摘 要

摘　要：四川盆地樂山—龍女寺古隆起震旦系埋藏深度在5000～6000m，地層可鉆性差、縱向上多產層多壓力系統等復雜地質條件制約了鉆井速度。針對鉆井提速難點，重點從井身結構、

摘　要：四川盆地樂山—龍女寺古隆起震旦系埋藏深度在5000～6000m，地層可鉆性差、縱向上多產層多壓力系統等復雜地質條件制約了鉆井速度。針對鉆井提速難點，重點從井身結構、鉆頭個性化設計及有機鹽鉆井液體系等方面進行了攻關研究與現場試驗，初步形成了適應該地區的鉆井提速技術模式：①優化井身結構，較傳統井身結構縮短了大尺寸井眼長度，減少了作業時間，同時又能夠滿足完井與后期生產作業的要求。②個性化設計PDC鉆頭，應用效果表明較已完鉆井機械鉆速提高了31％～473％，在侏羅系沙溪廟組試驗剛體PDC鉆頭平均機械鉆速l6.57m／h，已接近空氣鉆進效果；在適合井段試驗等壁厚長壽命螺桿配合PDC鉆頭復合鉆進，機械鉆速較常規轉盤鉆機械鉆速提高44％。③配合使用有機鹽低固相鉆井液，抑制性較聚磺鉆井液更強，亞微米粒子含量減少，實現了輔助提高機械鉆速的效果，井壁較使用聚磺鉆井液的更穩定。2012年完鉆的6口深井平均機械鉆速由l.69m／h提高到2.54m／h，平均鉆井周期從302d縮短到189d，實現了該區震旦系超深井的安全快速鉆井。

關鍵詞：四川盆地  樂山  龍女寺古隆起  早古生代  震旦紀PDC鉆頭  等壁厚螺桿  有機鹽鉆井液  快速鉆進

Fast drilling technology of ultra deep wells in the Sinian reservoirs in the Leshan-Longnfisi palaeohigh．Sichuan Basin

Abstract：The Sinian strata of Leshan-Longniisi palaeohigh in the Sichuan Basin are of 5，000～6，000m depth underground，where the drilling rate has been restricted by poor drillability of formations，multiple pay zones&multiple pressure systeITls，and other complex geological conditions．In view of this，scientific research and field trials were performed，focusing on the wellhorc siructure，specific design of a drill bit，and the innovative organic salt drilling fluid system，thus a fast drilling technology model was formed applicable to this region.a．the wellbore structure is optimized；compared with the conventional one，the length of the large size borehole is shortened and the operating time is reduced；additionally，the requirements for well completion and later-stage production are fulfilled．b．The PDC bit is particularly designed toincrease the penetration rate(ROP)by 31-473％；with thc rigid PDC bit．The average ROP in the Shaximiao Fm is up to 16.57m／h，close to the effect of air drilling；with the composite drilling of the PDC bit and the equal wall thickness screw rod with a long service life in proper well sections，the ROP is increased by 44％bigtler than that by the normal rotary drilling．c．With the use of organic salt and a low-solid content，the innovative fluid system has a much higher inhibitive capacity compared with the polysulfonate drilling fluid and the content of sub-micron particles is also decreased，thus the ROP is improved and the well wall is more stable than that when using the polysulfonate drilling fluid．With the above techniaues．the average ROP of 6 deep wells drilled and completed in this study area in 2012 was increased from l.69 to 2.54m／h，and the average drilling cycle was shortened from 302 to 189 days．

Key words：Sichuan Basin，Leshan-Longnnsi palaeohigh，Sinian，Lower Paleozoic，PDC bit，equal wall thickness screw rod，organic salt mud，fast drilling

四川盆地樂山—龍女寺古隆起自1964年發現威遠震旦系氣藏之后，以燈影組為主要目的層，在四川盆地外圍鉆探了強1、會l、寧l和寧2等4口井，因地表出露地層較老，保存條件差而產水。后來在高石梯磨溪構造東部鉆探了女基井，證實了高石梯磨溪的構造存在，并在燈四段中獲得了工業氣流。2010年加快了四川盆地下古生界震旦系勘探，在高石梯構造上部署了風險探井——高石1井，該井于2010年8月20日開鉆，2011年6月17日完鉆，完鉆井深5841m，完鉆層位陡山沱組。2011年7月12日測試獲大氣，震旦系油氣勘探取得重大進展。但高石1井鉆井周期長達302d，平均機械鉆速僅1.69m／h，急需探索將近年來的鉆井新技術^[1-2]集成應用到該地區以提高鉆井速度。2012年圍繞鉆頭個性化沒計與改進、提高鉆頭使用時間及減少井下復雜事故時間進行科研攻關和6口井現場試驗，鉆井提速取得明顯效果。

1　鉆井提速難點

四川盆地深井—超深井鉆井提速一直是制約天然氣勘探開發的難題，氣體欠平衡鉆井、PDC鉆頭的應用一定程度提高了深井鉆井速度，但還不能滿足國家經濟發展對天然氣勘探開發的形勢和要求。而四川中部地區的樂山  龍女寺古隆起儲層埋藏深，垂直井深超過5000m，鉆遇地層類型多，巖性復雜，提高鉆井速度遇到以下4個方面的工程地質難點。

1．1　縱向上多產層，多壓力系統特征

該區塊上部大安寨組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組等地層屬區域產層，嘉二段—嘉一段地層壓力系數達到2.00，下部飛仙關組—燈影組氣測顯示頻繁，燈影組地層壓力系數僅為l.10，地層壓力系數縱向上相差較大，多產層和多壓力系統增加了鉆井作業的施工難度。

1．2　上部地層穩定性差，出水出油，氣體鉆井提速工藝難以實施

上部涼高山組、自流井組地層穩定性差，鉆井過程中易發生井壁垮塌，高石1井在自流井組一須家河組井段平均井徑擴大率14％，最大擴大率39％；地層水分布缺乏規律性，高石l、磨溪8、高石2井在沙溪廟組空氣鉆井遇地層水，被迫轉為霧化鉆井或欠平衡鉆井；高石2井、磨溪8井在大安寨組均鉆遇地層出油，鉆井液密度提高至l.50～1.70g／cm³。

1．3　多層段巖石可鉆性差，機械鉆速低

海相地層占全井進尺的57％(約3000m)，巖石強度高，硅質含量重，部分層段含燧石結核和角礫云巖，機械鉆速極低，高科1井、高石l井各地層平均機械鉆速統計如圖1所示，不能采用氣體鉆提速的陸相碎屑巖地層的平均機械鉆速小于2.50m／h，嚴重影響了全井鉆井速度。

 

1．4　高溫、高壓、高含硫

磨溪、高石梯構造的燈影組溫度最高達到l70℃，荷包場構造燈影組溫度最高可達l85℃對井下儀器、工具、鉆井液和水泥漿的抗高溫性能要求高。高石梯、磨溪構造最高地層壓力達到90MPa。雷口坡組—震旦系地層均含硫化氫。

2　快速鉆井技術

圍繞樂山—龍女寺古隆起震旦系深井超深井鉆井提速，通過近2年的技術攻關，通過優化井身結構，把優選的高效PDC鉆頭和等壁厚長壽命螺桿復合鉆井等一批成熟技術進行配套試驗與推廣應用，鉆井指標明顯提高，初步形成了適宜于震旦系深井的鉆井捉速技術模式。

2．1　井身結構優化

2．1．1已鉆井井身結構分析

通過對高石梯  磨溪構造已鉆井井身結構進行分析，已鉆大多數井在大尺寸Æ444.50mm井眼段可超過1000m，見圖2中的高石l井，常規鉆井液鉆進速度慢，耗時長；為開展氣體鉆井提速試驗，第一輪磨溪8井等將Æ339.7mm套管下深l006m(圖2)，但高石2井、磨溪8井在實施氣體鉆井過程中因為地層出水、出油，難以發揮氣體鉆井提速優勢，井身結構不能滿足鉆井提速的需要(圖1、2)。

 

2．1．2井身結構優化

第二輪井的井身結構設計以地層3個壓力剖面為依據，在充分分析地質條件后，對Æ339.7mm表層套管下深進行了合理調整至500～600m(圖2中的磨溪11井)，縮短了Æ444.5mm井眼段進尺300～500m，確保Æ311.2mm井眼在鉆遇氣層后具備一定的井控能力，實施后的施工周期同比節約了6～7d。

針對部分區塊雷口坡組存在異常高壓的情況優化設計了非常規井身結構^[1]。圖3為標準尺寸與非常規尺寸優化井身結構示意圖。

 

2．2　PDC鉆頭個性化設計與應用

通過已鉆井測井資料建立巖石可鉆性剖面(圖4)，聯合國際知名鉆頭廠家進行攻關，針對不同層位地層特性對鉆頭進行個性化設計^[2-4]，以“先導性試驗、反饋改進、擴大試驗、優選、固化”為思路，經過兩輪井的現場試驗，對PDC鉆頭選型應用進行滾動評價發現鉆頭使用中的問題，做到一只一總結，一層一總結，一井一總結，一批一總結，從4個方面優化與改進了FX55D鉆頭設計(圖5)。

 

 

1)增加中心部位切削齒數量提高鉆頭修復能力。

2)切削齒背斜角從15°、20°、25°、30°改變為l5°、15°、20°、25°，增強肩部齒攻擊能力。

3)5個標準噴嘴更改為7個小噴嘴，增強井眼清潔能力。

4)更換Æ13mm后排齒，減少后排齒暴露。

通過試驗與優化改進PDC鉆頭，逐步優選出適應各層位的PDC鉆頭型號(圖6)，機械鉆速和單只鉆頭進尺大幅度提高，第二批正鉆井在沙溪廟地層試驗剛體PDC鉆頭取得新進展，平均機械鉆速由傳統胎體PDC鉆頭7.24m／h提高到16.27m／h(表1)，已接近空氣鉆進效果。

 

 

2．3　螺桿鉆具優選

鉆井提速技術已經廣泛應用PDC鉆頭+螺桿鉆具的復合鉆井模式^[2]，螺桿的使用增加了井底鉆頭轉速從而大幅提高鉆井速度。但常規螺桿鉆具在大尺寸井段的扭矩不足，隨著井底溫度升高也會對螺桿定子橡膠產生影響^[5-6]，通過對不同井眼尺寸的螺桿鉆具應用試驗效果進行分析，推薦了螺桿鉆具應用的參數要求(表2)，從而更好地與PDC鉆頭使用時間匹配：

 

1)在Æ311.2mm井眼通過增加螺桿級數來滿足扭矩要求，在此基礎上選用5～6頭螺桿進一步提高鉆頭轉速，提高鉆頭破巖能量。

2)長壽命螺桿鉆具具有單級密封壓力高、轉速低、扭矩大、曲率半徑小、使用壽命長、耐高溫和使用更加安全可靠等技術優勢，適合在常規生產井、深井、斜井和定向井中使用，在涼高山組—珍珠沖組，雷口坡組—長興組以及龍潭組等深部井段地層試驗等壁厚長壽命螺桿配合PDC鉆頭復合鉆進，結果較常規轉盤鉆機械鉆速提高44％，由于螺桿使用壽命長達300h，減少了起下鉆趟數，有效節約了鉆井時間。

2．4　優質鉆井液研究與應用

針對上部地層井壁失穩，膏鹽污染，下部地層高溫高壓及保護儲層需求，開展了有機鹽鉆井液鉆的流變性能、抗溫性能、抗膏鹽污染能力^[7-8]評價實驗。

有機鹽鉆井液是通過在傳統鉆井液體系中加入有機鹽抑制劑W2提高鉆井液抑制能力，其抑制能力優于鉀聚磺鉆井液體系，能夠降低井徑擴大率，減少因井壁水化膨脹而引起的井下復雜。沙溪廟組—須家河組地層巖性以泥頁巖為主，泥頁巖水化易產生鉆頭泥包而影響鉆進效率^[9]，要求鉆井液具有強抑制性，考慮到雷口坡組以下層段地層壓力較高，而有機鹽體系可以有效降低高密度鉆井液的固相含量。

2．4．1有機鹽聚合物低固相鉆井液

加入抑制能力較強的有機鹽抑制劑W2進行鉆井液抑制性對比實驗(圖7)，配方為2％～3％膨潤土漿+0.4％～0.6％NaOH+0.1％～0.2％KPAM+0.1％～0.2％FA367+1％～2％DJS+0.2％～0.3％BP-F+3％～4％RLC-101+4％～5％PHD+20％～30％W2+2％～4％CaCO3(600目)。

通過實驗數據可知，巖屑膨脹量小，說明該鉆井液相比聚合物低固相鉆井液具有更強的泥頁巖抑制能力。

加入有機鹽加重劑W3提高鉆井液密度，不增加鉆井液中同相含量，可以配置不同密度的鉆井液，其配方如下：

2％膨潤土漿+0.6％～l.2％NaOH+0.1％～0.2％KPAM+0.1％～0.2％FA367+1％～2％DJS+3％～4％RLC-l01+4％～5％PHD+4％～6％NSMC+4％～6％SMP-2+4％～6％RSTF+10％～15％W2+20％～30％W3+3％～4％CaCO3(600目)+0.5％～0.8％CaO+BaSO4

表3為有機鹽聚磺低同相與聚磺鉆井液性能比較數據，采用有機鹽加重劑配制的有機鹽聚磺低固相鉆井液，與單獨采用重晶石加重配制的聚磺鉆井液配相比，其流變性更好，固相含量更低，有利于改善鉆頭研磨巖石的井底工作環境，提高機械鉆速。

 

2．4．2有機鹽聚合物低固相鉆井液應用效果

有機鹽鉆井液體系在高石2井、高石6井、磨溪8井、磨溪9井、磨溪l0井的Æ311.2mm井段和Æ215.9mm井段現場應用。表4為高石2、高石6、磨溪8、磨溪9、磨溪l0井Æ311.2mm井段應用有機鹽鉆井液的平均井徑對比數據，轉換為有機鹽體系后的滾動回收率均提高，機械鉆速明顯提高，平均井徑擴大率明顯降低(表4)，高石2井等井由于上部氣體鉆形成的大井徑，造成井徑擴大率偏高。

 

現場應用效果表明，以“有機鹽”為代表的優質鉆井液明顯抑制了井眼垮塌，實現電測一次成功率100％，為減少事故復雜率，縮短鉆井周期提供了有力的技術支撐。

2．5　鉆井提速效果

2012年，西南油氣田在樂山—龍女寺古隆起以震旦系為目的層應用快速鉆井配套技術完鉆6口井，全面實現了7.5個臺月鉆成一口井的目標，平均機械鉆速從提速前的l.69m／h提高到2.54m／h，增幅51.19％，平均鉆井周期從302d縮短到189d，減少了ll3d。

6口完鉆井平均事故復雜綜合時效為1.85％，比高石l井下降4.15％。單只鉆頭進尺提高，起下鉆時間減少，純鉆時效提高，實現了震旦系超深復雜井的安全鉆井。

3　認識和建議

1)形成的優化井身結構較傳統井身結構縮短了大尺寸井眼長度，減少了作業時間，同時滿足完井與后期生產作業的要求。

2)以個性化設計PDC鉆頭為主的特色鉆頭技術有效提高了機械鉆速，在適合井段配合等壁厚長壽命直螺桿能顯著減少起下鉆時間，提高鉆井效率，但需針對深部硅質含量大、巖石硬度高、研磨性強地層加大個性化鉆頭研制和試驗力度。

3)地層出水出油與井壁易垮塌制約了氣體鉆井和液相欠平衡鉆井技術的應用，建議針對下部存在噴漏同層實施精細控壓鉆井，以實現窄密度安全窗口井段的安全鉆進。

 

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本文作者：鄭述權  張帆  鐘廣榮  張果

作者單位：中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院

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