克拉苏构造带超深盐下大斜度井钻井关键技术

仇常凯 蒋凯 王兵

摘要：克拉苏构造带深部地层地质条件复杂，前期多口钻探断层带油气藏井被迫提前完井。为了提高钻井成功率，提出了采用大斜度井避开部分断层，降低事故复杂的钻井技术思路。结合区域地质特征，分析了超深层盐下大斜度井面临的套管必封点不确定性、井眼轨道设计及轨迹控制难、盐底卡准层位难度大、盐层大斜度井段套管下入摩阻大等技术难点，基于克拉苏构造带膏盐岩蠕变实验结果，优化原七开直井井身结构为五开盐下大斜度井身结构，探索了“旋转导向+同心扩眼器”BHA 组合在膏盐层定向钻井方法，试验了“常规卡层技术+GLASS 前视技术”盐底卡层组合形式，分析制定了大斜度膏盐层套管安全下入关键技术措施，形成一套适合于克拉苏构造带的超深盐下大斜度井钻井关键技术。克深A、克深B 等6 口井现场应用表明，该技术可以解决克拉苏构造带超深盐下大斜度井钻井存在的技术难题，钻井成功率100%，满足勘探开发的需求。

关键词：克拉苏构造；超深井；膏盐层；大斜度井；井身结构；井眼轨道；盐底卡层；下套管

中图分类号：TE245 文献标识码： A

0 引言

克拉苏冲断带是南天山南麓第一排冲断构造，包含克深、博孜、大北等区带，蕴育有丰富的油气资源，探明天然气地质储量超13 000×108 m3［1］。该构造带具有逆掩推附体构造特征［2］，天然气藏埋深超过6 000 m，部分井甚至超过8 000 m，上部地层发育有巨厚砾岩层［3］，地层深部构造运动复杂，深部地层普遍发育有2 套以上断层/盐层［4］，膏盐岩层厚度200～3 000 m，个别井盐层厚度4 500 m 以上，多具备叠瓦状构造［5］，给油气勘探开发和钻完井工程带来了巨大挑战。前期国内专家学者针对该区域技术难题开展了技术攻关，取得了一定的成果。谭鹏等［6］针对塔里木库车坳陷超深、高压高温、复杂压力系统以及窄密度窗口等极限工程技术难题，通过井身结构优化、钻井提速、井筒稳定及安全封隔等核心技术攻关，实现了超深井钻完井整体提速。殷召海等［7］针对克拉苏博孜1 区块上部巨厚砾岩层钻速低、固井质量差等问题，优选了系列钻井提速技术、制定了一系列防漏堵漏技术措施和固井技术措施，取得了良好的效果。王学龙等［8］针对塔里木克深9 气田超深井钻井过程中钻井周期长、盐膏层高压盐水与薄弱漏层同存、高陡地层防斜难、致密砂岩储层机械钻速低等问题，提出了在上部高陡地层应用垂直钻井工具、膏盐层应用高密度油基钻井液、致密砂岩储层优选360 钻头、涡轮钻具+孕镶钻头等措施，现场应用平均钻井周期缩短12%，平均机械钻速提高13%。

该区域钻探靠近断层的油气储层时地质条件更加恶劣，由于发育多条断层［9］、多套盐层［10］，造成井漏［11］、溢流［12］、卡盐层困难［13］等，上述研究成果不能满足更为复杂构造储层钻探。例如克深X 井发育有3 条断层、3 套盐层，井下溢、漏、卡频发，导致施工408 d 后工程报废；克深Y 井钻进295d 后，因膏盐层事故复杂无法继续钻进，被迫提前完井。笔者针对钻遇多条断层和多套盐层、开发靠近深部断层位置的井位，提出了采用大斜度井避开上部断层的技术思路，降低钻井过程事故复杂。盐下大斜度钻井工程存在以下技术难题：（1） 该构造带大部分区域为走滑型应力机制，地应力整体较高，且方位变化大，大斜度井井壁稳定性差，井眼轨道如何设计尤为关键；（2） 深部膏盐层强蠕变易缩径，且盐层与储层段垂距短，需要在膏盐层段内定向，井眼轨迹控制难度大，垂向地应力介于最大和最小水平地应力之间，卡钻风险高，需要优选定向工艺与造斜工具仪器；（3） 逆掩推覆构造及断层影响下，库姆格列木群膏盐层重复出现，井深1 800 m 以浅、6 000 m 以深均发育有膏盐岩层，深部膏盐层压力系数2.10～2.30，盐下目的层压力系数1.55～1.81，膏盐层底板泥岩厚薄不一，盐底卡层困难，若技术套管漏封膏盐岩段，下一开次将有2 套压力系统，钻进风险极大；（4） 常规大斜度井面临摩阻扭矩大、钻进效率低、套管下入困难等问题，而克拉苏构造带发育巨厚膏盐层，将会面临更大的风险。

为了实施克拉苏构造带超深盐下大斜度井，笔者在深入分析大斜度井施工技术难点基础上，优化了井身结构及井眼轨道，优选确定了“旋导+随钻扩眼器”定向技术，改进了盐层卡层技术，制定了膏盐层套管安全下入保障技术等，形成了克拉苏构造带超深盐下大斜度井钻井关键技术，成功实施6 口盐下大斜度井，钻井成功率100%。该技术已成为区域开发提产稳产的重要手段，对克拉苏构造带的勘探开发带来深远影响。

1 盐下大斜度井钻井关键技术

1.1 井身结构设计

区域内原采用直井，井身结构为：一开?609.6mm 表层套管下至200 m 左右；二开?473.08 mm 套管下至1 500 m，封第1 套盐上地层；三开?339.7mm+ ?365.13 mm 复合套管下至2 500 m 左右，封第1 套盐层及盐下砂泥岩层； 四开?244.5 mm+?265.13 mm 复合套管下至4 900 m，封第2 套盐层；五开钻至第3 套盐层顶部，?177.8 mm 套管封承压低的砂泥岩层、断层；六开?131 mm 套管封盐，为储层专打奠定基础；七开?104 mm 钻头揭开储层，裸眼完井。若第3 套盐层以上地层承压能力高，则上述五开和六开合打，下入?177.8 mm+?181.99 mm套管至储层顶部，储层专打，下入?131 mm 尾管。存在主要问题：套管层次多，需6 开备7 开的井身结构；第1 套盐层蠕变性认识不足，其与上部低压地层没能够设计合打；无法避开第2 套盐层和第3 套盐层之间的断层，溢流、井漏风险极高，会严重影响钻进效率。

为此，提出了采用大斜度井避开断层的技术思路，可避开1 套断层，少钻遇1 套膏盐层，纵向上由5 个必封点减少为4 个必封点，井身结构设计为五开：一开?558.8 mm 井眼，?473.1 mm 表层套管下至500 m 左右，封固地表疏松层；二开?431.8 m 井眼， ?365.1 mm +?374.7 mm 复合套管下至2 500m 左右，封固相对低压层，井深1 500～1 800 m 膏盐层、1 800 m 断层与砂岩泥岩段合打；三开?333.4mm 钻头钻穿第2 套膏盐层，深度约4 900 m，下入?273.1 mm+?293.4 mm 复合套管，封蠕变软泥岩及可能发育的高压盐水井段；四开为造斜段，同时通过部署斜井避开断层，?241.3 mm 井眼下?196.8 mm+?206.4 mm 厚壁套管封盐，为储层专打奠定基础；五开?168.3 mm 钻头钻至完钻井深，下?131 mm 尾管。

1.2 井眼轨道优化设计

基于逆掩推覆构造影响，克拉苏构造带地应力高达130～180 MPa［14］，盐下大斜度井井壁稳定性差，且储层上部发育的巨厚复合盐层易发生蠕变，井眼轨道如何优化设计，对大斜度井钻井安全至关重要。克拉苏区域内天然裂缝存在变化性［15］，井眼方位角倾向于交叉垂直天然裂缝走向，单井设计时需要根据地质上提供的相关数据，开展井眼方位的设计；考虑靶点位移及垂向地层厚度分布，造斜点选择库姆格列木群泥岩段，井眼造斜率（3°～5°）/30 m；井斜角设计范围55°～65°；采用双增轨道剖面，结合确定了钻探方位、造斜点、造斜率以及井斜角等轨道设计的关键参数，完成整个井眼轨道设计。

1.3 旋转导向+随钻扩眼器定向技术

1.3.1 定向工具优选

克拉苏构造带超深盐下大斜度井，盐层钻进风险高。旋转导向系统可以在钻具旋转中，实时改变钻头的指向或钻头侧向力进行定向，钻具所承受的摩擦阻力以及摩擦阻力产生的扭矩均较小。旋转导向系统有指向式和推靠式两种，其中指向式旋转导向系统内部设计有偏置机构、伺服电动机等，偏置机构可以驱使芯轴产生偏向一侧的挠度，伺服电动机能够使钻头与钻铤反向旋转并保证偏转方向不变，从而达到导向钻进的目的［16］；推靠式旋转导向系统具有多个推靠块，通过控制每个推靠块的液压力，控制工具导向力的大小和方向，使钻头偏离钻具中心线，实现导向功能［17］。在该构造带盐下大斜度井中采用了推靠式旋导系统，提升盐层段定向钻进的安全性，降低事故复杂。

1.3.2 随钻扩眼技术

为了应对克拉苏构造带深部膏盐层定向钻进时盐层蠕变缩径快［18］、下套管通井时间长等难题，在现有底部钻具组合中加入随钻扩眼器，实现正常钻进的同时对井眼进行扩大，形成一套随钻扩眼技术［19］。随钻扩眼器是一种为了应对蠕变地层研发的工具，利用其内部控制系统，通过井口投球激活刀翼，对膏盐层选择性扩眼，可实现井眼尺寸由241.3mm 扩大至266.7 mm，给蠕变地层一定蠕变空间，预防缩径卡钻，同时降低井底ECD，有利于封盐套管安全下入。该单项技术在多口膏盐层直井段取得比较好的应用效果。例如克深Z 井盐膏层直井段采用随钻扩眼技术，钻具全程起下钻畅通，相比邻井作业减少2 趟钻，工期平均降低4.5 d，同条件下扩眼后的固井最大井底压力当量钻井液密度为2.42 g/cm3，循环摩阻降低2.2 MPa，相当于拓展了0.03 g/cm3 的安全密度窗口。

因此，确定了盐下大斜度井“旋转导向+随钻扩眼器”底部组合：?241.3 mm 钻头+旋转导向+MWD无磁钻铤×1 根+?177.8 mm 无磁钻铤×1 根+浮阀+?241.3 mm 稳定器+?177.8 mm 短钻铤+随钻扩眼器+ ?177.8 mm 螺旋钻铤×1 柱+随钻震击器+?139.7 mm 加重钻杆+ ?149.2 mm 斜坡钻杆。

1.4 盐底卡层技术

克拉苏构造带膏盐层岩性复杂，盐底沉积模式不固定，盐层底部没有统一的标志层，厚度变化较大且难以准确预测［20］，引入GLASS 地层前视技术辅助卡盐层。GLASS 地层前视技术能够综合利用包括地层电导率、井下流体特性等在内的多种信息，通过反演的手段，对钻头前方地层电阻率的差异以及变化趋势进行识别［21］，可定量判断钻头前方30m 范围内电阻率的变化，预测钻头与前方电阻率变化界面的距离，精度可达到80%。将传统盐底卡层技术和GLASS 地层前视技术相互结合，更有利于提高盐底卡层准确性。克深A 等井应用效果表明，盐底卡层准确率大幅度提高，由61% 提高到80%，为盐下大斜度井揭开储层，保障钻进安全奠定了坚实的基础。

1.5 膏盐层套管安全下入技术

大斜度膏盐层段钻进选择?241.3 mm 钻头，上一开次套管为?273.1 mm+?293.4 mm 复合套管，为了提高套管安全下入能力，从以下方面开展了技术优化。一是优选采用随钻扩眼工艺技术，对膏盐层段随钻扩眼，给予膏盐地层一定蠕变空间，降低下套管时遇阻卡的风险；二是采用双扶BHA 通井钻具组合通井顺畅，套管即可以顺利下入；三是采用“高泵压、大排量、高转速”策略［22］，泵压不小于28～30MPa、排量30～33 L/s、转速80 r/min 时，可实现环空循环返速接近1.0 m/s，配合全裸眼倒划眼通井工艺，清除大斜度井段岩屑床，修整井壁保证井眼光滑通畅，保证膏盐层大井斜井段内，?206.4 mm 厚壁套管（钢级140、壁厚17.25 mm） 能够顺利下入。在克深A、博孜A 等井应用了上述膏盐层段套管安全下入技术方案，对膏盐层段井眼随钻扩大25.4 mm，变形能模拟分析优选通井钻具组合，强化钻井参数，提高携岩效率，修整好井壁，封盐层高强度厚壁套管均一次性安全顺利下入到位，未出现克深Y 井因套管下入不到位而被迫提前完井的问题。

1.6 现场应用

利用研究形成的超深盐下大斜井钻井关键技术，在克拉苏构造带实施了6 口盐下大斜度井，钻井成功率100%（表1），未出现前期类似克深X 等井工程报废重大问题，已成为区域开发提产稳产的重要手段。

以部署在克拉苏构造带的盐下大斜度井克深A 井为例，依托上述超深盐下大斜度井钻井关键技术，首先通过充分研究地质构造特征，论证确定必封点，设计五开井身结构（如图1），最终成功完钻，完钻井深7 046 m，钻井周期278 d。

结合对深部地层的认识，北偏西方向（?45°～15°、135°～195°） 的井壁稳定优于东西方向，而天然裂缝走向集中于90°～130°，利于天然裂缝钻遇为北偏东方向（0～90°），综合考虑天然裂缝钻遇、压裂改造效果，有利的钻探方位为北偏东15°方向。天然裂缝主要为北倾，东西走向，高角度缝、直立缝为主，以70°～90°井斜角可垂直穿裂缝，考虑保证井眼能够穿足够有利储层厚度，最终最大井斜角设计为60°，并稳斜至井底。为了降低施工难度，优化双增轨道剖面，第一增斜段狗腿度设计为5（°）/30 m，第二增斜段狗腿度设计为3（°）/30 m，造斜点井深5 370 m，位于库姆格列木群中泥岩段。

超深盐下大斜度井关键在于四开?241.3 mm 井眼膏盐层段的施工。5 370～6 290 m 井段地层库姆格列木群中泥岩段，优选采用推靠式旋转导向系统进行造斜。从6 290 m 开始进入膏盐岩地层，更换BHA 组合为旋导+随钻扩眼器，开展定向以及膏盐层段随钻扩眼，保证井眼光滑平整，减少钻进阻卡，且钻井漏失明显减少。

钻进至6 750 m 时起钻甩随钻扩眼器，采用GLASS 地层前测+旋导继续钻进，随钻预测盐底位置。当钻进至6 771.5 m（垂深6 282 m） 时，返出褐色盐质泥岩，元素录井表明6 761.5 m 对应的岩性为盐层底部之上最后一套盐质泥岩。启动GLASS 测井工具进行探测，结果表明6 638～6 735 m 高阻与低阻地层响应关系明显，解释盐层底部垂深6 289.5±1 m。起钻甩掉GLASS 及旋导，下入常规BHA 组合，稳斜钻进至6 781.0 m，微钻时显著升高，元素录井与区域盐底组合特征一致， 氯元素由4.20% 降至0.41%，镁元素5.71% 增至8.13%，6 680.7～6 681 m岩性为含膏泥岩，岩屑形态符合底板泥岩特征，判断已钻揭下泥岩段0.3 m，垂深6 289.1 m，决定中完。

为了确保?206.4 mm 厚壁套管（钢级140、壁厚17.25 mm） 管串能够顺利下入到位，结合套管管串与通井钻井组合刚度对比分析。该井先后采用单扶通井BHA 组合、双扶通井BHA 组合，通井到底后采用排量32 L/s、转速80 r/min、泵压31 MPa 施工参数，采用全裸眼倒划眼通井，清除大斜度井段岩屑床，膏盐层套管顺利安全下入到位。

2 讨论与分析

2.1 井身结构设计方法

基于克拉苏构造带地层特征的特殊性，首先对盐岩地层蠕变规律进行了研究探索。通常情况下，盐岩应变速率由位错蠕变和压溶蠕变两种机制共同控制［23］。为摸清影响克拉苏构造带盐膏层蠕变速率的主控因素，利用现场获取的复合盐膏层岩样，开展室内评价实验。结合实验数据，建立了水平应力差、地层温度对膏盐层蠕变速率的影响图谱：水平应力差＜15 MPa，且温度＜57 ℃ 时，蠕变速率＜0.27×10?4/h；水平应力差达到20 MPa，温度＞57 ℃ 后，蠕变速率会迅速增加（图2）。评价分析认为：该构造带膏盐层蠕变主要受位错滑移控制，水平应力差和地层温度为地层蠕变速率主要因素。

克拉苏构造带区域地温梯度2.1 ℃/100 m 左右，计算井下2 100 m 地层温度约为57 ℃。结合上述实验分析认为，克拉苏构造带2 100 m 以浅膏盐层蠕变速度低，可以按照常规地层考虑其井壁稳定性。井深超过2 100 m 后，温度越来越高，水平应力差增大，膏盐层蠕变速度高，表现出极强的塑性，需采用高密度钻井液体系进行抑制。

因此2 100 m 以浅膏盐层，可以与上部地层合打，减少井身结构层次，同时通过大斜度井的方式避开一套断层，少钻遇一套膏盐层，纵向上由5 个必封点甚至6 个必封点减少为4 个必封点。 通过这种方式，可将原来的六开、七开直井井身结构，优化为五开盐下大斜度井身结构。

2.2 井眼轨道设计

克拉苏构造带曾经施工井均为直井，没有井眼轨道设计的经验借鉴。因此结合近几年的研究攻关，建立了一套超深盐下大斜度井轨道设计方法。在设计方位角时，要考虑井壁稳定和地层裂缝两方面的因素，因此方位角既要交叉于天然裂缝走向，提高单井产量，又要尽可能考虑井壁稳定最优方位。结合对区域岩性特征认识，考虑靶点位移及垂向地层厚度分布，造斜点选择在可钻性适中、井径规则且正常压实的库姆格列木群泥岩段。综合考虑封盐厚壁套管可下入性，以及膏盐地层内?241.3 mm 井眼造斜能力，将造斜率由（4°～6°）/30 m 优化为（3°～5°）/30 m。井斜角的设计要综合考虑轨迹尽量能垂直于储层裂缝面，以提高对储层的连通性，同时要兼顾地质钻揭储层垂距的要求，结合地质特征，最大井斜角设计范围55°～65°。

2.3 “旋转导向+随钻扩眼器”组合技术方案

克拉苏构造带超深盐下大斜井，盐层钻进风险高，螺杆钻具定向造斜容易形成井眼不规则（如图3a），且滑动定向时钻具不转动［24］，增大盐层段内卡钻风险，同时螺杆定向时需要来回摆工具面，定向效率较低。旋转导向系统可以在钻具旋转中，实时改变钻头的指向或钻头侧向力进行定向，形成的井眼轨迹光滑无波动（如图3b）。随钻扩眼器在该区域直井得以成功应用，通过“旋导+随钻扩眼器”组合技术方案实施盐层下大斜井，能够解决缩径阻卡、提速提效等各种问题，具有很强可实施性。

2.4 盐底卡层技术

克拉苏构造带膏盐层岩性复杂，盐底高钻时褐色泥岩厚度不一，极易钻穿褐色泥岩，发生井漏，准确卡准盐底难度大。基于盐底位置预测，结合岩性组合、微钻时、泥岩切削特征、碳酸盐岩含量与矿物差异、聚盐元素含量和卤水特征系数等传统评价指标，这是传统盐底卡层技术［25］。考虑到本构造带褐色泥岩厚度不一，采用常规技术卡层风险极大，卡层准确与否关系到施工井能否达到地质目的，引入国际上先进的GLASS 地层前视技术辅助卡盐层，结合传统盐底卡层技术形成一套综合盐底卡层技术，更有利于提高盐底卡层准确性。

2.5 膏盐层套管安全下入技术

大斜度膏盐层段钻进选择的钻头尺寸为?241.3mm，上一开次套管为?273.1 mm+?293.4 mm 复合套管，除了采用了前期直井施工中随钻扩眼工艺技术之外，模拟通井钻柱验证套管的可下入性，以大斜度井使用的?177.8 mm 钻挺、钻具扶正器和?206.4mm 套管（钢级140、壁厚17.25 mm） 相关参数为基础，分别模拟计算了单扶BHA 通井钻具组合、双扶BHA 通井钻具组合和套管的弯曲变形能，如图4 所示。理论对比分析认为，双扶BHA 通井钻具组合通井顺畅，套管即可以顺利下入。

盐膏层大斜度井段岩屑易堆积到井眼低边形成岩屑床［26］，因此采用“高泵压、大排量、高转速”策略［27］，泵压由24～25 MPa 提至28～30 MPa、排量由25～28 L/s 提至30～33 L/s、转速由50～60 r/min提至80 r/min，可实现环空循环返速接近1.0 m/s，配合全裸眼倒划眼通井工艺，清除大斜度井段岩屑床，修整井壁保证井眼光滑通畅，保证?206.4 mm 厚壁套管（钢级140、壁厚17.25 mm） 下入到位。

3 结论

（1） 采用理论分析、室内实验等手段，优化形成了一套克拉苏构造带盐下大斜度井开发复杂断层构造带油气藏钻井技术方案，通过现场试验验证了技术方案的可行性，解决了克拉苏构造带复杂断层构造带油气藏钻井关键技术问题，同时对其他类似地层构造区块有很好的借鉴作用。

（2） 鉴于克拉苏构造带构造运动复杂，地质不确定性较大，采用大斜度井仍有钻遇断层的可能性，建议加强地质工程一体化研究，尽可能准确判断断层的位置。

（3） 本研究只针对不超过3 套盐层的地层，对于发育4 套及以上盐层的构造带，仍需要加强研究，优化确定必封点及配套钻井技术，从而实现目标区域的高效钻井。