准噶尔盆地达巴松凸起超深井安全快速钻井技术

2020-01-09徐新纽孙维国熊旭东刘颖彪

钻采工艺 2019年6期

徐新纽, 孙维国, 阮彪，熊旭东, 刘颖彪, 杨虎

(1中国石油天然气股份公司新疆油田分公司 2中国石油大学(北京)克拉玛依校区)

为探索准噶尔盆地达巴松凸起深层风城组和石炭系的含油气性，部署风险探井达探1井。该井二叠系和石炭系地层从未钻探，地层压力系统复杂，钻井风险大；深层岩石可钻性差，提速手段有限；风城组存在大段盐膏层，易污染钻井液体系。必须针对该区钻井特点开展技术攻关，形成一套超深井钻井提速技术。

一、钻井技术难点

1. 压力系统复杂

达巴松凸起钻探11口井，钻揭下乌尔禾组。邻井资料表明，三叠系以下地层为异常高压地层。由于风城组和石炭系未钻遇地层近2 000 m，预测地层压力是该井井身结构设计的难点。

2. 地质情况复杂

白垩系、侏罗系发育大段泥岩和多段煤层，易缩径垮塌；二叠系风城组盐膏层易导致钻井液污染。预测达巴松凸起地温梯度2.12℃/100 m，计算达探1井6 226 m井底温度高达150℃。因此，中浅层长裸眼井壁失稳和深层高密度钻井液抗高温、抗盐污染将是该井的钻井难点。

3. 深部地层钻井提速手段有限

邻井三叠系以上地层可钻性较好，平均机械钻速为4.69 m/h。参考邻区乌夏断裂带和夏盐凸起，岩石单轴抗压强度为80～120 MPa，可钻性极值为6～8。风城组和石炭系机械钻速仅为0.89 m/h和0.83 m/h，PDC钻头未实现技术突破。

二、地层压力预测与井身结构设计

1. 基础数据预处理

选择邻井达9井作为基准井，该井测井数据准确、钻揭地层较多且井深较大、距离目标井较近。利用基准井的测井数据和地震数据，得出横波时差(ACSM)、密度(ρ)与纵波时差(ACCO)相关性(式(1)，式(2))。

ACSM=1.941ACCO+0.8228(R2=0.679)

(1)

ρ=-0.0028ACCO+2.7808(R2=0.623)

(2)

将达探1井5 250 m以上地层的地震纵波时差与基准井声波时差测井数据进行均值化拟合。5 250 m以下地层，将基准井声波时差测井数据外延趋势线与地震纵波时差进行均值化拟合，作为达探1井地层压力预测基础数据[2,5]。

2. 地层压力预测

伊顿法认为孔隙压力和声波时差等参数呈幂指数关系(式3)，且与地层埋藏深度无关，适用于盆地沉积环境下砂泥岩地层孔隙压力的预测[6-7]。利用达探1井多口邻井的试油压力(见表1)和达9井测井数据，反算出准噶尔盆地达巴松凸起伊顿指数为3.0[8-10]。

(3)

式中：σV—垂向应力，MPa；pp—地层孔隙压力，MPa；ph—正常静水压力，MPa；ACn—给定深度泥页岩趋势线声波时差，μs/m；AC0—给定深度地层实际声波时差，μs/m；n—Eaton指数，无因次。

将上述数据代入地层压力模型(式3)，可预测达探1井未钻揭地层的孔隙压力。通过邻井实测地层压力进行修正[3]，建立达探1井地层压力剖面(图1)。计算结果表明，侏罗系以上地层属正常压力系统，地层压力系数为1.04～1.16，三叠系以下地层属异常压力系统，地层压力系数由1.71快速抬升到2.10，二叠系风城组和石炭系地层压力系数有所回落，约为1.85～1.92。

表1 达探1井邻井试油实测压力统计表

3. 井身结构设计

根据地层压力预测和邻井复杂情况，达探1井存在两个套管结构必封点。压力过渡必封点在三叠系白碱滩组顶界3 890 m处。未钻储层风险必封点在二叠系风城组顶界5 637 m处，其下部风城组、石炭系存在钻探风险，封隔夏子街组以上易失稳地层有利于实现储层发现和保护，综合各种因素[4]，达探1井设计四开井身结构见表2。

图1 达探1井地层三压力预测剖面

表2达探1井井身结构设计及套管程序设计

开钻程序钻头尺寸/mm井深/m钻至地层套管尺寸/mm下入井深/m一开660.4500K508500二开444.53950T3b339.73950三开311.25650P1f244.55500250.85650四开215.96000C177.85350139.76000

三、钻头选型与提速工具优选

1. 岩石力学参数评价

利用邻井达9井测井数据，反演达深1井岩石力学特性和钻头可钻性级值，为钻头和辅助提速工具优选提供依据[11-12]。结果表明三叠系及其以上地层PDC钻头适应较好(图2)。

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图2 达9井三叠系以上地层岩石力学参数剖面

然而，达探1井二叠系风城组和石炭系在达巴松凸起从未钻揭。因此，针对达巴松凸起深部未钻地层，可采用相同地层类比法，开展邻区同地层的岩心力学实验，作为达探1井钻头选型的间接参考(表3)。

2. 钻头和提速工具选型

依据达探1井岩石力学参数，参考邻井钻头时效，侏罗系及其以上地层设计五刀翼19 mmX3/H3齿提高钻头攻击性，采用窄刀翼大排屑槽提高钻头防泥包能力。

表3 邻区相应地层的岩石力学参数数据

三叠系岩性以砂岩、泥岩、砾岩夹层为主，设计扭力冲击器配合PDC钻头。

二叠系和石炭系主要发育砂泥岩、砂砾岩、白云岩以及火成岩，可钻性级值为5.5～8.0，抗压强度为40～200 MPa，邻区多种PDC钻头入井试验效果不佳。因此，选用Smith公司牙轮钻头，二叠系选用GF20ODPS(AIDC:517X)，石炭系选用GF30 ODPS (AIDC:537X)。

四、钻井液配方优选与性能

开展高温高密度钻井液体系配方优选[13]，确保性能满足达探1井深部地层钻井安全。

三开和四开钻井液加入15%NaCl，增强抗碳酸氢根的污染能力,复配液体与固体润滑剂改善润滑性能，选用PHT和天然沥青粉KH-n作为抗温封堵剂。

室内评价聚合物降滤失剂，降滤失性能排序为：AP220>SP-8>JT888。增加0.8%AP220和3%流型调节剂TX[14]。

钻井液配方为：2%膨润土+0.8%SP-8+0.8%PMHA-2+0.5%LV-CMC+2%SMP-2(粉)+2% SPNH+15%NaCl+10%KCl+2%石墨+1%SPAN-80 +2%PHT+3%KH-n +2%随钻堵漏剂+0.5%CaO+ 0.8% AP220+3%TX+重晶石。

五、现场应用评价

达探1井完钻井深为6 226 m，井底压力和温度高达125 MPa和150℃，新钻遇的深部地层近2 000 m，属于典型“三高井”。通过地层压力预测、丼身结构优化、快速钻井及强抑制高密度钻井液等技术攻关，162 d的钻井周期内无井下复杂事故，创造了准噶尔盆地超深井高效钻井的新纪录。

1. 井身结构设计合理

依据预测地层压力设计的四开井身结构确保全井的安全钻井。预测地层压力与试油和录井实测数据对比，预测精度高达90%以上(表4)。

表4 预测与实测地层压力数据对比

2. 钻头选型和提速效果

达探1井深部风城组和石炭系未钻揭，在钻头选型时，采用邻区相同地层岩石力学类比法。为证实此方法的科学性，将达探1井的钻后测井数据进行反演，得到二叠系岩石力学剖面。反演结果与表3中的邻区岩心测试数据非常接近，表明此类比法完全适用于勘探程度较低的超深井钻探。

达探1井钻井提速效果显著。白垩系、侏罗系Ø444.5 mm井眼平均钻速为9.46 m/h，较达10井提高36.7%，单只PDC钻头进尺高达2 051 m，较邻井最高进尺1 480 m提高36.5%。三叠系Ø311.2 mm井眼试验扭力冲击器配合PDC钻头机械钻速为5.63 m/h，较达10井提高35.5%，单只钻头进尺达576 m。二叠系和石炭系Ø215.9 mm井眼试验Smith牙轮钻头机械钻速为2.26 m/h，单只钻头进尺为280 m。

3. 钻井液维护技术评价

二开长裸眼大尺寸井段井壁失稳风险高，利用多元协同抑制机理的胺基-钾钙基钻井液，K+含量始终大于35 000 mg/L，坚持划眼制度。对于渗透性好的砂岩及泥质砂岩，加入2%～3%TP-2、2%超细碳酸钙和乳化沥青形成致密且柔韧的高质量滤饼，确保API滤失量<4 mL。钻井液的密度控制在1.28～1.30 g/cm3，膨润土含量为40～50 g/L。西山窑和八道湾组8段煤层未发生井漏、遇阻及垮塌现象。

三开和四开应用高密度钻欠饱和复合盐钻井液体系，控制Cl-含量大于150 000 mg/L。采用复合材料随钻防漏方法[14]，包括：2%粒径为0.125 mm的纤维TP-2、3%粒径为0.10～0.45 mm的碳酸钙、1%粒径为0.125～0.180 mm的蛭石、1%粒径为0.125～0.180 mm的云母，该防漏材料实验室砂床渗漏测试，承压能力可达到6.7 MPa,防漏堵漏效果明显。