柴達(dá)木盆地昆特依構(gòu)造超深井鉆井難點(diǎn)及對(duì)策
——以昆1-1井為例

郝少軍 安小絮 施曉雯 江 林

（1.中國石油青海油田公司鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 736202；2.中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202）

0 引言

柴達(dá)木盆地昆特依構(gòu)造昆1-1井設(shè)計(jì)井深為7 310 m，自上而下鉆遇10套地層，分別是Q1+2、N23、N22、N21、N1、E32、E31、E1+2、J1、基巖，地層巖性主要以泥巖、砂質(zhì)礫巖、花崗片麻巖為主，該井采用5層井身結(jié)構(gòu)，超深井鉆探過程中,主要存在井底溫度高、深部地層可鉆性差、工具選擇受限等難題。因此，有必要針對(duì)相關(guān)難題開展超深井鉆井系列技術(shù)［1］的攻關(guān)。通過對(duì)超高溫鉆井液體系、堵漏配方、個(gè)性化鉆頭及提速工具等的篩選及優(yōu)選，形成了一套滿足昆特依基巖地層鉆探的超高溫鉆井系列技術(shù)，有效解決了超深井鉆探過程中面臨的一系列技術(shù)難題，為后續(xù)超深井的安全鉆探提供了有利的技術(shù)支撐。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1）高溫條件下鉆井液性能穩(wěn)定性差，易發(fā)生突變。鄰井昆2加深井井底溫度由158℃（井深為5 950 m）升高到183℃（井深為6 797 m）以及196℃（井深為7 015 m基巖層段），溫度變化幅度較大，昆2井施工鉆井液動(dòng)切力變化波動(dòng)較大（圖1）。高溫對(duì)處理劑的影響比較大，主要表現(xiàn)為：①高溫降解，包括高分子主鏈斷裂和親水基團(tuán)與主鏈聯(lián)接鏈的斷離，致使處理劑喪失作用效果；②高溫交聯(lián)，有機(jī)高分子中不飽和鍵和活性基團(tuán)，在高溫下相互聯(lián)接，增大分子量，包括過度交聯(lián)，處理劑完全失效；③高溫解吸，高溫條件下，有機(jī)分子在黏土表面的吸附平衡向解吸附方向移動(dòng)，吸附量降低，致使流變性能惡化，HTHP濾失量增加；④高溫去水化，黏土粒子水化膜變薄，促進(jìn)高溫聚結(jié)作用，必然致使HTHP濾失量增加，流變性變差。

圖1 鄰井昆2井施工鉆井液動(dòng)切力圖

2）部分堵漏材料高溫條件下發(fā)生碳化失效，承壓能力降低，防漏堵漏效果差。昆1-1井鉆揭裂縫型基巖風(fēng)化殼，多次井漏并伴有出水情況，整個(gè)裸眼段承壓能力低，且該井段井底溫度最高達(dá)到210℃，部分堵漏材料極易在高溫下碳化失效（表1）。

表1 常用堵漏劑高溫測(cè)試結(jié)果表

3）地層巖石可鉆性差鉆頭磨損嚴(yán)重。由于該區(qū)塊目的層巖性為花崗片麻巖為主的基巖，并且埋藏較深，結(jié)合實(shí)鉆資料及測(cè)井資料對(duì)昆2加深井進(jìn)行巖石力學(xué)分析，建立5 300 m以深地層的巖石力學(xué)剖面，分析結(jié)果顯示E32地層巖石可鉆性極值均在6以上，進(jìn)入J1地層后可鉆性極值基本在8以上，基巖地層巖石可鉆性極值為9（表2）。昆2加深井共使用鉆頭30只，其中四開使用鉆頭數(shù)量為18只，五開井段使用鉆頭數(shù)量為12只，平均機(jī)械鉆速為0.98 m／h，平均單只鉆頭進(jìn)尺為18.08 m。使用后鉆頭新度基本在70%以下，部分鉆頭出現(xiàn)崩齒、復(fù)合片磨損嚴(yán)重等問題。

表2 昆2加深井巖石可鉆性分析結(jié)果數(shù)據(jù)表

4）地層高溫提速工具選擇受限。根據(jù)調(diào)研，目前在195℃及以上溫度環(huán)境下的鉆井提速工具僅有扭力沖擊器及渦輪能夠滿足鉆井提速的需求，常規(guī)鉆具組合無法實(shí)現(xiàn)鉆井提速的目標(biāo)。鄰井在6 985.26～6 995 m采用的扭力沖擊器提速工具，提速效果不明顯，鉆速過低主要是因?yàn)榈貙訋r性為石英片巖，硬度高、耐研磨，觀察起出鉆頭的復(fù)合片依然有不規(guī)則斷面，保護(hù)鉆頭目的未能達(dá)到。

5）地層傾角大，傾向固定不變，井身質(zhì)量控制難度大，采用鐘擺鉆具輕壓吊打鉆井效率低（表3）。昆2加深井全井最大井斜為23.77°，井深為7 014 m，最大全角變化率為19.28°井深為7 013 m。井底水平位移為196.34 m，閉合方位為3.38°。四、五開平均井徑擴(kuò)大率分別為9.02%和7%。

表3 昆2井鐘擺鉆具效率表

2 技術(shù)對(duì)策

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的難點(diǎn)，采取的技術(shù)對(duì)策包括：優(yōu)化抗超高溫鉆井液體系、優(yōu)選鉆頭、優(yōu)選鉆井提速工具、篩選抗高溫堵漏材料以及鉆具組合的優(yōu)選，形成昆特依構(gòu)造保障井眼穩(wěn)定和安全鉆井的優(yōu)快鉆井技術(shù)方案。

2.1 優(yōu)選鉆井液體系

為了解決高溫嚴(yán)重影響鉆井液流變性及濾失性［2］的難題，通過優(yōu)選抗高溫處理劑Redu200、Redu240、抑制劑等材料，最終形成抗210℃超高溫聚胺有機(jī)鹽鉆井液體系［3-16］。具體配方為：清水＋4%增黏劑＋2%Redu200＋4%Redu240＋0.2%包被劑+70%WeighⅡ＋4%白瀝青＋3%聚合醇＋2%降濾失劑＋3%超細(xì)鈣＋0.1%NaOH＋BaSO4。

2.1.1 抗超高溫性能優(yōu)良

將聚胺有機(jī)鹽鉆井液置于高溫高壓滾子加熱爐中，經(jīng)210℃老化72 h后，采用高溫流變儀及高溫高壓濾失儀測(cè)量其基本性能（表4、圖2）。如表4所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，優(yōu)選的聚胺有機(jī)鹽鉆井液在超高溫環(huán)境下，鉆井液高溫高壓濾失量保持在12 mL以內(nèi)，由圖2可見隨著溫度升高，鉆井液黏度、切力逐漸下降，但當(dāng)溫度達(dá)到140℃以后，鉆井液黏度、切力能夠基本保持恒定數(shù)值，說明優(yōu)選的鉆井液體系抗超高溫性能優(yōu)良。

表4 抗超高溫鉆井液超高溫老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖2 抗超高溫聚胺有機(jī)鹽鉆井液的高溫高壓流變性能圖

2.2 堵漏配方優(yōu)選

昆1-1井井底溫度為210℃、承壓過程中常規(guī)堵漏材料在溫度、壓力的變化下極易變軟、變形，承壓或堵漏施工過程中堵漏材料由于碳化等因素影響，導(dǎo)致堵漏材料進(jìn)入漏層的過程中不易進(jìn)入，有可能造成承壓或堵漏施工失敗。因此我們優(yōu)選雷特系列堵漏材料復(fù)配不同粒徑的剛性堵漏材料形成了滿足超深井超高溫堵漏技術(shù)配方，采用的材料為雷特快失水堵漏材料為主的自有產(chǎn)品，分別為NT和GT系列，抗溫200℃以上滿足完井施工要求，提高基巖風(fēng)化帶地層承壓能力（表5）。可以看出應(yīng)用雷特堵漏配方，地層承壓能力顯著提高。

表5 堵漏配方承壓能力表

2.3 個(gè)性化鉆頭優(yōu)選

昆1-1井深部地層巖性以厚層含礫砂巖、大理巖、花崗片麻巖，抗壓強(qiáng)度高，可鉆性差，研磨性強(qiáng)，鉆頭以抗研磨性、易冷卻為主，攻擊性為輔。通過應(yīng)用非平面齒有效提高鉆頭整體抗沖擊性，選用抗沖擊性更強(qiáng)的忍者齒，增加鉆頭整體抗沖擊性，忍者齒采用4象限受力模式，把受到的地層沖擊力分化到4個(gè)象限，單個(gè)象限受到的沖擊力遠(yuǎn)小于常規(guī)單個(gè)復(fù)合片受到的沖擊力；“忍者”與常規(guī)齒的性能分析比有了極大提高，耐磨性提高了60%，抗沖擊性提高了50%，使用壽命平均提高了60%。結(jié)合昆特依地區(qū)實(shí)際情況優(yōu)選采用淺內(nèi)錐7刀翼設(shè)計(jì)，主切削刀翼采用雙排齒設(shè)計(jì)，應(yīng)用?13 mm“忍者齒”，增加鉆頭抗研磨性和攻擊性。優(yōu)化水力布局，采用4水眼設(shè)計(jì)，及時(shí)冷卻鉆頭和巖屑運(yùn)移，相同水力參數(shù)下冷卻效率提升14%。綜合優(yōu)選型號(hào)為U513MPDC、U713MPDC忍者齒個(gè)性化鉆頭［17-18］。

2.4 提速工具優(yōu)選

由于受地層高溫的影響，含有橡膠件的提速工具無法在昆特依地區(qū)深部地層應(yīng)用，阿特拉扭力沖擊器無任何橡膠件和電子元器件，純機(jī)械運(yùn)行，能滿足高溫高壓特殊地層鉆進(jìn)，并且最高作業(yè)溫度可達(dá)350℃，能消除井下鉆頭運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的振動(dòng)（橫向、縱向和扭向），使鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，將流體能量轉(zhuǎn)換成高頻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量直接傳遞給鉆頭，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性。最終可達(dá)到保護(hù)鉆頭、提高鉆頭壽命的目的。同時(shí)扭力沖擊器在鄰區(qū)尖北地區(qū)開展過先導(dǎo)性試驗(yàn)，2018年，尖北基巖地層提速效果明顯，其中尖探6井實(shí)現(xiàn)一趟鉆四開完鉆，較2017年機(jī)械鉆速提高158%，尖探5井SF55VH3鉆頭起出新度達(dá)95%，驗(yàn)證扭力沖擊器對(duì)鉆頭的保護(hù)作用明顯。故在昆1-1井5 000 m以深地層采用扭力沖擊器鉆井提速工具［19-21］。

2.5 鐘擺鉆具組合增穩(wěn)斜能力評(píng)價(jià)

對(duì)單鐘擺鉆具和雙鐘擺鉆具中的扶正器位置、扶正器尺寸進(jìn)行了鉆頭側(cè)向力分析，結(jié)果表明：第一扶正器越大降斜力越大，第一扶正器距鉆頭最佳位置為18 m，第一扶正器與第二扶正器間距為10 m穩(wěn)斜效果最好，第二扶正器尺寸越大降斜效果越好（圖3）。

圖3 鉆頭側(cè)向力分析圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 鉆井液性能優(yōu)良

鉆井液性能穩(wěn)定，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抗高溫與抗污染性能。昆1-1四開完鉆井溫197℃，4 770～5 430 m（E32）、6 254～6 322 m（E1+2）鹽水溢流，密度提至2.02 g／cm3；五開完鉆井溫210℃，鉆井液流變性合適、高溫高壓失水保持在10 mL以內(nèi)，性能穩(wěn)定。

表6 昆1-1井不同井深鉆井液性能表

3.2 堵漏效果良好

昆1-1井井深為6 254～7 310 m處共發(fā)生漏失5次，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用雷特堵漏配方進(jìn)行了5次堵漏作業(yè)。采用的材料為以雷特快失水堵漏材料為主的自有產(chǎn)品，分別為NT和GT系列，抗溫200℃以上。在該井使用高承壓堵漏技術(shù)，使用的堵漏配方如下：基漿＋0.5%NTS中粗＋2%NTS細(xì)＋8%NTBASE＋1%NT－T＋2%HTK（0.5～1.0 mm）＋3%HTK（1～3 mm）＋2%HTK（3～5 mm）＋4%GT－MF，總濃度為13%。

施工前使用11 L／S的排量鉆進(jìn)、循環(huán)，井下發(fā)生漏失，漏速為1.5～16 m3／h至井口失返；兩次采用雷特堵漏配方施工后在井底以11 L／S的排量循環(huán)、液面平穩(wěn)未發(fā)生漏失，在套管鞋處關(guān)井承壓至11 MPa，井底鉆井液當(dāng)量密度由1.94 g／cm3提至2.07 g／cm3，雷特承壓堵漏施工取得圓滿成功。

3.3 提速效果明顯

昆1-1井四開井段為5 894～6771 m，鉆進(jìn)時(shí)間為58 d，鉆頭數(shù)量為5只，平均機(jī)械鉆速為1.53 m／h，單只鉆頭進(jìn)尺為175.4 m，五開井段6 772～7 310 m，鉆進(jìn)時(shí)間為39 d，鉆頭數(shù)量為7只，平均機(jī)械鉆速為1.34 m／h，單只鉆頭進(jìn)尺為77 m；

鄰井昆2井四開井段5 950～6 798 m，鉆進(jìn)時(shí)間為70 d，鉆頭數(shù)量為16只，平均機(jī)械鉆速為1.37 m／h，單只鉆頭進(jìn)尺為53 m，五開井段6 799～7 015 m，鉆進(jìn)時(shí)間為37 d，鉆頭數(shù)量為12只，平均機(jī)械鉆速為0.98 m／h，單只鉆頭進(jìn)尺為18.08 m；

昆1-1井四開井段5 894～6 771 m同比鄰井昆2井平均機(jī)械鉆速提高11.6%；平均單只鉆頭進(jìn)尺增加了122.4 m，增加2.3倍。

昆1-1井五開井段6 771～7310 m同比鄰井昆2井平均機(jī)械鉆速提高36.73%；平均單只鉆頭進(jìn)尺增加了58.92 m，增加3.3倍（圖4）。

圖4 提速效果對(duì)比柱狀圖

4 結(jié)論

1）超高溫鉆井液老化72 h后，高溫高壓濾失量保持在10 mL以內(nèi)，流變性能優(yōu)良。針對(duì)昆1-1井優(yōu)選的聚胺有機(jī)鹽鉆井液體系，有效解決了鉆井液超高溫減稠和懸浮攜帶穩(wěn)定性之間的矛盾，超高溫高壓濾失量得到了有效控制。

2）篩選的阿特拉鉆頭及扭力沖擊器組合，提速效果明顯，較之于鄰井昆2井四開、五開機(jī)械鉆速提高了10%以上。針對(duì)昆1-1井優(yōu)選的鉆頭及工具組合、抗超高溫防漏堵漏配方，有效解決了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)難題，為柴達(dá)木盆地超深井鉆探提供了有利的技術(shù)保障。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用雷特抗高溫堵漏材料，地層承壓能力有效提高，最高承壓能力提高到了當(dāng)量密度2.07 g／cm3，順利完成了柴達(dá)木盆地第一超深井的鉆探任務(wù)。建議鉆至易漏井段時(shí)循環(huán)井漿中加入5%左右的抗高溫、惰性隨鉆堵漏材料，既能起到遇縫即堵的效果，又能減小漏失量，為后續(xù)安全施工提供保障，滿足鉆井提速需求。