鄂尔多斯盆地长城系地层应用氮气钻井探索提速新手段

杨 赟, 郭小虎, 贾军喜

(1中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2低渗透油气田勘探开发国家工程实验室3中国石油长庆油田分公司工程技术管理部)

储层氮气钻井是指在主力储层实施以氮气作为循环介质的气体钻井作业，具有避免井下燃爆、确保安全快速钻井、提高机械钻速、及时准确评价储层等技术优点[1]。基于鄂尔多斯盆地天然气风险探井长城系地层研磨性强、可钻性差、机械钻速低的问题，在T105、T91两口井储层开展了氮气钻井提速试验，提速效果明显，为长城系地层钻井提速提效提供了新手段。

一、长城系地层可钻性分析

地层可钻性是影响钻头破岩效果、制约钻井速度的主要因素，可通过地层可钻性级值、机械钻速、钻头使用寿命来表现，其受埋藏深度、岩石强度、岩性、胶结结构等因素的影响。下面基于地层岩性、声波时差等资料综合定性和定量分析长城系地层可钻性。

1. 地层岩性与可钻性的相关性

以鄂尔多斯盆地中西部GT1井、T59井、L34井为例，长城系地层岩性以砂岩、含砾砂岩为主，主要为硅质胶结结构，存在变质砂岩，石英含量高，普遍在60%以上，且石英含量随井深增加而增加，下部井段石英含量90%以上，见表1。基于《岩石十二级分级表》(1958年地质部颁发)和莫氏硬度标准分析，长城系地层由于石英含量高，且部分区域存在致密硅质胶结结构，属于中硬-硬岩石，研磨性强、可钻性极差，导致常规钻井液钻井机械钻速低、钻头易磨损。

2. 声波时差与可钻性的相关性

地层可钻性与声波时差的关系最为密切，声波时差反映地层的拉伸和压缩变形及强度特性，地层可钻性反映岩石抵抗钻头冲击与剪切破坏的能力，声波时差越小，可钻性越差、可钻性级值越大。

以鄂尔多斯盆地中西部GT1井、T59井、L34井为例，通过刘新田等人修正的鄂尔多斯盆地地层可钻性级值预测数学模型[2](见式1)，计算出长城系地层可钻性级值(见表2)，其长城系地层可钻性属于6～8级，属于中硬-硬地层[3]，可钻性差。

Kd=21.136e-0.00519Δt-1.172

(1)

式中:Δt—声波时差值，s/m。

表1 已钻井地层构造及长城系地层岩性情况

表2 长城系地层可钻性分级情况

3. 长城系常规钻井工程情况分析

以鄂尔多斯盆地中西部GT1井、T59井、L34井为例，长城系可钻性差、钻头使用效果差，机械钻速低(普遍低于1 m/h)、单只钻头进尺短(普通钻头平均进尺低于50 m)，给钻头选型提出了更高要求。近年试验孕镶钻头+涡轮钻具、混装钻头，提速和提高钻头寿命方面取得一定效果。

综合地层岩性、声波时差及实钻分析可知，盆地中西部长城系地层可钻性6～8级(级值6～8.5)，属于中硬-硬地层，石英含量高，部分地层石英含量高达95%，甚至部分区域存在致密硅质胶结构，地层可钻性极差、研磨性强，普遍存在机械钻速低(0.3～0.5 m/h)、钻头寿命短的问题。试验应用孕镶钻头+涡轮钻具、混装钻头等新技术，机械钻速取得一定提升(0.5～0.8 m/h)，钻头寿命也有所增加，但仍不理想。因此，提出在鄂尔多斯盆地天然气探井长城系地层应用氮气钻井提速的新思路。

二、长城系氮气钻井及提速可行性分析

1. 地层压力

鄂尔多斯盆地中西部长城系地层压力系数为0.91～1.03，属低压力系统。如GT1井长城系地层压力系数1.0，T59井长城系地层压力系数0.92～0.94。

2. 井壁稳定性

(1)实钻资料表明，长城系钻井液钻进期间未出现因井壁垮塌所导致的井下复杂。

(2)QS1井、HT1井、T1井等井测井图表明，长城系地层井径扩大率多为2%～5%，最大14%。

(3)长城系岩性为含砾石英砂岩和云母片岩，地层强度高、研磨性强，井壁稳定。

3. 地层产油气水情况

(1)K1井、HT1井长城系岩心资料分析，长城系以产气为主。

(2)已收集的资料表明，仅QS1、HT1两口井在长城系见水层分布。① QS1井长城系解释水层4层，共16.5 m，预测产水速度3.1 m3/h；② HT1井长城系解释水层1层，10.5 m，预测产水速度4.6 m3/h。

(3)未有资料提示长城系有含H2S。

图1 长城系氮气钻井与常规钻井机械钻速对比

4. 提速可行性分析

调研分析可知，与鄂尔多斯盆地长城系地层地质特征类似的克拉玛依AK1井凤城组(可钻性差6.5～7级，邻井FN7井四开钻井液钻井平均机械钻速0.71 m/h，消耗Ø215.9 mm钻头16只)[4]、塔里木MD2井志留系(MD2井Ø149.2 mm井眼钻井液钻井井段平均机械钻速0.57 m/h，邻井MD1井钻井液钻井平均机械钻速1.01 m/h，消耗Ø152.4 mm钻头32只)[5],氮气钻井提速试验效果显著，AK1井四开凤城组消耗Ø215.9 mm钻头3只、平均机械钻速5.21m/h，MD2井志留系消耗Ø149.2mm钻头2只、平均机械钻速5.44m/h，同比钻井液钻井钻速提高4倍以上，且单只钻头进尺大幅度增加。

综上所述，可尝试在长城系应用氮气钻井提速，但须做好出水、出气预防措施，确保作业安全。

三、长城系地层氮气钻井试验分析

鄂尔多斯中西部长城系地层试验氮气钻井2井次，均实现三开氮气钻井一趟钻。T105、T91井长城系地层氮气钻井提速明显，同比常规钻井提速4倍以上，比应用孕镶钻头+涡轮钻具、混装钻头等新技术的GT1、L34井提速1倍以上，见图1。

T105井、T91井氮气钻井选用SMITH 537X Ø152.4 mm三牙轮钻头实现三开氮气钻井一趟钻，钻头数量大幅度减少，钻头进尺明显增加，钻头进尺最长245 m(长城系钻进107 m)，钻头平均进尺200 m(表3)。

表3 长城系地层氮气钻井及常规钻井钻头使用情况

四、认识与建议

(1)长城系氮气钻井提速效果显著，效果优于孕镶钻头+涡轮钻具、混装钻头等新技术，为开发沉积年代远、可钻性差的地层提供了新的钻井提速手段，同时为准确评价储层提供新途径。

(2)建议开展长城系地层岩石可钻性测定以及钻头适应性试验，为优选钻头提供依据。