任 凯，冯 义，王品德，戢能斌，赵久平

(中国石油吐哈油田公司工程技术研究院，新疆哈密 839009)

近年来吐哈油田对增储增产的需求日益迫切，严峻形势下油气勘探逐步向深层、超深层长水平段方向发展，吐哈盆地火焰山构造带深层油气成为十分重要的勘探目标，目前已取得阶段性成果。该区块的目的层为下侏罗统三工河组，岩性主要为灰色泥岩、粉砂岩互层及砂砾岩，钻井项目以导眼井+侧钻水平井为主，水平井井深为4 000.0～4 500.0 m。该区块地表砾石层松散不成岩，易垮易漏；中部地层孕育多套石膏层、膏泥岩及软泥岩，钻进时易缩径、坍塌；下部水平段岩石压实作用强，储层可钻性差，且井底环境复杂，随钻仪器易发生故障。这些因素导致该区块钻井周期过长、机械钻速慢、油层钻遇率低，制约着火焰山构造带勘探开发的进程。因此分析该区块深层水平井钻井技术难点，调研国内外各大油田钻井技术应用现状，结合吐哈油田当前钻井技术水平，制定适当的钻井提速技术措施，对加快该区块勘探开发步伐大有裨益[1-13]。

1 地质特点及钻井技术难点

1.1 地质特点

火焰山构造带位于吐哈盆地火焰山中央隆起带火焰山构造下盘，在中燕山期已具有独立背斜背景，且背斜北翼伸向胜北生烃区，区内主要成藏期为晚燕山期，因此，火焰山构造带既是油气汇聚的有利区，又具有长期捕获油气的地质条件。火焰山构造带自上而下地质分层及岩性分别为第四系砂砾岩夹泥岩、新近系-古近系膏岩层及膏泥岩、白垩系软泥岩以及侏罗系砂泥岩互层和夹煤岩的泥岩层，纵向上非均质性强，岩性变化大。火焰山构造带地质分层如表1所示，发育有中侏罗统七克台组(J2q)、三间房组(J2s)、西山窑组(J2x)和下侏罗统三工河组(J1s)四套储层，储层岩性致密，压实作用强，可钻性差。井底温度达到125 ℃以上，压力超过45.0 MPa。

表1 火焰山构造带地质分层

1.2 钻井技术难点

1.2.1 地质构造复杂

火焰山构造带受地表条件和逆掩带影响，地震资料难以成像，品相较差，难以把握构造细节，地层的不确定性导致对目的层埋深、走向、倾角等资料掌握不全面，并且油藏的细微构造变化大，纵向顶面起伏，横向岩性差异明显，难以准确确定油层信息，因此钻井过程中轨迹调整频繁，定向施工难度大，导致油层钻遇率低，平均钻遇率仅为81%。

1.2.2 井壁稳定性差

上部第四系砂砾岩夹泥岩层松散不成岩，易垮易漏；中部新近系-古近系(桃树园组、鄯善群组)、白垩系孕育着多套石膏层、膏泥岩、软泥岩，易坍塌掉块、缩径，且山前构造井斜难以控制，防斜打直难度较大；下部白垩系与侏罗系不整合面，以及侏罗系西山窑组泥岩段、三工河组煤岩段井壁稳定性差，易垮塌漏失。总体而言井壁稳定性差，易出现井下复杂情况，平均复杂时效占比16.4%。

1.2.3 目的层可钻性差

区内目的层为侏罗系西山窑组-三工河组，地层埋深超过4 000.0 m，岩性为泥岩与粉砂岩互层，并含有夹煤岩层的泥岩段，地层压实作用强，岩石研磨性高，地层可钻性差，对普通PDC钻头有很强的破坏能力，火焰山构造带岩石可钻性分级表如表2所示，水平段平均单只钻头进尺150.0 m，钻井周期超过50 d。

表2 火焰山构造带岩石可钻性分级

1.2.4 随钻仪器易故障

火焰山构造带已钻井温度、压力数据如表3所示。预测井底温度125～140 ℃，井底压力44.0～49.5 MPa，井底高温高压高密高黏环境对随钻仪器性能影响大，且在一定程度上易导致螺杆钻具寿命缩短、PDC钻头复合片耐磨性能降低。已钻井施工过程中多次出现随钻测量仪器故障、钻头磨削损坏、螺杆转子端部断裂等复杂工况，水平段平均起下钻次数多达11次。

表3 火焰山构造带已钻井井下温度、压力数据

1.2.5 提速工具应用少

深层水平井应用提速工具较少，造斜段和水平段出现托压现象无法缓解，钻头处钻压小，无法吃入地层，机械钻速低，钻井提速困难；环空间隙小，岩屑不能被有效携带，易堆积形成岩屑床，已钻井起下钻时多次发生阻塞钻具、卡钻等故障。

2 深层水平井钻井提速技术研究

2.1 精确中靶及提高油层钻遇率

针对地质构造复杂、油层钻遇率低的问题，从轨迹设计优化、建立中靶模型、工程地质一体化导向三个方面入手，总结“模拟实钻、精确监控、稳斜探顶、复合入窗”的轨迹控制原则，确保精确中靶及提高油层钻遇率。

2.1.1 轨迹设计优化

通过油藏精细描述优化井网布置、地质设计和工程设计，优化设计轨道类型和参数，达到造斜率、靶前位移、摩阻扭矩间相对平衡，实现摩阻和扭矩最小。利用导眼完井电测的油层垂深准确预测油层位置，做好造斜段前期钻具稳定、早扭方位作业。轨迹设计优化如图1所示，采用“一探、二验、三调”的着陆模式，即一根稳斜探顶，二根稳斜验层，三根调整轨迹，确保精确探顶中靶，卡准油层。

图1 轨迹设计优化示意图

2.1.2 建立中靶模型

结合前期导眼井测井解释资料，在已知油层厚度情况下，本着超薄油层目的层“宁底勿顶、中部穿行”的安全钻井模式，采用双(多)探底技术(图2)，实时模拟油层倾角，模拟目的层走势，建立目的层动态长方体靶区三维模型，提高油层钻遇率。

图2 双探底技术示意图

2.1.3 工程地质一体化

工程组合导向系统与地质随钻综合录测井系统形成优势互补的工作模式，增强地层评估力度，钻进过程中实时成图，对比并调整井眼轨迹，达到最优化钻井。将随钻地质导向系统实时测得的自然伽马、电阻率数据绘制成图，结合地质综合录测井参数(岩屑、岩性)资料，与邻井测井曲线对比，总结同区块地层的变化情况，把握地层造斜能力及井斜变化规律，应用轨迹模拟软件预测钻头位置的井斜和方位，判断钻头位置、井斜角与油层倾角的一致性，及时调整轨迹，提高油层钻遇率。

2.2 低成本钻井提速工艺工具

2.2.1 优化井身结构

优化井身结构，调整各开次井眼和套管深度。一开444.5 mm井眼，缩短井深和套管下深，快速封闭砾石层；二开311.1 mm井眼，延长表层套管封固长度，完整封固膏泥岩、软泥岩层；三开215.9 mm井眼，延长造斜段，降低造斜率，减少定向段，增加复合段。优化前后对比如表4所示。

表4 井身结构优化前后对比

2.2.2 优化钻具组合

二开直井段采用“强攻击PDC钻头+双扶螺杆+井壁修复器”强控斜钻具组合，完善系列化全压控斜钻具；造斜段采用“造斜型钻头+高造斜螺杆+水力振荡器”钻具组合，快速增斜、增方位，防止钻头泥包、井眼缩径；水平段采用“中低速单扶螺杆+井壁修复器+水力振荡器”钻具组合，配合倒装钻具，降低水平段摩阻、减少定向钻进黏滑托压，稳斜钻进，精确卡层。优化钻具组合如表5所示。

表5 钻具组合优化

2.2.3 钻井提速工具

可破碎井壁落物的PDC钻头、双向通井工具(图3a)、随钻井壁修复器(图3b)等工具，可以解决泥岩、膏盐层、交界面地层频繁划眼、阻卡等难题，提高井眼质量；岩屑床清除器、水力振荡器、液力推进器等工具，可以改善长段水平井的钻压传递效果、降低摩阻扭矩，消除托压、黏卡现象，提高定向钻进和复合钻进效率。

图3 钻井提速工具

2.3 高耐性随钻仪器

为应对火焰山构造带井下高温高压高密高黏环境，对随钻仪器各元件的耐性进行攻关，通过数据分析、实验室筛选、矿场试验一系列措施，最终组合成高耐性随钻仪器。测量仪器的误差在0.1%以内，耐温范围为-50～150 ℃，耐压强度可达137.0 MPa，抗振性能同比增加2.5倍，完全满足该区块随钻测量要求。

2.4 高效钻井液体系

选用复合盐弱凝胶高效钻井液体系，采用多元协同理论，从抑制泥页岩水化分散、膨胀和实现离子活度平衡机理出发，通过复配KCl、有机盐、抑制剂协同增效，充分发挥K+、Na+等离子抑制黏土层间水化作用，增强体系抑制性，降低固相，改善流变性能，提高承压能力，从而有效解决地层膨胀、缩径、垮塌、井漏等井下复杂情况。

根据地层变化设置钻井液密度和性能，钻至上侏罗统齐古组(J3q)前，钻井液密度逐步升高至1.45 g/cm3，有序提高有机盐加量，降低滤液活度，配合纳米封堵剂实现纳米-微米封堵，在岩石表面形成保护膜，减少滤液浸入；进入齐古组(J3q)后，钻井液密度为1.45～1.55 g/cm3，逐步提高钻井液封堵材料含量，强化钻井液物理封堵能力，并根据井斜变化及时补充润滑剂。当井斜为0°～30°时，润滑剂有效含量为3%以上；当井斜为30°～60°时，润滑剂有效含量为4%以上；当井斜60°～90°时，润滑剂有效含量为5%以上。

3 技术应用

火805H井是吐哈盆地火焰山构造火8井区块的一口预探井，钻井设计为导眼井+水平井，井身结构为一开φ444.5 mm井眼/φ339.7 mm套管×300.0 m，二开φ311.1 mm井眼/φ244.5 mm套管×3 400.0 m，三开/侧钻φ215.9 mm井眼/φ139.7 mm套管×4 120.0 m/5 262.0 m，使用复合盐弱凝胶钻井液，钻具组合如下：

二开直井段钻具组合：φ311.1 mm PDC钻头+1.25°双扶螺杆(φ308.0 mm*310.0 mm)+单流阀+定向接头+无磁钻铤+钻铤×1根+井壁修复器+钻铤×3根+钻杆。

三开造斜段钻具组合：φ215.9 mm PDC钻头+1.50°螺杆+单流阀+定向接头+无磁钻铤+加重钻杆×27根+水力振荡器+加重钻杆×3根+斜坡钻杆。

三开水平段钻具组合：φ215.9 mm PDC钻头+1.25°螺杆+单流阀+φ212.0 mm井壁修复器+定向接头+无磁钻铤+加重钻杆×3根+斜坡钻杆×26根+水力振荡器+斜坡钻杆×94根+加重钻杆×27根+斜坡钻杆。

通井钻具组合：双向通井工具+加重钻杆×2根+φ212.0 mm井壁修复器+加重钻杆×1根+钻头伴侣+钻杆。

实钻导眼井深4 110.0 m，侧钻水平井井深5 050.0 m，实钻井眼轨迹如图4所示。

图4 火805H井实钻轨迹

技术应用结果表明，火805H井钻完井周期由154.5 d缩短至106.0 d，缩短幅度29.3%；其中钻井周期由134.5 d缩短至90.0 d，缩短幅度33.0%；完井周期由20.0 d缩短至16.0 d，缩短幅度20.0%。平均机械钻速由3.78 m/h提高到4.96 m/h，提高31.2%；油层钻遇率由81.0%提高至94.8%。火805H井纯钻时效为59.45%，与火803H井、火804H井相比，分别提高了16.63%、21.22%；火805H井复杂时效占比为0.93%，与火803H井、火804H井相比，分别降低了95.70%、90.10%；火805H井造斜段和水平段实现了一趟钻钻井目标，钻井提速技术展现显著效果。

4 结论

(1)应用精确中靶及提高油层钻遇率技术，优化轨迹设计，建立中靶模型，推进工程地质一体化，解决了地质卡层困难的问题，有效提高了油层钻遇率。

(2)井身结构优化、钻具组合优化及钻井提速工具的应用，降低了造斜率，减少了定向段，增加了复合段，消除了黏卡托压现象，缩短了钻井周期，提高了钻井速度。

(3)高耐性随钻仪器能够应对井下高温高压高密高黏环境，减少起下钻次数，满足随钻测量要求。

(4)复合盐弱凝胶钻井液体系稳定井壁能力强，提高了事故预防与处理能力，有助于提高机械钻速，降低复杂时效。