隆探X3井基巖定向井鉆井設(shè)計與施工

段曉巖

(中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

隆探X3井位于松遼盆地古中央隆起帶昌德凸起構(gòu)造，鉆探目的層為基底，兼探泉頭組一、二段及登婁庫組，探索古中央隆起帶基巖風(fēng)化殼儲層的含氣性，同時兼探上覆登婁庫組及基底內(nèi)幕的含氣性。設(shè)計完鉆井深3944.66 m，垂深3630 m。 預(yù)測目的層地層壓力為正常壓力體系，孔隙壓力系數(shù)為1.04，平均破裂壓力系數(shù)為1.80，地溫梯度為4.60 ℃/100 m。為確保該井的安全高效施工進行了鉆井工程方案設(shè)計。

1 隆探X3井難點分析

隆探X3井是大慶首口基巖定向井，受勘探程度和資料限制，地質(zhì)勘探風(fēng)險較高，鉆井施工風(fēng)險高，主要有以下難點。

(1)存在多處斷層，易井漏井斜：青二、三段1600、1710 m，泉三段下部2330 m，基底內(nèi)幕頂部有斷層。

(2)基巖巖性復(fù)雜，裂縫發(fā)育，易井漏及井壁失穩(wěn)：風(fēng)化殼頂部巖石整體破碎、疏松，孔隙度5.5%，下部裂縫發(fā)育；內(nèi)幕推測為碎裂花崗巖、碎裂巖，易發(fā)生井漏，且本井為定向井，更要嚴防井壁失穩(wěn)。

(3)巖石硬度大，可鉆性差：目的層巖性主要為碎裂花崗巖、碎裂巖、糜棱巖，巖石可鉆性8～9級。

(4)基巖勘探程度低：地層壓力不明確，可能存在壓力異常；破裂壓力低，固井易漏失。

2 隆探X3鉆井優(yōu)化設(shè)計

參照鄰井實鉆資料，并針對本井以上施工難點，在設(shè)計方案中重點對井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆頭選型、鉆井液情況等方面進行優(yōu)化，以達到降低施工難度與風(fēng)險，指導(dǎo)現(xiàn)場安全高效施工的目的[1-5]。

2.1 井眼軌跡

根據(jù)本井的地質(zhì)目標， 本井地質(zhì)設(shè)計已經(jīng)規(guī)定了靶點坐標，進而明確了該井的井斜角及方位角。按造斜率5°/30 m、采用三段制設(shè)計本井井眼軌跡，反推造斜點2809.39 m、最大井斜角48.16°。從地質(zhì)分層看，本井造斜點、穩(wěn)斜段地層硬度適中，無坍塌、縮徑、高壓、易漏，易于鉆井施工[6]。井眼軌道優(yōu)化設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 隆探X3井井眼軌道剖面設(shè)計(表中的南北、東西坐標均為相對坐標)Table 1 Trajectory design of Well Longtan X3 (NS coordinates and EW coordinates in the table are relative coordinates)

2.2 井身結(jié)構(gòu)

針對古中央隆起帶地質(zhì)特點，井身結(jié)構(gòu)確定依據(jù)如下：

(1)必封點：①本井位于葡萄花油層注水開發(fā)區(qū)內(nèi)，葡萄花油層需封固；②嫩江組、青山口組地層易縮徑、失穩(wěn)，需封固；③基巖目的層壓力不明確，可能存在異常壓力層或復(fù)雜地層，須預(yù)留一層套管，因此選擇三層標準井身結(jié)構(gòu)，預(yù)留?177.8 mm套管和?152.4 mm井眼。

(2)?339.7 mm套管下至260 m穩(wěn)定泥巖處，封固地表疏松地層和保護地表水，加固井口。

(3)?244.5 mm技術(shù)套管下至登二段底部3210 m，封隔嫩江組、青山口組等不穩(wěn)定地層和葡萄花注水高壓層；將目的層與上部壓力層系分隔，實現(xiàn)三開低密度鉆進，保障勘探發(fā)現(xiàn)；減少三開裸眼段長度，降低三開鉆完井風(fēng)險；借鑒達深X23經(jīng)驗教訓(xùn)，縮短三開裸眼段，降低摩阻扭矩, 實現(xiàn)基巖儲層專打。

(4)?215.9 mm鉆頭鉆至設(shè)計井深(斜深)3944.66 m，下入?139.7 mm尾管固井。若油氣顯示良好，必要時，?139.7 mm 套管回接至井口[7-9]。

2.3 鉆具組合

由于隆探X3井造斜段+穩(wěn)斜段共計1135 m，穩(wěn)斜角48°，利用Landmark軟件模擬(見圖1、圖2)，其造斜段+穩(wěn)斜段最大扭矩為15.4 kN·m。由于理論軌跡為理想的平滑曲線，借助達深X23井實鉆與理論數(shù)據(jù)，對隆探X3井計算結(jié)果進行修正，預(yù)計實際施工扭矩大約為24 kN·m 。

圖1 造斜段+穩(wěn)斜段摩阻扭矩計算結(jié)果Fig.1 Calculation results of drag and torque in buildingand holding sections

圖2 造斜段+穩(wěn)斜段摩阻扭矩圖Fig.2 Graphical representation of drag and torquein building and holding sections

利用Landmark 軟件進行各開次鉆具組合校核。

二開造斜段+穩(wěn)斜段設(shè)計的鉆具組合為[10-13]：?311.2 mm鉆頭×0.3 m+?216.0 mm螺桿×8.4 m(造斜段1.5°/1.25°；穩(wěn)斜段0.75°/1.0°)+?203.0 mm MWD×13.3 m+?203.0 mm無磁鉆鋌×9.0 m+?178.0 mm鉆鋌×54.0 m +?159.0 mm鉆鋌×54.0 m+?127 mm加重鉆桿×135.0 m+?127 mm鉆桿。圖3～5為造斜段鉆具校核圖。

圖3 二開造斜、穩(wěn)斜段井眼鉆具強度校核圖Fig.3 Strength calibration of BHA for building and holding sectionsin the second spud in

圖4 二開?311.2 mm井眼鉆具摩阻圖Fig.4 Drag of BHA in the ?311.2mm hole in the second spud in

圖5 二開?311.2 mm井眼鉆具扭矩圖Fig.5 Torque of BHA in ?311.2mm hole in the second spud in

三開穩(wěn)斜設(shè)計的鉆具組合為:?215.9 mm鉆頭×0.3 m+?172.0 mm螺桿(帶一個扶正器) ×8.4 m+?214.0 mm穩(wěn)定器×1.5 m+?159.0 mm鉆鋌×9.0 m+?214.0 mm穩(wěn)定器×1.5 m+?159.0 mm止回閥×1.0 m+?172.0 mm MWD×13.3 m+?165.0 mm無磁鉆鋌×9.0 m+?159.0 mm鉆鋌× 54.0 m+?127 mm加重鉆桿×270.0 m+?127 mm鉆桿。圖6～8為穩(wěn)斜段鉆具校核圖。

圖6 三開穩(wěn)斜段井眼鉆具強度校核圖Fig.6 Strength calibration of BHA for the holding sectionin the third spud in

2.4 鉆頭優(yōu)選

(1)二開泉二、泉一(直井段)巖石可鉆性4～5級，采用液動旋沖工具+PDC鉆頭提速[14-16]。

(2)二開泉一、登三段(造斜段)巖石可鉆性4～6級，設(shè)計采用MWD+螺桿+PDC鉆頭造斜鉆進，備用牙輪鉆頭[7]。

圖7 三開?215.9 mm井眼鉆具摩阻圖Fig.7 Drag of BHA in the ?215.9mm hole in the second spud in

圖8 三開?215.9 mm井眼鉆具扭矩圖Fig.8 Torque of BHA in the ?215.9mm hole in the third spud in

(3)三開基巖井段主要為花崗巖、碎裂巖等，頂部巖石可鉆性達8～9級，設(shè)計采用高速牙輪鉆頭，并探索應(yīng)用休斯敦研發(fā)中心非平面齒PDC鉆頭提速,各層位巖性可鉆性見圖9。

圖9 各層位巖性可鉆性Fig.9 Rock drillability of various layers

2.5 鉆井液優(yōu)選

根據(jù)本井基巖鉆探的不確定性及二開大井眼造斜的需求，一開設(shè)計采用膨潤土漿；二開、三開設(shè)計采用有機硅聚磺鉆井液體系，該鉆井液體系具有良好的潤滑性和封堵防塌能力，綜合性能接近油基泥漿[17-18]，鉆井液性能見表2、表3。

2.6 井眼清潔

表2 鉆井液性能對比Table 2 Comparison of drilling fluid properties

由于地質(zhì)條件限制，本井井斜角為48.16°，二開造斜段、增斜段長400.61 m，三開穩(wěn)斜段長910 m，由于鉆井過程中，45°～65°井段容易形成巖屑床，為避免巖屑床的形成，提高凈化程度，減少鉆井過程中的摩阻和扭矩，防止出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定、形成鍵槽、粘卡等井下事故，需要采用Landmark軟件，模擬計算排量、鉆速以及巖屑顆粒半徑對巖屑床厚度的影響[19-25]。

表3 鉆井液性能Table 3 Properties of drilling fluids

二開造斜、穩(wěn)斜段，鉆頭?311.2 mm。在機械鉆速2.0 m/h，鉆井液塑性粘度21 Pa·s、動切力15.5 Pa，巖屑顆粒半徑6 mm，排量2.0 ～3.1 m3/min條件下，模擬排量以及轉(zhuǎn)速對巖屑床厚度的影響，結(jié)果見圖10。由圖10可以看出，當排量<3.1m3/min時，同一轉(zhuǎn)速下，巖屑床的厚度隨著排量的增加而減??；在同一排量下，巖屑床的厚度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。因此，設(shè)計鉆井參數(shù)時，轉(zhuǎn)速>270 r/min，排量>2.8 m3/min。

圖10 二開造斜、穩(wěn)斜段排量及轉(zhuǎn)速對巖屑床厚度的影響Fig.10 Effect of flowrates and rotary speeds on cuttings settlementthickness in the building and holding sections in the second spud in

三開穩(wěn)斜段，鉆頭?215.9 mm。在機械鉆速2.0 m/h, 鉆井液塑性粘度21 Pa·s、動切力15.5 Pa，巖屑顆粒半徑6 mm，排量1.2～2.0 m3/min條件下，模擬排量以及轉(zhuǎn)速對巖屑床厚度的影響，結(jié)果見圖11，圖11可以看出，當排量<2.0 m3/min時，同一轉(zhuǎn)速下，巖屑床的厚度隨著排量的增加而減?。辉谕慌帕肯?，巖屑床的厚度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。因此，設(shè)計鉆井參數(shù)時，鉆速>270 r/min，排量>1.5 m3/min。

圖11 穩(wěn)斜段排量及轉(zhuǎn)速對巖屑床厚度的影響Fig.11 Effect of flowrates and rotary speeds on cuttings settlementthickness in the holding section in the third spud in

理論計算得出，為保證井眼清潔，應(yīng)適當提高排量和轉(zhuǎn)速來減小巖屑床的厚度，以實現(xiàn)降低摩阻和扭矩的目的。由于本井段采用螺桿復(fù)合鉆進，二開造斜段、穩(wěn)斜段，三開穩(wěn)斜段轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40～60 r/min，二開造斜段、穩(wěn)斜段排量2.8～3.0 m3/min，三開穩(wěn)斜段排量1.6～1.9 m3/min。

3 隆探X3 井現(xiàn)場施工情況

3.1 井身結(jié)構(gòu)

由于在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行了優(yōu)化，使井身結(jié)構(gòu)設(shè)計較適應(yīng)實際情況，與鉆井現(xiàn)場實際井身結(jié)構(gòu)符合率相當高。?339.7 mm套管下至261.82 m；?244.5 mm套管下至登二段中部 3178.34 m；?139.7 mm套管下至基底4100.00 m。

3.2 實鉆鉆頭使用情況

在隆探X3井實鉆過程中，二開在2227.87～2791 m井段使用2趟液動旋沖鉆井工具+PDC鉆頭，鉆井進尺563.13 m，純鉆進161.5 h，機械鉆速3.49 m/h，其他井段采用定向儀器+螺桿，取得了顯著的提速和縮短周期的效果。隆探X3井實鉆鉆頭使用情況見表4。

表4 隆探X3井實鉆鉆頭使用情況Table 4 Use of bits in drilling Well Longtan X3

3.3 鉆井液情況

(1)實現(xiàn)了低粘高切，體現(xiàn)出了良好的攜帶巖屑能力。整個施工過程中，鉆井液漏斗粘度保持在60 s左右，動塑比達到0.4以上，振動篩篩面返砂明顯，泵壓平穩(wěn)，保證了井底和井壁的清潔，扭矩5 kN·m，上提摩阻50 kN左右。

(2)鉆井液加入抑制劑和優(yōu)選防塌封堵劑，提高了鉆井液的抑制封堵能力，并優(yōu)選了抗高溫處理劑，HPHT失水量≤12 mL。對水敏性泥頁巖，還是以平衡地層活度為主，使鉆井液和地層中水的活度保持相等，從而達到阻止油包水鉆井液中的水向地層運移，保證井壁穩(wěn)定性，及固相顆粒優(yōu)先被油潤濕，避免了含有泥頁巖的鉆屑與鉆井液接觸后發(fā)生吸水膨脹，水化分散，使鉆井液粘度上升，扭矩和阻力增大。

(3)具有良好的剪切稀釋性和潤滑性：避免了小排量時鉆頭泥包的可能性，保證了井內(nèi)鉆井液靜止狀態(tài)下，井下安全。

該井二開鉆進采用造斜段1.5°/1.25°單彎螺桿、穩(wěn)斜段0.75°/1.0°常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合,使用抑制封堵能力強的有機硅聚磺鉆井液體系進行鉆進。該井段19趟鉆完成，2918 m，純鉆749 h，平均機械鉆速3.90 m/h，平均造斜率1.54°/30 m。

該井三開鉆進采用0.75°/1.0°常規(guī)穩(wěn)斜鉆具組合,使用抑制封堵能力強的有機硅聚磺鉆井液體系進行鉆進。該井段29趟鉆完成，純鉆516.5 h，進尺940 m，機械鉆速1.82 m/h。

該井實際完鉆井深4120.00 m，垂深3747.32 m，最大井斜角51.5°，方位角272.00°，鉆進周期127.83 d。鉆井施工過程中沒有出現(xiàn)井下故障，完井、電測及下套管均安全順利完成。

4 結(jié)論

(1)合理的井身結(jié)構(gòu)，必封點的選取使得隆探X3鉆井施工順利完成，沒有事故復(fù)雜情況的發(fā)生。

(2)采用Landmark對各井段鉆具結(jié)構(gòu)、摩阻及扭矩進行優(yōu)化，確保了井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

(3)二開2227.87～2791 m井段使用2趟液動旋沖鉆井工具+PDC鉆頭，其他井段采用定向儀器+螺桿，三開基底鉆進采用高速牙輪鉆頭，取得了顯著的提速和縮短周期的效果。

(4)采用具有良好的潤滑性和封堵防塌能力的有機硅聚磺鉆井液體系，保證了井壁穩(wěn)定性以及井內(nèi)鉆井液靜止狀態(tài)下的井下安全，使得施工順利進行。