張茂林, 辛 飛, 陳 濤, 周玉東, 蘭祖權

（1.西部鉆探工程技術研究院, 新疆克拉瑪依 834000；2.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司, 新疆克拉瑪依 834000；3.西部鉆探工程技術處, 新疆烏魯木齊 830000）

新疆油田準噶爾盆地南緣地區(qū)油氣資源豐富, 勘探潛力巨大, 該區(qū)油氣藏埋藏深, 地質條件復雜, 山前高陡構造發(fā)育, 勘探鉆井難度大, 西中段下組合發(fā)育上侏羅系喀拉扎組（J3k）齊古組（J3q）和下白堊系清水河組（K1q）是目前主要勘探的目的層, 儲層分布廣、厚度較大, 大部分地區(qū)具有兩套或三套疊加, 其中喀拉扎組部分地區(qū)厚度250～300m[1], 超深探井DF1井和HT1井喀拉扎組地層分別厚達230m、213m。該地區(qū)鉆遇該地層具有巖石硬度高、研磨性強、可鉆性差, 單趟入井純鉆時間短, 機械鉆速低；同時鉆井過程中發(fā)生地層漏失、憋跳鉆、斷鉆具和阻卡等井下故障[2]。為提高鉆井效率, 經(jīng)過地層特性分析與相似地層提速調研, 開展搭配使用鉆頭和螺桿的選型研究, 選擇了風險小、成本低的孕鑲金剛石鉆頭+螺桿鉆井技術, 在該地區(qū)超深探井LT1井中進行應用, 取得了一定現(xiàn)場經(jīng)驗和破巖效果, 為該地區(qū)鉆井提速提效及降本增效探索了一個新的方向。

1 地質特征和鉆井難點

1.1 地質特征

LT1井位于準噶爾盆地南緣沖斷帶霍瑪吐背斜帶中段的吐谷魯背斜構造侏羅系喀拉扎組圈閉一口風險探井, 實鉆井深7050m, 喀拉扎組井段6935～7050m(未穿)。由于目前鉆至該地層只有2口井, 鉆井資料缺乏, 以野外露頭和已鉆資料作為巖相的具體研究, 喀拉扎組整體為厚層粗粒沉積, 巖性主要為大套厚層細礫—中礫巖, 夾含礫泥巖, 礫巖成份復雜有石英碎屑、花崗碎屑等, 礫巖顆粒通常為1～10cm, 個別達到20cm, 沉積中有更大的礫巖。礫巖間填充中粗砂巖, 在含礫泥巖中發(fā)育裂縫。喀拉扎組礫石具備一定的水力搬運, 同時礫石有一定的定向排列, 主要分布在南緣中東段, 向北削蝕尖滅[3]。呼圖壁背斜HT1井喀拉扎組含礫砂巖, 巖性致密, 研磨性強, 強度最高達150～198MPa, PDC可鉆性大于10（見圖1）。

圖1 HT1井巖石力學特性

1.2 鉆井難點

（1）喀拉扎組埋深層在巖石壓實作用下, 巖性堅硬、研磨性強, 190.5mm井眼鉆頭、工具可選擇少, 單只鉆頭進尺少、機械鉆速低, 起下鉆頻繁, 影響鉆井周期。HT1井在喀拉扎組地層, 鉆頭使用190.5mmPDC鉆頭5只, 進尺221m平均單只鉆頭進尺46.6m, 平均鉆速0.34m/h。使用螺桿+PDC鉆頭, 磨損嚴重（見圖2）。

圖2 喀拉扎組螺桿+PDC鉆頭使用情況

（2）南緣下組合復雜壓力系統(tǒng), 壓力回落、裂縫帶發(fā)育, 頻繁漏失。HT1井喀拉扎組鉆揭成像顯示含礫, 為含礫砂巖, 張開縫較發(fā)育。超深井LT1井呼圖壁河組(K1h)壓力高點, 清水河組(K1q)至喀拉扎組(J3k), 地層壓力呈“高—低”趨勢特點, 長裸眼井段鉆穿多個壓力系統(tǒng), 溢漏同存。鉆井液中攜帶8%隨鉆堵漏劑, 控壓鉆井, 在一定程度上制約了提速工具的使用。

（3）區(qū)塊受構造運動影響, 構造地應力異常, 鉆井過程中易發(fā)生井眼剝落掉塊, 卡鉆風險高。采用“PDC鉆頭+螺桿鉆具”復合鉆進時過程中扭矩波動幅度大, 鉆井泵時有憋壓現(xiàn)象, 上提鉆具有阻卡現(xiàn)象。

2 孕鑲鉆頭及螺桿選型

2.1 孕鑲金剛石鉆頭選型

孕鑲金剛石鉆頭的胎體中均勻包鑲著金剛石微粒, 其工作原理為：胎體作為一個粘合結構將金剛石微粒固定在特定位置, 金剛石微粒作為切削元件切削地層。最佳的情況是在金剛石微粒徹底磨損及脫落前胎體應盡量將其固定于原處, 胎體繼續(xù)磨損, 將新的金剛石微粒暴露出來, 表現(xiàn)為自銳磨損。根據(jù)地層的軟硬程度和研磨性強弱選擇合適的金剛石濃度和胎體硬度是孕鑲金剛石鉆頭選型的重要參考因素[4]。

結合孕鑲鉆頭在川西地區(qū)、準噶爾盆地哈山區(qū)塊二疊系—石炭系火成巖的應用情況[5-7], 根據(jù)南緣地區(qū)喀拉扎組地層巖性特點, 胎體上使用70目人造金剛石微粒, 胎體硬度40, 采用“表鑲層+孕鑲層”, 表層為天然金剛石顆粒, 內(nèi)層為胎體中添加金剛石微粒的孕鑲層, 表層天然金剛石消耗完后, 孕鑲層胎體可繼續(xù)工作, 以增大鉆頭進尺。

鉆頭設計為雙錐形12刀翼結構, 可防止粒徑較大掉塊落入排泄槽, 降低卡鉆風險, 鉆頭主刀翼在鉆頭心部搭接相連, 中間布置高性能PDC復合片, 加強了鉆頭心部的切削能力, 防止鉆頭心部過早掏空, 保徑部分植入GHI高溫齒、PDC復合片耐磨柱, 加強保徑部分耐磨性, 延長鉆頭壽命（見圖3）。

圖3 孕鑲金剛石鉆頭選型

2.2 螺桿選型

孕鑲金剛石鉆頭的切削機理主要靠研磨與犁削, 它更適合于高轉速、小鉆壓。該井預測井底溫度160°（實測井底溫度157.4°）, 使用油基鉆井液密度為2.35g/cm3帶8%隨鉆堵漏劑, 由于地層壓力由高向低趨勢和地層微裂縫, 上部地層鉆進中帶螺桿鉆具進行多次堵漏施工, 同時需要滿足井身結構條件下鉆進中最低排量鉆井泵壓值較高（見圖4、圖5）, 對兩種國產(chǎn)中高速螺桿鉆具進行了優(yōu)選, 確定使用5LZ146x7.0L-3.3。主要技術參數(shù)見表1。

表1 兩種螺桿技術參數(shù)表

圖4 最小攜巖排量分析

圖5 排量、泵壓和壓耗分析

3 現(xiàn)場應用

3.1 鉆井參數(shù)、鉆具組合

鉆具組合為：?190.5mm孕鑲金剛石鉆頭+?146.0mm高速螺桿鉆具+浮閥+堵漏接頭+?146mm鉆鋌×1根+穩(wěn)定器+?146mm鉆鋌×17根+隨鉆上下震擊器+?146mm鉆鋌×3根+?114.3mm加重鉆桿×9根+?114.3mm鉆桿+?139.7mm鉆桿。

鉆井參數(shù)為：鉆壓30～60kN, 排量14～16L/s, 頂驅轉速45～70r/min, 泵壓33MPa, 速螺桿鉆具輸出轉速146～167r/min。

3.2 施工技術措施

（1）鉆頭保徑面長, 易發(fā)生井下復雜情況和事故, 控制下鉆速度, 嚴禁在下部小套管內(nèi)循環(huán), 落實裸眼段遇阻劃眼措施。

（2）鉆具組合中加入隨鉆上下震擊器, 提高處理井下復雜情況的能力。

（3）鉆進中, 密切關注扭矩、泵壓、鉆時變化, 綜合判斷井內(nèi)情況, 防止掉塊卡鉆和螺桿失效引發(fā)復雜情況。

（4）鉆進中采取“鉆一劃二”措施, 每鉆進1～2m, 上提劃眼, 清理和剝落不規(guī)則的井壁礫石, 減少憋卡和掉塊卡鉆。

3.3 現(xiàn)場應用過程及效果分析

LT1井鉆進井段6981～7050m, 進尺69m, 純鉆時間98.2h, 平均機械鉆速0.7m/h, 相比比HT1井在該地層鉆速提高105.88%, 單只鉆頭進尺提高48.07%。

（1）調整施工參數(shù)：鉆具組合下鉆距井底30m, 劃眼到井底后采用遞增鉆壓造型, 鉆井參數(shù)為：鉆壓20～30kN, 轉盤轉速40r/min, 使用最低排量14.6L/s, 立壓32MPa；造型0.5m后逐步提高鉆井參數(shù)：鉆壓50～60kN, 轉盤轉速50～70r/min, 排量16.5L/s, 立壓37MPa, 瞬時鉆時加快4～8min/0.1m出現(xiàn)憋卡, 調整鉆井參數(shù)鉆壓30～50kN, 轉盤轉速50r/min, 排量15L/s, 立壓33MPa。由于礫巖地層的不均一性, 每鉆進1m上提倒劃修復井壁, 鉆進中扭矩出現(xiàn)上升, 及時減少鉆壓或上提鉆具。

（2）鉆頭磨損分析：鉆頭保徑尺寸和入井前一致, 孕鑲金剛石”表鑲層”完全磨損, “孕鑲層”磨損量20mm, 鉆頭心部中間布置PDC復合片正常磨損, 鉆頭一刀翼前段斷落, 導致心部出現(xiàn)10×20mm凹槽?？傮w表明金剛石的品質、粒度和胎體配方適合該井作業(yè)地層（見圖6）。

圖6 LT1井孕鑲金剛石鉆頭出井照片

4 結論與建議

（1）在超深井復雜井況下, 孕鑲金剛石鉆頭配合螺桿工具技術在準噶爾南緣深層喀拉扎組礫石地層的成功應用, 機械鉆速提高105.88%, 單只鉆頭進尺提高48.07%, 為該深部地層實現(xiàn)鉆井提速探索出新的途徑。

（2）采用刀翼式結構, 提高了鉆頭的防卡能力, 根據(jù)該井高溫耐油螺桿的使用經(jīng)驗時間, 孕鑲金剛石鉆頭需要進一步改進, 以加強鉆頭針對地層的個性化技術研究。

（3）含礫石層, 掉塊較多, 螺桿+孕鑲金剛石鉆頭極易發(fā)生阻卡, 鉆進中及時調整參數(shù), 根據(jù)扭矩變化修復井壁, 鉆具組合中加入隨鉆震擊器, 以便在出現(xiàn)阻卡能及時處理。