盖兆贺

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163000）

根据大庆油田十三五规划，到2020 年天然气产量将达到50×108m3，其中深层天然气产量预计达到31×108m3，是大庆油田天然气勘探开发的重点领域。大庆深层岩性主要为火山岩、砾岩，地层研磨性强、可钻性差，机械钻速较慢，同时裂缝/破碎带发育，容易发生井漏、井塌等复杂事故。

为了保证深井安全施工，同时实现提速降本，应用物探、测井、录井技术开展了以裂缝/破碎带位置、岩性、岩石可钻性和地层三压力为主的多学科综合研究，在钻前准确预测井下风险和难点，做到提前准备、提前预防、及时应对、及时处理，提高生产效率。在XS3-平2 井施工前，综合分析预测了破碎带发育位置、岩石可钻性，通过优化井眼轨道、钻头选型，成功规避破碎地层，避免了井下复杂，并且实现了二开两只PDC完钻，缩短二开钻进周期14d。实践表明，结合物探、钻测录井资料对待钻井进行钻前地质预测，可使钻井工程方案更加具有针对性，为今后大庆深层优快钻井探索了新的思路。

1 XS3-平2井基本情况及难点分析

XS3-平2井是松辽盆地东南断陷区徐家围子断陷兴城鼻状构造XS9 井区的一口天然气开发水平井，设计井深5779m，垂深3912m，目的层为营一段火山岩。设计采用三层井身结构，如图1：一开∅339.7mm 套管下至四方台组稳定泥岩处，封固保护水层及上部易漏易塌地层；二开∅244.5mm技套下至登三段3250m，在造斜点以上80m，封固易坍塌掉块的青山口组及上部不同压力层系地层，同时考虑提速需求，大井眼不造斜；三开∅215.9mm 井眼钻至设计井深，下入∅139.7mm生产套管+裸眼封隔器+压裂滑套完井。

通过统计邻井资料，分析本井存在以下2个主要难点：

（1）三开定向段长，共计2449m，其中水平段长1751m，且破碎带发育，可能存在多处局部小断层或破碎带，易导致井漏，同时井漏后易诱发井喷。邻井XS3-平1、XS9-平3、XS903-平1均发生过井漏，其中XS9-平3共漏失785m3；

（2）目的层岩性为火山岩，研磨性强、可钻性差，机械钻速慢、施工周期长。邻井XS3-平1井水平段进尺1062m，共用钻头20只，平均机械钻速1.04m/h。

2 XS3-平2井施工方案优化

2.1 井眼轨道优化

本井常规设计采用“直—增—稳—增—探—平”二维六段制三增圆弧剖面，造斜点为3330m，最大造斜率为5°/30m。在钻前通过运用物探相干体分析技术，对该井眼轨道钻遇破碎地层情况进行预测。根据相干体剖面分析，设计井眼轨道在造斜段距离破碎带较近；在距A靶点右侧260m处有可能钻遇破碎带Ⅰ，破碎带宽80m；在距A靶点左侧600m处，该轨道之下3m可能钻遇发育破碎带Ⅱ；在距A靶点左侧1100m处，设计轨道之上发育破碎带Ⅲ，破碎带宽度100m。

针对破碎带发育分析结果对设计轨道进行优化：为了避开造斜段破碎带，增加轨道控制点K1，将造斜点上移50m至3280m（出技套30m，避免磁干扰），采用5°/30m 造斜率使轨迹上偏，同时为了避开水平段下方破碎带，增加控制点K2，要求入靶时走靶窗上限（本井设计中对于水平段井眼轨道质量的要求见表1），即A靶点以上2m，优化后的井眼轨道见表2。

表1 XS3-平2井水平段井眼轨道质量要求

表2 XS3-平2井优化后轨道

通过轨道优化，破碎带Ⅰ处轨道上移67m，且由造斜段移到稳斜段；破碎带Ⅱ处轨道上移1.2m，破碎带Ⅲ处轨道上移0.6m。实际操作中可以在轨迹穿过破碎带Ⅱ以后，控制轨迹井眼适当下偏。

进入水平段后，以复合钻进为主，实际钻进过程中井斜、方位都存在变化，需要采取定向措施维持轨迹在靶盒内运行，本井水平段长，定向过程中钻具不旋转，随着摩阻增加，会存在托压现象，增加了潜在的刮卡风险。建议结合储层厚度及走向，适当放开靶盒，可以增加复合钻进比例，降低施工风险。图2为破碎带预测结果和轨道优化前后的垂直剖面示意图。

同时细化现场施工时防漏堵漏工艺流程，建立应急预案。一旦发生井漏复杂，根据实际情况确定堵漏材料加量。最终，XS3-平2 井实钻过程中安全钻穿破碎带发育地层，未发生井漏复杂。

2.2 钻头序列优选

钻头的选型，应能适应不同的钻井方式，实现有效的钻进。主要的参考依据为待钻地层的岩性和可钻性级值。本井地质设计提示目的层岩性为火山岩，以酸性流纹岩、火山角砾岩、凝灰岩等为主，而岩石可钻性则需要进一步开展研究。

岩石可钻性是描述地层岩石抗钻特性的一个指标，它在钻头选型、优化钻井施工参数和实现安全高效钻井等方面都是重要的考虑因素。由于地层可钻性是受多因素影响的一个工程参量，因此钻前地层可钻性预测对钻井工程具有重要的指导意义。为使预测方法具有实用性和便于推广，以室内实验结果为依据，以测井数据为支撑，建立牙轮、PDC 钻头岩石可钻性、硬度及塑性系数等岩石力学特性的预测模型，形成了大庆深层岩石可钻性分析预测技术。

2.2.1 结合实钻测井数据，建立可钻性计算模型

岩石可钻性常用岩石可钻性级值（Kd）来表示。首先在实验室内对 XS22、莺深 1、朝深 5 等 14 口井 47 块岩芯进行微钻测定后得出实测岩石可钻性级值，再将可钻性级值与岩石机械破碎特性实验参数、测井曲线进行数值模拟，建立计算可钻性级值的模型。

由图3可见，可钻性级值、硬度、塑性系数三者具有较好的相关性，研磨性与其他机械破碎特性实验参数间相关性较差。同时，可钻性级值、硬度、塑性系数与声波时差、有效应力曲线相关性较好。其中岩石可钻性与硬度、塑性系数、有效应力相关性较好。因此应用硬度、塑性系数、有效应力，分别建立了砂泥岩、砂砾岩、火山岩三种深层主要岩性的岩石可钻性级值计算模型。

Ⅰ.牙轮钻头可钻性极值Kd：

砂泥岩模型：Kd=0.0828·σ+0.0011·P+1.3049

砂砾岩模型：Kd=0.1800·σ-0.2215·DT+7.042·RHOB-6.5197

火成岩模型：Kd=0.1132·σ+0.0014·P-0.3675

Ⅱ.PDC钻头可钻性级值Kd：

砂泥岩模型：Kd=0.1138·σ+0.00042P+1.3520

砂砾岩模型：Kd=0.2535·σ-0.2877·DT+11.3551·RHOB-16.8843

火成岩模型：Kd=0.1786·σ+0.0009·P-1.6842

式中：P——硬度；

σ——有效应力；

Kd——可钻性级值；

DT——声波时差；

RHOB——岩石密度。

有效应力（MPa）：σ=P0-Pp（孔隙压力）

上覆地层压力（MPa）：PO=overDen·DEPTH·1.422

2.2.2 根据可钻性预测结果，优化钻头序列

依据岩石可钻性研究成果，预测XS3-平2井地层岩石可钻性、硬度、塑性系数。根据预测结果，参考各类地层条件下适用的钻头、提速工具类型，优化XS3-平2井钻头使用序列：

泉二段以上：主要为砂泥岩互层，通过优选高性能PDC预计1只钻头可钻至2200m；

泉二段—登娄库组：主要为砂泥岩，夹少量砂质砾岩，上部可钻性级值4～5，适用5 刀翼PDC+液动旋冲工具提速，下部可钻性级值5～7，使用6 刀翼PDC+液动旋冲工具提速；

营城组：主要为酸性火山岩，可钻性级值大于8，可钻性差、研磨性强，PDC 极易先期磨损崩齿，故优选牙轮钻头提高施工效率。

最终形成了XS3-平2推荐钻头使用序列，在实钻过程中，XS3 平2 井使用2 只钻头即完成二开进尺，其中第二只钻头配合液动旋冲工具提速取得了非常好的效果，进尺965m，平均机械钻速达到了5m/h，相比邻井节省了5只钻头，钻速提高了3倍以上。三开共使用38只钻头，其中水平段平均机械钻速1.72m/h，相比邻井提高了56.4%。

3 现场施工效果

XS3-平2 井钻前开展了破碎带预测、地层可钻性预测等地质研究，获取了钻井施工所需要的地质参数，并根据预测结果优化了工程施工方案，通过在靶窗范围内调整井眼轨道、制定防漏堵漏预案、优选钻头使用序列等手段，保障了现场高效安全钻进，全井未发生井漏等复杂情况，平均机械钻速3.48m/h，相比邻井XS3-平1 井，在井深增加340m 的前提下，机械钻速提高54.7%，实现了钻井施工提速提效。

4 结论

（1）大庆深层徐家围子断陷营城组火山岩破碎带发育，钻井施工过程中易发生井漏，同时酸性火山岩可钻性差、研磨性强导致机械钻速慢，是制约该区块钻井提速提效的主要难点；

（2）通过开展钻前破碎带预测、地层可钻性预测等地质研究，并根据预测结果制定井下复杂预防措施、优选钻头使用序列，有针对性地进行施工方案优化，可有效降低施工风险，实现高效安全钻进；

（3）由于待钻井工程地质分析预测需要一定的工作时间，建议在今后的工作中根据油田公司井位部署计划，提前与物探、录井、测井等单位结合，对新井所在的区块提前进行物探三维地震反演，实现井震结合的点、线、面、体的深层岩性、岩石可钻性及三项压力分析研究，建立数据库，待井位部署后可快速提取相关工程地质资料，形成一套地质资料准确预测和工程技术合理应用相结合的综合提效技术，最终达到钻井施工安全高效的目的。