四川盆地九龙山地区超深井优快钻井配套技术

王 军 范翔宇

1. 西南石油大学石油工程学院 2. 中国石油川庆钻探工程有限公司川西钻探公司

0 引言

九龙山气田位于四川盆地北部的苍溪县、旺苍县境内, 构造面积大、含油气层段多，预测储量上千亿，在其海相三叠统、二叠系的碳酸盐岩中均已发现良好的含油气储层，具有资源丰富、气质优良、立体勘探等优势。该区块是中石油继高磨气田之后天然气增储上产的又一重点探区［1］。该构造自20世纪80年代实施海相深井钻探以来，截至2019年12月31日，九龙山地区完钻海相超深井8口，除去龙4井年代久远以外，通过其余7口井的技术指标进行了统计分析。通过分析可知，随着提速技术的推广应用，平均钻井周期由815.35 d缩短至468.1 d，缩短了44.3%，平均机械钻速从1.17 m/h提高至2.25 m/h，提高了48.9%。但是在区块整体提速的大背景下，各井技术指标差别较大，主要是因为一些井在钻井过程中遇到了一系列技术难题, 严重影响了钻井周期和机械钻速，由此可知，只要针对这些技术难题, 研究相应的对策措施，找到适合九龙山地区的优快钻井技术，那么九龙山地区就会有较大的钻井提速挖潜空间。

1 九龙山地区主要钻井技术难点

1.1 陆相地层井段长，气体钻进尺受限

1）0～200 m浅部陆相多层位地层出水，如龙104井气体钻钻达井深180.0～214.6 m时，发现地层出水，出水量为15 m3/h，此后被迫改为钻井液钻井。

2）在气体介质下，中侏罗统沙溪庙组二段易钻遇浅层水和浅层气，沙一段易坍塌，如龙16井气体钻钻至2 156.3 m时，发生井壁垮塌，阻卡严重，改为钻井液钻井。因为在气体介质下无法解决沙溪庙中下部井壁稳定的问题，气体钻井应用井段有限。所以除龙16井以外，九龙山地区7口超深井的气体钻所钻井深均未能超过2 230.0 m（表1）。

1.2 陆相地层研磨性强，可钻性差

从沙溪庙中下部开始地层研磨性逐渐增强，下侏罗统珍珠冲组含有石英砾石，严重影响提速工具寿命，钻头选型受限；上三叠统须家河组以研磨性石英质砂岩为主，单轴抗压强度100～332 MPa，可钻性极差，钻头寿命低，钻井提速难度大（表2）。

1.3 纵向多套压力系统，地层压力分布复杂

从上部第四系到二叠系栖霞组，一共可分为6个压力梯度带，压力系数从1.00直到2.15。由于横向上储层分布不稳定及储层类型多样化，压力系统相对独立，同一构造同一层横向上地层压力对比性差，设计与实钻差异较大。有限的套管层序很难对多个压力系统做到完全精准化的分隔，造成同一个裸眼内同时出现喷漏的复杂情况。喷漏同存现象普遍存在，井下在“喷漏”和“漏喷”之间频繁转换，龙探1井在处理栖霞组喷漏复杂的过程中最高套压达17.5 MPa,龙16井处理大隆组喷漏复杂时套压最高达14.0 MPa，井控风险极大。

1.4 深部海相地层普遍含硫

下三叠统飞仙关组及其以下地层井漏频繁，其中龙16井中二叠统茅口组测试天然气含硫化氢11.1 g/m3。而龙4井在处理茅口组喷漏同存复杂期间发生钻具氢脆，钻杆断为8节。

1.5 造斜井段普遍存在滑动钻井 托压 现象

九龙山地区深部地层的大斜度井、水平井由于具有井深(5 000 m 以上) 、裸眼段长(2 000 m以上) 、钻井液密度高(2.0 g /cm3以上) 特点，造斜井段普遍存在滑动钻井“托压”现象，定向托压导致的机械速度和钻井时效低的问题十分突出。

表1 九龙山地区气体钻井统计表

表2 九龙山地区珍珠冲、须家河组井段总体钻进情况统计表

2 实现优快钻井的配套技术

2.1 井身结构持续优化改进

九龙山构造开发前期由于对地层特性认识不清，已钻深井均采用了常规的Ø508.0 mmhØ339.7 mmhØ244.5 mmhØ177.8 mmhØ127.0 mm套管串结构（图1）。这种管串结构不能有效应对九龙山地区同一裸眼内存在多个压力系统的井下复杂情况。其主要表现为以下2点：①无法单独封隔嘉二段高压盐水层，如与其他层位合打，必然造成薄弱地层的漏失；②飞仙关组的压力窗口极窄，与下部高压气层合打，极易造成喷漏同存，处理难度和井控风险极大。

因此在九龙山构造的深井、超深井都采用七开井身结构（图1）。设计思路为：①用Ø720 mm导管封闭上部未成岩的井段；②安装简易井口装置，为气体钻井提供条件，将Ø508 mm套管下到350 m左右，封隔地表窜漏、垮塌层及可能的水层； ③将Ø365.1 mm套管下深2 100 m (条件允许可干井眼固井)，水泥返至地面，封隔上部可能存在的垮塌层及浅油气层；④采用Ø273.05 mm技术套管封隔沙溪庙组—嘉二段顶，封隔上部油气层、垮塌层、雷口坡组—嘉四段膏岩层段及低承压能力井段，为下部高压、裂缝性气层的安全钻井创造条件；⑤采用悬挂回接的方式下入Ø219.08 mm套管，若钻遇高压盐水层导致钻进困难时，可提前下入该层套管，完全封隔高压盐水层，若没有钻遇高压盐水层则下至飞仙关组底； ⑥第5层Ø168.28 mm (悬挂)+193.68 mm(回接)套管下至茅口组顶；⑦之后采用140 mm钻头钻至完钻井深。

图1 九龙山工区优化前五开井身结构与优化后七开井身结构对比示意图

九龙山地区实施井身结构优化的效果十分显著，与优化前相比，整个地区钻井周期缩短了29.0%～47.2%，平均机械钻速提高42.1%～52.9%，井下故障复杂损失时间减少了66.5%，实践证明该井身结构优化方案能够满足九龙山地区深井、超深井复杂压力系统安全快速钻进的需要［2-3］。

3.2 气体钻进

Ø660.4 mm井眼容积大、空压机排量有限、环空返速低，采用空气钻井常因地层出水，大尺寸井眼中空气携岩困难，无法顺利实施。根据以上特点，采用无固相钻井液充气钻井，选用宽齿牙轮钻头，优化气液比，保证出口返出连续，增加携岩效果的同时解决浅表层井漏问题。

根据前期九龙山地区多口井的实钻情况分析，进入沙溪庙组450～500 m以后，地层坍塌应力在1.2 g/cm3左右，必须替入钻井液保持井壁稳定。所以Ø444.5 mm井眼全程使用“气体钻+空气锤”钻井模式，为满足带砂，上部井段气量180 m3/s，下部气量逐步调整到200 m3/s，在进入沙溪庙组中部应力垮塌层之前50 m左右，终止气体钻，在没有明显油气水显示、井壁稳定的情况下干井眼下套管固井。目前，在九龙山地区实施表层Ø339.7 mm，Ø365.1 mm套管干井固井4井次，最大套管下深2 230 m。固井质量通过测井评价发现比常规固井方式有较大幅度提高，总体优质率63%，合格率79%。

目前九龙山构造沙溪庙组井段累计实施空气钻井，总进尺达10h104m，平均机械钻速超过9.7 m/h，钻井提速明显。龙016-H1井二开 350～1 800 m 井段 (Ø444.5 mm 井眼)采用空气钻井技术，进尺达1 450 m，施工周期仅为7.38 d ，平均机械钻速为15.01 m/h ，最高日进尺为508 m ，单只空气锤最高进尺为 1 205 m。气体钻作业中未出现井壁垮塌、地层出水，起下钻和下套管都很通畅，未遇阻卡。

2.3 难钻地层钻头及提速工具优选

龙016-H1井沙溪庙组至大安寨组试用Ø311.2 mm个性化混镶PDC钻头GS1606ST+等壁厚大扭矩螺杆，相比邻井的常规PDC钻头和牙轮钻头具有显著的提速效果。机械钻速比龙004-X1井提高67.9%，比龙探1井提高57.4%；钻井周期比龙004-X1井缩短65%，比龙探1井缩短50%(表3)。

针对珍珠冲组砾石层，龙探1井试用Ø333.8 mm孕镶金刚石钻头K507配合NewDrill提速工具，使用成本高而提速效果非常有限。龙016-H1井使用特殊设计砾石层专用的HJ637GL钻头配合重型减震器实施砾石层的钻进，HJ637GL钻头具有超硬材料强化外排、背锥设计、防钻头缩径的特点,重型减震器可以吸收钻头破岩时产生的震动，消耗震动能量，减轻钻头、钻具的疲劳，减少受损，保护钻头和钻具，取得较好的现场效果（表4）。

针对须家河组的岩性，龙004-X1井共使用16只钻头，其中11只牙轮钻头，单只钻头进尺37.74 m，平均机械钻速0.8 m/h，龙探1井曾使用Newdrill+高效PDC技术，相比龙004-X1井平均单只钻头进尺提高至77.86 m，机械钻速1.14 m/h，大幅提高了94%，行程钻速提高了100%（表5）。

表3 九龙山地区沙溪庙组至大安寨组各类钻头钻进情况统计表

表5 九龙山地区须家河地层各类钻头钻进情况统计表

从表5可知,龙016-H1井须家河组顶部井段使用“三牙轮三刀翼”国产江汉复合钻头KPM633，提速效果显著，单只钻头最多进尺437.07 m，机械钻速2.43 m/h，机械钻速在龙探1井的基础上又提高53.38%，同时每米成本下降32%，具有很好的经济性［4-5］。

2.4 刚性粒子+高失水 高效承压堵漏技术

针对九龙山深部漏层裂缝开口尺寸难以把握，漏速和漏失量大，堵墙的抗压强度要求高的特点，发展形成了“刚性粒子+高失水材料”的复合桥接堵漏技术，该技术是将各种粒径配比的GZD刚性粒子、HHH高失水材料与细核桃壳复配而成,其堵漏机理是由刚性粒子在裂缝孔道完成架桥，高失水材料在其间失水形成致密的封堵带。堵漏材料与漏失通道的配比性强,而且抗高温、抗高压，所形成的堵墙抗压强度高，堵漏成功率高［6-11］。

该堵漏技术在龙探1井飞仙关地层成功应用，使用总浓度65%的堵漏钻井液40 m3（配方：清水+30%HHH+30%GZD刚性粒子+5%细核桃壳+重晶石适量）进行承压堵漏，下光钻杆到套管鞋以上300 m，关井向裸眼内反推堵漏钻井液，将堵漏钻井液液面推至管鞋以上50 m，堵漏钻井液累计推入漏层28 m3，憋压12 MPa候堵24 h，井口压力几乎不降。开井后，通过井口控压循环来检验，飞仙关组的承压能力由当量密度2.15 g/cm3提高至2.35 g/cm3，后续施工中未发生复漏。

3.5 控压钻井

九龙山地区飞仙关组至栖霞组是典型的压力敏感性储层，钻井液安全密度窗口窄, 实钻过程中溢流和井漏交替的发生,导致井控风险高，复杂时效高，泥浆漏失量大，钻井成本高，同时频繁的堵漏和压井对储层造成了严重伤害。精细控压钻井技术可以有效解决九龙山地区压力敏感性储层窄安全密度窗口的难题。九龙山工区控压钻井的技术思路是：钻井液密度设计保证液柱压力超过地层压力1～2 MPa，设备正常情况下，停止循环，控制井口回压3～4 MPa，开泵循环，钻井液静液柱压力和环空压耗超过地层压力1～2 MPa；即使在控压装置出现故障不能控压，完全依靠液柱压力也能在井底保持1～2 MPa的正压差，防止H2S溢出。以龙004-x1井为例，这口井在大隆组和吴家坪组使用精细控压钻井，采用 1.97～2.10 g/cm3钻井液密度钻进，有效降低钻井液密度，钻进中不控压，接单根控压3～4 MPa，钻进过程中未出现漏失、气侵及明显垮塌等复杂情况，顺利钻至预计井段（表6）。

表6 九龙山地区常规钻井与精细控压钻井效果对比表

龙016-H1井飞仙关水平段钻井过程中，不但井口安装有控压设备，井下钻具中带有PDW工具，实时测量井底压力，然后使用先进的水力模拟软件根据实时反馈至地面的井底测压数据，不断调整井口压力，对井底压力控制更稳定，更加接近地层压力，真正实现精确控压钻井［12］。

2.6 使用扭摆减阻技术消除深部井段定向托压问题

龙016-H1井是九龙山构造的1口对飞仙关组气层进行水平段钻进的开发井，造斜点位于4 950 m，最大狗腿度6.3e/30 m,使用单弯螺杆常规定向组合，在定向施工过程中使用了扭摆减阻系统。通过摸索，龙016-H1井现场分别设定正摆扭矩/反摆扭矩分别为6 000 Ngm和4 000 Ngm，通过正反旋转钻柱，取得了良好的减摩减阻效果。扭摆减阻系统启动期间，基本没有发生井壁摩阻突然释放使钻压增大的现象，滑动定向平均钻时由45～50 min降低到35～40 min，工具面稳定且易于调整，定向效率得到极大提高（图 2）［13］。

2.7 优选有机盐聚磺钻井液体系

图2 龙016-H1井常规滑动钻进与扭摆钻进效果对比图

在九龙山高风险超深井的钻井施工中，逐步发展出了有机盐聚磺钻井液体系，其具有高温稳定性强、抗酸性气体和石膏污染能力更强，超长裸眼段润滑性更好等优势。针对九龙山工区的性能要求可以总结为上部陆相地层强调“合理密度支撑+强抑制+强包被”，预防页岩水化膨胀和垮塌。雷口坡至嘉陵江组可能钻遇大段膏盐层，同时可能出现井漏，进入该层前应做好钻井液抗膏盐污染及防漏堵漏准备工作；嘉二段可能钻遇高压盐水层，进入该层前应做好钻井液抗盐水污染工作；飞仙关—梁山组由于井深、钻井液密度高，应优化钻井液性能，降低循环压耗，做好防漏堵漏和防硫化氢等准备工作，且此段安全密度窗口窄，重点强化封堵性能，尽可能提高地层承压能力，扩大安全密度窗口。此外，由于小井眼、高密度、井底温度高（超过150°），钻井液应具有良好的抗高温稳定性、润滑性。同时要保证即使在大压差下也要有足够小的滤失量，减少压差卡钻的可能性［14-18］。

九龙山工区开发前期使用常规聚磺防塌钻井液体系，每口井平均划眼时间为270 h，使用有机盐体系后划眼时间缩短为96 h。使用有机盐体系后井眼扩大率也从使用前的17%下降到8.9%。

2.8 喷漏同存裂缝性高含硫气藏配套井控技术

由于九龙山深部海相地层钻井液安全密度窗口极窄，采用常规井控技术处理溢流气侵时存在一压即漏、由漏转喷的问题，例如在处理龙探1井栖霞组“上漏下喷”复杂情况中，关井后井口压力最高达16.5 MPa，井控风险极大。为解决该问题，基于安全控制井筒压力并重建安全压力窗口的指导思想，提出了针对性的堵漏压井方法。此种堵漏压井方法的主要原理是：通过压井管汇先从环空推入压井液将侵入环空的气体原路压回地层，然后吊灌压稳起钻换光钻杆，并经由钻柱向漏失地层泵入“刚性粒子+高失水”堵漏泥浆封堵裂缝来提高地层承压能力，从而重新建立安全压力窗口。同时用常规井控技术恢复井筒压力平衡。

龙016-H1井在飞仙关水平段钻进中先出现井漏，然后发生重力置换型溢流，井口套压16 MPa。先用反推钻井液60 m3将井口压力降为0，以2倍钻具体积吊灌起钻，换光钻杆下钻，再用“刚性粒子+高失水”堵漏钻井液和压井液同时完成堵漏和压井。只用15.5 h就解除了井控险情［19-25］。

3 配套技术方案的现场应用

根据各配套技术的特点和地层的适应性，并结合其他区块的钻井经验，形成了九龙山地区超深井配套技术技术集成方案：包括井身结构优化，钻井方式、钻头、提速工具优选，高效承压堵漏技术、井身轨迹控制、钻井液体系优选，配套井控技术等。

自2013年在九龙山地区推广该配套技术方案，并在应用中逐步改进，机械钻速逐年提高，钻井周期逐年缩短，事故复杂率逐年下降（表7）。

表7 九龙山地区应用配套技术前后技术指标对比一览表

龙004-3井完钻井深6 468 m，采用了七开井身结构。在全井筒钻进过程中应用了钻井提速技术集成方案：在珍珠冲砾石层井段采用专用牙轮钻头＋重型减震器钻井技术，须家河井段采用复合钻头＋中速螺杆复合钻进技术，在茅口、栖霞组的裂缝性漏层的堵漏过程中，使用“刚性粒子+高失水”堵漏配方，一次堵漏成功率达到了66.8%，整体提速效果显著，为全井钻井周期的缩短奠定了基础。该井钻井周期仅288 d，平均机械钻速3.51 m/h，与之前的地区平均水平相比，钻井周期缩短了44.1%，机械钻速提高了33.9%。该井创造了九龙山构造的超深井最短钻井周期纪录

4 结论

1）九龙山海相超深井七开制井身结构优化设计是安全快速钻井的根本。

2）“砾石层专用牙轮钻头＋重型减震器”、“复合钻头＋中低速螺杆”钻具组合在九龙山地区陆相高研磨地层中见到了明显的提速效果。

3）“刚性粒子+高失水”堵漏配方主要通过多种材料相互协同增效实现封堵，对裂缝适应能力强、承压能力高，适用于九龙山深部海相地层的恶性井漏。