優化了鉆井參數，優化后的鉆井參數：二開φ365.1mm井眼泵壓 25～30MPa，排量 47～77L/s，鉆壓 100～180kN，轉速 80～100r/min；三開φ333.3mm 井眼泵壓 25～30MPa，排量 39～56L/s，鉆壓 120～200kN，轉速 80～110r/min（見表 1）。

表1 鉆井參數優化結果Table1 Optimization results of drilling parameters

2.2.2 鉆頭優選

博孜1區塊表層第四系至吉迪克組發育有巨厚礫巖層，頂部發育的礫巖成巖性差，厚度約為2000m；中部為準成巖過渡段，厚度約為650.00m；下部的礫巖成巖性好，厚度2500.00m左右。針對不同發育特征的礫巖層，分別優選了鉆頭。

礫巖未成巖段和準成巖段的壓實程度低，相對疏松，分析認為可選用抗沖擊性強、長壽命牙輪鉆頭（如VM-28GDXO系列、T44系列的牙輪鉆頭）進行提速。在鉆壓和鉆柱旋轉的共同作用下，牙輪鉆頭牙齒吃入巖石的同時會產生一定的滑動，從而剪切礫巖層，將相對疏松的小礫石從井底剝離，再配合大排量將礫石攜帶至地面。

礫巖成巖段的上部研磨性強，采用常規PDC鉆頭或牙輪鉆頭鉆進該層段，單只鉆頭進尺106.00m，機械鉆速僅為0.94m/h。因此，選用孕鑲金剛石鉆頭。該鉆頭胎體內部包鑲著金剛石顆粒，抗研磨性超強，鉆進時胎體磨損，金剛石顆粒不斷出露自銳，可高效切削工作面巖石。

根據礫巖成巖段下部的特點，設計了一種抗研磨性強、減振效果更好的異形非平面切削齒，其切屑面為呈120°凸脊的3個斜面，使其與地層接觸方式由平面接觸變為三維非平面接觸（見圖1）。異形非平面切削齒PDC鉆頭的設計與常規平面切削齒PDC鉆頭基本相同，優化了布齒密度和切削齒倒角等參數，布齒時將其中一條凸脊置于切削刃位置，作為鉆頭切削地層的工具線[9-10]。

圖1 非平面切削齒的結構Fig.1 Non-planar cutter structure

2.2.3 渦輪提速技術

如上所述，選用孕鑲金剛石鉆頭鉆進礫巖成巖段上部，分析認為，該鉆頭與渦輪鉆具配合使用可獲得最佳的提速效果。渦輪鉆具能將鉆井液的高壓液能轉化為鉆頭高效破巖的機械能，隨著技術的發展，已經形成了中速至高速系列化渦輪鉆具，轉速在 800～2000r/min，且適應地層的能力越來越強，穩定性、可靠性越來越好[11]。

2.3 鉆井液優選

鹽膏層埋藏深度一般超過6000.00m，層厚250.00～400.00m，易蠕變縮徑造成阻卡；且存在高壓鹽水層，易發生溢流[12]。選用高密度KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液，配方為2.0%膨潤土粉+0.7%燒堿+6.0%磺化酚醛樹脂+6.0%磺化褐煤樹脂+4.0%氯化鉀+22.0%氯化鈉+2.0%乳化瀝青+3.0%潤滑劑+重晶石；膠液配方為清水+0.5%燒堿+6.0%磺化酚醛樹脂+4.0%褐煤樹脂+5.0%氯化鉀。鉆進期間補充膠液及膨潤土漿進行維護；利用四級固控設備最大限度除去鉆井液中的有害固相；加足潤滑劑，以確保鉆井安全[13-14]。

目的層巴什基奇克組的巖性為致密砂巖，微裂縫發育，且水敏性強。因此，選用油基鉆井液，配方為40.0%～55.0%0#柴油+2.0.%～4.0%增黏劑+2.0%～4.5%氯化鈣水溶液+2.0%～3.0%主乳化劑+2.0%～3.0%輔乳化劑+2.0%～3.0%降濾失劑+2.0%～3.0%防塌封堵劑+2.0%～4.5%生石灰+加重劑。該鉆井液能夠降低水敏對儲層的傷害，并具有較好的封堵防塌性。

2.4 防漏堵漏技術措施

控制漏失的主要技術思路是 “立足于防、防堵結合” ，鉆進上部欠壓實礫石層和鹽膏層內白云巖段之前，適當提高鉆井液的黏度和切力，并加入KGD-2+KGD-3隨鉆防漏材料。

一旦發生漏失，首先停止鉆進，降低排量，觀察漏失情況，判斷漏層位置和漏速大小，為配制堵漏鉆井液和選擇針對性技術措施做準備。漏速為5～10m3/h，加入 2.0% 粒徑 0.20～0.50mm 的堵漏劑+2.0%粒徑0.10～0.20mm的堵漏劑進行隨鉆堵漏；漏速為10～30m3/h，則以井內鉆井液為基礎，加入3.0%粒徑0.30～0.70mm的堵漏劑+2.0%粒徑0.10～0.30mm 的堵漏劑+2.0% 粒徑 0.05～0.10mm的堵漏劑，混合后進行隨鉆段塞堵漏；若段塞堵漏不成功，或鉆遇地層漏速超過30m3/h時，以井內鉆井液為基液，添加體積分數15%～30%的BZ-STA配制堵漏鉆井液，停鉆堵漏。

2.5 固井技術措施

博孜1區塊地層較為復雜，難以保證全井固井質量達到優良以上。因此，鹽上固井應優先確保管鞋處的固井質量，鹽膏層固井也要優先確保管鞋和喇叭口處的固井質量[15-18]。

2.5.1 鹽上地層固井技術措施

首先進行充分循環，保證井底清潔，調整好鉆井液性能，鉆井液動切力小于8.0Pa，進行水泥漿與鉆井液的相容性試驗，以保證兩者的相容性。管鞋以上500.00m井段2根套管加裝1只套管扶正器，重合段3根套管加裝1只，其余井段5根套管加裝1只。隔離液及領漿過管鞋至吉迪克組時，環空返速不小于1.20m/s，以確保頂替效率。

2.5.2 鹽膏層固井技術措施

為提高固井質量，重合段1根套管加裝1只套管扶正器，裸眼段2～3根套管加裝1只；隔離液用量為裸眼環空體積的2～3倍，且隔離液流性指數n≥0.8，稠度系數K≤0.3Pa·sn；替漿施工前期環空返速不小于1.0m/s，隔離液和部分領漿過高壓水層100.00m后適當降低排量；采用逐步憋壓方式候凝，前期壓力不大于環空摩阻和地層承壓能力兩者之最小值，以保證全過程壓穩。

2.6 鹽底卡層技術

鹽底卡層的準確性會影響下一開次鉆進的安全，每年都有因卡層不準確造成的井下復雜情況，甚至井眼報廢。博孜1區塊庫姆格列木群發育厚250.00～400.00m的鹽膏層，夾含泥巖、白云巖薄層，采用常規技術不容易卡準鹽底。因此，該區塊卡鹽層時，要加強與鄰井的地層對比，利用元素錄井技術[19]，并結合小鉆頭試鉆技術，識別出鹽底標志巖性組合的準確界線，提高鹽底卡層的準確率。

綜上所述，針對克拉蘇構造博孜1區塊的地質特征，優化了井身結構，優選了系列鉆井提速技術和鹽膏層與目的層的鉆井液，制定了防漏堵漏技術措施和固井技術措施，提出了組合式鹽底卡層技術，形成了博孜1區塊復雜超深井鉆井完井關鍵技術。

3 現場試驗

3.1 總體試驗情況

2018—2019年，復雜超深井鉆井完井關鍵技術在克拉蘇構造博孜1區塊4口井進行了現場試驗。礫巖未成巖段和準成巖段應用優選的三牙輪鉆頭進行鉆進，平均機械鉆速由 1.78m/h 提高至 2.79m/h，同比提高了56.7%；礫巖成巖段的下部應用異形非平面齒PDC鉆頭進行鉆進，平均機械鉆速提高至2.44m/h，提高了 78.9%，平均單只鉆頭進尺 368.00m，提高了114.0%；渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭復合鉆進，平均機械鉆速2.70m/h，提高了104.2%，平均單趟鉆進尺230.40m，提高了138.0%。現場試驗的4口井全井段平均機械鉆速為2.07m/h，與2015—2017年完鉆井相比提高了34.4%，平均鉆井周期縮短了 131d，平均完井周期縮短了 141d（見表 2）。下面以B1103井為例詳細介紹試驗情況。

3.2 B1103 井試驗情況

B1103井采用了五開結構井身結構，井身結構如圖2所示。該井區發育巨厚礫巖層、厚鹽膏層和高壓鹽水層，礫石層上部膠結差易掉塊井漏，鹽膏層易蠕變縮徑且夾雜的白云巖薄弱層承壓能力不足，嚴重影響了機械鉆速。為了提高機械鉆速，縮短鉆井周期，該井試驗了克拉蘇構造博孜1區塊超深井鉆井完井關鍵技術，該井最終完鉆井深7242.00m，鉆遇礫巖層厚度 5608.00m，鉆遇鹽膏層厚度 333.00m，平均機械鉆速 2.25m/h，鉆井周期345d，完井周期 368d。

二開鉆進礫巖層未成巖段和準成巖段時采用了長壽命的VM-28GDXO牙輪鉆頭，機械鉆速2.98m/h，同比提高了68.2%。鉆進中加入2%～3%KGD-2+1%～2%KGD-3進行防漏，出現井漏3次，通過停鉆降低排量判斷漏速，采取針對性的堵漏技術措施，漏失復雜時間由5d縮短為2d，大幅度提高了鉆進效率。

表2應用新技術后的鉆井完井指標統計結果Table2 Statistical results of drilling and completion indexes after application of the new technologies

圖2 B1103 井的井身結構Fig.2 Casing program of Well B1103

三開 3007.00～4520.00m 礫巖成巖段上部研磨性強，應用了渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭復合鉆井技術，平均機械鉆速2.52m/h，同比提高了116.0%，單只鉆頭進尺294.00m，同比提高了178.1%。礫巖成巖段下部 4520.00～5608.00m 井段應用了MV516ILXU異形非平面齒PDC鉆頭，平均機械鉆速3.00m/h，同比提高了97.0%，單只鉆頭進尺429.00m，同比增加了132.9%，創該區塊單只鉆頭進尺最多和機械鉆速最高紀錄。

四開采用密度達2.30kg/L的氯化鉀聚磺欠飽和鹽水鉆井液鉆進鹽膏層，鉆進期間加密測量鉆井液性能，氯離子含量維持在 170000～190000mg/L，以保證鉆井液的抑制能力；同時，加入足量的防塌劑、抗溫降濾失劑，將高溫高壓濾失量控制在10mL以下，利用固控設備改善濾餅質量。鉆井液中加入2%～3%KGD-2+1%～2%KGD-3隨鉆堵漏劑進行防漏，整個開次安全平穩；固井時每3根套管加裝1只套管扶正器，采用了流性指數n為0.9，稠度系數為0.25Pa·sn的隔離液，其用量為裸眼環空體積的2.5倍，固井質量達到良好以上。

五開鉆進目的層時，加強固相控制，振動篩選用100目以上的篩布，除砂器、除泥器連續高效工作，將有害固相含量降至最低。鉆開油氣層前，鉆井液中加入3.0%復配暫堵劑，控制API濾失量小于5mL，濾餅厚度在0.5mm以下；高溫高壓濾失量小于 15mL，濾餅厚度 1.0～2.0mm，使其對儲層傷害降至最低。

庫姆格列木群鹽膏層元素錄井分析結果表明，鉆至鹽膏層底時鈉元素含量由2.47%降至0.50%，氯元素含量由0.21%降至0.05%，鐵元素含量由0.52%升至8.46%，泥巖的元素含量變化符合鹽底泥巖特征。進一步采用小鉆頭試鉆，鉆進1.00m退2.00m循環觀察，最終識別得到的鹽底標志巖性組合界線可精確至0.50m。

4 結論與建議

1）克拉蘇構造博孜1區塊油氣藏埋深大，地質條件復雜，地表至吉迪克組上部發育巨厚礫巖層，機械鉆速低；吉迪克組中下部發育高壓鹽水層，安全密度窗口窄；庫姆格列木群鹽膏層夾含泥巖、白云巖薄層，鹽底卡層困難；地層自上而下有多套薄弱層，漏失頻發，導致固井質量差，給鉆井完井安全帶來了極大的挑戰。

2）針對克拉蘇構造帶博孜1區塊鉆井完井技術難點，通過優化井身結構、優選鉆井提速技術、優化鹽底卡層技術、制定針對性的防漏堵漏技術措施和固井技術措施，形成了博孜1區塊復雜超深井鉆井完井關鍵技術。

3）現場試驗表明，博孜1區塊復雜超深井鉆井完井關鍵技術雖然基本解決了該區塊的鉆井完井技術難點，但還有進一步提速提效的潛力。

4）針對鉆進礫巖未成巖段和準成巖段鉆具振動劇烈的問題，建議試驗應用陀螺穩定鉆具，降低振動對鉆頭的損壞；對于礫巖成巖段，建議試驗混合鉆頭+垂直鉆井工具+大扭矩螺桿復合鉆井技術，進一步提高鉆井效率。