川深1超深井鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡大梁，歐 彪 ，張道平, 肖國(guó)益，嚴(yán)焱誠(chéng)， 易世友

(1中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠 3中石化西南石油工程公司重慶鉆井分公司)

四川盆地海相下組合烴源發(fā)育，發(fā)育多套大規(guī)模儲(chǔ)層，源儲(chǔ)匹配好，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)磨溪龍王廟組、高石梯燈影組等四個(gè)氣藏，其中龍王廟組探明儲(chǔ)量4 403.83×108m3，是迄今為止我國(guó)發(fā)現(xiàn)的單體規(guī)模最大的特大型海相碳酸鹽巖整裝氣藏[1-2]，盆地內(nèi)中石化探區(qū)海相下組合初步估算圈閉資源量超過(guò)1.7×1012m3，是天然氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域。川深1井是中石化部署在四川盆地的超深風(fēng)險(xiǎn)探井，設(shè)計(jì)井深8 690 m，是當(dāng)時(shí)亞洲陸上設(shè)計(jì)最深直井，以震旦系燈影組為主要目的層，兼探寒武系龍王廟組。

一、工程地質(zhì)特征

同構(gòu)造實(shí)施的最深井為閬中1井，完鉆井深6 660 m，層位為棲霞組，棲霞組以下尚未鉆探，深部地層不可預(yù)見(jiàn)因素多。地層壓力預(yù)測(cè)(表1)僅能參考通南巴構(gòu)造帶的馬深1井，兩口井相距148 km，實(shí)鉆地質(zhì)情況可能與預(yù)測(cè)有較大差別[3]。

根據(jù)馬深1井測(cè)井曲線，利用GMI地應(yīng)力軟件建立井壁穩(wěn)定性模型，分析結(jié)果表明地層坍塌壓力隨深度增加而增大，海相地層坍塌壓力均小于地層壓力，以地層壓力設(shè)計(jì)的鉆井密度能夠維持井壁穩(wěn)定。

二、鉆井技術(shù)難點(diǎn)

(2)設(shè)計(jì)井深8 690 m，開(kāi)孔井眼尺寸大，大尺寸套管下入深度超過(guò)4 000 m，最大重量超過(guò)500 t，鉆機(jī)承受負(fù)荷大，施工周期長(zhǎng)，對(duì)井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)備性能、套管保護(hù)等要求高。

(3)陸相沙溪廟組、須家河組地層井壁穩(wěn)定性差，海相嘉陵江組地層膏鹽巖發(fā)育，筇竹寺組泥頁(yè)巖易水化失穩(wěn)，燈影組地層溫度預(yù)計(jì)180℃～187℃，高溫、高壓、酸根污染等苛刻條件對(duì)鉆井液抗高溫、抑制性等要求高。

(4)三開(kāi)?273.1 mm套管下深接近7 000 m，四開(kāi)?193.7 mm套管下深8 300 m、回接段長(zhǎng)約6 600 m，大尺寸套管剛性強(qiáng)，長(zhǎng)裸眼條件安全下入難度大，超長(zhǎng)封固井段的水泥漿頂替效率低，固井質(zhì)量難以保障。

表1 鉆遇地層壓力預(yù)測(cè)

三、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 必封點(diǎn)設(shè)置及優(yōu)化

1.1 理論計(jì)算

應(yīng)用CasingSeat軟件按地層孔隙壓力和破裂壓力剖面計(jì)算，要分隔不同的壓力層系，需設(shè)置3個(gè)必封點(diǎn)，分別是遂寧組頂部、須家河組頂部和筇竹寺組中部。

1.2 必封點(diǎn)優(yōu)化調(diào)整

軟件理論計(jì)算的必封點(diǎn)是以地層三壓力剖面為基礎(chǔ)，未考慮地層復(fù)雜情況等因素，存在二開(kāi)井控能力較弱、三開(kāi)裸眼段過(guò)長(zhǎng)(>5 200 m)的問(wèn)題。考慮本構(gòu)造棲霞組及以深地層未鉆探，具有地質(zhì)不確定性，在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)上部已知井段設(shè)計(jì)采用大尺寸井眼承擔(dān)更多進(jìn)尺，為深部未知地層鉆探留下調(diào)整余地，同時(shí)盡量將區(qū)域主力氣層分隔處于不同開(kāi)次[4-5]，以減少相互干擾。將必封點(diǎn)調(diào)整為4個(gè)，盡量封隔不同的壓力體系和復(fù)雜地層，必封點(diǎn)設(shè)置如下：

1.4 術(shù)后治療 硬膜下積液患者早期治療以觀察隨訪為主，對(duì)于去骨瓣減壓者觀察期間骨窗適當(dāng)加壓包扎；2017年初開(kāi)始對(duì)發(fā)生硬膜下積液患者常規(guī)予阿托伐他汀(立普妥)20 mg/d治療。慢性硬膜下血腫厚度<1.5 cm者以隨訪觀察為主，血腫厚度大于1.5 cm伴顱高壓或神經(jīng)根功能障礙者行鉆孔引流術(shù)治療。

必封點(diǎn)1：設(shè)置在遂寧組頂部地層，封隔上部不穩(wěn)定、易漏、易坍塌、出水地層，為二開(kāi)采用空氣鉆井提速和陸相地層安全鉆進(jìn)提供井口控制條件。

必封點(diǎn)2：設(shè)置在雷口坡組頂部地層，封隔上部的陸相不穩(wěn)定地層和氣層，為下一開(kāi)海相地層安全鉆進(jìn)和大套管長(zhǎng)井段下入創(chuàng)造條件，原則上封過(guò)雷四段頂部破碎帶。

必封點(diǎn)3：考慮鄰井閬中1井將長(zhǎng)興組低壓層與茅口組高壓地層放在同一井段，未發(fā)生井漏等復(fù)雜情況，因此必封點(diǎn)3封過(guò)茅口組高壓地層，避免在四開(kāi)鉆進(jìn)同時(shí)面臨茅口組和龍王廟兩個(gè)區(qū)域高壓氣層，防止出現(xiàn)“上漏下噴”復(fù)雜情況，以保障四開(kāi)井控安全。

必封點(diǎn)4：目的層燈影組地層壓力低，易發(fā)生漏失，為保證目的層專(zhuān)封專(zhuān)打，必封點(diǎn)4設(shè)置在筇竹寺組中下部，封隔上部的龍王廟組高壓氣層，有利于主要目的層的發(fā)現(xiàn)、評(píng)價(jià)及保護(hù)。

2. 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

完井方式為?139.7 mm套管射孔完井，首先確定完鉆井眼尺寸?165.1 mm，按照由內(nèi)而外、自下而上逐層確定各開(kāi)次鉆頭/套管尺寸，盡量選擇API標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列?？紤]到鉆井過(guò)程中面臨的復(fù)雜情況，五開(kāi)?139.7 mm套管有提前下入的可能，備用?114.3 mm裸眼完井(表2)。

四、鉆井工藝設(shè)計(jì)

1. 鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高鉆具抗拉強(qiáng)度，三開(kāi)使用?139.7 mm鉆桿×3 000 m+?127 mm鉆桿×4 000 m，三開(kāi)6 000 m以深井段和四開(kāi)選用?149.2 mm雙臺(tái)階鉆桿替代?139.7 mm鉆桿，拉力余量達(dá)到120 t，比?139.7 mm鉆桿增大60 t以上，接頭過(guò)流面積增大15%，有利于降低循環(huán)壓耗；五開(kāi)選用?149.2 mm鉆桿×4 000 m+ ?101.6 mm鉆桿×4 500 m；選用SS105/G105材質(zhì)，不使用S135等高鋼級(jí)鉆桿，以避免氫脆。

表2 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

2. 鉆井提速技術(shù)方案

本井要鉆達(dá)目的層，縱向上要穿越27套地層，需要針對(duì)不同地層的工程地質(zhì)特點(diǎn)，分井段優(yōu)選合適的配套鉆井工藝[6-8]。針對(duì)一開(kāi)井眼尺寸大、對(duì)鉆壓不敏感、地層易出水、常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低的問(wèn)題，優(yōu)選泡沫鉆井技術(shù)；二開(kāi)地層可鉆性差，大尺寸鉆頭吃入地層困難的問(wèn)題，推薦PDC+旋沖工具鉆井技術(shù)，將部分泥漿泵能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，增加沖擊破巖能，提高扭矩傳遞效率；避免鉆頭粘滑、跳鉆，保證鉆頭平穩(wěn)切屑與鉆進(jìn)；海相地層可鉆性較好，為了實(shí)現(xiàn)防斜打快目標(biāo)，推薦預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜技術(shù)，在鉆具中接入具有彎曲度的螺桿，利用鉆具組合在井眼中的渦動(dòng)特征，在鉆頭上形成一個(gè)遠(yuǎn)大于鐘擺降斜力的防斜力，同時(shí)優(yōu)選攻擊性強(qiáng)的5刀翼16～19 mm齒PDC鉆頭，實(shí)現(xiàn)防斜打快。

3. 鉆井液體系設(shè)計(jì)

二開(kāi)鉆遇蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組、千佛崖組、自流井組、雷口坡組地層，沙溪廟組泥質(zhì)含量較高，須家河組層理裂縫發(fā)育、雷口坡組頂部可能存在破碎帶，井壁穩(wěn)定性差，設(shè)計(jì)鉀基聚磺鉆井液體系，強(qiáng)化防塌抑制性能。

海相嘉陵江組膏巖發(fā)育，鄰井鉆遇高壓鹽水層，要求鉆井液具有一定的抗膏侵、鹽水侵能力；井底溫度預(yù)計(jì)超過(guò)180℃，設(shè)計(jì)抗高溫耐鹽聚磺鉆井液體系，優(yōu)選高溫穩(wěn)定劑和處理劑，抗高溫材料應(yīng)提前一個(gè)溫度臺(tái)階入井，防止因長(zhǎng)時(shí)間使用老化造成的鉆井液高溫增稠或減稠發(fā)生性能惡化[9-10]。儲(chǔ)層段密度較低(1.15～1.35 g/cm3)，從儲(chǔ)層保護(hù)角度考慮，應(yīng)選擇酸溶性的鈦鐵礦或石灰石加重劑；與石灰石相比，鈦鐵礦密度高，高密度鉆井液固相含量低，有利于鉆井液性能調(diào)控和鉆井提速，若鉆遇高壓氣層，鉆井液加重時(shí)效較高，可降低井控風(fēng)險(xiǎn)。

4. 固井技術(shù)方案

二開(kāi)?444. 5 mm井眼下入?365.1 mm套管，設(shè)計(jì)乳化沖洗液+抗污染加重隔離液+防氣竄水泥漿。

三開(kāi)?282.6 mm/?273.1 mm套管重量大，送放鉆具拉力余量??；茅口組高壓氣層防氣竄難度高；井底溫度高、水泥漿抗高溫要求高。設(shè)計(jì)先懸掛后回接的方式，優(yōu)選抗高溫耐腐蝕的防竄水泥漿，解決高溫、防竄、防腐及大溫差的難題，采用在川東北工區(qū)使用效果明顯的除油先導(dǎo)漿進(jìn)一步提高一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

四開(kāi)和五開(kāi)具有超深、井底高溫高壓等特點(diǎn)，對(duì)工具附件可靠性及密封性要求高；五開(kāi)小井眼、小間隙、高溫、酸性氣藏等對(duì)水泥漿的抗高溫、耐腐蝕、防氣竄性能及水泥石的抗沖擊性能要求高[11-12]。設(shè)計(jì)除油先導(dǎo)漿+乳化沖洗液+加重抗污染隔離液+沖洗液的前置液，選用膠乳增韌防竄水泥漿；優(yōu)選抗高溫帶頂封的懸掛器，降低環(huán)空氣竄的風(fēng)險(xiǎn)。

五、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1. 井身結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

本井實(shí)鉆為五開(kāi)結(jié)構(gòu)，各開(kāi)次的必封點(diǎn)基本與設(shè)計(jì)一致，有效分隔了各復(fù)雜層位，確保了鉆達(dá)地質(zhì)目標(biāo)。導(dǎo)管實(shí)際下深20 m，比設(shè)計(jì)減少30 m，未有效封隔表層疏松地層，導(dǎo)致一開(kāi)泡沫鉆井竄漿至地面；設(shè)計(jì)時(shí)考慮地層預(yù)測(cè)可能存在誤差，四開(kāi)鉆至筇竹寺組下部，不揭開(kāi)燈影組，實(shí)際鉆至8 060 m中完，距筇竹寺組底界87 m，五開(kāi)鉆遇筇竹寺底部的灰黑色頁(yè)巖，發(fā)生井壁失穩(wěn)掉塊。在地質(zhì)認(rèn)識(shí)清楚的條件下，后續(xù)井建議加深至燈影組頂部中完，實(shí)現(xiàn)目的層專(zhuān)封專(zhuān)打。

2. 鉆井提速技術(shù)應(yīng)用效果

2.1 大尺寸井眼氣體鉆井技術(shù)

一開(kāi)泡沫鉆進(jìn)總進(jìn)尺890.00 m，平均機(jī)械鉆速5.67 m/h，提速效果較好。二開(kāi)空氣鉆井段910.00～2 318.10 m，累計(jì)進(jìn)尺1 408.10 m，平均鉆速6.24 m/h，主要是由于該段地層井斜對(duì)鉆壓比較敏感，為控制井斜，鉆壓維持40 kN；進(jìn)入上沙溪廟組后，接立柱后有一定的沉砂，從安全角度需要控時(shí)鉆進(jìn)，鉆速未達(dá)預(yù)期目標(biāo)。

2.2 PDC鉆頭+旋沖工具鉆井技術(shù)

在上沙溪廟、下沙溪廟、千佛崖及自流井馬鞍山段采用PDC+旋沖工具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)井段2 318.10～2 909.30 m和3 065.00～3 080.94 m，使用4只PDC鉆頭和4套旋沖工具，總進(jìn)尺607.14 m，平均機(jī)械鉆速2.02 m/h，比鄰井閬中1井同層位牙輪鉆頭鉆速提高1.3倍。

2.3 預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)鉆具防斜打直技術(shù)

在三開(kāi)?320.68 mm井眼雷口坡組三段至長(zhǎng)興組應(yīng)用預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)鉆具防斜打直技術(shù)，鉆進(jìn)井段4 548.86～6 317.57 m，進(jìn)尺1768.71 m，平均機(jī)械鉆速3.86 m/h；四開(kāi)?241.3 mm井眼棲霞組～洗象池群應(yīng)用，鉆進(jìn)井段6 885.00～7 359.11 m，進(jìn)尺474.11 m，平均機(jī)械鉆速2.96 m/h，井斜控制在1°以?xún)?nèi)，防斜打快效果顯著。

3. 鉆井液技術(shù)

自流井組和須家河組五段砂巖、泥巖和頁(yè)巖發(fā)育，采用“三強(qiáng)一低”鉆井液，加大瀝青類(lèi)防塌劑用量，提高聚合物和鉀抑制劑的濃度，保持鉀離子濃度不低于18 000 ppm，氯離子不低于25 000 ppm，起下鉆中未出現(xiàn)遇阻卡現(xiàn)象；三開(kāi)雷口坡組和嘉陵江組膏鹽層長(zhǎng)達(dá)1 100 m，鈣離子最高1 200 ppm，氯離子最高65 000 ppm，加入抗膏鹽處理劑膠液，補(bǔ)充低黏切抗膏鹽重漿穩(wěn)定密度，順利鉆穿膏鹽層。四開(kāi)井底溫度高，加入SMP-3、SPNH、CaCO3、抗高溫合成聚合物等材料，嚴(yán)格控制API失水≤4 mL，高溫高壓失水≤12 mL，對(duì)龍馬溪組和洗象池組易塌地層，加入1.5%抗溫180℃聚胺抑制劑，保障井壁穩(wěn)定；五開(kāi)井溫超過(guò)180℃，配制密度1.20 g/cm3抗高溫耐鹽聚磺鉆井液，添加抗高溫材料，磺化類(lèi)處理劑加量不低于7%，聚合物抗高溫抗鹽降濾失劑加量不低于0.8%，增強(qiáng)體系抗溫抗污染能力，鉆井液的pH值維持在10以上，消除硫化氫對(duì)井漿的污染。

4. 綜合應(yīng)用效果

川深1井2016年12月30日開(kāi)鉆，2018年6月24日五開(kāi)鉆至井深8 420 m完鉆，通過(guò)分段優(yōu)化提速方案，強(qiáng)化一級(jí)井控，加強(qiáng)環(huán)空液面監(jiān)測(cè)等手段，克服了高壓致密地層大尺寸井眼鉆進(jìn)、長(zhǎng)裸眼大尺寸套管安全下入、區(qū)域性高壓氣層發(fā)育等諸多技術(shù)難題，平均機(jī)械鉆速2.08 m/h，全井鉆井周期549.23 d，同比馬深1井鉆速提高13%，周期縮短7.5%。

六、結(jié)論及建議

(1)川深1井主體采用五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)封隔淺部地層建立井控條件，二開(kāi)封隔陸相地層，三開(kāi)和四開(kāi)分隔高低壓地層，五開(kāi)專(zhuān)打目的層，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)安全鉆井及地質(zhì)變化的調(diào)整需要。

(2)陸相大尺寸井眼應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)，堅(jiān)硬難鉆地層應(yīng)用旋沖鉆井技術(shù)，海相地層應(yīng)用預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)防斜打直技術(shù)，可以有效提高機(jī)械鉆速，同時(shí)保障井身質(zhì)量。

(3)超高溫耐鹽聚磺鉆井液體系具有較強(qiáng)的抗溫能力，在高溫高壓作用下保持較好的高溫流變性，能有效抑制水敏性地層的水化，抗污染能力較強(qiáng)，能夠滿足超深井高溫條件的井眼潤(rùn)滑、攜巖要求。