何立成，唐 波

（1.中石化勝利石油工程有限公司，山東東營 257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017；3.中國石化超深井鉆井工程重點實驗室，山東東營 257017）

我國超深層油氣資源勘探開發(fā)進程加快，如塔里木盆地、四川盆地的鉆探深度已達8 500～9 000 m，并實現(xiàn)了超深油氣藏的有效開發(fā)[1-2]。其中，準(zhǔn)噶爾盆地超深層油氣資源仍處于勘探開發(fā)初期，其主要原因在于，受海西、印支、燕山、喜馬拉雅運動對盆地構(gòu)造的改造，深部地層具有壓力體系復(fù)雜、地應(yīng)力復(fù)雜和巖性復(fù)雜等特點，鉆井過程中存在“漏、溢、塌、卡、慢”等問題，導(dǎo)致鉆井周期長、成本高。隨著第一口日產(chǎn)千噸油井（GT1井）誕生和莫南凸起的初步動用，近來年加大了準(zhǔn)噶爾盆地超深層油氣資源的勘探開發(fā)力度，使超深井鉆井技術(shù)取得了長足進步，但井下復(fù)雜情況時有發(fā)生、深部地層機械鉆速仍然較低，仍是制約其超深層油氣資源高效開發(fā)的主要因素。針對該問題，筆者分析了準(zhǔn)噶爾盆地39口超深井（井深超6 000 m）的鉆探情況，剖析了鉆井存在的主要技術(shù)難點及原因，總結(jié)了鉆井的成功經(jīng)驗及存在的不足，提出了準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆井技術(shù)發(fā)展建議。

1 超深井鉆井主要技術(shù)難點

準(zhǔn)噶爾盆地面積13×104km2，油氣資源量超過100×108t[3-4]。該盆地自上而下依次鉆遇第四系（西域組）、新近系（獨山子組、塔西河組、沙灣組）、古近系（安集海河組、紫泥泉子組）、白堊系（東溝組、連木沁組、勝金口組、呼圖壁組、清水河組）、侏羅系（齊古組、頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組）、三疊系（白堿灘組、克拉瑪依組、百口泉組）、二疊系（上烏爾禾組、下烏爾禾組、夏子街組、風(fēng)城組、佳木河組）、石炭系。受盆地構(gòu)造變化大、超深層油氣物源差異大等因素的影響，超深井鉆井井下復(fù)雜和機械鉆速低的原因也不盡相同。

1.1 易發(fā)生井漏和溢流

在準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆探過程中，受地層、壓力、斷層等不確性因素的影響，易發(fā)生井漏和溢流。例如，MS1井鉆至百口泉組以后，發(fā)生20次井漏，共漏失鉆井液1 711.10 m3，主要漏失層位為上烏爾禾組、下烏爾禾組及石炭系；Z10井鉆至百口泉組后發(fā)生2次溢流，壓井后逐步提高鉆井液密度，導(dǎo)致發(fā)生井漏，共漏失鉆井液1 084.77 m3。

含油氣盆地泥頁巖形成異常高壓，主要有不均衡壓實、流體膨脹、超壓傳遞、構(gòu)造擠壓和成巖作用等5種原因[5-7]。滲透性砂巖超壓流體的形成機制極為復(fù)雜，包括自源超壓、鄰源超壓和他源超壓[8]。準(zhǔn)噶爾盆地油藏類型多，這些形成異常高壓的機制均有可能，但不同區(qū)塊形成異常高壓的表現(xiàn)不盡相同。該盆地腹部白堊系中部以淺地層為正常壓力系數(shù)地層，此后壓力系數(shù)開始升高，進入侏羅系后壓力系數(shù)迅速升高，三疊系的地層壓力系數(shù)達到最高，從二疊系開始地層壓力系數(shù)逐漸降低，石炭系地層壓力系數(shù)進一步降低。例如，沙灣凹陷Z10井侏羅系三工河組下部和八道灣組為壓力過渡帶，壓力系數(shù)由1.35升至1.78，三疊系白堿灘組和百口泉組壓力系數(shù)達到2.00～2.08，二疊系烏爾禾組壓力系數(shù)為1.61～1.82。準(zhǔn)噶爾盆地南緣新近系為常壓地層，壓力系數(shù)主要集中在1.15～1.35，古近系壓力系數(shù)為1.60～1.80，白堊系底部和侏羅系地層壓力系數(shù)為1.80～2.30[9-10]。

1.2 井眼失穩(wěn)問題突出

鉆井過程中發(fā)生井眼失穩(wěn)，表現(xiàn)為掉塊、遇阻、卡鉆、電測卡阻等現(xiàn)象，根據(jù)統(tǒng)計，此類復(fù)雜情況占到井下復(fù)雜情況的近70%。引起井眼失穩(wěn)的主要原因有3種：泥頁巖水化膨脹、應(yīng)力坍塌和破碎性地層掉塊。通常鉆遇多種因素共同作用的地層，保持井壁穩(wěn)定更加困難。

1.2.1 泥頁巖水化膨脹

白堊系清水河組黏土礦物含量在10%左右，其中，伊利石含量30%～40%，伊/蒙混層含量30%左右。侏羅系頭屯河組黏土礦物總含量在25%左右，黏土礦物中，高嶺石和綠泥石含量低，伊利石含量在20%左右，伊/蒙混層含量高（達到60%～70%），蒙脫石以間層黏土礦物伴生形式存在。由于伊/蒙混層是伊利石與蒙脫石疊置而成，伊利石和蒙脫石的水化膨脹特征、膨脹壓力不同，層間受力不均，致剝落坍塌[11-13]。如D3井清水河組和頭屯河組井段的井徑擴大率達20%左右，全井共發(fā)生井下復(fù)雜情況25次，與井眼失穩(wěn)相關(guān)的復(fù)雜情況17次。

1.2.2 應(yīng)力型坍塌

由于準(zhǔn)噶爾盆地普遍存在異常高壓地層，而且盆地構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力大，兩者相互作用，造成地層應(yīng)力大、且主應(yīng)力差異大，成井以后井周剪切應(yīng)力增大，易發(fā)生應(yīng)力型坍塌。準(zhǔn)噶爾盆地的演化分為碰撞-成盆階段、壓陷-撓曲階段、撓曲-坳陷階段、坳陷-沉降階段和再生前陸盆地等5個階段，其中壓陷-撓曲作用為盆地演化提供了重要動力[14]，斷層發(fā)育、構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜。盆地腹部壓扭斷層“雙重復(fù)雜”發(fā)育特征，呈多個組系、多種組合樣式展布。燕山期壓扭應(yīng)力場強度及基底巖層抗剪切強度聯(lián)合控制了侏羅系斷裂體系發(fā)育狀況，導(dǎo)致在強壓扭變形過程中壓扭斷裂帶的貫穿方式不同，盆地從南向北及盆地腹部發(fā)生了明顯左旋，最大主應(yīng)力方向為北北東向[15]。準(zhǔn)噶爾盆地南緣在東西方向分段，包括東段（阜康斷裂帶）、中段（山前沖斷帶）與西段（四棵樹凹陷）；在南北方向分排，包括第一排（齊古斷褶帶）、第二排（霍瑪吐背斜帶）和第三排（呼圖壁—安集河—西湖背斜帶）；整體上以擠壓變形為主，發(fā)育典型的與斷層相關(guān)的褶皺構(gòu)造，包括斷沖褶皺、斷展褶皺、滑脫褶皺、斷彎褶皺和斷束褶皺[16]。這些褶皺造成構(gòu)造應(yīng)力大，如侏羅系齊古組喜馬拉雅晚期，南緣中段最大主應(yīng)力自東向西依次為60～150，90～180和180～240 MPa，明顯逐步增大，南緣西部四棵樹凹陷的最大主應(yīng)力基本在120～240 MPa[17]。

1.2.3 破碎性地層掉塊

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖積扇第四系西域組、新近系獨山子組、塔西河組存在疏松砂礫巖，地層膠結(jié)性不強，大塊礫石易掉落。例如，T1井第四系的厚度為676 m，全為礫巖夾含礫粗砂巖，新近系獨山子組的厚度為1 963 m，其中砂、礫巖層最大厚度38 m，一般為2～5 m，累計厚度690 m，占地層總厚度的35.2%；GQ6井第四系的厚度達到2 824 m，巖性為含礫泥質(zhì)細砂巖、含礫細砂巖、礫巖、砂礫巖。同時，受多期構(gòu)造運動的影響，準(zhǔn)噶爾盆地形成了近10個不整合間斷面[18]，鉆進時易出現(xiàn)坍塌掉塊，例如，2010年以前莫南凸起鉆探了7口井，白堊系清水河組底部不整合面發(fā)生處卡鉆、劃眼15次，占井下復(fù)雜情況的50%；MS1井鉆遇二疊系與石炭系不整合面后，地層裂縫較為發(fā)育，縫寬主要在1～2 mm，裂縫密度10～20條/10cm，鉆井過程中發(fā)生了井漏、掉塊卡鉆等井下復(fù)雜情況，處理復(fù)雜情況用時485 h。

1.3 機械鉆速低

準(zhǔn)噶爾盆地腹部深部地層平均機械鉆速僅2 m/h左右，南緣深部地層平均機械鉆速僅約1 m/h，造成機械鉆速低的主要原因是鉆遇復(fù)雜巖性地層、高壓地層和不穩(wěn)定地層。

1.3.1 復(fù)雜巖性地層

準(zhǔn)噶爾盆地復(fù)雜巖性地層主要有2種：1）鉆遇巖石可鉆性級值高（＞8）的地層，鉆頭在這類地層的吃入能力受限，如西山窯組的灰色細砂巖、白堿灘組灰色砂質(zhì)泥巖、烏爾禾組深灰色砂質(zhì)泥巖、風(fēng)城組深灰色白云質(zhì)泥巖、佳木河組與石炭系的火成巖等；2）鉆遇巖石研磨性較高的地層[19]，這類地層易使鉆頭、鉆具先期磨損，如齊古組褐紅色細砂巖、三工河組灰黃色細砂巖和石炭系火成巖等。

1.3.2 高壓地層

當(dāng)鉆遇地層壓力系數(shù)高的地層時，為平衡地層壓力，鉆井液密度相應(yīng)較高，鉆進過程就是在高圍壓條件下破碎巖石。不同圍壓條件下的巖石可鉆性測試結(jié)果表明：隨著圍壓增大，可鉆性級值增大。分析認(rèn)為，這與圍壓條件下巖石抗壓強度增大、塑性增強等因素相關(guān)，例如，齊古組含長石巖屑細砂巖樣無圍壓條件下的可鉆性級值為6.99，圍壓30 MPa條件下的可鉆性級值為8.93，60 MPa條件下的可鉆性級值達到9.65。

1.3.3 不穩(wěn)定地層

準(zhǔn)噶爾盆地會鉆遇大段礫石層、裂縫發(fā)育地層和高應(yīng)力地層，這些地層易坍塌掉塊，鉆進過程中扭矩變化大，蹩跳鉆嚴(yán)重，易誘發(fā)鉆具疲勞破壞和鉆頭先期損壞，常采用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速進行鉆進，導(dǎo)致機械鉆速低。鉆遇傾角較大地層時，常采用輕壓吊打、鐘擺鉆具組合、預(yù)彎曲鉆具組合和單彎動力鉆具組合進行防斜，但這些防斜方法都會對機械鉆速產(chǎn)生一定影響。例如，四棵樹凹陷高泉背斜第四系地層傾角為5°～20°，新近系地層傾角為15°～35°，古近系、白堊系地層傾角為5°～20°，侏羅系地層傾角10°～30°，鉆井過程中井斜角明顯增大，G101井和G102井的最大井斜角均大于10°，為了控制井斜有時需犧牲機械鉆速。

2 超深井鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自2004年鉆成J1井（井深7 000 m）以來，準(zhǔn)噶爾盆地共鉆成39口井深超過6 000 m的超深井。從完鉆層位看，白堊系有2口井，侏羅系有28口井，二疊系有4口井，石炭系有5口井。受不同區(qū)塊埋深差異大的影響，超深井鉆探目的層從白堊系到石炭系均有。從分布位置看，準(zhǔn)噶爾盆地腹部26口井，南緣12口井，北部1口井，西部多于東部，南部多于北部，這主要源自盆地油氣埋深呈“西深東淺、南深北淺”的特征。因此，不同區(qū)塊超深井鉆井差異較大，通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、壓力控制、井壁穩(wěn)定、鉆井提速等技術(shù)持續(xù)迭代與提升，準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆井效率得到了顯著提升。

2.1 超深井鉆井技術(shù)發(fā)展階段

準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆井可分為超深層鉆探初期、超深層鉆探拓展階段和超深層鉆探快速發(fā)展階段等3個階段。

超深層鉆探初期（2004—2010年），以鉆探準(zhǔn)噶爾盆地腹部超深層油氣資源為主。鉆井過程中井漏、井塌和卡阻等井下復(fù)雜情況頻發(fā)，逐步認(rèn)識到超深層壓力體系和地層巖性的復(fù)雜性，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、鉆井液封堵抑制性和采取技術(shù)措施，鉆成了12口超深井，平均完鉆井深6 459.25 m，平均鉆井周期348.02 d，平均機械鉆速2.25 m/h。

超深層鉆探拓展階段（2011—2019年），以鉆探準(zhǔn)噶爾盆地南緣超深層油氣為主。通過探索應(yīng)用高效鉆頭、提速輔助工具、垂直鉆井、控壓鉆井和合成基鉆井液等技術(shù)，有效提高了鉆井效率，期間共鉆7口井，平均完鉆井深6 582.46 m，平均鉆井周期242.20 d，平均機械鉆速3.23 m/h。

超深層鉆探快速發(fā)展階段（2020年以后），在準(zhǔn)噶爾盆地腹部和南緣均擴大了鉆探范圍。在前期鉆井經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過井身結(jié)構(gòu)、精細控壓、井壁穩(wěn)定及提速工具等技術(shù)迭代，鉆井效率進一步提升，共鉆成20口超深井，平均完鉆井深6 690.95 m，平均鉆井周期189.06 d，平均機械鉆速3.56 m/h。

2.2 超深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)超深井鉆井越來越多，對地層地質(zhì)特征、壓力體系、斷層認(rèn)識程度逐步加深，也形成了不同區(qū)塊、不同目的層的井身結(jié)構(gòu)方案。

準(zhǔn)噶爾盆地腹部，若以侏羅系為目的層，采用三開井身結(jié)構(gòu)：導(dǎo)眼采用φ606.4 mm鉆至井深50 m；一開采用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深800 m；二開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深4 700 m；三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深6 000 m左右。一開封隔新近系松散地層，二開封勝金口組并封隔上部承壓能力低的地層，三開為高壓地層井段，莫南凸起常采用該井身結(jié)構(gòu)。若以二疊系為目的層，采用四開井身結(jié)構(gòu)：一開采用φ606.4 mm鉆頭鉆至井深500 m；二開采用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深3 650 m；三開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深6 100 m；四開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深7 800 m左右。一開封隔新近系上部松散地層，二開封隔侏羅系西山窯組以上承壓能力較低的地層，三開封隔百口泉組，為鉆進侏羅系八道灣組至三疊系異常高壓地層提供保障，四開封至目的井深。為應(yīng)對三疊系、二疊系的不可預(yù)測性，該井身結(jié)構(gòu)預(yù)留了一層套管，東道海子凹陷常采用該井身井構(gòu)。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段采用四開井身結(jié)構(gòu)：一開采用φ606.4 mm鉆頭鉆至井深450 m；二開采用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深3 650 m；三開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深6 200 m；四開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深6 800 m左右。一開封隔新近系上部松散地層，二開封隔存在巨厚礫石層的塔西河組，三開封隔古近系紫泥泉組和低壓地層，四開封至目的井深（高壓井段），四棵樹凹陷高泉背斜常采用該井身結(jié)構(gòu)。南緣中段壓力體系更加復(fù)雜，采用非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)：導(dǎo)眼采用φ762.0 mm鉆頭鉆至井深200 m；一開采用φ571.5 mm鉆頭鉆至井深2 600 m；二開采用φ431.8 mm鉆頭鉆至井深4 000 m；三開采用φ333.4 mm鉆頭鉆至井深5 600 m；四開采用φ241.3 m（擴眼至φ260.0 mm）鉆頭鉆至井深7 200 m；五開采用φ190.5 mm鉆頭鉆至井深8 100 m左右。一開封隔地表松散地層，二開封隔獨山子組和沙灣組低壓地層，三開封隔古近系和東溝組中上部高壓地層，四開封隔東溝組低承壓地層，以及連木沁組和勝金口組斷層，五開封隔白堊系高壓地層，為六開安全鉆進侏羅系提供保障，霍瑪吐構(gòu)造常采用該井身結(jié)構(gòu)。

但隨著鉆井深度進一步加大，鉆遇地層的構(gòu)造、壓力體系等更加復(fù)雜，需進一步考慮鉆井的安全性、高效性和經(jīng)濟性優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)。

2.2.2 控壓鉆井技術(shù)

控壓鉆井是一種在整個井眼內(nèi)精確控制環(huán)空壓力剖面的自適應(yīng)鉆井過程，目前國內(nèi)控壓技術(shù)已較為成熟，可以實現(xiàn)對套壓、立壓和流量的自動控制，壓力控制精度可達±0.20 MPa，溢流、漏失量的控制精度可達±0.50 m3[20]?？貕恒@井技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆井中得到了較為廣泛的應(yīng)用，提高了復(fù)雜壓力井段的鉆井效率，同時也在一定程度上降低了鉆井液密度，為發(fā)現(xiàn)和保護油氣層提供了有效的技術(shù)手段。

GQ6井是部署在準(zhǔn)噶爾盆地南緣四棵樹凹陷高泉背斜的一口預(yù)探井，鉆探目的層為白堊系清水河組和侏羅系頭屯河組，一開采用φ660.4 mm鉆頭鉆至井深461 m，二開采用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深3 657 m，三開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深6 180 m，四開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至設(shè)計井深。四開使用密度2.22 kg/L的鉆井液鉆至井深6 533 m（清水河組）時，循環(huán)排量超過 20 L/s 即發(fā)生滲漏，控壓起鉆關(guān)井，關(guān)井時的套壓3.72 MPa，安全密度窗口窄，采用精細控壓裝備，實施自動控壓條件下的加重、循環(huán)、堵漏、起下鉆，及時控制好井底壓力平衡，沒有發(fā)生嚴(yán)重漏失和溢流，相比鄰井GQ5井（未采用控壓鉆井，處理井漏和溢流損失鉆井時間737 h），鉆井效率明顯提高。

但是，控壓鉆井過程中井筒內(nèi)壓力實時測量與自動控制仍不完善，還需進一步探索新工藝，以提高井筒壓力控制能力。

2.2.3 井壁穩(wěn)定技術(shù)

目前，準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆井時采用的井壁穩(wěn)定技術(shù)主要包括裂縫性地層井壁穩(wěn)定評價技術(shù)、合成基鉆井液技術(shù)、氯化鉀-有機鹽封堵防塌鉆井液技術(shù)等。

裂縫性地層井壁穩(wěn)定評價技術(shù)。不同地質(zhì)環(huán)境下，井壁穩(wěn)定性評價方法也不盡相同[21-23]，根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地壓力系數(shù)高、地應(yīng)力大和微裂縫發(fā)育的特點，可采用裂縫性地層井壁穩(wěn)定評價方法。該方法以巖石力學(xué)和統(tǒng)一強度理論為基礎(chǔ)[24]，建立了井壁穩(wěn)定性綜合評價指標(biāo)——井壁穩(wěn)定系數(shù)ξ[25]，該指標(biāo)包含張拉破壞穩(wěn)定系數(shù)ξt和剪破壞穩(wěn)定系數(shù)ξv，能夠明確發(fā)生井壁破壞的類型。在此基礎(chǔ)上，利用聲波、巖石密度和電阻率等測井資料，分析地層裂紋存在的概率KV[26]，并依據(jù)考慮裂縫的井壁坍塌壓力模型計算坍塌壓力[27]。利用該井壁穩(wěn)定分析技術(shù)，可以分析微裂系地層、破碎帶地層的坍塌壓力，為保持井壁穩(wěn)定提供理論支撐。

合成基鉆井液技術(shù)。合成基鉆井液具有抑制性強、潤滑性好、抗污染能力強、熱穩(wěn)定性好、生物毒性小和低溫流變性變化小等特點[28-29]，能有效保持泥頁巖地層井壁穩(wěn)定。其典型配方為合成基液+2.5%～3.5%有機土+2.0%乳化劑+1.0%輔乳化劑+0～2.0%潤濕劑+0.5%～1.0%流性調(diào)節(jié)劑+3.0%～6.0%降濾失劑+0～5.0%氯化鈣水溶液+1.0%～3.0%超細碳酸鈣+3.0%～5.0%封堵材料，主要性能：高溫穩(wěn)定性＞200 ℃，API濾失量≤2 mL，高溫高壓濾失量≤5 mL，EC50/96h＞7.0×104mg/L，破乳電壓＞600 V，頁巖回收率達到98.2%，滲透率恢復(fù)率＞90%，摩擦系數(shù)＞0.05。目前，準(zhǔn)噶爾盆地腹部的23口井鉆進白堊系底部、侏羅系、三疊系和二疊系時使用了合成基鉆井液，這些層位井段的平均井徑擴大率3%～7%，遇阻、劃眼較前期減少50%以上，有效保障了井壁穩(wěn)定。

氯化鉀-有機鹽封堵防塌鉆井液技術(shù)。氯化鉀-有機鹽封堵防塌鉆井液體系是一種低活度封堵防塌鉆井液體系，具有良好的抑制性、固壁性、屏蔽封堵性，能保證微裂縫泥頁巖地層井壁穩(wěn)定[30]。根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地腹地深層的特點，確定了氯化鉀-有機鹽封堵防塌鉆井液的配方：4.0%～6.0%膨潤土+0.3%～0.5%聚丙烯酸鉀+3.0%～5.0%氯化鉀+6.0%～8.0%甲酸鉀+0.5%～1.0%胺基聚醇+2.0%～3.0%低熒光瀝青粉+3.0%～4.0%井壁穩(wěn)定劑+2.0%～3.0%超細碳酸鈣-1+2.0%～3.0%超細碳酸鈣-2+2.0%～3.0%抗高溫抗鹽防塌降濾失劑+3.0%～4.0%磺甲基酚醛樹脂SMP-2+ 0.5%～1.0%有機硅穩(wěn)定劑+1.0%聚合醇，主要性能為：高溫穩(wěn)定性＞180 ℃，活度能0.85～0.90，頁巖回收率90.56%，線性膨脹率≤11.8%，高溫高壓濾失量≤10 mL。C6井和S15井鉆進三疊系、二疊系時使用了該鉆井液體系，未出現(xiàn)井眼失穩(wěn)問題。

該鉆井液體系的不足是，隨著鉆井深度增加，井筒溫度升高，其在高溫條件下的穩(wěn)定性、封堵性和抑制性均有所下降，這有待進一步研究、提高。

2.2.4 鉆井提速技術(shù)

準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆井提速，有賴于高效鉆頭、垂直鉆井技術(shù)和等壁厚螺桿鉆具等[31-32]。

2.2.4.1 高效鉆頭

準(zhǔn)噶爾盆地第四系和新近系普遍存在巨厚礫石層，PDC鉆頭切削齒易受沖擊損壞，造成快速磨損；牙輪鉆頭可以承受較大的沖擊，但使用壽命受限；混合鉆頭具備PDC鉆頭的切削作用，也具備牙輪鉆頭沖擊破碎地層的作用，能提高鉆速、延長鉆頭使用壽命。該盆地南緣的GQ6井應(yīng)用了4只混合鉆頭，創(chuàng)造了該區(qū)域獨山子組、塔西河組巨厚礫石層單趟進尺最大紀(jì)錄（509 m）和機械鉆速最高紀(jì)錄（5.23 m/h）。

古近系—白堊系頂部地層以棕紅色、紫褐色、灰綠色條帶泥巖，砂質(zhì)泥巖，與灰綠色砂巖、粉砂巖互層為主。其中，褐色泥巖壓實度高，鉆頭切削齒難以吃入地層。設(shè)計PDC鉆頭時，采用高性能平齒與屋脊齒，中低密度混合布齒（16.0或19.0 mm），以增加鉆頭的攻擊性。該類鉆頭在莫南凸起古近系—白堊系頂部應(yīng)用后，單趟鉆進尺最大可達3 602 m，單趟鉆機械鉆速最高達到24.83 m/h。

白堊系底部—侏羅系地層以紅色泥巖、細砂巖、深灰色泥巖與淺灰色粉砂巖互為主，地層研磨性較強，鉆頭磨損嚴(yán)重甚至報廢，且局部含礫較高，易崩齒失效。因此，設(shè)計PDC鉆頭時，應(yīng)兼顧鉆頭的攻擊性和耐磨性能，肩部前排采用高性能平齒、尖齒和屋脊齒，以中低密度混合布齒（16.0 mm），后排布2顆平齒，以提高鉆頭的抗研磨性。應(yīng)用該類鉆頭鉆進莫南凸起白堊系底部—侏羅系地層時，單趟鉆進尺最大達788 m，單趟鉆機械鉆速最高達到5.17 m/h。

三疊系以泥巖、砂質(zhì)泥巖、含礫細砂巖、含礫泥質(zhì)細砂巖為主，設(shè)計PDC鉆頭時，采用單排平齒與4DXC尖圓齒混合布齒（13.0 mm），以提高鉆頭的攻擊性。Z10井應(yīng)用該類鉆頭，單只鉆頭最大進尺546 m，最高機械鉆速3.40 m/h。

二疊系烏爾禾組以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂礫巖為主，研磨性明顯增強，在設(shè)計PDC鉆頭時，應(yīng)重點考慮提高鉆頭的抗研磨性。因此，采用了六刀翼，單排口平齒與A3凹面齒混合布齒（13.0 mm）；砂礫巖井段選用抗沖擊性好的三棱齒。S15井應(yīng)用了該類鉆頭，單只鉆頭最大進尺340 m，最高機械鉆速2.17 m/h。

2.2.4.2 垂直鉆井技術(shù)

準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前沖斷帶易發(fā)生井斜，采用塔式鉆具組合、鐘擺鉆具組合和預(yù)彎曲鉆具組合控斜效果不理想，采用螺桿鉆具組合糾斜效率低。實踐表明，垂直鉆井技術(shù)是防斜打快最有效的技術(shù)之一。該盆地GQ5井采用垂直鉆井系統(tǒng)鉆進第四系—古近系，井斜角控制在4.0°以內(nèi)；KT1井采用了國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)，井斜角控制在1.0°以內(nèi)，并有效釋放了鉆壓，機械鉆速達到4.24 m/h，創(chuàng)造了該盆地南緣山前沖斷帶第四系—古近系（共計6 590 m）平均機械鉆速最高紀(jì)錄，同時降低了垂直鉆井應(yīng)用成本。

2.2.4.3 等壁厚螺桿鉆具

螺桿鉆具配合高效PDC鉆頭的復(fù)合鉆進方式已成為鉆井提速的有效方法之一，采用等壁厚螺桿鉆具能有效提高工作扭矩、延長鉆頭使用壽命，進一步強化鉆井參數(shù)，實現(xiàn)鉆井提速。莫南凸起推廣應(yīng)用等壁厚螺桿后，鉆井參數(shù)獲得很大提高：二開鉆壓由前期最大80 kN增加到140 kN，排量由前期最大40 L/s增加到60 L/s；三開鉆壓由前期最大120 kN增加到140 kN，排量由前期最大28 L/s增加到32 L/s。

上述鉆井提速技術(shù)在一定程度上提高了超深井鉆井速度，但是在鉆遇復(fù)雜巖性地層時機械鉆速仍然較低，如鉆遇二疊系—石炭系的白云質(zhì)、火成巖時，機械鉆速仍然低于1.00 m/h。因此，有待進一步研究提高破巖效率。

3 超深井鉆井技術(shù)發(fā)展建議

近年來，準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系都有較大的油氣發(fā)現(xiàn)，超深層油氣資源勘探開發(fā)進程加快、鉆井深度加大，最大井深已達8 166 m（TW1井）。但是，超深層油氣資源總體上仍處于勘探階段，受勘探程度影響，對超深層的地質(zhì)構(gòu)造、地層壓力、地層巖性等的認(rèn)識仍然不足，鉆井過程中常面臨預(yù)料之外的“遭遇戰(zhàn)”，如正在施工的CT2井白惡系、KT1井侏羅系發(fā)生嚴(yán)重井壁坍塌，D17井二疊系發(fā)生惡性漏失，HS5井二疊系地層機械鉆速極低等，造成鉆井周期長、成本高，影響了該盆地超深層油氣資源勘探開發(fā)的進程。為此，針對超深井地層差異性大、壓力體系復(fù)雜和巖性變化大的特點，應(yīng)在進一步優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，以地質(zhì)工程一體化為基礎(chǔ)、以安全高效鉆進為目的，探索新技術(shù)、新工藝，促進準(zhǔn)噶爾盆地超深井鉆井技術(shù)發(fā)展。

1）提高鉆井地質(zhì)環(huán)境描述能力。準(zhǔn)噶爾盆地深部地層壓力體系、地應(yīng)力、巖性特征的不確性仍然較高，為降低鉆遇未預(yù)測異常情況風(fēng)險，亟待提高鉆井地質(zhì)環(huán)境描述能力。一方面，利用地震、測井、錄井、鉆井資料進行地質(zhì)反演，建立區(qū)域的孔隙壓力、地應(yīng)力、巖石力學(xué)特性剖面，進一步提高鉆井地質(zhì)環(huán)境描述能力，為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、施工方案制訂、鉆井工具優(yōu)選提供可靠依據(jù)；另一方面，開展隨鉆地震、井震數(shù)據(jù)融合等技術(shù)的研究與應(yīng)用，進行正鉆井超前探測，預(yù)測未鉆地層的鉆井地質(zhì)因素，鉆井過程中可根據(jù)地質(zhì)環(huán)境變化及時調(diào)整鉆井工藝和技術(shù)對策。

2）豐富井筒強化手段。為提高易漏、易涌、易塌地層的鉆井效率，需要進一步豐富井筒強化手段。一方面，加快隨鉆超聲波井徑測量、隨鉆成像測井、井下工程參數(shù)測量等技術(shù)的完善與應(yīng)用，實時評價裂縫發(fā)育情況、確定漏失與坍塌位置等，為井筒強化提供準(zhǔn)確的依據(jù)；另一方面，完善多級配強抑制強封堵、化學(xué)固結(jié)堵漏、化學(xué)固壁等鉆井液技術(shù)，探索連續(xù)循環(huán)、膨脹管封堵等工藝和技術(shù)的適用性，提高井筒承壓和井壁支撐能力，增強處理井下故障的能力。

3）深化高效破巖技術(shù)攻關(guān)。為提高深部地層鉆井的機械鉆速，需深化高效破巖技術(shù)攻關(guān)。一方面，深化巖石礦物特性對巖石力學(xué)特性影響、圍壓對巖石破碎效率影響、巖石破碎對鉆井參數(shù)的敏感性等巖石破碎機理研究，為鉆井方式、鉆頭與工具、鉆井參數(shù)等優(yōu)化提供理論依據(jù)；另一方面，針對復(fù)雜巖性、高圍壓環(huán)境，在提高現(xiàn)有鉆頭與提速工具性能的基礎(chǔ)上，研發(fā)旋轉(zhuǎn)齒PDC鉆頭、高效沖擊類工具、長壽命全金屬螺桿、保持鉆頭穩(wěn)定切削的新型鉆頭等，提高破巖效率。

4 結(jié)束語

進入21世紀(jì)，準(zhǔn)噶爾盆地進行了超深層油氣資源鉆探，針對鉆井過程中易發(fā)生“漏、溢、塌、卡、慢”等問題，通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井筒壓力控制、井壁穩(wěn)定和鉆井提速等技術(shù)迭代與提升，超深井鉆井技術(shù)得到了長足發(fā)展。近年來，隨著準(zhǔn)噶爾盆地腹部和南緣超深層油氣新發(fā)現(xiàn)，該盆地超深層油氣資源勘探開發(fā)進程進一步加快，但鉆井過程中井下復(fù)雜情況仍時有發(fā)生，深部地層機械鉆速仍然較低，鉆井效率仍滿足不了高效勘探開發(fā)需求。為此，需要針對準(zhǔn)噶爾盆地地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層差異性大的特點，攻關(guān)、優(yōu)化適合不同區(qū)塊的超深井鉆井技術(shù)，特別是要提高鉆井地質(zhì)環(huán)境描述能力，變“遭遇戰(zhàn)”為“攻殲戰(zhàn)”，豐富井筒強化手段，降低鉆井風(fēng)險，深化高效破巖技術(shù)攻關(guān)，提高鉆井速度。