張俊，徐珊，張進(jìn)雙，孫連忠，徐江

（1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

巴楚隆起夏河區(qū)塊風(fēng)險探井鉆井優(yōu)化設(shè)計

張俊1，徐珊2，張進(jìn)雙3，孫連忠3，徐江3

（1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

夏河區(qū)塊位于新疆塔里木盆地巴楚隆起，夏河1井是中國石化部署在該區(qū)塊的第1口風(fēng)險探井，目的層為寒武系鹽間灰?guī)r和鹽下白云巖。該區(qū)塊地層巖石可鉆性差，易蹩跳鉆、斷鉆具，機(jī)械鉆速低，深部地層易井斜，裂縫性地層易井漏，鹽膏層存在鉆井液鈣侵污染等。鄰近地區(qū)鉆井周期長，鉆井復(fù)雜情況及故障多發(fā)，安全鉆井技術(shù)難點(diǎn)多。為實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井，基于工程地質(zhì)特性和鄰區(qū)完鉆井技術(shù)分析，優(yōu)化設(shè)計了夏河1井井身結(jié)構(gòu)、分層段鉆頭型號、鉆井液體系，制定了古生界鉆井提速、井斜控制、裂縫地層防漏堵漏、抗鈣侵鉆井液等針對性技術(shù)措施，為安全、高效成井創(chuàng)造了條件。

鉆井優(yōu)化；鉆頭優(yōu)選；抗鈣鉆井液；夏河1井；巴楚隆起

0 引言

塔里木盆地巴楚隆起北部的夏河區(qū)塊東鄰阿瓦提坳陷，東北接柯坪隆起，在前震旦變質(zhì)巖基底上沉積了新元古界震旦系和古生界寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系以及新生界，缺失中生界和古近系地層［1-2］。為深化夏河區(qū)塊油氣成藏條件認(rèn)識，探索巴楚地區(qū)寒武系早期形成的構(gòu)造圈閉及奧陶系巖溶縫洞型圈閉的含油氣性，推進(jìn)巴楚隆起的油氣勘探進(jìn)程，中國石化在夏河1號構(gòu)造部署了第1口風(fēng)險探井——夏河1井，設(shè)計井深5 650 m，進(jìn)入震旦系22 m完鉆。該區(qū)塊地層古老，巖性復(fù)雜，復(fù)雜情況多，作業(yè)風(fēng)險高，鉆井周期長［3-4］。根據(jù)鄰近地區(qū)完鉆井技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計，方1、和4、康2、巴探5、和田1與瑪北1井的機(jī)械鉆速低（平均1.08 m/h），鉆井周期長（平均545.31 d）。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 古生界地層古老，井眼尺寸大，鉆速慢

上部地層古老，巖石抗壓強(qiáng)度高，可鉆性差，鉆井過程中蹩跳鉆嚴(yán)重。巴探5井鉆進(jìn)過程中蹩跳鉆頻發(fā)，鉆頭斷齒、崩齒嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆頭使用壽命短、鉆井效率低，強(qiáng)化鉆具剛度和使用雙向減振器，仍未能有效緩解跳鉆問題。巴探5井使用100只鉆頭（含取心），平均機(jī)械鉆速僅0.82 m/h，鉆井周期長達(dá)598.5 d。

1.2 奧陶系—寒武系裂縫孔洞發(fā)育，易井漏

方1井從374 m一直到完鉆，井漏65次，漏失鉆井液3 394.00 m3。瑪北1井鉆井過程中在奧陶系蓬萊壩（1次）、寒武系丘里塔格組（1次）、寒武系吾松格爾組（19次）、震旦系蘇蓋特布拉克組（2次）累計井漏23次，漏失鉆井液1 388.05 m3。巴探5井寒武系漏失3次，漏失鉆井液433.00 m3。舒探1井奧陶系、寒武系井漏19次，累計漏失鉆井液1 466.50 m3，累計損失時間214.4 h。

1.3 深部地層軟硬交錯，易發(fā)生井斜

鄰井志留系、奧陶系深部地層井斜超標(biāo)嚴(yán)重。和6井地層軟硬交錯，地層傾角10°～40°，最大井斜角13.64°（井深4 278 m，奧陶系）；采用Power-V糾斜2次，施工井段1 635.26～1 806.00 m，井斜角從5.30°降至2.60°；施工井段2 198.21～2 484.10 m，井斜角從5.10°降至0.50°。巴探5、和田1、方1井的最大井斜角分別為6.18°，7.20°，6.50°。

1.4 寒武系鹽膏層發(fā)育，高鈣鹽水污染鉆井液

鄰區(qū)巴麥區(qū)塊寒武系發(fā)育2套鹽膏層?，敱?井阿瓦塔格組與沙依里克組界面鉆遇高鈣鹽水層（Cl-質(zhì)量濃度為148.0 g/L，Ca2+質(zhì)量濃度為8.3 g/L），鉆井液性能惡化，發(fā)生3次卡鉆故障，回填側(cè)鉆2次。和田1井在寒武系阿瓦塔格組鉆井液密度為 1.80 g/cm3，鉆開 6 757～6 770 m鹽間灰?guī)r段遇高壓含氣水層，Ca2+質(zhì)量濃度最高達(dá)32.8 g/L，鉆井液密度上調(diào)到1.90～2.17 g/cm3，處理鉆井液期間共漏失鉆井液15.60 m3，溢流35次，溢流量合計96.47 m3。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

夏河區(qū)塊上部地層屬正常地層壓力體系，奧陶系裂縫孔洞發(fā)育，易井漏，阿瓦塔格組和吾松格爾組層間交界面發(fā)育高壓鹽水層。結(jié)合方1、瑪北1、巴探5井實(shí)鉆情況和夏河1井地質(zhì)鉆探目的，確定肖爾布拉克組頂部和阿瓦塔格組鹽巖頂部為井身結(jié)構(gòu)地質(zhì)必封點(diǎn)［5］。

為提高機(jī)械鉆速、縮短作業(yè)周期，一開縮小了井眼尺寸，優(yōu)化了中完井深。φ406.4 mm鉆頭設(shè)計鉆深800～1 200 m，下入φ339.7 mm技術(shù)套管，封隔新近系至二疊系庫普庫茲滿組易塌易漏地層，優(yōu)化后鉆頭比鉆壓提高10%，破巖量減少68%。

二開確認(rèn)進(jìn)入阿瓦塔格組鹽膏層結(jié)束，設(shè)計進(jìn)入寒武系中統(tǒng)阿瓦塔格組2 m，工程與地質(zhì)錄井緊密結(jié)合，卡準(zhǔn)鹽膏層層位，φ244.5 mm套管采取直下雙級固井方式；如在阿瓦塔格組未鉆遇鹽膏層，則繼續(xù)鉆進(jìn)至沙依里克組頂面之上5 m結(jié)束二開，避免鉆穿阿瓦塔格組與沙依里克組交界面（可能發(fā)育高壓鹽水層）。

三開根據(jù)吾松格爾組鹽膏層鉆遇情況決定中完井深。若吾松格爾組發(fā)育鹽膏層，則確認(rèn)鉆穿吾松格爾組鹽膏層后結(jié)束，封隔阿瓦塔格組鹽膏層、沙依里克組及吾松格爾組鹽膏層；若吾松格爾組未鉆遇鹽膏層，則視油氣顯示情況確定中完井深。視鹽膏層蠕變情況，采用液力擴(kuò)孔器對φ215.9 mm井眼實(shí)施擴(kuò)孔作業(yè)，要求擴(kuò)孔后確保鹽膏層段井徑不小于254 mm，下入φ184.2 mm厚壁、高抗擠套管封隔鹽膏層。

四開采用φ149.2 mm鉆頭鉆達(dá)設(shè)計井深，設(shè)計先期裸眼完井方式。根據(jù)實(shí)鉆油氣顯示情況，決定是否對φ184.2 mm套管進(jìn)行回接。

夏河1井優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)見圖1，對阿瓦塔格組、吾松格爾組鹽膏層及阿瓦塔格組、沙依里克組界面高壓鹽水層進(jìn)行一個開次單獨(dú)封隔，為該井安全、快速鉆進(jìn)提供了有利條件。

圖1 夏河1井井身結(jié)構(gòu)

3 鉆頭類型優(yōu)選

參考鄰井鉆遇地層巖性和測井處理解釋獲得的巖石力學(xué)參數(shù)剖面，進(jìn)行了分層段鉆頭類型優(yōu)選（見表1）。第四系、新近系地層成巖性較差，砂巖膠結(jié)疏松，屬軟—中軟地層，鋼齒牙輪鉆頭和PDC鉆頭均適用，采用中心噴嘴有效清洗鉆頭，通過敷焊耐磨材料提高切削齒壽命和抗“縮徑”能力。

二疊系火山巖硬度大、裂縫發(fā)育，測井解釋地層巖石抗壓強(qiáng)度50～250 MPa，內(nèi)摩擦角30°～50°，可鉆性級值3～6，地層軟硬交錯，蹩跳鉆嚴(yán)重，易引發(fā)井下振動。本井缺失中生界和古近系地層，埋深較淺，巖石強(qiáng)度較弱，可嘗試選用雙排齒PDC鉆頭，利用恒壓穩(wěn)扭工具提供穩(wěn)定鉆頭工況［6］。

石炭系、泥盆系、志留系以泥灰?guī)r、膏泥巖、中砂巖、細(xì)砂巖、含礫中砂巖和灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖為主，屬中硬—硬地層，地層軟硬交錯，上部泥巖地層巖性較均質(zhì)，可鉆性較好。泥盆系克孜爾塔格組頂部、志留系塔塔埃爾塔格組底部砂礫巖、細(xì)粒石英砂巖層研磨性強(qiáng)，可選用異形齒PDC或牙輪/PDC混合鉆頭提高硬地層破巖能力。

奧陶系桑塔木—鷹山組以灰?guī)r、泥巖為主，屬硬—中硬地層，砂巖段研磨性較強(qiáng)，適于采用多刀翼小直徑切削齒PDC鉆頭；下部蓬萊壩—丘里塔格組白云巖含燧石結(jié)核，地層硬，研磨性強(qiáng)，可鉆性極差，常規(guī)牙輪和PDC鉆頭不適用，推薦采用孕鑲鉆頭或牙輪/PDC混合鉆頭過渡。

寒武—震旦系巖性復(fù)雜，含白云巖、玄武巖、輝綠巖和膏鹽層，且取心層位較多，主要從地層適用性、鉆井安全、地質(zhì)取心和綜合錄井需要出發(fā)，設(shè)計選擇牙輪鉆頭或微芯PDC鉆頭。

表1 夏河1井地層巖性特征和鉆頭類型推薦

4 古生界鉆井提速技術(shù)

一開二疊系開派茲雷克組玄武巖堅硬、易塌，鉆進(jìn)過程中蹩跳鉆嚴(yán)重。從預(yù)防鉆具蹩跳、提高破巖能量、保護(hù)鉆頭入手，優(yōu)選New-drill恒壓穩(wěn)扭工具，較大的輸出扭矩可提高破巖能量；脈沖動力發(fā)生器產(chǎn)生高頻扭轉(zhuǎn)周向沖擊載荷，減少黏滑，保護(hù)鉆頭；減振活塞結(jié)構(gòu)能夠減小軸向沖擊載荷，將鉆壓穩(wěn)定控制在要求范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定鉆頭工況，防止蹩跳鉆、斷鉆具事故。采用φ279.4 mm大尺寸鉆鋌提高鉆具剛度，使用φ139.7 mm非標(biāo)大尺寸鉆桿確保工作排量，以利于發(fā)揮動力鉆具最佳性能。

二開古生界巖性復(fù)雜，地層巖石硬，抗壓強(qiáng)度高。蓬萊壩組、丘里塔格下亞群含燧石白云巖，蹩跳鉆嚴(yán)重，對PDC鉆頭損傷大，造成起下鉆次數(shù)增加，影響鉆井效率。石炭—志留系可采用恒壓穩(wěn)扭工具、扭力沖擊器提速技術(shù)，含燧石結(jié)核白云巖采用進(jìn)口史密斯牙輪鉆頭或孕鑲金剛石鉆頭+渦輪或高速螺桿復(fù)合鉆進(jìn)，同時輔以液力沖擊器施加高頻軸向載荷，提高破巖效率。若鉆進(jìn)過程中蹩跳鉆嚴(yán)重，則接入雙向減振器或水力加壓器，采用滾輪扶正器降低與井壁間的摩阻。多種措施并用，避免縱向跳鉆和鉆柱渦動。

為確保井身質(zhì)量，鉆進(jìn)過程中加強(qiáng)井眼軌跡監(jiān)測，采用0.50°～0.75°大扭矩單彎螺桿+高效鉆頭的預(yù)彎曲防斜打直技術(shù)，可產(chǎn)生較大動態(tài)防斜力（降斜力可達(dá)到鐘擺鉆具組合降斜力的5.94倍），能夠采用更大鉆壓（比鐘擺鉆具組合極限鉆壓提高50%～120%）。采用轉(zhuǎn)盤+動力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)以提高鉆井速度，若井斜有增加趨勢，可下入1.50°～1.75°單彎螺桿鉆具進(jìn)行導(dǎo)向糾斜。

5 裂縫性地層防漏堵漏技術(shù)

奧陶系鷹山組、寒武系目的層發(fā)育溶蝕孔洞、裂縫，易出現(xiàn)井漏、放空等復(fù)雜情況。做好隨鉆防漏堵漏技術(shù)措施，是確保鉆井施工安全和提高鉆井效率的前提。主要措施為以下6點(diǎn)：

1）根據(jù)鄰區(qū)完鉆井資料和隨鉆地層壓力分析，合理選擇鉆井液密度，配合隨鉆封堵措施，防止鉆井液密度過高導(dǎo)致井漏。

2）合理控制并適當(dāng)提高鉆井液黏度和切力，尤其是提高鉆井液靜切力，以防止井漏。

3）控制起下鉆速度，避免大激動壓力誘發(fā)井漏，長時間靜止后，下鉆過程采取分段循環(huán)措施，防止開泵激動壓力過大憋漏地層。

4）全井段做好屏蔽暫堵工作，加足封堵防塌劑，配合封堵材料對地層進(jìn)行封堵，配方為：2%超細(xì)碳酸鈣+（1%～2%）瀝青+（0.5%～1.0%）單向壓力屏蔽劑+（0.5%～1.0%）非滲透處理劑，以減小壓力傳遞。

5）鉆遇漏失地層時盡量不進(jìn)行長裸眼承壓作業(yè)，如采用橋堵靜止承壓施工，保證鉆具位于漏失層上方，防止堵漏作業(yè)過程中發(fā)生卡鉆。

6）發(fā)生大漏或失返性漏失時，可采用抗返吐橋堵或低密度固結(jié)堵漏措施。低密度化學(xué)固結(jié)堵漏（1.35～1.45 g/cm3）采用近平衡堵漏工藝，嚴(yán)格按“平衡堵漏”計算方法確定堵漏施工時的鉆具下入深度和鉆井液頂替量。

6 高抗鈣欠飽和鹽水鉆井液體系

寒武系阿瓦塔格組、沙依里克組和吾松格爾組發(fā)育鹽巖、石膏層和膏質(zhì)泥巖，存在高壓鹽水，鉆井液需具備較強(qiáng)的抗鈣及鹽水污染能力和較好的高密度流變性。針對夏河1井寒武系高鈣鹽水污染問題，設(shè)計采用SMCR-Drilling高抗鈣欠飽和鹽水鉆井液。加入高密度分散劑SMS-19使體系中固相顆粒均勻分散，提高懸浮能力；向井漿中加入高抗鈣降濾失劑SMPFL-C，增強(qiáng)鉆井液抗鈣污染能力。體系配方為：（2%～3%）膨潤土+0.5%ELV-PAC+（0.5%～1.0%）SMPFL-C+5%SMP-3+ 3%SPNH+3%SMNA-2+1%SMS-19+3%QS-2+5% KCl+15%NaCl+1.5%SMJH-1。

該體系在150℃條件下抗鈣能力達(dá)到3.6 g/L，高溫靜置7 d仍穩(wěn)定分散，沉降系數(shù)小于0.540，HTHP失水量小于10.0 mL（見表2）。3.6 g/L鈣鹽污染實(shí)驗(yàn)表明，HTHP濾失量在控制范圍內(nèi)，具有良好的抗鈣及鹽水污染能力。

鉆井液體系轉(zhuǎn)換時，井漿與膠液按比例混合均勻后加入NaCl，KCl，控制Cl-質(zhì)量濃度為100.0～150.0 g/L，密度為1.75 g/cm3。根據(jù)井下實(shí)鉆情況，調(diào)整Cl-質(zhì)量濃度、密度，保證井下安全。采用膠液配方為：水+（0.05%～1.00%）燒堿+（0.05%～1.00%）純堿+（1.2%～2.0%）磺化酚醛樹脂（Ⅲ型）+（1.2%～2.0%）磺化褐煤+（0.3%～0.6%）聚陰離子纖維素+（0.6%～1.2%）抗鈣聚合物降濾失劑。充分利用固控設(shè)備，及時去除井漿中的低密度劣質(zhì)固相，防止井漿黏度升高，增強(qiáng)體系抗鈣及鹽水污染能力［7-10］。

表2 SMCR-Drilling高抗鈣鉆井液體系150℃性能評價

7 結(jié)論

1）夏河區(qū)塊鉆遇地層古老、巖性復(fù)雜、層序多，面臨鉆速慢、蹩跳鉆、易井斜、高壓鈣侵等鉆井技術(shù)難題，安全高效成井面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2）基于工程地質(zhì)特性和鄰區(qū)完鉆井分析，提出了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭類型優(yōu)選、恒壓穩(wěn)扭減振、井斜監(jiān)測與防斜打直等針對性提速提效技術(shù)措施。

3）通過采用隨鉆防漏堵漏技術(shù)和高抗鈣欠飽和鹽水鉆井液體系，可避免裂縫性地層漏失、高鈣鹽水污染等井下復(fù)雜情況，為安全施工和鉆井提速創(chuàng)造條件。

4）建議進(jìn)一步深入開展研磨性硬地層高效鉆頭、超高溫抗鈣鉆井液體系和異常構(gòu)造應(yīng)力帶井筒強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)研究。

［1］RYANEZELL，DOUGLASJ.Design of improved high-density，thermallystable drill-in fluid for HTHP applications［R］.SPE 115537，2008.

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Optimal drilling design of wildcat well in Xiahe Block,Bachu Uplift

ZHANG Jun1,XU Shan2,ZHANG Jinshuang3,SUN Lianzhong3,XU Jiang3
(1.Engineering Research Institute,Northwest Oilfield Company,SINOPEC,Urumqi 830011,China; 2.Research Institute of Exploration and Development,Northwest Oilfield Company,SINOPEC,Urumqi 830011,China; 3.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

Xiahe No.1 well is located at the Bachu Uplift of Tarim Basin,which is the first wildcat well in Xiahe Block.The main targeted formation is Cambrian limestone between the salt beds and subsalt dolomite.The extremely complicated geological condition results in the poor rock drillability,drill bit bouncing,low rate of penetration,well deviation,lost circulation and calcium contamination.The adjacent wells drilled have the problem of long drilling circle and multiple drilling complex condition and failure.Based on the research of engineering geological characteristics and drilled well technology analysis,the casing program of Xiahe No.1 Well was optimized,and the drill bit type and drilling fluid were selected carefully.A series of drilling technical measures were applied,for instance,high efficient rock breaking methods,well deviation control,lost circulation control&plugging, anti-calcium drilling flurry,which contribute to the safe and high efficient drilling operation.

optimal drilling design;bit optimization;anti-calcium drilling fluid;Xiahe No.1 Well;Bachu Uplift

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題“碳酸鹽巖縫洞型油藏鉆井技術(shù)完善與推廣”（2011ZX05049-002）

TE22

A

10.6056/dkyqt201703027

2016-12-17；改回日期：2017-03-06。

張俊，男，1982年生，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井工程技術(shù)研究工作。E-mail：289416250@qq.com。

張俊，徐珊，張進(jìn)雙，等.巴楚隆起夏河區(qū)塊風(fēng)險探井鉆井優(yōu)化設(shè)計［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：417-420.

ZHANG Jun，XU Shan，ZHANG Jinshuang，et al.Optimal drilling design of wildcat well in Xiahe Block,Bachu Uplift［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2017，24（3）：417-420.