摘要：受特殊沉積環境及復雜構造運動的影響，在通南巴構造帶上鉆井工程事故頻發，存在井漏、井壁垮塌、井涌(噴)、卡鉆、高含硫化氫、巖石致密硬度大、井斜等問題，嚴重影響了安全、優質快速鉆井。通過對通南巴構造帶工程地質特征的研究，提出如下對策：①優選氣體鉆井、泡沫鉆井、垂直鉆井、復合鉆井、旋轉導向鉆井等鉆井方式，促進防斜打直、打快；②優化井身結構設計，合理確定必封點，科學確定井眼尺寸；③優化鉆井液性能，提高防塌、潤滑效果；④強化鉆頭選型，提高破巖效果；⑤細化防漏堵漏措施，減少非生產時間等。經現場鉆井實踐，大幅度地提高了機械鉆速，有效地減少了鉆井復雜情況，實現了該地區海相超深含硫氣井的優快鉆井，并對同類高溫、高壓、含硫氣井的高效鉆井具有借鑒意義。
關鍵詞：高溫；高壓；高合硫；通南巴構造；超深井；深井；鉆井工程；對策
1 超深井鉆井的難點
1.1 常見工程地質復雜情況
受特殊沉積環境及復雜構造運動影響，通南巴構造帶工程地質特征異常復雜，鉆井工程事故頻發，鉆井中存在井漏、井壁垮塌、井涌、卡鉆、高含硫化氫、巖石致密硬度大、井斜等問題，嚴重影響安全、優質快速鉆井[1]。主要表現在陸相地層易自然井斜、卡鉆、井壁垮塌、井漏、氣體鉆井出水、可鉆性差導致鉆頭磨損嚴重；海相地層易井漏、卡鉆、井涌(噴)、膏巖侵、硫化氫氣侵。其中井漏最為突出，占76%，其次是卡鉆，占12%。井漏以裂縫性漏失為主，縱向上主要分布于中侏羅侏沙溪廟組、上三疊統須家河組、中三疊統雷三段、下三疊統嘉二段、下三疊統飛三段，平面上受斷層影響明顯，在近斷層部位井漏加劇。如HB-1等7口井井漏231次，漏失鉆井液11919.11m3，其中裂縫性漏失為170次，占73.6%，漏失鉆井液9449.7m3，平均漏速為12.5m3/h；僅HC-1井，由于受米倉山構造擠壓，裂縫發育，井漏132次，漏失鉆井液為5195.49m3，平均漏速為10.9m3/h。卡鉆主要集中在陸相沙溪廟組、下侏羅統自流井組、須家河組及海相膏巖發育井段。
1.2 工程地質復雜問題的地質影響因素
1) 巖石致密，強度大、硬度大，可鉆性差。通南巴構造帶陸相地層為沖積平原沉積體系、湖泊沉積體系和三角洲沉積體系，巖性主要為砂泥巖互層，泥頁巖發育，平均厚度占67.5%，巖石密度為2.6～2.8g/cm3，孔隙度為1%～3%。陸相砂巖在圍壓條件下，最大抗壓強度為373.7MPa，平均為241.9MPa，硬度為1000～2000MPa，內聚力平均為29.3MPa，須家河組砂巖內聚力平均為36MPa，明顯高于上部地層，牙輪鉆頭可鉆性級值為5～7，為中硬地層。海相地層巖石圍壓下抗壓強度平均為271.5MPa，內聚力平均為25.1MPa，硬度為1500～2800MPa，牙輪鉆頭可鉆性級值為5～5.5，PDC鉆頭可鉆性級值為4～5，為軟-中硬地層。縱向各層位、各巖性巖石力學性質變化較大，且圍壓條件對各巖石力學參數影響大，隨著圍壓的增大巖石抗壓強度線性增大。地層沉積、成巖環境決定了巖石致密，強度大，硬度大，可鉆性差。
2) 縱向上多壓力系統，井壁穩定性差，易井塌、卡鉆、井涌、井漏。通南巴構造帶縱向上存在多壓力系統，地層孔隙壓力縱向分帶明顯，陸相為正常壓力，海相地層整體表現為異常高壓。HB-1井飛三段氣藏實測地層壓力為111.11MPa，地層壓力系數為2.28，嘉二段氣藏實測地層壓力為94.77MPa，地層壓力系數為2.14。陸相地層坍塌壓力高，部分井段甚至高于孔隙壓力，按地層孔隙壓力設計的鉆井液密度難以維持井壁穩定，造成井壁垮塌、卡鉆，泥巖水化或硬石膏吸水膨脹加劇了井壁失穩。進入嘉二段后，地層孔隙壓力大幅度增加，安全鉆井液密度窗口與上部井段相比明顯變窄，且嘉二段、飛三段氣藏均為裂縫一孔隙性儲層，裂縫寬度為2～5mm，鉆井中易發生溢流、井涌、井漏、噴漏同存等復雜情況，并可能誘發惡性井噴事故。該構造帶鉆井曾多次發生卡鉆、溢流、井涌、惡性井漏等復雜事故，井控風險大。
3) 高溫、含硫化氫、膏鹽巖發育，鉆井液性能維護難度大。通南巴構造帶海相地層膏鹽巖發育，且單層厚度大，特別是嘉五段-嘉四段，石膏厚度平均為64.5%，最高為83%，鹽巖厚度平均為16.8%，鹽巖溶解性好，鉆井液濾液中氯離子濃度大，鈣離子濃度高，鉆井中膏鹽侵嚴重。研究表明，通南巴構造帶下三疊統硫化氫由硫酸鹽熱化學還原作用(TSR)所產生，在嘉二段和飛四段具備生成硫化氫的條件[2]。HB-1、CF-82井嘉二段氣藏實測硫化氫含量分別為0.652%、0.951%，飛三段氣藏微含硫化氫，多口井在陸相地層鉆進時發生硫化氫氣侵，飛三段氣藏地層溫度為130℃，在高密度、高溫、膏鹽侵、含硫化氫條件下，鉆井液性能維護難度大。
4) 陸相地層水分布復雜，氣體鉆井適用井段受限。實踐表明，氣體鉆井對通南巴構造帶陸相高陡致密碎屑巖地層鉆井提速、防斜打直效果明顯，而HB-2、HF-203、M-101等11口井氣體鉆井、泡沫鉆井證實，該構造帶陸相地層多個井段地層出水，特別是沙溪廟組、須家河組。河壩構造HF-203等6口井氣體鉆井均在沙溪廟組鉆遇水層，被迫轉換為泡沫鉆井或常規鉆井液鉆井，C-27井須家河組鉆遇高壓鹵水層，出水量為1019.02m3/a，C-23井在須家河組鉆遇鹵水層后壓井失敗而導致工程報廢，陸相地層測井解釋縱向存在多層水層或氣水層，表明陸相地層水分布復雜，限制了氣體鉆井的推廣應用。
5) 地層傾角大，井斜控制難。通南巴地區由于受多期構造運動和沉積條件的影響，地層傾角大，巖性變化大，自然造斜能力強。HB-2、M-1、HC-1、CB-88等井地層傾角測井表明，通南巴構造帶地層傾角為2°～35°，陸相地層傾角總體為6°～20°，地表露頭地層傾角為30°～60°。陸相砂泥巖頻繁互層，可鉆性差，鉆井中易自然井斜，如HB-2井自流井組地層傾角為14°，常規鉆井自然造斜最大井斜為5.25°，制約了鉆壓等鉆井參數，影響機械鉆速。
2 實現優質快速鉆井的對策
2.1 優選鉆井方式
結合通南巴構造帶的地質特征，有針對性地優選鉆井方式。陸相地層主要優選空氣鉆井、氮氣鉆井、泡沫鉆井、垂直鉆井等鉆井方式，有利于可鉆性差、地層傾角大的砂泥巖地層提高機械鉆速、控制井斜；海相地層主要使用螺桿+PDC鉆頭復合鉆井、水平井應用旋轉導向鉆井。
川東北地區氣體鉆井較常規鉆井液鉆井提速效果明顯，嚴重漏失、井斜等復雜問題得到了較好的控制[3]。HF-203井第2次開鉆空氣泡沫鉆進1348.5m，平均機械鉆速為11.91m/h，有效地控制了井斜，最大井斜為1.6°。垂直鉆井系統是解決高陡構造地層井斜問題最有效的手段，該系統根據可靠的旋轉導向技術進行連續性的井斜控制，使鉆井參數得到完全的解放，確保井眼垂直和最大限度地提高鉆速[4]。經HC-1井現場試驗，第2次開鉆井段477.74～2154.75m使用Power V垂直鉆井技術，進尺為1677.01m，平均機械鉆速為1.83m/h，第2次開鉆未使用垂直鉆井技術井段平均機械鉆速為0.74m/h，提速為147.3%，且所鉆遇的上沙溪廟組地層傾角為20°，實鉆最大井斜角為1.23°，有效地解決了自然造斜問題。
復合鉆井集成了滑動鉆井定向糾斜與旋轉鉆井有效減少起下鉆次數的優勢，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。川東北實鉆表明，海相地層螺桿+PDC鉆頭復合鉆井提速效果顯著[5]。HB-2井第3次開鉆使用Ø241.3mm鉆頭對嘉陵江組3581.78～4071.61m井段采用直螺桿+PDC鉆頭復合鉆進，進尺為489.83m，平均機械鉆速為4.07m/h。旋轉導向鉆井是在鉆柱旋轉作業狀態下實現井眼軌跡的導向控制，鉆進時摩阻與扭矩小、鉆速高、鉆頭進尺多、鉆井時效高、建井周期短、井身軌跡平滑易調控。HJ-203H井是嘉二段氣藏專層水平井，第4次開鉆使用旋轉導向鉆井自3755m開始定向鉆進，鉆至5766.67m完鉆，水平段長為501.1m，總進尺為2011.7m，平均機械鉆速為2.85m/h，創河壩構造嘉陵江組機械鉆速的最高水平，且AB靶點縱橫向誤差分別在0.34m、1.88m以內，斜井段最大全角變化率為15.80/1OOm。
2.2 優化井身結構
在通南巴構造帶地質特征基礎上，通過優化井身結構，合理確定必封點，以盡可能少套管程序封隔地層必封點，促進鉆井提速，提高鉆井成功率。川東北地區井身結構優化的主要思路是在傳統井身結構系列“Ø508.0mm+Ø339.7mm+Ø244.5mm+Ø177.8mm+Ø127.0mm”的基礎上，形成以技術套管為設計中心，向上向下延伸的井身結構優化系列，即技術套管有一定的強度和較大的尺寸，既封隔陸相復雜地層，又為順利鉆達海相目的層提供保證[6]。目前，通南巴構造帶普遍采用優化后的Ø508.0mm+Ø346.1mm+Ø273.1mm+Ø193.7mm+Ø146.1mm井身結構，考慮了套管層次儲備以及后期儲層改造、高產氣井長期安全采氣的需要，該井身結構已在HF-203、HB-102、M-1等10余口井中推廣應用。如2009年完鉆的HF-203井，該井為開發飛三段氣藏的大斜度定向井，采用Ø508.0mm+Ø346.1mm+Ø273.1mm+Ø193.7mm的井身結構，第4次開鉆最大井斜為67.98°，完鉆井深為6191m，鉆井周期為306d，平均機械鉆速為2.08m/h，提速效果顯著。
2.3 強化鉆頭選型
通南巴構造帶陸相地層傾角大，砂泥巖頻繁交替，互層薄而多，巖性變化大，泥頁巖發育，巖石硬度大、抗壓強度大、抗剪切強度大，可鉆性差，鉆頭磨損嚴重，需強化鉆頭選型，以提高破巖效果。陸相砂泥巖地層可選用寬齒牙輪鉆頭，如517或537系列鉆頭，針對石英含量高的須家河組，可選用617系列鉆頭；海相石灰巖、白云巖、膏鹽巖地層選用PDC鉆頭或537系列牙輪鉆頭有利于提高機械鉆速。如M-1井第2次開鉆使用HJT537GK鉆頭配合中長噴嘴，進尺為1072.84m，平均機械鉆速為2.13m/h，單只鉆頭平均進尺為134.11m，單只鉆頭最高進尺為198.14m，最高鉆速為2.57m/h；HJ-203H水平井第4次開鉆自3755m開始定向鉆進，使用HCD506ZX和M1375型號PDC鉆頭，配合旋轉導向鉆井技術，總進尺為2011.7m(含水平段501.1m)，平均機械鉆速為2.85m/h，嘉陵江組單只M1375鉆頭最高進尺為882m，單只鉆頭平均機械鉆速最高為3.21m/h，提速效果明顯。
2.4 優化鉆井液性能
川東北海相碳酸鹽巖含硫氣藏存在硫化氫氣侵、鹽膏侵、易井漏、井壁失穩、井底溫度高、壓力大等難點，通過對抗高溫處理劑、加重劑、膨潤土限量進行優選，形成了滿足川東北地區超深井鉆井要求的抗高溫超高密度復合金屬離子聚磺鉆井液體系[7]。該鉆井液是在常規聚磺鉆井液中加入一種復合金屬離子聚合物。該聚合物具有正電膠和兩性離子聚合物兩者的特性，能表現出類似混合金屬氫氧化物鉆井液特殊的流變性和類似兩性離子聚合物鉆井液的強抑制性、低濾失量，具有良好的增黏、防塌效果，能滿足海相超深井、大斜度定向井、水平井鉆井的要求，已在HJ-203H等井取得了良好的現場應用效果。HJ-203H水平井第4次開鉆旋轉導向井段使用復合金屬離子聚磺鉆井液，順利完成了定向造斜段、穩斜段、增斜段和水平段鉆進，水平段鉆井液密度為2.08～2.14g/cm3，井眼軌跡平滑，有效地降低了鉆具摩阻和扭矩，減少了井下事故，實現了優快鉆井。
2.5 細化防漏堵漏措施
通南巴構造帶井漏頻繁，平均漏速大，單次漏失量大，堵漏難度大、堵漏周期長，漏失類型主要有滲透性漏失、裂縫性漏失以及窄安全密度窗口的噴漏同層漏失，鉆井時需根據不同構造位置、不同層位的地質特征，有針對性地制訂防漏堵漏措施。針對陸相地層滲透性井漏，主要采用隨鉆堵漏、無滲透承壓封堵材料、橋漿或水堵漏，裂縫性井漏則采用復合堵漏劑間歇關擠堵漏或無滲透承壓封堵劑或水鉆井液堵漏；海相地層常規裂縫性井漏采取隨鉆堵漏、無滲透承壓封堵材料、橋漿或水堵漏，若規模較大的裂縫系統或溶洞，則采用清水強鉆、鉆井液堵漏+復合堵漏劑堵漏等措施[1]。針對目的層，宜采用屏蔽暫堵技術堵漏。鉆遇大裂縫系統、大溶洞發生惡性井漏，常規堵漏措施效果不明顯時，可配合使用充氣或泡沫鉆井防漏技術、速凝膠質水泥漿堵漏、化學凝膠隔水堵漏技術、惰性材料+水泥漿等防漏堵漏措施[8～17]。
3 結論
1) 通南巴構造帶鉆井難度大，主要表現在陸相地層易自然井斜、卡鉆、井壁垮塌、井漏、氣體鉆井出水、可鉆性差；海相地層易井漏、卡鉆、井涌(噴)、膏巖侵、硫化氫氣侵。
2) 陸相地層傾角大、砂泥巖頻繁互層、巖石致密、可鉆性差、井壁穩定性差、地層水分布復雜，海相地層縫洞發育、溫度高、異常高壓、縱向多壓力系統、含硫化氫、膏鹽巖發育、安全鉆井液密度窗H窄是鉆井工程復雜問題的主要地質影響因素。
3) 針對復雜的工程地質特征，提出通過優選氣體鉆井、泡沫鉆井、垂直鉆井、復合鉆井、旋轉導向鉆井等鉆井方式、優化井身結構與鉆井液性能、強化鉆頭選型以及細化防漏堵漏措施等對策，實現超深含硫氣井的優質快速鉆井。
致謝：成文中，得到了中國石化西南油氣分公司、勘探南方分公司有關專家和技術人員的支持與幫助，在此謹致誠摯謝意。
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(本文作者：肖思和1 胡秀玲2 胡永章2 李勇2 鐘敬敏2 劉洪3 1.成都理工大學；2.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院；3.重慶科技學院石油工程學院)
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