趙洪山 （勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017）

元壩124井超深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

趙洪山 （勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017）

元壩地區(qū)地質(zhì)因素復(fù)雜，存在陸相地層厚度大、砂泥巖互層頻繁、可鉆性差以及自流井組－須家河組地層超高壓、壓力窗口窄等特點，所鉆井普遍存在溢流、井漏、垮塌等復(fù)雜和事故，機械鉆速低，施工周期長。元壩124井是元壩地區(qū)的一口重點預(yù)探井，鉆井過程中先后實踐應(yīng)用了氣體鉆井、控壓鉆井等多項新技術(shù)，創(chuàng)造了元壩區(qū)塊鉆井周期最短、機械鉆速最高等多項記錄。除了我國超深井自身氣體鉆井、控壓鉆井技術(shù)水平較以前有了大幅度提升外，下部陸相地層引進了Smith公司“孕鑲金剛石鉆頭＋渦輪鉆具”技術(shù)、海相地層應(yīng)用了“國民油井抗高溫螺桿＋貝克休斯高效PDC鉆頭”復(fù)合鉆井，顯著提高了機械鉆速，有效縮短了該井鉆井周期。該井平均機械鉆速2．8m／h，鉆井周期253．84d，是目前元壩地區(qū)鉆井周期最短的一口。

超深井；氣體鉆井；控壓鉆井；復(fù)合鉆井；孕鑲金剛石鉆頭

元壩地區(qū)位于九龍山構(gòu)造帶南翼、通南巴背斜帶西南側(cè)、處于川中古隆起的北部斜坡，屬于元壩低緩構(gòu)造帶的主體部分，具有發(fā)育大型礁灘相儲層的沉積背景，是川氣東送工程的重要能源接替陣地。元壩124井作為探區(qū)一口重點預(yù)探井，設(shè)計井深7120m，于2010年4月22日3∶00開始打?qū)а郏刂沟?010年12月31日23∶10三開鉆至7032．49m全井完鉆。全井平均機械鉆速2．8m／h，鉆井周期253．84d，創(chuàng)造了元壩區(qū)塊鉆井周期最短、機械鉆速最高等多項記錄。與之前元壩地區(qū)鉆井指標最好的元壩1井相比，全井平均機械鉆速提高達40%，鉆井周期縮短了42d，為今后元壩地區(qū)的鉆井施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

1 元壩地區(qū)鉆井技術(shù)難點分析

元壩地區(qū)垂向上復(fù)雜地層較多，鉆進過程中地層不穩(wěn)定，易發(fā)生井漏、塌、斜等復(fù)雜情況，鉆井施工難度較大［1～5］。綜合鄰井資料分析，元壩124井鉆井施工主要存在以下技術(shù)難點：

1）劍門關(guān)組地層多存在裂縫性漏層，且多數(shù)井上部有微出水層。

2）上沙溪廟組地層上部的微出水層，其承壓不高，鉆井液密度超過1．90g／cm3時易漏；底部存在垮塌層，空氣鉆井難以實施。

3）自流井組－須家河組復(fù)雜地層有3個特點：①油氣藏多為裂縫性氣藏，鉆遇高壓層泥漿密度2．10g／cm3才能平衡地層壓力，壓力窗口窄，壓井時易出現(xiàn)噴、漏同存；②自流井組與須家河組地層的砂礫巖層可鉆性極差，機械鉆速低、易發(fā)生鉆具和鉆頭事故；③泥巖段不穩(wěn)定，易出現(xiàn)掉塊卡鉆。

4）嘉陵江組地層多井鉆遇高壓鹽水層，對鉆井速度造成了一定影響。

5）雷口坡組、茅口組和棲霞組地層局部有存在高壓氣層的可能。

6）長井段、復(fù)雜壓力體系、復(fù)雜地層條件下鉆井液維護和固井施工難度大。

2 元壩124井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對上述鉆井技術(shù)難題，堅持科學(xué)鉆井的原則，一方面通過優(yōu)化設(shè)計合理的井身結(jié)構(gòu)，針對不同地層特點優(yōu)選出合適的鉆頭類型，以及加強氣體鉆井、控壓鉆井技術(shù)的研究攻關(guān)；另一方面嘗試引進并應(yīng)用國外新技術(shù)新工藝，例如Smith公司渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭、國民油井抗高溫螺桿配合貝克休斯HCD506ZX高效PDC鉆頭復(fù)合鉆井，通過制定合理的施工方案和措施，元壩124井的超深井鉆井取得了不錯的應(yīng)用效果。

2．1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

元壩探區(qū)鉆井普遍較深，鉆探茅口組的井已接近7500m，區(qū)域壓力系統(tǒng)也十分復(fù)雜。2009年7月之前，主要采用的井身結(jié)構(gòu)是“508．0mm＋339．7mm＋273．1mm＋193．7mm＋146．1mm”，各開次下深見圖1“原方案”。該套井身結(jié)構(gòu)存在下面幾個方面的問題［6，7］：①導(dǎo)管下深淺，不能有效封隔疏松表層及地表水，導(dǎo)致導(dǎo)管鉆進過程中發(fā)生多次滲漏，并嚴重影響了下一開次井段空氣鉆的實施；②表層套管下深淺，不能有效封固上沙溪廟組低承壓地層，給二開帶來了極大的風(fēng)險，引起多起故障與復(fù)雜；③技術(shù)套管不能將須家河組、雷口坡組的高壓層位完全封固，導(dǎo)致雷口坡組、嘉陵江組地層均使用高密度鉆進，增加了安全風(fēng)險，同時受密度的限制，許多提速措施難以實施，鉆井速度大受影響，而且極易發(fā)生卡鉆事故。

為此，對探區(qū)井身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，詳見圖1“新方案”，新井身結(jié)構(gòu)增加了508mm、339．7mm套管和273．1mm套管的下深，有效封隔了復(fù)雜層位。同時，新井身結(jié)構(gòu)設(shè)計“留有余地”，如果在嘉陵江組鉆遇高壓層，則可以提前下入193．7mm套管，采用146．1mm尾管完井，使得處理井下復(fù)雜情況的能力得到了提升。

2．2 超深井鉆井新技術(shù)

2．2．1 氣體鉆井技術(shù)

元壩陸相上部地層為白堊系以及侏羅系的蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組地層，地層厚度大，地層巖性不均，以泥巖和石英砂巖為主，巖性多變，巖石堅硬，可鉆性差；但地層相對穩(wěn)定，沒有油氣層，比較適合空氣鉆井［8～10］。白堊系下部地層普遍存在水層，為了保證空氣鉆順利實施，元壩124井導(dǎo)管設(shè)計下深691m，采用泡沫鉆井方式鉆進。表1為適用于元壩地區(qū)的氣體鉆井參數(shù)表。

元壩124井導(dǎo)管井段40～691．00m采用泡沫鉆井，進尺651m，平均機械鉆速4．46m／h，通過合理調(diào)整氣液比、增加供氣量、優(yōu)化鉆井參數(shù)等技術(shù)措施，克服了地層出水后導(dǎo)致的井下復(fù)雜，有效解決了泡沫鉆進過程中的井壁穩(wěn)定性等問題。

一開691．00～3252．68m井段使用空氣鉆井，共使用川石SJT537GK鉆頭2只，平均機械鉆速13．33m／h，并且單只鉆頭最大進尺達到了1698．8m，有效提高了上部大井眼井段的機械鉆速問題?？紤]空氣鉆井安全的需要，主要采用塔式鉆具結(jié)構(gòu)防斜：444．5mm鉆頭＋浮閥＋279．4mm鉆鋌×3根＋831×730接頭＋228．6mm減震器×1根＋228．6mm鉆鋌×6根＋731×630接頭＋203mm鉆鋌×8根＋631×410接頭＋177．8mm鉆鋌×2根＋139．7mm鉆桿。

與元壩1井相比，元壩124井空氣鉆機械鉆速從元壩1井的9．27m／h提高到了13．33m／h，提高了43．8%，提速效果顯著，表明空氣鉆水平較以前有了較大幅度提升，進一步加快了元壩陸相上部地層的鉆井速度。

圖1 優(yōu)化前后元壩地區(qū)的井身結(jié)構(gòu)對比

表1 氣體鉆井優(yōu)化參數(shù)

2．2．2 控壓鉆井技術(shù)

元壩陸相下部地層主要鉆遇下沙溪廟、千佛崖組和自流井組地層，采用常規(guī)鉆井工藝時，鉆井速度慢，同時易出現(xiàn)地層漏失、壓差卡鉆、鉆桿脫扣以及地層孔隙壓力與破裂梯度之間的壓力窗口狹窄而造成的既涌又漏等問題，使非生產(chǎn)時間增多、井控難度加大。

采用液相欠平衡／控壓鉆井技術(shù)，井口安裝旋轉(zhuǎn)控制頭，可以適當降低鉆井液密度，解決井漏或降低漏失程度，在保證安全的前提下盡量減小“壓持效應(yīng)”，提高機械鉆速，如果鉆遇天然氣發(fā)生氣侵時可以在進行壓力控制的情況下邊處理邊鉆進。在自流井產(chǎn)層必須用能夠壓穩(wěn)產(chǎn)層密度的鉆井液近平衡鉆開并鉆完，鉆穿后如果氣層發(fā)育狀況不好，在安全的前提下可以降低鉆井液密度繼續(xù)進行控壓鉆井作業(yè)至須家河產(chǎn)層頂部以上50m。

元壩124井二開鉆進過程中采用低密度、高壓射流噴射控壓鉆井技術(shù)，通過強化鉆井參數(shù)，水眼截面積285．1～339．3mm2，控制泥漿密度1．15g／cm3左右，取得了不錯的提速效果，使用井段3264～3684．11m，平均機械鉆速1．82m／h，比常規(guī)鉆井液鉆井鉆速（元壩1井鉆速0．92m／h）提高了近1倍。

2．2．3 渦輪配合孕鑲鉆頭鉆井技術(shù)

元壩陸相千佛崖～須家河組巖性一般為砂泥巖互層，地層軟硬交錯，可鉆性極差，特別是自流井組底部存在大段礫石層，以及須家河組致密石英砂巖地層，研磨性極強，易造成鉆頭過早磨損。元壩1井在該層段鉆進時平均機械鉆速0．94m／h，機械鉆速最小的0．31m／h，單只鉆頭進尺最低僅為4．59m。機械鉆速慢、單只鉆頭進尺少、起下鉆趟數(shù)多是導(dǎo)致元壩1井全井鉆井速度慢、鉆井周期長的最重要原因。

為了解決陸相下部地層提速瓶頸問題，元壩124井引進并應(yīng)用了“孕鑲金剛石鉆頭＋高速渦輪”復(fù)合鉆井技術(shù)，如圖2所示，共計使用了5趟鉆，進尺1144．76m，平均機械鉆速1．21m／h，取得了不錯的提速效果，為深井、硬地層、大尺寸井眼提高機械鉆速提供了一套全新的模式。其中渦輪鉆具的優(yōu)點：①高能量效率、高性能，轉(zhuǎn)速可以達到1444r／min，是普通螺桿的5倍以上；②工作平穩(wěn)，可以減少因為井下振動引起的損害，如碎齒、胎體斷裂、掉齒等，延長鉆頭壽命；③設(shè)計加工精細，沒有橡膠件，工作壽命長，可在井下工作400～1000h。孕鑲金剛石鉆頭是一種自銳性鉆頭，通過磨削破碎地層，金剛石鑲進鉆頭本體內(nèi)，交疊設(shè)計可以保證鉆頭對井底全接觸，并且金剛石耐磨性高，適合高轉(zhuǎn)速，對須家河組高研磨性地層比較適應(yīng)。

盡管引進國外“孕鑲金剛石鉆頭＋高速渦輪”技術(shù)有效解決了自流井組、須家河組地層的高強度、高研磨性問題，然而經(jīng)對其費用計算，比采用國內(nèi)常規(guī)高效牙輪鉆進多花費了380余萬元。

2．2．4 螺桿配合PDC復(fù)合鉆井技術(shù)

元壩地區(qū)海相主要鉆遇雷口坡、嘉陵江和飛仙關(guān)組地層，地層壓力系數(shù)較低，巖性主要是膏巖、灰?guī)r、白云巖，地層堅硬，巖性單一、均質(zhì)，可鉆性好，非常適合PDC鉆頭的使用［11］。高速螺桿與PDC鉆頭的配合使用與傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)盤驅(qū)動相比，其“低鉆壓和高轉(zhuǎn)速”的特點可以大大提高機械鉆速，縮短鉆井周期，并能有效地控制井斜和減輕對上部技術(shù)套管的磨損。實鉆結(jié)果表明，“PDC＋螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)與常規(guī)鉆井技術(shù)相比機械鉆速能夠提高30．8%，但是存在螺桿壽命短以及與PDC鉆頭不匹配的問題。

圖2 Smith孕鑲金剛石鉆頭與渦輪鉆具

通過優(yōu)選國民油井抗高溫長壽命螺桿鉆具和貝克休斯HCD506ZX高效PDC鉆頭，元壩124井在雷三段－飛二段地層開展了“PDC＋螺桿”復(fù)合鉆進，共使用了3只PDC鉆頭，鉆進井段5124．3～7032．49m，累計進尺1908．19m，平均機械鉆速3．42m／h，與前期該技術(shù)的平均機械鉆速（2．21m／h）相比，提高了54．75%，并且在海相地層（雷口坡、飛仙關(guān)組）機械鉆速相比元壩1井分別提高了97．24%和136．32%，應(yīng)用效果顯著。圖3為國民油井抗高溫高效螺桿結(jié)構(gòu)圖。

圖3 國民油井抗高溫高效螺桿與貝克休斯HCD506ZX PDC鉆頭

3 結(jié)論

1）優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)延長了氣體鉆井井段，提高了大尺寸井眼機械鉆速，同時技術(shù)套管的下深增加，封隔了更多的復(fù)雜層位，有效降低了處理復(fù)雜情況的時間，并且避免了小井眼、小鉆具施工，使得應(yīng)對異常情況的能力大大增強，為新技術(shù)的順利實施創(chuàng)造了條件。

2）控壓鉆井技術(shù)有利于消除鉆井液柱對井底巖石和鉆屑的“壓持效應(yīng)”，可以有效地延長鉆頭壽命，顯著提高機械鉆速，同時避免了因鉆井液漏失而導(dǎo)致的粘卡事故的發(fā)生，能夠保證鉆井施工的安全。

3）渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭使用壽命長，在高強度、高研磨性的自流井組、須家河組地層應(yīng)用，能較大幅度提高機械鉆速和行程鉆速，為深井、硬地層、大尺寸井眼提高機械鉆速提供了一套全新的工藝。

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［編輯］ 蕭 雨

TE24

A

1000－9752（2012）05－0091－04

2011－09－15

中國石油化工股份有限公司項目（G12303－2010－QT－08）。

趙洪山（1980－），男，2002年大學(xué)畢業(yè)，博士，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工藝、油氣井管柱力學(xué)方面的研究。