准噶尔盆地征10 井超深井钻井关键技术*

孙家祥 赵洪山 马莉

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院)

0 引 言

准噶尔盆地腹部下伏沙湾凹陷、 阜康凹陷、 盆1 井西凹陷、 东道海子凹陷等4 大生烃凹陷[1-2],深部以二叠系、 三叠系为主的下组合为源内-近源成藏, 发育了优越的烃源岩和储集层, 勘探潜力巨大[3-5]。 该盆地清水河组以深地层面临不确定因素多、 可钻性差、 压力体系复杂及井壁稳定性差等诸多难题, 在钻井过程中溢、 漏、 塌、 卡等复杂情况频繁发生, 给超深井施工带来较大的难度。 征10井是胜利油田部署在准噶尔盆地沙湾凹陷北部斜坡的一口重点风险探井, 设计井深7 650 m, 完钻层位为二叠系下乌尔禾组。 针对征10 井复杂地质特点及钻井难点, 通过深入开展井身结构优化设计、异型齿PDC 钻头研制、 高效井壁稳定钻井液及恒定井底压力钻井等技术的研究, 初步形成准噶尔盆地腹部以二叠系、 三叠系为勘探目标的超深井钻井配套技术, 安全高效开展征10 井的钻探任务, 以期对今后准中地区复杂超深井的钻井提速提效提供重要的指导。

1 征10 井地质概况

征10 井位于准噶尔盆地莫西庄-永进探区南部的征沙村地区, 东邻莫索湾凸起, 北邻中拐凸起, 西部为车排子凸起南端。 钻遇地层自上而下依次为新生界第四系、 新近系、 古近系, 中生界白垩系(东沟组、 连木沁组、 胜金口组、 呼图壁组、清水河组), 侏罗系(三工河组、 八道湾组), 三叠系(白碱滩组、 克拉玛依组、 百口泉组), 以及上古生界二叠系上乌尔禾组和下乌尔禾组地层。 钻探目的主要是探索沙湾凹陷二叠系上乌尔禾组大型超覆背景下背斜圈闭含油气情况, 同时兼探三叠系百口泉组、 侏罗系八道湾组背斜圈闭、 三工河组岩性圈闭的含油气性, 实现多层系立体勘探。

根据征10 井地震资料解释及邻井实钻资料分析, 该井地质条件较为复杂, 主要表现如下。

(1) 清水河组以浅地层: 埋深0～4 900 m, 以大段泥岩为主, 造浆能力强, 易吸水膨胀造成缩径, 同时局部微裂缝发育, 地层坍塌压力高, 易剥蚀掉块、 垮塌; 地层压力为常压, 压力系数1.00～ 1.20。

(2) 三工河组地层: 埋深4 900 ～5 200 m, 以含砾粗砂岩、 含砾中砂岩、 中砂岩、 泥岩为主, 其中泥岩性脆、 微裂缝发育, 易发生剥蚀掉块; 三工河组二段压力系数1.20～1.40, 三工河组一段压力逐渐升高、 压力系数在1.40～1.60 之间。

(3) 八道湾组地层: 埋深5 200 ～5 920 m, 上部岩性以细砂岩、 泥质细砂岩、 粉砂岩为主, 下部岩性主要为含砾细砂岩、 泥质细砂岩、 细砂岩夹泥岩、 砂质泥岩, 局部含有黑色炭质泥岩、 黑色煤层, 易垮塌、 掉块; 预测地层压力为异常高压, 压力系数1.60～1.70。

(4) 三叠系地层: 埋深5 920～7 230 m, 以泥岩、 砂质泥岩为主, 夹含砾细砂岩、 含砾泥质细砂岩、 细砂岩等; 由于该井区三叠系无井钻遇, 根据邻区沙探1 井、 莫深1 井等实测压力数据, 预测该井地层压力为异常高压, 压力系数1.70～2.15。

(5) 二叠系地层: 埋深7 230～7 650 m, 上部岩性以泥岩、 砂质泥岩为主, 夹砂砾岩、 含砾细砂岩、 泥质粉砂岩, 下部岩性主要为泥岩、 砂质泥岩; 结合沙探1、 莫深1 等井实测压力分析, 预测地层压力为异常高压, 压力系数2.00～2.15。

2 钻井工程难点分析

(1) 井身结构设计难度大。 征10 井作为准噶尔盆地腹部的一口风险探井, 首次在沙湾凹陷二叠系乌尔禾组实施勘探, 不可预见因素较多, 实际地质情况与预计可能存在一定差别, 并且随着井深增加, 地层深度、 厚度及压力等不确定性将会随之增加[6-7]。 因此, 三叠系以深地层钻进过程中可能存在井漏、 溢流、 井塌等复杂情况, 井身结构设计时应充分考虑地层与压力情况的变化, 为各开次安全钻井留有余地, 以保证达到钻探目的。

(2) 深部地层可钻性差、 机械钻速低。 侏罗系以深部分地层岩石力学特性参数如表1 所示。

表1 侏罗系以深部分地层岩石力学特性参数Table 1 Rock mechanical properties of some strata below Jurassic

根据邻井岩心室内力学试验结果, 征10 井侏罗系以深地层PDC 钻头可钻性级值为5.65 ～7.23,硬度普遍大于1 000 MPa, 加上局部夹杂含砾砂岩、 砂砾岩等岩性, 导致深部地层钻进期间机械钻速低、 单趟钻进尺较少。 例如, 成6 井三开主要钻遇三叠系、 二叠系地层, 钻进井段5 102～6 950 m,段长1 848 m, 共计使用10 只PDC 钻头, 平均机械钻速1.31 m/h, 平均单只钻头进尺183.90 m,严重影响了全井的机械钻速和钻井周期。

(3) 清水河组以深地层井壁稳定性较差。 经分析, 井壁失稳原因一方面是由于清水河组以深地层砂泥岩互层严重, 泥岩具有较强的水化膨胀性能, 坍塌压力高, 易剥蚀掉块、 垮塌; 另一方面是由于局部井段发育大量微纳米级间隙和裂缝, 钻井液难以形成有效封堵, 滤液不断侵入, 容易造成井壁周期性垮塌, 从而引起阻卡等复杂情况。 例如,莫深1 井钻进期间累计在清水河组、 八道湾组、 克拉玛依组等地层发生了7 次遇阻和3 次卡钻情况;征11 井清水河组以深地层钻进期间, 平均井径扩大率为17.33%, 最高达36.26%, 累计发生了4 次短起下遇阻和2 次电测遇阻情况, 井壁失稳问题较为突出。

(4) 深部地层压力窗口窄、 安全钻进难度大。根据征10 井地层压力预测及邻井实钻情况, 预计侏罗系以深地层普遍存在异常高压, 压力系数自三工河组一段开始逐渐升高, 至三叠系达到最大的2.15。 此外, 由于三叠系百口泉组、 二叠系上乌尔禾组、 下乌尔禾组等地层裂缝较为发育, 表明深部地层钻进期间可能出现溢漏同存情况的发生。 例如, 沙探1 井三开三叠系和二叠系钻进期间, 分别发生了1 次气侵、 2 次溢流及4 次井漏情况, 给安全快速钻井带来了较大难度。

3 优快钻井技术对策

3.1 井身结构优化设计技术

准噶尔盆地腹部征沙村地区前期部署的施工井完钻层位均为侏罗系三工河组一段, 通常采用ø339.7 mm+ø244.5 mm+ø139.7 mm 井身结构方案。以2019 年完钻的征8 井为例, 其中: 一开ø339.7 mm 表层套管下深1 200 m, 封固上部松散地层;二开ø244.5 mm 技术套管下深4 320 m, 封隔呼图壁组易垮塌层段, 为钻开下部高压地层创造条件;三开ø139.7 mm 油层套管下深5 222 m 完井。 从施工情况来看, 征8 井除三开发生6 次短起下遇阻情况之外, 总体施工较为顺利, 设计钻井周期70.11 d, 实钻周期78.88 d, 较设计周期增加8.77 d。

为了探索二叠系上乌尔禾组大型超覆背景下的含油气情况, 征10 井首次在沙湾凹陷三叠系、 二叠系地层实施勘探。 考虑到清水河组以深地层的井壁失稳、 异常高压以及三叠系、 二叠系地层不确定性等问题, 在借鉴征8 井、 莫深1 井等邻井设计经验基础上, 采用自上而下与自下而上相结合的方法, 通过合理必封点位置及套管下深的优化[8-10],征10 井设计采用了三级备四级的井身结构方案,如图1 所示。 各地层井深如表2 所示。

图1 征10 井井身结构设计Fig.1 Casing program of Well Zheng 10

表2 地层井深数值Table 2 Well depth in target layers

征10 井设计思路为: ①一开ø339.7 mm 表层套管下深2 000 m 左右, 封隔新近系、 古近系松散地层, 减少下开次裸眼井段长度, 建立一定的井口控制能力; ②二开ø244.5 mm 技术套管下深5 050 m 左右, 封隔三工河组二段承压能力较低的常压地层, 为下开次打开主探目的层和预计高压地层的安全钻井创造条件; ③正常情况下, 三开使用ø215.9 mm 钻头钻至井深7 650 m, 下入ø139.7 mm 油层套管完井; ④若施工中遇见难以处理的复杂情况, 设计三开预留了1 层套管, 可在ø215.9 mm 井眼内下入ø177.8 mm 套管后, 井身结构改为四开次结构, 然后四开使用ø149.2 mm 钻头钻至设计井深后, 再根据油气显示情况决定是否下入ø114.3 mm 尾管。

3.2 异型齿PDC 钻头+螺杆钻具提速技术

3.2.1 异型齿PDC 钻头研制

征10 井二开主要钻进白垩系及侏罗系三工河组二段地层, 尽管地层岩性以大段泥岩为主, 然而由于东沟组、 清水河组及三工河组等地层局部含有砾石, 使用常规PDC 钻头容易出现崩齿、 断齿等问题, 所以二开钻头设计应以提高机械钻速为主,同时兼具一定抗冲击性能。 在分析邻井钻头应用效果的基础上, 采用异型齿与平面齿混布技术, 研制了一种ø311.2 mm MQ516J 型屋脊齿PDC 钻头, 如图2 所示。

图2 MQ516J 型屋脊齿PDC 钻头Fig.2 MQ516J ridged-cutter PDC bit

从图2 可见: 该钻头采用5 刀翼、 16 mm 高压屋脊齿、 单排齿、 中等布齿密度设计, 可以提高二开整体机械钻速; 冠部轮廓采用中深内锥-短外锥形状设计, 后排搭配减震齿, 在以砂砾岩为主的地层中钻进, 有利于延长钻头寿命; 通过优化水力结构, 采用大水槽不均分设计和8 水眼配置, 有利于增强高压喷射辅助破岩效果。

根据征10 井的地质及工程设计, 三开主要钻进侏罗系三工河组一段以深地层, 设计井段长2 598 m, 是该井钻井提速的重点井段。 面临的难题主要是砂砾岩、 塑性泥岩可钻性较差、 研磨性强, 钻进期间机械钻速普遍低于1.50 m/h, 单趟钻进进尺小于200 m, 造成起下钻次数多, 钻井时效偏低。 三开钻头设计应重点加强PDC 耐磨性能,以延长钻头使用寿命为主[11-13]。 为此, 研制了一种ø215.9 mm MQ513 型异型齿PDC 钻头, 如图3 所示。

图3 MQ513 型异型齿PDC 钻头Fig.3 MQ513 concave-cutter PDC bit

由图3 可知: 该钻头采用5 刀翼、 13 mm BFA3 凹面齿、 双排齿、 中低布齿密度设计, 具有较强的非均质地层吃入能力; 冠部轮廓采用中深内锥-短外锥形状设计, 切削齿角度适中, 具有较强的耐磨性; 此外, 后排齿2～3 颗, 搭配使用BFDX尖圆齿、 厚层平齿, 有利于进一步增强中硬-坚硬地层的适应能力。

3.2.2 高性能螺杆钻具优选

为了更好地提高异型齿PDC 钻头的现场应用效果, 征10 井二开、 三开均优选了高性能螺杆钻具进行复合钻井提速。 根据邻井实钻情况, 二开地层为软-中软地层, 可钻性较好[14-16], 钻进期间对转速较为敏感, 螺杆钻具应优先选用头数较少的常规螺杆或等壁厚螺杆, 同时配以大排量水力参数,其中大排量作用除了水力破岩和井底净化之外, 还能提高螺杆钻具输出转速。

由于三开地层硬度普遍为1 000 ～1 500 MPa,属于中等硬度地层, 根据钻井参数敏感性分析规律, 机械钻速主要对钻压比较敏感, 并且随着井深的增加, 对钻压的敏感性指数将会逐渐增大。 所以三开地层应优选低转速大功率的等壁厚螺杆钻具,同时结合井斜随钻监测结果, 充分释放钻压, 从而获得较高的机械钻速。

根据上述螺杆钻具的优选原则, 征10 井二开、三开分别优选了H5LZ244×7.0-3.5 和H7LZ172×7.0-4.0 这2 种型号的等壁厚螺杆钻具, 主要技术参数如表3 所示。

表3 2 种推荐螺杆钻具的主要技术参数Table 3 Main parameters of two recommended PDM drills

与常规螺杆钻具相比, 由于2 种螺杆的定子橡胶层薄且应力分布均匀, 抗变形能力强, 密封性及散热性能好, 所以其对深井和高温井的适应性更强、 使用寿命更长。 此外, 为了充分发挥螺杆钻具的提速优势, 推荐二开钻井参数如下: 钻压80 ～ 140 kN, 顶驱转速60～80 r/min, 排量60～70 L/s;三开钻井参数: 钻压60～100 kN, 顶驱转速60～80 r/min, 排量25～35 L/s。

3.3 高效井壁稳定钻井液技术

3.3.1 复合盐强封堵钻井液技术

由于征10 井二开呼图壁组、 清水河组、 三工河组地层坍塌压力高, 钻进期间泥岩地层易掉块、垮塌, 形成不规则井眼或造成掉块卡钻。 所以不仅要求钻井液必须具有良好的抑制、 封堵防塌能力,而且应增强钻井液对微裂隙地层的封堵能力、 护壁能力及润滑性能, 从而保证井壁稳定及井下安全。

设计采用了复合盐强封堵钻井液体系, 配方为: 4%～6%膨润土+0.4%～0.6%钻井液用聚丙烯酸钾+0.5%～1.0%降滤失剂磺酸盐共聚物+0.5%～ 1.0%胺基聚醇+3%～5%氯化钠+5%～7%氯化钾+3%～4%井壁稳定剂+3%～4%多级配填充封堵剂+1.0%～1.5%羟基铝抑制防塌剂+3%～4%磺甲基酚醛树脂SMP-1+0.5%～1.0%有机硅稳定剂; 其他处理剂包括: 工业用氢氧化钠, 钻井液用无荧光白油润滑剂、 固体润滑剂, 无水聚合醇、 硅氟类降黏剂, 随钻堵漏剂等。

钻进过程中还需注意加强钻井液性能的维护处理[17-18], 包括: 体系转化时要先加入钻井液用降滤失剂磺酸盐共聚物护胶, 再加入氯化钠与氯化钾, 并且转化过程要平稳, 防止性能波动过大导致井下出现复杂情况; 严格控制好API 滤失量及高温高压滤失量, 适当提高黏切力, 避免定点循环,减少水力冲刷和钻具碰撞井壁; 根据地层掉块及坍塌压力的变化, 逐渐合理地提高钻井液密度, 保持井眼力学稳定, 利用径向支撑应力稳定井壁, 达到综合封堵防塌的目的。

3.3.2 气制油合成基钻井液技术

合成基钻井液是一种以气制油为连续相的油基钻井液, 与常规油基钻井液相比, 除了具有优异的抑制性、 高温稳定性及储层保护效果之外[19-22],由于其运动黏度低、 倾点低, 低温时具有良好的黏温特性, 比较适合准噶尔盆地冬季施工, 并且不含芳香烃类物质, 更加环保。 前期准中地区永3-平1井、 永301 井等多口井三开钻进期间应用合成基钻井液, 不仅确保了侏罗系以深地层的井壁稳定及井下安全, 而且获得了良好的油气显示及试油试采成果, 有力推动了永进油田的上产开发。

征10 井三开主要钻进侏罗系八道湾组、 三叠系百口泉组及二叠系乌尔禾组等目的层段, 钻进期间同时面临着砂泥岩、 煤层易坍塌掉块、 井底温度高、 储保难度大等难题。 为了实现三开井段的安全快速钻进, 设计采用气制油合成基钻井液体系进行施工, 配方为: 气制油基液+2.5%～3.5%有机土+2%乳化剂+1%辅乳化剂+0 ～2%润湿剂+0.5%～ 1.0% 流型调节剂+3%～6%降滤失剂+0 ～5%氯化钙水溶液+1%～3%CaO+3%～5%封堵材料。

由于合成基钻井液首次在准中深层的三叠系、二叠系地层进行应用, 钻进期间需针对可能出现的异常情况制定出详细技术对策。 若钻进期间合成基钻井液油水比失稳, 应直接在循环系统中补充基础油或其他添加剂, 提高钻井液的乳化稳定性, 使破乳电压≥500 V; 当岩屑上返异常、 携岩困难时,应适当补充增黏剂、 乳化剂等处理剂, 提高钻井液的悬浮携带能力; 如果钻进期间渗漏较为严重, 日漏失量大于5 m3, 应及时加入油基封堵材料以提高承压能力。

3.4 恒定井底压力钻井技术

恒定井底压力钻井作为控制压力钻井技术的一种, 是指在钻井过程中利用专门的技术和装备精确地管理、 约束及控制井筒压力的方法, 通过对井口压力等一系列关键变量的精确控制, 能够解决与井筒环空压力有关的溢、 漏、 塌及卡等复杂问题[23-25]。 根据征10 井地层压力预测及邻井实钻情况分析, 由于侏罗系以深地层压力体系复杂、 压力窗口窄, 钻进过程中溢漏同存发生的概率较大, 加之出于保护油气层的需要, 三开目的层段采用了恒定井底压力技术进行施工。

考虑到三叠系、 二叠系地层存在压力不确定性问题, 首先制定了针对性的控压钻井技术原则:①按“静欠动不欠” 原则进行设计, 即静止时井底处于微欠平衡状态, 循环时处于微过平衡状态;②控压钻进时, 按设计的钻井液密度和当量循环密度(ECD) 进行井底恒压钻进; ③发生溢流时,先按原钻井液密度确定需控制的套压大小, 若套压小于5.0 MPa, 则控压钻进, 否则关井求压, 重新计算地层压力, 提高钻井液密度; ④发生井漏时,先逐步释放套压, 每次降低0.5 MPa, 若套压降至0, 井漏仍未停止, 则逐渐循环以降低钻井液密度;⑤接立柱时, 在井口施加所需回压, 保持与钻进时井底压力的恒定。

根据征10 井三开地质预测地层压力系数为1.60～2.15, 利用Drillbench 软件模拟计算, 得到了实施控压钻井的设计参数, 如表4 所示。 施工过程中, 需要确保在钻进和起下钻过程中井底当量密度稍高于地层压力系数, 并根据实际钻进情况对钻井液密度进行及时调整。

表4 恒定井底压力钻井设计参数Table 4 Parameters of constant-bottomhole-pressure drilling

4 实施效果分析

征10 井为准噶尔盆地腹部一口重点风险探井,设计井深7 650 m, 设计钻井周期212.45 d。 通过开展井身结构优化设计、 异型齿PDC 钻头研制、高效井壁稳定钻井液及恒定井底压力钻井等关键技术研究与应用, 最终实钻井深7 802 m, 创造了准噶尔盆地井深最深的纪录; 并且在井深增加152 m的情况下, 实钻周期为203.64 d, 较设计周期节省8.81 d, 安全优质高效地完成了该井的钻探任务,为今后准中地区复杂超深井的钻井提速提效积累了宝贵的经验。

表5 给出了征10 井与成6 井二开、 三开钻井提速效果的对比情况。 成6 井是部署在东道海子凹陷东斜坡的一口风险探井, 完钻井深6 950 m, 与征10 井钻探目标一致, 主探二叠系上乌尔禾组、三叠系百口泉组含油气性。 从表5 可以看出, 采用高效异型齿PDC 钻头+螺杆钻具提速技术后, 尽管2 口井二开平均机械钻速基本相当, 但是征10 井二开平均单趟钻进尺为1 004.00 m, 较成6 井提高了30.60%, 节省了1 只PDC 钻头及1 趟起下钻时间; 征10 井三开平均机械钻速为1.88 m/h, 平均单趟钻进尺274.50 m, 分别较成6 井提高了43.51%和49.27%, 提速效果显著。

表5 征10 井和成6 井二开、 三开钻井提速效果对比Table 5 ROP-improving results of Wells Zheng 10 and Cheng 6 in the 2nd and 3rd casing sections

图4 为征10 井和成6 井三开井径扩大率和扩划眼/循环时间的对比。 从图4 可以看出: 征10 井三开井段(5 052～7 802 m) 采用合成基钻井液后,井壁掉块、 井径扩大率得到有效控制, 裸眼段长达2 750 m 的三开最大井径扩大率仅为8.65%, 较成6 井(20.69%) 大大降低, 井眼质量明显提高;征10 井百口泉组至上乌尔禾组在钻进过程中, 当钻井液密度低于2.12 g/cm3时, 发生溢流, 高于2.16 g/cm3时发生漏失, 压力当量密度窗口仅0.04 g/cm3。 通过采用恒定井底压力钻井技术, 解决了窄密度窗口溢漏同存的难题; 最终通过合成基钻井液和恒定井底压力钻井的综合应用, 征10 井三开扩划眼/循环时间为407.45 h, 较成6 井(481.28 h) 显著减少, 有力保障了三开井段的施工安全。

图4 征10 井和成6 井三开井径扩大率和扩划眼/循环时间对比Fig.4 Hole enlargement rates and reaming/circulation time of Wells Zheng 10 and Cheng 6 in the 3rd casing section

5 结论与建议

(1) 准噶尔盆地腹部侏罗系以深地层岩石硬度高(≥1 000 MPa)、 可钻性级值大(≥6 级)、压力体系复杂且井壁稳定问题突出, 钻井过程中机械钻速慢、 复杂情况多、 钻井周期长, 是制约准噶尔盆地下组合深探井优快钻井的瓶颈层段。

(2) 异形齿PDC 钻头针对砂砾岩、 塑性泥岩等难钻地层具有较强的吃入能力和耐磨性, 配套具有长寿命的等壁厚螺杆钻具复合钻井施工, 是实现准噶尔盆地腹部深层钻井提速的有效手段。

(3) 合成基钻井液具有优异的抑制性、 高温稳定性及储层保护效果, 能够有效减少因滤液作用造成水敏性地层水化膨胀产生的掉块, 是解决准中目的层段井壁失稳、 保证井眼质量的首选。

(4) 建议综合考虑实钻井眼条件、 环空流体性质、 压力非线性等因素影响, 深入开展井筒压力智能控制系统的研发, 通过对复杂井况实时分析、快速自动响应, 进一步提高恒定井底压力钻井的控制效率, 为压力不确定地层和窄密度窗口地层提供精确且快速的压力控制。