克拉蘇構造帶超深鹽下大斜度井鉆井關鍵技術

仇常凱 蔣凱 王兵

摘要：克拉蘇構造帶深部地層地質條件復雜，前期多口鉆探斷層帶油氣藏井被迫提前完井。為了提高鉆井成功率，提出了采用大斜度井避開部分斷層，降低事故復雜的鉆井技術思路。結合區域地質特征，分析了超深層鹽下大斜度井面臨的套管必封點不確定性、井眼軌道設計及軌跡控制難、鹽底卡準層位難度大、鹽層大斜度井段套管下入摩阻大等技術難點，基于克拉蘇構造帶膏鹽巖蠕變實驗結果，優化原七開直井井身結構為五開鹽下大斜度井身結構，探索了“旋轉導向+同心擴眼器”BHA 組合在膏鹽層定向鉆井方法，試驗了“常規卡層技術+GLASS 前視技術”鹽底卡層組合形式，分析制定了大斜度膏鹽層套管安全下入關鍵技術措施，形成一套適合于克拉蘇構造帶的超深鹽下大斜度井鉆井關鍵技術。克深A、克深B 等6 口井現場應用表明，該技術可以解決克拉蘇構造帶超深鹽下大斜度井鉆井存在的技術難題，鉆井成功率100%，滿足勘探開發的需求。

關鍵詞：克拉蘇構造；超深井；膏鹽層；大斜度井；井身結構；井眼軌道；鹽底卡層；下套管

中圖分類號：TE245 文獻標識碼： A

0 引言

克拉蘇沖斷帶是南天山南麓第一排沖斷構造，包含克深、博孜、大北等區帶，蘊育有豐富的油氣資源，探明天然氣地質儲量超13 000×108 m3［1］。該構造帶具有逆掩推附體構造特征［2］，天然氣藏埋深超過6 000 m，部分井甚至超過8 000 m，上部地層發育有巨厚礫巖層［3］，地層深部構造運動復雜，深部地層普遍發育有2 套以上斷層/鹽層［4］，膏鹽巖層厚度200～3 000 m，個別井鹽層厚度4 500 m 以上，多具備疊瓦狀構造［5］，給油氣勘探開發和鉆完井工程帶來了巨大挑戰。前期國內專家學者針對該區域技術難題開展了技術攻關，取得了一定的成果。譚鵬等［6］針對塔里木庫車坳陷超深、高壓高溫、復雜壓力系統以及窄密度窗口等極限工程技術難題，通過井身結構優化、鉆井提速、井筒穩定及安全封隔等核心技術攻關，實現了超深井鉆完井整體提速。殷召海等［7］針對克拉蘇博孜1 區塊上部巨厚礫巖層鉆速低、固井質量差等問題，優選了系列鉆井提速技術、制定了一系列防漏堵漏技術措施和固井技術措施，取得了良好的效果。王學龍等［8］針對塔里木克深9 氣田超深井鉆井過程中鉆井周期長、鹽膏層高壓鹽水與薄弱漏層同存、高陡地層防斜難、致密砂巖儲層機械鉆速低等問題，提出了在上部高陡地層應用垂直鉆井工具、膏鹽層應用高密度油基鉆井液、致密砂巖儲層優選360 鉆頭、渦輪鉆具+孕鑲鉆頭等措施，現場應用平均鉆井周期縮短12%，平均機械鉆速提高13%。

該區域鉆探靠近斷層的油氣儲層時地質條件更加惡劣，由于發育多條斷層［9］、多套鹽層［10］，造成井漏［11］、溢流［12］、卡鹽層困難［13］等，上述研究成果不能滿足更為復雜構造儲層鉆探。例如克深X 井發育有3 條斷層、3 套鹽層，井下溢、漏、卡頻發，導致施工408 d 后工程報廢；克深Y 井鉆進295d 后，因膏鹽層事故復雜無法繼續鉆進，被迫提前完井。筆者針對鉆遇多條斷層和多套鹽層、開發靠近深部斷層位置的井位，提出了采用大斜度井避開上部斷層的技術思路，降低鉆井過程事故復雜。鹽下大斜度鉆井工程存在以下技術難題：（1） 該構造帶大部分區域為走滑型應力機制，地應力整體較高，且方位變化大，大斜度井井壁穩定性差，井眼軌道如何設計尤為關鍵；（2） 深部膏鹽層強蠕變易縮徑，且鹽層與儲層段垂距短，需要在膏鹽層段內定向，井眼軌跡控制難度大，垂向地應力介于最大和最小水平地應力之間，卡鉆風險高，需要優選定向工藝與造斜工具儀器；（3） 逆掩推覆構造及斷層影響下，庫姆格列木群膏鹽層重復出現，井深1 800 m 以淺、6 000 m 以深均發育有膏鹽巖層，深部膏鹽層壓力系數2.10～2.30，鹽下目的層壓力系數1.55～1.81，膏鹽層底板泥巖厚薄不一，鹽底卡層困難，若技術套管漏封膏鹽巖段，下一開次將有2 套壓力系統，鉆進風險極大；（4） 常規大斜度井面臨摩阻扭矩大、鉆進效率低、套管下入困難等問題，而克拉蘇構造帶發育巨厚膏鹽層，將會面臨更大的風險。

為了實施克拉蘇構造帶超深鹽下大斜度井，筆者在深入分析大斜度井施工技術難點基礎上，優化了井身結構及井眼軌道，優選確定了“旋導+隨鉆擴眼器”定向技術，改進了鹽層卡層技術，制定了膏鹽層套管安全下入保障技術等，形成了克拉蘇構造帶超深鹽下大斜度井鉆井關鍵技術，成功實施6 口鹽下大斜度井，鉆井成功率100%。該技術已成為區域開發提產穩產的重要手段，對克拉蘇構造帶的勘探開發帶來深遠影響。

1 鹽下大斜度井鉆井關鍵技術

1.1 井身結構設計

區域內原采用直井，井身結構為：一開?609.6mm 表層套管下至200 m 左右；二開?473.08 mm 套管下至1 500 m，封第1 套鹽上地層；三開?339.7mm+ ?365.13 mm 復合套管下至2 500 m 左右，封第1 套鹽層及鹽下砂泥巖層； 四開?244.5 mm+?265.13 mm 復合套管下至4 900 m，封第2 套鹽層；五開鉆至第3 套鹽層頂部，?177.8 mm 套管封承壓低的砂泥巖層、斷層；六開?131 mm 套管封鹽，為儲層專打奠定基礎；七開?104 mm 鉆頭揭開儲層，裸眼完井。若第3 套鹽層以上地層承壓能力高，則上述五開和六開合打，下入?177.8 mm+?181.99 mm套管至儲層頂部，儲層專打，下入?131 mm 尾管。存在主要問題：套管層次多，需6 開備7 開的井身結構；第1 套鹽層蠕變性認識不足，其與上部低壓地層沒能夠設計合打；無法避開第2 套鹽層和第3 套鹽層之間的斷層，溢流、井漏風險極高，會嚴重影響鉆進效率。

為此，提出了采用大斜度井避開斷層的技術思路，可避開1 套斷層，少鉆遇1 套膏鹽層，縱向上由5 個必封點減少為4 個必封點，井身結構設計為五開：一開?558.8 mm 井眼，?473.1 mm 表層套管下至500 m 左右，封固地表疏松層；二開?431.8 m 井眼， ?365.1 mm +?374.7 mm 復合套管下至2 500m 左右，封固相對低壓層，井深1 500～1 800 m 膏鹽層、1 800 m 斷層與砂巖泥巖段合打；三開?333.4mm 鉆頭鉆穿第2 套膏鹽層，深度約4 900 m，下入?273.1 mm+?293.4 mm 復合套管，封蠕變軟泥巖及可能發育的高壓鹽水井段；四開為造斜段，同時通過部署斜井避開斷層，?241.3 mm 井眼下?196.8 mm+?206.4 mm 厚壁套管封鹽，為儲層專打奠定基礎；五開?168.3 mm 鉆頭鉆至完鉆井深，下?131 mm 尾管。

1.2 井眼軌道優化設計

基于逆掩推覆構造影響，克拉蘇構造帶地應力高達130～180 MPa［14］，鹽下大斜度井井壁穩定性差，且儲層上部發育的巨厚復合鹽層易發生蠕變，井眼軌道如何優化設計，對大斜度井鉆井安全至關重要。克拉蘇區域內天然裂縫存在變化性［15］，井眼方位角傾向于交叉垂直天然裂縫走向，單井設計時需要根據地質上提供的相關數據，開展井眼方位的設計；考慮靶點位移及垂向地層厚度分布，造斜點選擇庫姆格列木群泥巖段，井眼造斜率（3°～5°）/30 m；井斜角設計范圍55°～65°；采用雙增軌道剖面，結合確定了鉆探方位、造斜點、造斜率以及井斜角等軌道設計的關鍵參數，完成整個井眼軌道設計。

1.3 旋轉導向+隨鉆擴眼器定向技術

1.3.1 定向工具優選

克拉蘇構造帶超深鹽下大斜度井，鹽層鉆進風險高。旋轉導向系統可以在鉆具旋轉中，實時改變鉆頭的指向或鉆頭側向力進行定向，鉆具所承受的摩擦阻力以及摩擦阻力產生的扭矩均較小。旋轉導向系統有指向式和推靠式兩種，其中指向式旋轉導向系統內部設計有偏置機構、伺服電動機等，偏置機構可以驅使芯軸產生偏向一側的撓度，伺服電動機能夠使鉆頭與鉆鋌反向旋轉并保證偏轉方向不變，從而達到導向鉆進的目的［16］；推靠式旋轉導向系統具有多個推靠塊，通過控制每個推靠塊的液壓力，控制工具導向力的大小和方向，使鉆頭偏離鉆具中心線，實現導向功能［17］。在該構造帶鹽下大斜度井中采用了推靠式旋導系統，提升鹽層段定向鉆進的安全性，降低事故復雜。

1.3.2 隨鉆擴眼技術

為了應對克拉蘇構造帶深部膏鹽層定向鉆進時鹽層蠕變縮徑快［18］、下套管通井時間長等難題，在現有底部鉆具組合中加入隨鉆擴眼器，實現正常鉆進的同時對井眼進行擴大，形成一套隨鉆擴眼技術［19］。隨鉆擴眼器是一種為了應對蠕變地層研發的工具，利用其內部控制系統，通過井口投球激活刀翼，對膏鹽層選擇性擴眼，可實現井眼尺寸由241.3mm 擴大至266.7 mm，給蠕變地層一定蠕變空間，預防縮徑卡鉆，同時降低井底ECD，有利于封鹽套管安全下入。該單項技術在多口膏鹽層直井段取得比較好的應用效果。例如克深Z 井鹽膏層直井段采用隨鉆擴眼技術，鉆具全程起下鉆暢通，相比鄰井作業減少2 趟鉆，工期平均降低4.5 d，同條件下擴眼后的固井最大井底壓力當量鉆井液密度為2.42 g/cm3，循環摩阻降低2.2 MPa，相當于拓展了0.03 g/cm3 的安全密度窗口。

因此，確定了鹽下大斜度井“旋轉導向+隨鉆擴眼器”底部組合：?241.3 mm 鉆頭+旋轉導向+MWD無磁鉆鋌×1 根+?177.8 mm 無磁鉆鋌×1 根+浮閥+?241.3 mm 穩定器+?177.8 mm 短鉆鋌+隨鉆擴眼器+ ?177.8 mm 螺旋鉆鋌×1 柱+隨鉆震擊器+?139.7 mm 加重鉆桿+ ?149.2 mm 斜坡鉆桿。

1.4 鹽底卡層技術

克拉蘇構造帶膏鹽層巖性復雜，鹽底沉積模式不固定，鹽層底部沒有統一的標志層，厚度變化較大且難以準確預測［20］，引入GLASS 地層前視技術輔助卡鹽層。GLASS 地層前視技術能夠綜合利用包括地層電導率、井下流體特性等在內的多種信息，通過反演的手段，對鉆頭前方地層電阻率的差異以及變化趨勢進行識別［21］，可定量判斷鉆頭前方30m 范圍內電阻率的變化，預測鉆頭與前方電阻率變化界面的距離，精度可達到80%。將傳統鹽底卡層技術和GLASS 地層前視技術相互結合，更有利于提高鹽底卡層準確性。克深A 等井應用效果表明，鹽底卡層準確率大幅度提高，由61% 提高到80%，為鹽下大斜度井揭開儲層，保障鉆進安全奠定了堅實的基礎。

1.5 膏鹽層套管安全下入技術

大斜度膏鹽層段鉆進選擇?241.3 mm 鉆頭，上一開次套管為?273.1 mm+?293.4 mm 復合套管，為了提高套管安全下入能力，從以下方面開展了技術優化。一是優選采用隨鉆擴眼工藝技術，對膏鹽層段隨鉆擴眼，給予膏鹽地層一定蠕變空間，降低下套管時遇阻卡的風險；二是采用雙扶BHA 通井鉆具組合通井順暢，套管即可以順利下入；三是采用“高泵壓、大排量、高轉速”策略［22］，泵壓不小于28～30MPa、排量30～33 L/s、轉速80 r/min 時，可實現環空循環返速接近1.0 m/s，配合全裸眼倒劃眼通井工藝，清除大斜度井段巖屑床，修整井壁保證井眼光滑通暢，保證膏鹽層大井斜井段內，?206.4 mm 厚壁套管（鋼級140、壁厚17.25 mm） 能夠順利下入。在克深A、博孜A 等井應用了上述膏鹽層段套管安全下入技術方案，對膏鹽層段井眼隨鉆擴大25.4 mm，變形能模擬分析優選通井鉆具組合，強化鉆井參數，提高攜巖效率，修整好井壁，封鹽層高強度厚壁套管均一次性安全順利下入到位，未出現克深Y 井因套管下入不到位而被迫提前完井的問題。

1.6 現場應用

利用研究形成的超深鹽下大斜井鉆井關鍵技術，在克拉蘇構造帶實施了6 口鹽下大斜度井，鉆井成功率100%（表1），未出現前期類似克深X 等井工程報廢重大問題，已成為區域開發提產穩產的重要手段。

以部署在克拉蘇構造帶的鹽下大斜度井克深A 井為例，依托上述超深鹽下大斜度井鉆井關鍵技術，首先通過充分研究地質構造特征，論證確定必封點，設計五開井身結構（如圖1），最終成功完鉆，完鉆井深7 046 m，鉆井周期278 d。

結合對深部地層的認識，北偏西方向（?45°～15°、135°～195°） 的井壁穩定優于東西方向，而天然裂縫走向集中于90°～130°，利于天然裂縫鉆遇為北偏東方向（0～90°），綜合考慮天然裂縫鉆遇、壓裂改造效果，有利的鉆探方位為北偏東15°方向。天然裂縫主要為北傾，東西走向，高角度縫、直立縫為主，以70°～90°井斜角可垂直穿裂縫，考慮保證井眼能夠穿足夠有利儲層厚度，最終最大井斜角設計為60°，并穩斜至井底。為了降低施工難度，優化雙增軌道剖面，第一增斜段狗腿度設計為5（°）/30 m，第二增斜段狗腿度設計為3（°）/30 m，造斜點井深5 370 m，位于庫姆格列木群中泥巖段。

超深鹽下大斜度井關鍵在于四開?241.3 mm 井眼膏鹽層段的施工。5 370～6 290 m 井段地層庫姆格列木群中泥巖段，優選采用推靠式旋轉導向系統進行造斜。從6 290 m 開始進入膏鹽巖地層，更換BHA 組合為旋導+隨鉆擴眼器，開展定向以及膏鹽層段隨鉆擴眼，保證井眼光滑平整，減少鉆進阻卡，且鉆井漏失明顯減少。

鉆進至6 750 m 時起鉆甩隨鉆擴眼器，采用GLASS 地層前測+旋導繼續鉆進，隨鉆預測鹽底位置。當鉆進至6 771.5 m（垂深6 282 m） 時，返出褐色鹽質泥巖，元素錄井表明6 761.5 m 對應的巖性為鹽層底部之上最后一套鹽質泥巖。啟動GLASS 測井工具進行探測，結果表明6 638～6 735 m 高阻與低阻地層響應關系明顯，解釋鹽層底部垂深6 289.5±1 m。起鉆甩掉GLASS 及旋導，下入常規BHA 組合，穩斜鉆進至6 781.0 m，微鉆時顯著升高，元素錄井與區域鹽底組合特征一致， 氯元素由4.20% 降至0.41%，鎂元素5.71% 增至8.13%，6 680.7～6 681 m巖性為含膏泥巖，巖屑形態符合底板泥巖特征，判斷已鉆揭下泥巖段0.3 m，垂深6 289.1 m，決定中完。

為了確保?206.4 mm 厚壁套管（鋼級140、壁厚17.25 mm） 管串能夠順利下入到位，結合套管管串與通井鉆井組合剛度對比分析。該井先后采用單扶通井BHA 組合、雙扶通井BHA 組合，通井到底后采用排量32 L/s、轉速80 r/min、泵壓31 MPa 施工參數，采用全裸眼倒劃眼通井，清除大斜度井段巖屑床，膏鹽層套管順利安全下入到位。

2 討論與分析

2.1 井身結構設計方法

基于克拉蘇構造帶地層特征的特殊性，首先對鹽巖地層蠕變規律進行了研究探索。通常情況下，鹽巖應變速率由位錯蠕變和壓溶蠕變兩種機制共同控制［23］。為摸清影響克拉蘇構造帶鹽膏層蠕變速率的主控因素，利用現場獲取的復合鹽膏層巖樣，開展室內評價實驗。結合實驗數據，建立了水平應力差、地層溫度對膏鹽層蠕變速率的影響圖譜：水平應力差＜15 MPa，且溫度＜57 ℃ 時，蠕變速率＜0.27×10?4/h；水平應力差達到20 MPa，溫度＞57 ℃ 后，蠕變速率會迅速增加（圖2）。評價分析認為：該構造帶膏鹽層蠕變主要受位錯滑移控制，水平應力差和地層溫度為地層蠕變速率主要因素。

克拉蘇構造帶區域地溫梯度2.1 ℃/100 m 左右，計算井下2 100 m 地層溫度約為57 ℃。結合上述實驗分析認為，克拉蘇構造帶2 100 m 以淺膏鹽層蠕變速度低，可以按照常規地層考慮其井壁穩定性。井深超過2 100 m 后，溫度越來越高，水平應力差增大，膏鹽層蠕變速度高，表現出極強的塑性，需采用高密度鉆井液體系進行抑制。

因此2 100 m 以淺膏鹽層，可以與上部地層合打，減少井身結構層次，同時通過大斜度井的方式避開一套斷層，少鉆遇一套膏鹽層，縱向上由5 個必封點甚至6 個必封點減少為4 個必封點。 通過這種方式，可將原來的六開、七開直井井身結構，優化為五開鹽下大斜度井身結構。

2.2 井眼軌道設計

克拉蘇構造帶曾經施工井均為直井，沒有井眼軌道設計的經驗借鑒。因此結合近幾年的研究攻關，建立了一套超深鹽下大斜度井軌道設計方法。在設計方位角時，要考慮井壁穩定和地層裂縫兩方面的因素，因此方位角既要交叉于天然裂縫走向，提高單井產量，又要盡可能考慮井壁穩定最優方位。結合對區域巖性特征認識，考慮靶點位移及垂向地層厚度分布，造斜點選擇在可鉆性適中、井徑規則且正常壓實的庫姆格列木群泥巖段。綜合考慮封鹽厚壁套管可下入性，以及膏鹽地層內?241.3 mm 井眼造斜能力，將造斜率由（4°～6°）/30 m 優化為（3°～5°）/30 m。井斜角的設計要綜合考慮軌跡盡量能垂直于儲層裂縫面，以提高對儲層的連通性，同時要兼顧地質鉆揭儲層垂距的要求，結合地質特征，最大井斜角設計范圍55°～65°。

2.3 “旋轉導向+隨鉆擴眼器”組合技術方案

克拉蘇構造帶超深鹽下大斜井，鹽層鉆進風險高，螺桿鉆具定向造斜容易形成井眼不規則（如圖3a），且滑動定向時鉆具不轉動［24］，增大鹽層段內卡鉆風險，同時螺桿定向時需要來回擺工具面，定向效率較低。旋轉導向系統可以在鉆具旋轉中，實時改變鉆頭的指向或鉆頭側向力進行定向，形成的井眼軌跡光滑無波動（如圖3b）。隨鉆擴眼器在該區域直井得以成功應用，通過“旋導+隨鉆擴眼器”組合技術方案實施鹽層下大斜井，能夠解決縮徑阻卡、提速提效等各種問題，具有很強可實施性。

2.4 鹽底卡層技術

克拉蘇構造帶膏鹽層巖性復雜，鹽底高鉆時褐色泥巖厚度不一，極易鉆穿褐色泥巖，發生井漏，準確卡準鹽底難度大。基于鹽底位置預測，結合巖性組合、微鉆時、泥巖切削特征、碳酸鹽巖含量與礦物差異、聚鹽元素含量和鹵水特征系數等傳統評價指標，這是傳統鹽底卡層技術［25］。考慮到本構造帶褐色泥巖厚度不一，采用常規技術卡層風險極大，卡層準確與否關系到施工井能否達到地質目的，引入國際上先進的GLASS 地層前視技術輔助卡鹽層，結合傳統鹽底卡層技術形成一套綜合鹽底卡層技術，更有利于提高鹽底卡層準確性。

2.5 膏鹽層套管安全下入技術

大斜度膏鹽層段鉆進選擇的鉆頭尺寸為?241.3mm，上一開次套管為?273.1 mm+?293.4 mm 復合套管，除了采用了前期直井施工中隨鉆擴眼工藝技術之外，模擬通井鉆柱驗證套管的可下入性，以大斜度井使用的?177.8 mm 鉆挺、鉆具扶正器和?206.4mm 套管（鋼級140、壁厚17.25 mm） 相關參數為基礎，分別模擬計算了單扶BHA 通井鉆具組合、雙扶BHA 通井鉆具組合和套管的彎曲變形能，如圖4 所示。理論對比分析認為，雙扶BHA 通井鉆具組合通井順暢，套管即可以順利下入。

鹽膏層大斜度井段巖屑易堆積到井眼低邊形成巖屑床［26］，因此采用“高泵壓、大排量、高轉速”策略［27］，泵壓由24～25 MPa 提至28～30 MPa、排量由25～28 L/s 提至30～33 L/s、轉速由50～60 r/min提至80 r/min，可實現環空循環返速接近1.0 m/s，配合全裸眼倒劃眼通井工藝，清除大斜度井段巖屑床，修整井壁保證井眼光滑通暢，保證?206.4 mm 厚壁套管（鋼級140、壁厚17.25 mm） 下入到位。

3 結論

（1） 采用理論分析、室內實驗等手段，優化形成了一套克拉蘇構造帶鹽下大斜度井開發復雜斷層構造帶油氣藏鉆井技術方案，通過現場試驗驗證了技術方案的可行性，解決了克拉蘇構造帶復雜斷層構造帶油氣藏鉆井關鍵技術問題，同時對其他類似地層構造區塊有很好的借鑒作用。

（2） 鑒于克拉蘇構造帶構造運動復雜，地質不確定性較大，采用大斜度井仍有鉆遇斷層的可能性，建議加強地質工程一體化研究，盡可能準確判斷斷層的位置。

（3） 本研究只針對不超過3 套鹽層的地層，對于發育4 套及以上鹽層的構造帶，仍需要加強研究，優化確定必封點及配套鉆井技術，從而實現目標區域的高效鉆井。