准噶尔盆地阜东探区钻井提速技术

文乾彬 杨 虎 谢礼科 孙维国

（1.新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000；2.新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000）

阜东探区位于准噶尔盆地阜康凹陷东斜坡，目的层为侏罗系头屯河组，埋深2 500～3 800 m。通过近几年的滚动勘探，多口探井均在头屯河组获得高产工业油流，勘探成果表明该区块具有较好的油气勘探前景。自2006 年以来该地区已完钻30 余口井，均采用三开井身结构，平均钻井周期为54 d，平均机械钻速为5.6 m/h，井下复杂时率为5.5%。机械钻速低、井下复杂时率高、钻井周期长、钻井费用高已成为制约该地区油气勘探开发的瓶颈问题，急需开展技术攻关与现场试验，提高钻井速度，降低钻井成本。

1 钻井提速难点

1.1 地层压力系统复杂

通过岩石力学分析，结合测井、录井和试油资料，计算该地区地层三压力剖面［1-2］。计算结果表明，新近系至古近系地层坍塌压力较高，破裂压力较低，钻井安全密度窗口窄。白垩系以上地层压力系数低，进入侏罗系以后地层压力开始快速抬升，至侏罗系头屯河组地层压力系数达到1.6 左右。由此可见，该地区地层压力系统复杂，上部和下部地层压力跨度大，钻井安全密度窗口窄。这给井身结构优化和安全快速钻井带来了较大困难。

已钻井资料表明，吐谷鲁群、齐古组和头屯河组的井眼缩径、垮塌严重，井壁稳定性差。新近系、古近系和吐谷鲁群泥岩厚度约为1 000 m 左右，黏土矿物分析表明，吐谷鲁群、齐古组伊蒙混层含量分别为39%和56%，头屯河组伊蒙混层含量为94%。由此可见，较强的水敏性和黏土矿物水化膨胀是造成井眼缩径、垮塌、井壁失稳的主要原因［3-5］。

1.2 钻头选型困难

岩石力学特性参数评价研究表明［6-8］，白垩系以上地层，泊松比0.3～0.45，抗压强度＜30 MPa，可钻性级值1～3.5，中部地层可钻性级值3.5～4.5，白垩系下部至侏罗系，岩性变化频繁，夹层多，岩石强度变化大，抗压强度30～75 MPa，可钻性级值4.5～5.5。

由此可见，白垩系至侏罗系，岩石可钻性较好，钻头提速空间较大，但岩石抗压强度变化大，软硬夹层多，PDC 钻头适应能力差，应用范围受限，单井PDC 钻头累计进尺不足30%，机械钻速与地层埋藏深度不呈正比。

1.3 钻井液体系不完善

阜东地区白垩系和侏罗系黏土矿物含量高，泥岩水化膨胀引起井眼缩径垮塌造成井下复杂。为了保证安全快速钻井，要求钻井液具有较强抑制性的作用，前期钻井采用常规钾钙基聚磺钻井液，平均复杂时率为5.5%，平均井径扩大率为12.7%，显然，该钻井液体系不能满足阜东地区长裸眼井安全钻井要求，需要进一步优化和完善。

2 提高阜东地区钻井速度配套技术

2.1 优选高效钻头

针对阜东地区地层特点进行钻头的优选和个性化设计［9-11］。第四系和新近系地层含有砾岩，且地层疏松，试验并优选适合高转速的金属密封、保径加宽齿牙轮钻头。古近系、白垩系和侏罗系均含有较厚泥岩，泥岩中夹砂岩，抗压强度不高，岩石可钻性较好，尤其白垩系中上部地层泊松比较低，地层塑性较强，设计多刀翼X3 齿PDC 钻头，该钻头流道面积较大，易清洗钻头和携岩，减少重复切削，有效提高钻头破岩效率。同时该钻头有较强的耐研磨性和抗冲击性，穿越夹层能力强。通过多口井的试验，逐步形成了适合该地区的钻头序列（表1）。

表1 阜东地区钻头选型推荐

另外，采用大功率直螺杆配合X3 齿PDC 钻头的复合钻井技术，可提高钻头转速和破岩效率。通过试验，选择功率大、扭矩高、寿命长的Ø244.0 mm和Ø172 mm 直螺杆，机械钻速较常规钻井提高了50%～132%。

2.2 优选钻井液体系

针对该地区泥岩水化膨胀引起井眼缩径、垮塌等问题，实验优选出新型聚合盐钻井液［12］，配方为：4%膨润土+0.2%KOH+5%～20%聚合盐JN-2+5%防塌润滑降滤失剂PHT+1.5%LVCMC+3%抗高温降滤失剂RSTF+7%KCl+1.5%井壁稳定剂MFG+重晶石。钻井液性能见表2、表3。新型聚合盐水解后阳离子胺基团与带负电荷的黏土表面之间形成强吸附作用，其阴离子羧酸基团与黏土带正电荷的端面吸附，增强了吸附包被絮凝作用，聚合盐大分子链在黏土表面形成有效覆盖，减缓自由水侵入黏土的速度，达到有效抑制泥岩水化膨胀、分散，保证长裸眼泥岩井段的井壁稳定，为实现不下技术套管钻井创造了条件。同时该体系自身的固相含量低，可降低微粒运移造成的储层伤害。该地区有11口井应用新型聚合盐钻井液体系，平均井径扩大率由12.7%降至7.26%，井下复杂时率由5.54%降至0.35%。

表2 新型聚合盐钻井液性能

表3 新型聚合盐钻井液抑制性对比

3 应用效果

根据该地区地质条件和钻井特点，通过钻井提速技术和井身结构优化研究，采用二开复合井眼井身结构（见表4），推广个性化PDC 钻头和新型聚合盐钻井液。首次在阜东7 井试验，获得成功，该井完钻井深3 065 m，实现了不下技术套管钻井， Ø311 mm 井眼机械钻速达15.9 m/h，Ø215.9 mm 井眼机械钻速达5.8 m/h，较之前提高了70.2%，节约钻井工期10 d。

表4 阜东地区井身结构优化及提速措施

2011—2012 年，阜东地区完钻探井22 口，PDC钻头累计进尺45 227.9 m，进尺占有率达63.46%，平均机械钻速7.3 m/h，较2010 年前提高了30.4%，平均单井节约钻井工期10.5 d，实现了14 口井不下技术套管钻井，累计节约钻井投资6 千多万元，取得了显著的经济效益。

4 结论与建议

（1）优化后的复合井眼井身结构与传统井身结构相比，减少了套管费用，节约了钻井工期。

（2）试验攻关形成适合该地区钻头序列，尤其是个性化X3 齿多刀翼PDC 钻头对塑性、软硬夹层具有很好的适应性，拓宽了PDC 钻头应用范围。

（3）大功率直螺杆配合高效PDC 钻头的复合钻井技术，能快速穿越夹层，但仍需强化螺杆和PDC钻头的配伍性研究，提高单趟钻具进尺。

（4）新型聚合盐钻井液可满足阜东地区长裸眼泥岩井段井壁稳定要求，减少井下复杂事故，为不下技术套管钻井创造了条件，建议在其他类似地区推广应用。

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