克百断裂带BY1风险探井优快钻井技术

阮彪，徐小龙，杨洪，曾东初，江民盛

克百断裂带BY1风险探井优快钻井技术

阮彪1，徐小龙1，杨洪1，曾东初1，江民盛2

（1. 新疆油田分公司勘探事业部， 新疆 克拉玛依 834000； 2. 长江大学石油工程学院， 湖北 武汉 430100）

克百断裂带地质构造复杂，裂缝发育，该区探井BY1井钻遇石炭系、风城组钻进时存在井漏严重，机械钻速低，可钻性差和钻井风险大等问题，给该地区的油气勘探作业带来极大的挑战。为了减少钻遇复杂频繁，通过井身结构优化、高效钻头、氮气钻井高性能钻井液和垂直防斜打直技术的应用，有效解决了该区块地质复杂引起的钻井效率低的问题，并在BY1井进行了现场应用。BY1井采用以上优快钻井技术后，钻井周期较邻井缩短了近40 d，机械钻速，破岩效率得到有效提高的同时，井漏问题、井下事故的发生次数明显减少，并形成了一套有针对性的克百断裂带风险探井钻井提速关键技术，为该区块下一步的勘探钻井作业提供了借鉴依据和经验。

风险探井；井漏；提速技术；氮气钻井

BY1井地处新疆维吾尔自治区克拉玛依市乌尔禾区，是准噶尔盆地西部隆起克百断裂带百口泉断鼻圈闭内的一口风险探井（见图1），主要探索准噶尔盆地西北缘克百断裂带下盘掩伏构造带佳木河组的含油气性。

BY1设计井深5 300 m, 井钻遇地层复杂，裂缝发育，事故复杂率供，可钻性差，导致克百断裂带钻井速度普遍较慢，严重制约着该地区的勘探开发速度[1]。为实现该区块的高效率勘探开发，提高钻井速度，减少复杂情况发生，缩短钻井周期，通过分析研究克百断裂带地质资料，并结合现场实际钻井情况，开展了适用于百断裂带的提速关键技术研究。

图1 BY1井井位

1 钻井提速难点分析

1.1 地质情况复杂

BY1井地质分层从上到下依次为吐谷鲁群、侏罗系、石炭系、夏子街组、风城组和佳木禾组。石炭系推覆体地层倾角大，厚度1 725 m，自然造斜力强，对防斜打直的要求高。夏子街组为致密层，地层可钻性极差。佳木河组该区块至今无井钻遇，缺乏实钻资料，压力系数和地层岩性不确定[2]。

1.2 井漏情况频发

掩伏带构造活动强烈，裂缝发育程度高。根据BY1井地质资料看，上部吐谷鲁群、侏罗系承压能力弱，易发生漏失[3]。风城组直劈裂缝发育、极易钻遇破碎带，漏失情况频繁。从已钻邻井的漏失情况看，B56井发生多次严重井漏，采用1.1~1.22 g/cm3钻井液钻进时，井壁常有掉块出现，造成多次起下钻遇阻遇卡；BQ1井风城组发生15次井漏，漏失密度1.1~1.22 g/cm3钻井液共计856.23 m3；BQ2井风城组发生16次井漏，漏失密度1.08~1.14 g/cm3钻井液共计1 920.58 m3。

1.3 井下事故率大

深部地层钻井工况恶劣，由井斜、井下冲击等引起的交变应力导致疲劳破坏，极易发生断钻具等井下事故。邻井钻进过程中多次发生断钻具等井下事故，严重影响钻井效率。

图2 BY1地震解释剖面

2 关键提速技术

2.1 井身结构优化

针对BY1井地层压力特征，对井身结构进行优化，如图3所示，采用四开井身结构。一开采用660.4 mm钻头钻至501 m下入508.0 mm表层套管封隔浅层水及疏松层段。二开444.5 mm钻头钻至2 603 m处，下入339.7 mm技术套管封隔石炭系和二叠系压力较高层段，预防下部层段可能出现的异常压力，降低复杂发生危险。三开采用311.2 mm钻头钻至4 202 m处，下入244.5 mm技套封隔不稳定段夏子街组和裂缝发育层段风城组。四开采用215.9 mm钻头钻至5 300 m处，完井回接177.8 mm套管至井口处，下入139.7 mm尾管悬挂器于3 800 m处，封固目的层段。优化后的井身结构完全满足安全快速钻井的要求，钻进时复杂事故发生减少。

2.2 充氮气欠平衡钻井技术

风城组及佳木河组可钻性差的地层，均为巨厚砂砾岩或白云质粉砂岩井段，岩性横向变化大，均质性差，没有较为稳定的泥岩段，极易发生井漏。为治理井漏问题，提高机械钻速，缩短钻井周期，采用充氮气欠平衡钻井技术。充气欠平衡钻井是指将一定量的可压缩气体通过注气设备注入到钻井液中作为循环介质的工艺[4]。

BY1井三开、四开易漏井段采用充氮气欠平衡钻井工艺，工艺流程如图4所示。三开钻具组合采用Φ215.9 mm牙轮钻头＋双母接头＋箭型回压阀2只＋Φ158.8 mm光钻铤×7柱＋ Φ127 mm 18°加重钻杆+Φ127 mm 18°斜坡钻杆＋Φ168 mm钻杆旋塞1只+Φ168 mm箭型回压阀1只+Φ127 mm 18°斜坡钻杆。四开钻具组合采用Φ215.9 mm牙轮钻头＋双母接头＋箭型回压阀2只＋Φ158.8 mm光钻铤×7柱＋Φ127 mm 18°加重钻杆+Φ127 mm 18°斜坡钻杆＋Φ168 mm钻杆旋塞1只+Φ168 mm箭型回压阀1只+Φ127 mm 18°斜坡钻杆，总进尺434.74 m, 平均机械钻速2.38 m/h，钻进过程均无井壁失稳、井漏等复杂情况，有效应对风城组及佳木河组钻进易漏问题。

图3 充氮气钻井技术工艺流程

2.3 高效钻头应用

BY1井石炭系岩性为灰色砂砾岩，下部为安山岩、玄武岩夹凝灰岩，推覆体地层倾角大，地层可钻性5~6.5。针对石炭系地层可钻性差的问题，采用复合钻头进行钻进。复合钻头是PDC钻头结构和牙轮钻头结构的有机组合，结合了牙轮冲击破岩和PDC钻头剪切破岩的特点，复合钻头能有效降低钻进时的扭矩、减少钻头钻进时的横向振动，提高携岩效率和钻进能力，适合于软硬交错地层、含砾地层[5]。BY1井使用的复合钻头是3PDC固定刀翼+3牙轮相间布置的切削结构（见图4），3个牙轮采用楔形齿与中高密度相结合布齿方式，有利于减少钻进时的振动；3PDC固定刀翼以120°对称交错分布，采用独立保径设计，可以有效提高钻头钻进时的稳定性。BY1井二开采用Φ444.5 mm复合钻头，平均单趟钻进尺370 m, 较相同尺寸其他钻头提高近2倍；平均机械钻速2.34 m/h，较邻井同层段提高70%，破岩效果显著，对地层具有良好的适应性。

图4 现场使用的复合钻头

2.4 防斜打直技术

BY1井二开为高倾角大厚度石炭系推覆体地层，倾角40°，推覆体厚度自东南向西北逐渐变厚，地层构造应力集中，自然造斜能力强，可钻性差。为解决钻进过程容易发生井斜问题，采用斯伦贝谢公司Power-V垂直钻井系统。

Power-V垂直钻井系统是一套全自动化旋转导向处置钻井工具,主要由电子控制部分（CU）、机械导向部分（BU）合一个中间辅助部分（ES）组成[6]。CU是Power-V垂直钻井系统的指挥核心，它由泥浆驱动的发电机、陀螺仪、各种传感器以及时钟控制等组成；BU是一个机械式执行装置，由泥浆导流阀和泥浆伸缩片组成；ES则是一个泥浆滤网。其工作原理是控制部分传感器自动测量出钻进时井底井斜角和高边方位角，当与地面工程师预先设定的底边工具面不同时，控制轴控制机械导向部分的泥浆导流阀和伸缩片产生侧向力，并作用于井壁高边，从而改变钻头切削的方向，使钻头的作用力指向低边，井眼轨迹快速导向垂直方向，实现降斜的目的[7]。

BY1井在1 000 m井深开始采用Power-V垂直钻井系统，钻进至2 603.27 m井深处结束，累计进行了9趟钻，累计应用进尺1 603.27 m，纯钻总时间670.2 h，平均机械钻速2.37 m/h。Power-V垂直钻井系统在高倾角石炭系地层应用后，井身质量控制良好。BY1井1 000~2 000 m段井身质量平均井斜1.29°,最大全角变化率0.56°/30 m，最大水平位移10.07 m。2 000~2 603.27 m段井身质量平均井斜2.07°，最大全角变化率2.90°/30 m，最大水平位移14.91 m（见表1）。

本次会议还举办了第三届“易创杯”组织学与胚胎学教学标本制作大赛，参赛标本包括石蜡切片、铺片标本、整体标本等类型，有HE染色、特殊染色及银染技术。标本制作大赛为专业同行们提供了一个展示标本制作技能的平台。45件实验教学标本中11件作品分别获一、二、三等奖。

表1 BY1井井身质量

2.5 高性能钻井液

邻井复杂主要是井漏，多发生在风城组和夏子街组，漏因多为钻遇直裂缝和钻井液密度偏高，漏失量大，防漏堵漏困难。针对井漏频繁问题，采用强抑制、封堵效果好、低粘切和低密度的钻井液，实现抑制性、流变性和造壁润滑性协调统一，提高钻井效率[8]。

一开砾石层、砾岩井段胶结差易垮塌，井口易窜漏。采用浓度10%左右的高坂含、高粘切和高清洁的“三高”坂土浆增强地层的胶结能力，防止砾岩垮塌。在渗透量大的的井段加大随钻堵漏材料，增强封堵和胶结，以避免出现窜漏。确保泥浆具有较强的悬浮带砂能力和良好的触变性。

二开侏罗系八道湾组煤层易井漏、垮塌；石炭系推覆体夹片中可能出现高压；夏子街组地层稳定性差，极易钻遇破碎带；周围注水井引起地层压力升高可能发生井漏。采用4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH+5% KCl+0.6%~0.8%JT888（SP- 8、MAN101）+ 0.6%~0.8% PMHA-2(MAN104、FA367) + 0.5%NPAN+ 2% SMP-1粉 +2% SPNH+ 3%~5%阳离子乳化沥青（磺化沥青粉）+0.2%~0.5% CaO + 0.5%液体润滑剂 + 0.5%石墨粉+ 2% QCX-1 + 1% WC-1+2%~3%随钻堵漏剂+1%胶凝剂+重晶石的钾钙基聚磺钻井液体系，通过大分子聚合物、KCl等复配,强化体系对地层、钻屑的包被抑制能力。以PMHA-2(MAN104)和KCl加强包被、抑制泥岩水化膨胀，以JT888(SP-8、MAN101)、NPAN等降低滤失量，以磺化沥青粉（阳离子乳化沥青、PHT）、SPNH、SMP-1(粉)（RSTF）、低荧光润滑剂、石墨粉改善滤饼质量，调整流变性和钻井液的润滑性。

三开风城组裂缝发育，井漏严重，钻进过程井壁容易失稳。采用4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH + 5% KCl + 0.6%~0.8% JT888（SP-8、MAN101）+ 0.6%~0.8% PMHA-2(MAN104)+0.5% NPAN+ 2% SMP-1(粉)（RSTF）+2% SPNH+ 0.5%低荧光润滑剂+0.5%石墨粉+3%~5%磺化沥青粉（阳离子乳化沥青、PHT）+0.2%~0.5%CaO+2%~3%随钻堵漏剂+1%胶凝剂+2% QCX-1+1% WC-1+0.2% ABSN+重晶石的钾钙基聚磺钻井液体系。钻井液中加入2% QCX-1、1%WC-1，天然沥青粉（KH-n）的含量稳定3%以上，并且在钻进过程中随时补充，确保屏蔽暂堵材料在钻井完井液中的含量达到设计要求，以形成致密高强度的“屏蔽环”，防止钻井液对油气层造成严重伤害。

四开佳木禾组采用充氮气钻井技术，施工前预先配置好钾钙基聚磺置换液体系、足够的堵漏材料、加重料，调整性能要求。各井段钻井液主要性能见表2。

表2 各井段钻井液的主要性能

3 现场应用效果

针对克百断裂带地层复杂，井漏情况严重，可钻性差等问题，在BY1井2展开提速关键技术研究并得到有效应用，形成了以充氮气钻井、高效钻头、防斜打直技术等为主的钻井提速关键技术，有效解决了推覆体石炭系井斜、风城组与佳木河组井漏的问题，取得了良好现场效果，可以进行全面的技术推广应用[9]。

根据现场资料来看，BY1井采用了优化的“四开+尾管悬挂”井身结构，有效封隔了浅层疏松段，风城组、夏子街组易漏层段。三开和四开部分段采用充氮气欠平衡钻井技术，进尺434.74 m, 平均机械钻速2.38 m/h，钻速提高近50%。石炭系高倾角地层采用Power-V防斜打直技术，平均井斜角稳定在1.5°以下，远低于邻井相同井段平均井斜角，使用效果显著。

二开使用“3牙轮+3PDC”复合钻头和史密斯高效牙轮钻头，平均单只钻头进尺和平均钻速得到有效提高，钻井周期缩短至180 d,与邻井钻井效率对比见表3。

表3 BY1井与邻井钻井效率对比

一开采用高坂含、高粘切和高清洁的坂土钻井液，有效应对浅层疏松层易跨塌问题；二开、三开采用钾钙基聚磺钻井液体系，井漏情况得到有效改善。

4 结 论

（1）在BY1井采用高性能钻井液，利用充氮气欠平衡钻井技术，不仅提高了钻井速度，还解决了风城组、佳木河组易漏的问题，宜推广使用。

（2）复合钻头和Power-V垂直钻井系统在BY1井的成功应用，解决了该井钻遇石炭系推覆体可钻性差的问题，同时针对石炭系自然造斜能力强的难题提供了一个可行的方案。

（3）建议进一步展开充氮气欠平衡钻井技术的地层适应性研究，开展适用于克百断裂带地层的堵漏剂研究与开发，加快多项关键技术集成应用，为克百断裂带安全高效勘探工作提供技术基础。

［1］靳军,王剑,刘金,吐逊阿依·吐拉洪,季汉成,贾海波,房超,李晨. 准噶尔盆地克—百断裂带石炭系深部岩性岩相及时空分布特征[J].西北大学学报(自然科学版), 2018, 48 (02): 238-245.

［2］严康,朱雪华,阮彪,田山川,辛小亮. 玛湖凹陷西斜坡区钻井提速技术研究与应用[J]. 天然气技术与经济, 2018, 12 (05): 37-39+82-83.

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Optimum Drilling Technology of High Risk Exploration BY1 Well in Kebai Fault Zone

1,1,1,1,2

(1. Exploration Division of PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China; 2. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

Kebai fault zone has complex geological structures and fractures. There were many problems of serious lost circulation, low mechanical drilling speed, poor drillability andhigh drilling risk during drilling the Carboniferous and Fengcheng formationsin BY1well, which brought great challenge to oil and gas exploration operations in the region. The application of well structure optimization, high-efficiency drill bit, nitrogen drilling high-performance drilling fluid and vertical anti-slant straightening technology effectively has solved the problem of low drilling efficiency caused by the geological complexity of the block. After using the above excellent drilling technology in BY1 well, the drilling cycle was shortened by nearly 40 days compared with the adjacent well. The mechanical drilling speed and rock breaking efficiency were effectively improved. At the same time, the number of well lost circulation problems and the number of underground accidents were significantly reduced, and a set of key drilling technology for Kebai fault zone was formed, which could provide reference and experience for the next exploration drilling operation of the block.

risk exploration well; lost circulation; drilling speed improvement; nitrogen drilling

2019-10-23

阮彪（1964-），男，工程师，硕士，2012年毕业于长江大学，现从事钻井科研管理工作。

江民盛（1995-），男，长江大学石油工程学院在读研究生，主要从事钻井工艺研究。

TE242.9

A

1004-0935（2020）01-0104-05