元壩區塊超深井鉆井提速關鍵技術應用

張 敏，丁群洋，曹立明

（中國石化勝利石油工程有限公司西南分公司，四川德陽 618000）

元壩氣田是中國石化川氣東送工程的主力氣田之一，2018 年，元壩7 井在中二疊統茅口組臺緣前灘儲層獲得高產天然氣[1]：實現了從元壩下部找元壩的新突破。為此，先后實施了元壩701 井、元壩8井、元壩702 井、元壩13 井等探井，目的層深入至二疊系茅口組，平均完鉆井深7 500.00 m 左右。元壩超深井地層流體分布復雜，易出現噴、漏、卡等井下故障，嚴重影響了該地區的施工進度[2]。

1 影響鉆井速度的主要因素

元壩構造的超深井主要位于川北坳陷九龍山背斜，為典型低緩構造。地層自上而下為白堊系劍門關組，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、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。其中，白堊系劍門關組–三疊系須家河組地層為陸相沉積，巖性以砂、泥質巖性為主，總厚度約4 900.00 m；三疊系雷口坡組及以下地層為海相沉積，巖性以碳酸鹽巖為主。該地區井深一般為6 800.00～7200.00 m， 井底溫度154.0～156.5 ℃。現階段元壩地區超深井影響鉆井速度的主要因素有：

2 關鍵提速技術

2.1 氣體鉆井

根據鄰井實鉆情況和地質預測，元壩地區的陸相地層厚度達4 865 m，上沙溪廟組底部以上井段主要以空氣鉆提速為主要手段。根據歷年元壩氣田已施工井情況分析（表1），空氣鉆一般鉆達至上沙溪廟組底部的垮塌層（井深3 200.00 m 左右）。

空氣鉆期間，以空氣錘進行防斜打直，盡可能延長空氣錘使用井段，減少測斜次數，提高鉆進時效。元壩工區空氣鉆基本能鉆達上沙溪廟組底部，轉化為常規鉆井液鉆井。上部大段泥巖遇水膨脹，導致井壁垮塌嚴重，造成長井段劃眼。如元壩204 井在轉換泥漿后均出現井壁失穩，出現長時間的劃眼。氣液轉換前，必須提前做好鉆井液與地層配伍性實驗，要求取每個層位的砂樣做鉆井液配伍實驗，若砂樣膨脹厲害需及時調整鉆井液，保證能隨時轉換鉆井液。轉漿過程中，以旋轉噴淋轉漿方式，減少泥漿對井壁的沖刷作用，在保證井壁穩定的情況下，順利完成了替漿施工。

表1 元壩地區部分井的空氣鉆情況

2.2 個性化鉆頭及井下工具優選

空氣鉆轉化為常規鉆井液鉆井后，該開次仍需要1 500.00～1 700.00 m 的陸相地層井段用泥漿鉆井方式來完成[8–10]。由于陸相地層砂泥巖交錯變化大，膠結致密、硬度大、研磨性強，特別是自流井組珍珠沖段、須家河組四段和三段均含有礫石層且須家河組井段普遍石英含量高，鉆頭容易提前失效。元壩區塊多口井自流組井珍珠沖段–須家河組井段，機械鉆速不足1 m/h。陸相地層的自流井組、須家河組均有異常高壓地層且安全密度窗口窄，進一步限制了井下提速工具的使用，造成該井段提速困難。以元壩29 井為例，陸相地層使用鉆頭多達38 只，平均機械鉆速僅為2.08 m/h。對刀翼數量、復合片類型及大小、鉆頭體型等優化后，能進一步提高自流井組珍珠沖段–須家河組高研磨性地層鉆井速度（表2）。如元壩28 井在須家河組使用哈里伯頓的抗研磨PDC 鉆頭（型號FX84D）單趟進尺310.76 m，純鉆進時間477.50 h，平均機械鉆速為0.65 m/h。新型破巖工具（等壁厚螺桿、震蕩螺桿、大扭矩低速螺桿、水力旋沖工具、高速渦輪等）和個性化PDC 鉆頭的使用可有效降低起下鉆次數，提高純鉆進時效。選擇抗研磨性的PDC 鉆頭著力提高鉆頭工作穩定性、提高布齒密度，預防切削齒的異常失效是該井段地層鉆頭選型的關鍵[11–14]。

表2 元壩地區部分井陸相難鉆地層提速工具使用情況

2.3 預彎曲動力學防斜打快技術

元壩區塊地層存在一定傾角，防斜打直是個重點。預彎曲鉆具組合通過預彎曲設置，形成一定降斜力，與地層增斜力相抵消，形成有效的防斜和降斜效果。通過優化穩定器大小和安放位置，配合“5～6刀翼PDC 鉆頭+0.75°～1.00°單彎螺桿”，實現防斜打快[7]。最佳預彎曲鉆具組合為：PDC 鉆頭+雙母接頭+0.75°～1.00°單彎螺桿+短鉆鋌1 根+扶正器+無磁鉆鋌+MWD（圖1）。

圖1 預彎曲鉆具組合結構

2.4 鉆井液提速體系

元壩區塊陸相地層主要采用KCl 有機鹽聚合物鉆井液體系，具有強抑制性、強封堵防塌等特點，可防止井壁出現失穩情況，提高機械鉆速。重點做好空氣鉆轉漿后失穩問題，主要以鉀基聚磺防塌體系配合全油基前置液，使用重稠漿舉砂，極大地縮短了氣液轉換后劃眼到底的時間。對于陸相地層井壁失穩問題，在鉆井液性能上堅持“三強一低”，鉆井液黏度控制在60 s 以上，API 失水不大于4 mL，泥餅光滑致密，HTHP（120 ℃）FL 不大于10 mL，動切力不低于10 Pa，含油量不低于4%。環空流型盡量保持平板型層流，減少對井壁的沖刷。同時做好對泥頁巖層段的抑制和砂巖層段的封堵工作，解決井壁失穩問題。通過KCl 和聚胺復合抑制，有力地防止了泥侵，保證了鉆井液性能長期穩定。

因中部海相地層雷口坡組、嘉陵江組含長短膏鹽層，部分層位含有高壓鹽水層，二疊系以下地層含二氧化碳，同一裸眼井段多壓力體系容易噴漏同存[15–18]。高溫條件下，高密度鉆井液流變性控制難度大。加強高密度鉆井液流變性控制，及時補充聚合物抑制劑，大大提高了鉆井液的抑制性。

進入海相地層后為超高溫耐鹽聚磺潤滑防塌鉆井液體系。選用油溶率較高的瀝青類材料SCL及FT，該類型瀝青類材料經過磺化改進，具有更高的抗溫性，能夠防止高溫糊化。在超深井段遇高溫后能夠乳化成膠狀的瀝青微粒，進入地層微裂縫后能夠有效對空隙進行封堵、粘接，防止其剝落坍塌，同時組織了大量濾液進入地層引起應力垮塌，改善了泥餅質量，增加了潤滑性。

3 現場應用

3.1 元壩701 井提速方案優化

圖2 為元壩701 井井身結構。結合元壩區塊成熟提速經驗和新的提速工具與提速工藝，對提速方案進行優化。

圖2 元壩701 井井身結構

（1）導管段。鉆前施工階段使用旋挖機，旋挖深度50 m 左右，提前預埋導管建立井口，為一開空氣鉆做好準備（旋挖機預埋導管已在川渝地區的多口井成功實施，最大可鉆井眼為φ1 200 mm）。備用方案采用牙輪鉆頭+直螺桿+減震器，采用清水鉆進方式。若鉆遇地表淺水層，可適當加深導管深度。

（2）一開井段。使用牙輪鉆頭配合空氣鉆井為主提速。鉆遇地層出水可能性比較大，應提前做好泡沫鉆的準備工作，減少轉化流程時間，防止井壁因地層出水而發生垮塌。若發現地層出水，立即轉為泡沫鉆井。

（3）二開井段。上沙溪廟組底部以上的地層采用氣體鉆井。空氣鉆首選空氣錘進行防斜打直，備用江漢鉆頭廠產的537 系列牙輪鉆頭。若氣體鉆無法進行，采取噴淋潤濕反轉轉漿方式，使用鉆井液鉆進。

（4）三開井段。地層分為陸相地層（千佛崖組–須家河組）和海相地層（雷口坡組四段、三段）。根據中國石油在雙魚石構造施工經驗，三開井段采用精細控壓鉆井技術，通過優化破巖工具進一步提高陸相地層高研磨性地層鉆井速度。

（5）四開井段。四開地層主要為雷口坡組三段–吳家坪組三段底部。避開主要產層及復雜層，使用高效PDC 鉆頭+大扭矩低轉速螺桿提速鉆井為主，也可采用其他提速工具。針對雷口坡組–長興組巖性特點，選用個性化PDC 鉆頭（“斧型齒”復合片犁削+擠壓切削），主要采用五刀翼PDC 鉆頭為主，以國產PDC 鉆頭，進口PDC 鉆頭為輔助的原則。

3.2 元壩701 井關鍵提速技術

3.2.1 空氣泡沫鉆

元壩701 井一開空氣/霧化鉆井段30.00～703.00 m，機械鉆速4.33 m/h。一開空氣鉆鉆進至101.50 m地層出水，轉為霧化鉆井；二開空氣鉆井段703.00～2 876.00 m，機械鉆速7.15 m/h；鉆至上沙溪廟組底部后，出現接單根困難，轉化為常規泥漿鉆井。元壩701 井二開泥漿鉆進井段2 875.50～3 312.00 m，段長437.00 m，主要采用國產PDC 鉆頭配合大扭矩低速螺桿鉆具組合提速；平均機械鉆速1.29 m/h，具體參數見表3。與鉆井液鉆井相比，空氣鉆井的機械鉆速有很大提高。若空氣/霧化鉆井后期會出現井壁失穩、掉塊等復雜情況，要及時起鉆，簡化鉆具組合，并轉化為鉆井液鉆井方式。

表3 氣體鉆井實鉆鉆井參數

3.2.2 個性化鉆頭及井下工具優選

元壩701 井在三開、四開使用個性化鉆頭，分別采用個性化PDC 鉆頭配合等壁厚螺桿鉆進，混合鉆頭配合等壁厚螺桿鉆進，單趟鉆井進尺達到437 m。特別是鉆遇自流井組底部高含礫的砂巖地層，采用常規鉆具配合牙輪鉆頭鉆進，機械鉆速不足1.00 m/h。使用孕鑲鉆頭配合高速螺桿鉆進，對礫石層提速效果明顯。比如元壩701 井在三開須家河組三段及以下地層，使用PDC 鉆頭（江漢KMD1663DRT）配合等壁厚螺桿，提速效果顯著，單趟鉆機械鉆速達2.02 m/h，創該區塊須家河組機械鉆速最高記錄。

須家河組地層累計使用PDC 鉆頭5 只，另外主要采用3 只牙輪鉆頭配合常規鉆具、1 只孕鑲鉆頭配合高速螺桿將須家河組四段礫石層鉆穿。在須家河組三段使用勝利鉆井院產孕鑲鉆頭配合江鉆產高速螺桿提速鉆進井段4 122.00～4 167.00 m，平均鉆速0.71 m/h，未取得明顯提速效果。在須家河組含礫石層采用PDC+等壁厚螺桿復合鉆井技術，鉆進井段4 167.00～4 405.00 m，平均機械鉆速2.02 m/h，比同井組同層位的平均機械鉆速提高45.32%；比相同層段的元壩7 井須家河組二段平均機械鉆速（1.13 m/h）提高了78.76%；比川深1 井須家河組二段的平均機械鉆速（0.71 m/h）提高了184.5%，提速效果較為明顯。

3.2.3 預彎曲動力防斜技術

由于元壩區塊海相地層絕大部分可鉆性好，為了實現防斜打快目標，在元壩701 井海相地層引進預彎曲防斜技術，通過優選攻擊性強的PDC 鉆頭，配合預彎曲技術提速，在提速及井身質量控制方面均取得了非常好的效果。元壩701 井四開地層為雷三段–吳家坪組，前期使用PDC 鉆頭配合等壁厚螺桿，機械鉆速較高，后因鉆遇氣層，鉆井液密度提高，造成機械鉆速下降。進入吳家坪組地層后，可鉆性差且地層研磨性較強，終止PDC+預彎曲防斜技術的應用。

元壩701 井四開井段共使用鉆頭8 只，其中φ241.3 mm 鉆頭7 只，φ165.1 mm 鉆頭1 只。累計進尺1 743 m，井段4 910.00～6 653.00 m（其中6 631.00～6 653.00 m 井段為φ165.1 mm 電測領眼），純鉆時間642.50 h，平均機械鉆速2.71 m/h，比設計機械鉆速（2.00 m/h）提高了35.50%（表4）。

表4 元壩701 井PDC+預彎曲技術現場應用情況與常規牙輪對比

從表4 看出，使用PDC 鉆頭機械鉆速明顯高于使用牙輪鉆頭鉆速，相比牙輪鉆頭，PDC 鉆頭提速2 倍以上；再配合預彎曲防斜技術，使用MWD 進行實時井斜監控，實現了防斜打快目標。元壩701 井四開中完井深6 631.00 m（電測領眼鉆進至6 652.70 m），最大井斜3.23°/5 225 m，最大全角變化率0.77°/30 m（5300.00～5 325.00 m），四開井底位移161.88 m。由此可見，使用預彎曲技術配合MWD 在實鉆過程中起到了很好的防斜效果。

4 結論與建議

（1）上沙溪廟組底界以上地層采用空氣鉆，非空氣鉆井段采用個性化PDC 鉆頭+井下工具的提速模式，能有效提高元壩區塊超深井鉆井速度。針對超深井深部地層破巖時效低的問題，采用個性化抗研磨性PDC 鉆頭或混合鉆頭，選用高轉速螺桿鉆具，能滿足硬地層鉆井提速的需要。

（2）預彎曲鉆具組合配合MWD 進行監測，能有效控制好井身軌跡，實現井身質量與鉆井速度的平衡。

（3）自流井組珍珠沖段及以下地層的超深難鉆地層仍是元壩區塊提速的黃金井段。孕鑲、復合 PDC 鉆頭、扭力沖擊器、渦輪等高效破巖工具的進一步優化，是突破該井段提速瓶頸的重點與方向。