秋里塔格构造带风险探井中秋1井安全钻井关键技术

何选蓬 程天辉 周健 邹博 钱宏 陈阳

1.中国石油渤海钻探库尔勒分公司；2.中国石油塔里木油田分公司

0 引言

中国石油2018年12月12日宣布，位于新疆库车坳陷秋里塔格构造带中段的中秋1井经酸压测试获得高产工业油气流，用Ø5 mm油嘴求产折合日产天然气33×104m3，日产凝析油21.4 m3，预示中秋将有1 000×108m3级凝析气藏［1］。库车坳陷位于塔里木盆地和南天山造山带的交接部位，构造形态由北向南呈“三带三凹”，分别为克拉苏、依其克里克、秋里塔格构造带和乌什、拜城、阳霞凹陷；其中：秋里塔格构造带位于库车坳陷南部，勘探面积5 200 km2，天然气资源量 1.43×1012m3，石油资源量2.83×108t［2］。中秋 1井是 2017年部署在秋里塔格构造带中秋段中秋1号背斜构造上的一口风险探井，钻探目的层位为白垩系巴什基奇克组。中秋1井构造变形强烈，地震资料差，邻井资料少，盐顶卡层难度大，为此塔里木油田抽调经验丰富的技术专家全程驻井把关，精细研究钻井和地质设计，优化施工方案和风险防控措施，优选新型钻井工具和钻井参数，制定库车山前钻完井提速对策，盐上地层、盐层、目的层钻进与试油完井协同发力，自2017年10月 30日至 2018年 10月 14日钻至 6 316 m完钻，于11月21日开始试油［2］，12月12日对白垩系6 073～6 182 m井段进行小型解堵酸化测试，油压为81.182 MPa，获高产工业油气流，为秋里塔格构造带的油气勘探和整体评价打开了突破口。

1 中秋1井构造特征

库车前陆盆地位于塔里木盆地北缘，北与南天山断裂褶皱带以逆冲断层或不整合相接，南为塔北隆起，东起阳霞凹陷，西至乌什凹陷，是一个以中、新生代沉积为主的叠加型前陆盆地。北部受南天山强烈挤压作用，南部受前中生代古隆起限制，库车前陆盆地表现出较宽的前陆冲断带、残余前渊、窄斜坡和宽缓前缘隆起的特点。库车坳陷可进一步划分为7个次级构造单元，即克拉苏构造带、北部构造带、秋里塔格构造带、乌什凹陷、拜城凹陷、阳霞凹陷、南部斜坡带。

秋里塔格构造带位于拜城凹陷和阳霞凹陷之间，北邻克拉苏构造带、依奇克里克冲断带，并与南部斜坡带和阳霞凹陷相接,东西长300 km,南北宽25 km，地表表现为西秋、东秋2座山体。受新近系和古近系2套盐膏层变形影响，盐上表现为库车冲断系统，盐下根据地层格架、构造模式、圈闭类型等不同自西向东划分为佳木、西秋、中秋和东秋四段。

中秋段呈近北东向展布，东西长约120 km，南北宽约12 km，面积约1 500 km2。受喜山中晚期南天山的快速挤压、古近系、新近系膏盐岩变形及区域走滑断裂带影响，盐上地层发育大型薄皮褶皱；盐下地层受盖层滑脱影响形成大量逆冲断片，发育盐下背斜及断鼻构造，与克深构造带相似。中秋段主要的勘探目的层为白垩系巴什基奇克组。

2 中秋1井钻井难点及对策

2.1 钻井难点

中秋1井分别在吉迪克组4 450～4 880 m和库姆格列木群5 490～6 060 m段钻遇2套膏盐层。吉迪克及苏维依组砂砾岩段为低压层，同时盐间是否存在低压层未知。2层套管无法兼顾满足3套压力系数要求(如图1)。

中秋1井实钻过程中，苏维依组泥质粉砂岩夹层渗透性较好，与吉迪克组膏盐岩段合钻，在5 440.99～5 477.7 m漏失5次，漏失密度2.33～2.25 g/cm3钻井液645.8 m3，多次堵漏无效，且因上部地层为膏盐岩段，无法降低泥浆密度，被迫下套管，中完循环及固井期间漏失钻井液474 m3。

苏维依-库姆格列木群泥岩段、库姆格列木群膏盐岩段不同压力系统存在于同一裸眼中，高密度盐层钻进时，上部低压层发生漏失；同时盐间存在薄弱层，多次发生漏失(持续伴随井漏，保持随钻浓度不低于5%才能维持钻进)，由于钻井液密度无法满足支撑盐膏层，起下钻过程中均有阻卡，需要划眼通过。为了提高钻井液密度多次进行承压堵漏，共漏失钻井液259 m3。

图1 井白垩系巴什基奇克组四性关系［3］Fig.1 Four-property relationship of Cretaceous Bashijiqike formation in Well Zhongqiu 1［3］

中秋1井受喜山中晚期南天山的快速挤压，古近系、新近系膏盐岩变形及区域走滑断裂带影响，盐上地层发育大型薄皮褶皱；盐下地层受盖层滑脱影响形成大量逆冲断片，发育盐下背斜及断鼻构造。地层造斜率大，使用PV工具都难以控制井斜，且井下情况复杂，部分井段无法使用垂直钻井工具，控制井斜困难。复合盐层由于不同压力系数，固井盐水溢流及井漏风险大，常规固井技术质量难以保证。

2.2 应对策略

为确保井身质量从二开开始到目的层前均采用POWER-V钻进［3］，同时考虑到卡层安全和井身质量的矛盾，Ø311.15 mm井眼段采用Ø215.9 mm工具卡层，在井漏后仍能安全起钻；三开钻进吉迪克盐层和苏维依组砂砾岩，漏失严重，在多次堵漏无效的情况下，下套管至漏层顶部；四开钻井时，因上部低压层、下部复合盐层压力系数不同，无法满足漏层和复合盐层同时钻进要求，采用塔里木油田公司改性水泥承压堵漏，钻井液密度从2.15 g/cm3提高到2.27 g/cm3，为该井不同压力系数地层安全钻进提供了保障，也为该区块钻井提供了新的思路。

复合盐层下套管前模拟井下压力计算反推下入套管的速度，保证下套管及开泵循环期间的井底压力平衡，不发生漏失；为确保固井及丢手安全，下套管前打堵漏钻井液，并且进行模拟循环试验，为固井循环做准备，固井方式采用正注反剂固井，采用双凝体系，合理调整稠化时间，在保证施工安全的前提下快速凝固，防止盐水侵入影响固井质量。

3 中秋1井钻井情况

中秋1井原设计井深6 300 m，实际井深6 316 m，钻井周期350 d。

全井采用定制钻头。Ø558.8 mm井眼采用定制BEST1952钻头，单钻头钻进至1 800 m中完井深，平均机械钻速6.2 m/h；Ø431.8 mm井眼钻进库车组-吉迪克组，2只DBS SF56DH3钻头从1 802 m钻进至4 249 m，平均机械钻速6.2 m/h；复合盐层采用史密斯360钻头，平均机械钻速1.62 m/h；Ø149.2 mm井眼钻进白垩系目的层，1只史密斯MDI613QBPX钻头钻完6 048.6～6 316 m，机械钻速2.6 m/h(如图2)。

4 中秋1井堵漏情况

4.1 五开钻井情况

图2 中秋1井井身结构Fig.2 Casing program of Well Zhongqiu 1

中秋1井五开使用Ø558.8 mm钻头于2018年6月13日16：00钻进，钻井液体系为油基钻井液，2018年 9月 14日 3：00扩眼至井深 6 048.6 m中完。所钻地层为古近系苏维依组和库姆格列木群泥岩段、膏盐岩段，苏维依组底界5 542 m，井段5 630～5 662 m、5 722～5 724 m、5 736～5 768 m 为白色盐岩、泥质盐岩，期间夹杂泥质粉砂岩、粉砂岩，存在2套不同压力系数地层。苏维依组地层发生漏失钻井液当量密度为2.1 g/cm3，抑制下部盐层蠕变所需当量密度为2.27 g/cm3。为保证下部盐层钻进，提高钻井液密度，对上部漏失层进行承压堵漏，提高地层整体承压能力。

钻进期间共发生3次井漏，经过14次承压堵漏，使用2种不同钻井液体系和堵漏材料，有效提高地层承压能力(当量密度2.27 g/cm3)，钻进中通过在钻进个月中加入一定比例堵漏材料，恢复钻进作业。

4.2 五开钻进漏失情况

(1)使用Ø558.8 mmPDC钻头+Power-V垂钻工具［4-5］通划至井深5 477.7 m发生井漏，地层为苏维依组，岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩。将钻井液密度由2.25 g/cm3逐渐降至2.22 g/cm3、2.19 g/cm3恢复钻进。

(2)使用Ø558.8 mmPDC钻头+Power-V垂钻工具钻进至井深5 535.27 m再次发生井漏，地层为苏维依组，岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩，将钻井液密度由 2.19 g/cm3逐渐降至 2.15 g/cm3、2.1 g/cm3，继续钻进至5 580 m。

(3)使用Ø558.8 mmPDC+Power-V垂钻工具钻进至井深5 623.15 m(地质循环落实岩性为褐色含盐泥岩)，后起钻。

(4)使用Ø558.8 mmPDC+常规钻具+MWD仪器钻进至井深5 663 m，起钻承压堵漏，钻井液密度由2.10 g/cm3升至 2.15 g/cm3。

(5)使用Ø558.8 mmPDC+常规钻具+MWD仪器钻进至井深5 668 m，起钻承压堵漏，钻井液密度由2.15 g/cm3升至 2.20 g/cm3。

(6)使用Ø558.8 mmPDC+常规钻具+MWD仪器钻进至井深5 723.3 m(钻压由60 kN降至20 kN,瞬时钻时由38 min/m降至16 min/m，上提悬重由1 910 kN升至2 030 kN又降至1 910 kN,上提有蹩顶驱现象)，起钻换铣齿钻头进行承压堵漏钻井液密度由2.20 g/cm3升至2.27 g/cm3。

(7)使用Ø558.8 mmPDC+常规钻具钻进至井深5 989 m，其中钻进至井深5 815.4 m再次发生井漏，通过堵漏控制钻井液漏失量，钻井液密度维持在2.27 g/cm3。

(8)使用Ø558.8 mmPDC+常规钻具钻进至井深6 016.5 m，后起钻进行卡层钻进。

(9)使用Ø431.8 mmPDC领眼钻进 6 016.5～6 048.6 m井段。

(10)使用Ø558.8 mmPDC+常规钻具扩眼井段6 016.5～6 048.6 m，顺利中完。

4.3 油基钻井液堵漏

使用油基钻井液进行了6次承压堵漏施工，堵漏材料为成都得道公司LCC系列有机高分子合成堵漏剂［6］和GBF固壁承压封堵剂［7］。

(1)漏失层位为苏维依组，地层主要岩性为粉砂岩，对应井段为5 500～5 550 m，为渗漏性漏失。经过第1次堵漏施工，发现地层吃入量过少而套压持续增高，判断井下出现“封门”现象，因此第2次、第3次调整堵漏配方增加大粒度颗粒的配比，尤其是第3次堵漏施工地层吃入量明显增多。堵漏施工结束通划到底后，排量15 L/s满足钻进要求，钻井液密度由2.10 g/cm3提高至2.15 g/cm3。钻进至井深5 661.4 m时钻速加快,上提活动频繁蹩停顶驱,释放扭矩,上提悬重由1 860 kN升至2 400 kN又降回1 860 kN，不能满足盐层安全钻进的基本要求，需继续进行地层承压堵漏。

(2)与第 1、2、3次堵漏方式不同，第 4、5、6次采用高注高挤方式堵漏，地层承压有了一定提升，没有出现“封门”现象(如表1)。

表1 油基钻井液堵漏情况Table 1 Plugging effect of oil based drilling fluid

4.4 水基钻井液堵漏

4.4.1 水基堵漏材料

使用油基钻井液堵漏施工，地层承压能力不能满足下部盐层钻进所需，考虑油基钻井液含水量少不能使堵漏材料完全发挥作用，将其更换为水基钻井液［8-10］，保证堵漏材料的可膨胀性得到有效发挥。使用水基钻井液配合核桃壳等膨胀性堵漏材料(如表2)，进一步提高地层承压能力，仍不能完全满足下部盐层钻进需要，未能有效抑制下部盐层蠕变，需继续进行承压堵漏。

4.4.2 西南石油大学新型堵漏材料

下部盐层段预计需密度2.30 g/cm3的钻井液抑制盐层蠕变，满足盐层段安全钻井，采用固化后微膨胀的HTSD堵漏技术进一步提高井筒的承压能力。

现场施工使用高密度(2.70 g/cm3)、抗高温(180 ℃)、高强度(≥25 MPa)的堵水材料即HTSD堵剂。HTSD堵剂由25%LTSD堵剂+75%WHG水泥复配，基于“颗粒级配原理”和“颗粒紧密堆积理论”［11］，堵剂可在封堵层有效驻留，且具有良好的驻留性、稳定性和耐腐蚀性。堵剂进入封堵层后，能够通过特殊的机制，快速形成互穿网络结构，有效地滞留在封堵层内，不返吐(如表3)。

使用西南石油大学快凝剂新型材料HTSD首次在山前井开展堵漏试验共施工2次(表4)。为将施工风险降至最低，以打水泥塞的方式施工。材料本身有一定膨胀性，进入漏层中的孔隙和裂缝中在井下高温作用下凝固，从而进行有效封堵。该材料的使用极大提高了地层的承压能力。

第1次施工：注入前隔离液20 m3，堵浆16 m3，后隔离液3 m3；关井后分3次憋挤堵剂，共挤入堵剂15.5 m3，套压3 MPa，计算漏层位置约在5 440 m井深处。

表2 水基堵漏材料Table 2 Water based plugging material

表3 HTSD堵剂与常规水泥性能对比Table 3 Property comparison between HTSD plugging agent and conventional cement

表4 HTSD第1次堵漏情况Table 4 Plugging effect of HTSD plugging agent after the first construction

第2次施工：注隔离液5.2 m3(排量20 L/s，泵压13 MPa)，漏失 1.2 m3，注堵剂 35.2 m3(排量 22 L/s，泵压15 MPa)，漏失6.8 m3，后注隔离液2.3 m3(排量20 L/s，泵压 15 MPa)，漏失 1.1 m3，替钻井液 6 m3(排量 24 L/s，泵压 18 MPa)，漏失 3 m3，关井正挤钻井液43 m3(排量由0升至28 L/s再降至20 L/s；立压由0升至25.5 MPa再降至14 MPa；套压由0升至6 MPa再降至5.4 MPa。停泵30 min，立压由14 MPa降至 4 MPa；套压由 5.4 MPa降至 4.7 MPa)，后分5次反挤钻井液2.5 m3(套压4.7升至6 MPa，停泵60 min，套压由6 MPa降至4.7 MPa，泄压开井，回流量1.5 m3)，通过循环候堵(排量14 L/s，泵压9 MPa，液面正常)。为准确判断堵漏效果，第2次HTSD堵漏施工后进行分段承压(表5)。

表5 第2次HTSD堵剂施工后分段承压情况Table 5 Bearing pressure of each section after the second construction of HTSD plugging agent

根据第1次HTSD堵漏施工情况判断最靠近管鞋位置第1个漏层为井深5 440 m，第2次HTSD堵漏施工分段承压结果表明成功封堵5 477 m和5 535～5 540 m等2个严重漏失层段，为后续随钻堵漏作业提供较好的井筒条件。地层承压性得到提高，钻井液密度逐渐由2.19 g/cm3升至2.27 g/cm3，通过全井筒加入随钻堵漏，解除了井漏复杂，为下部钻进提供安全保正。

5 结论

(1)精细研究钻井和地质设计，优化施工方案和风险防控措施，优选新型钻井工具和钻井参数的基础上，制定库车山前钻完井提速对策，盐上地层、盐层、目的层钻进及试油完井协同配合，全井采用定制钻头，提前完成了中秋1井钻井。

(2)对苏维依组低压区和库姆格列木群复合盐层段发生井漏，采用不同的堵漏措施，实施14次堵漏作业，地层承压能力明显提高，为该区块复合盐层段承压堵漏积累了丰富的经验，为保证中秋2井的顺利完钻提供了借鉴，有利于进一步扩大秋里塔格构造带勘探成果。