2. 中国石油集团钻井工程技术研究院;
3. 中国石油集团西部钻探工程有限公司
2. CNPC Drilling Research Institute;
3. Petrochina West Drilling Engineering Company Umited
0 引言
随着阿姆河右岸合同区勘探工作的稳步推进，勘探工作逐渐向边远的山区、湖泊和农田等区域展开。由于地面条件的限制，这些区域只有采用定向钻探的方式来完成勘探任务。这些区域不仅地面情况复杂，而且地质情况也同样复杂，普遍具有地层压力高、盐膏层厚和储层埋藏深等特点，且无定向钻探的经验借鉴。鉴于此，笔者通过对地质情况研究、地层压力预测和对潜在复杂情况的分析，确立了定向探井的4层套管井身结构，并完善了适用于巨厚盐膏层的抗盐钻井液技术。通过对已钻井钻遇高压盐水的情况进行分析，优化了井眼轨道设计方案，将造斜点设置于盐膏层以上，在可能出现高压盐水的上盐层底部完成定向增斜，这样即使钻遇高压盐水，仍可采用稳斜或降斜方式钻达目标靶点。最后，将定向探井钻井技术在阿姆河右岸合同区3口定向探井进行应用，以此证明在阿姆河右岸实施定向探井的可行性。
1 定向探井实施难点基于探区相邻区块已钻井复杂情况和工程事故的综合分析，确定了阿姆河右岸定向探井钻井潜在的主要风险有地质构造复杂、轨迹控制难度大、巨厚膏盐层含高压盐水、垮塌卡钻以及构造可比性差。这些潜在风险增加了钻井成本和开发难度[1]。
1.1 地层复杂井身结构难确定探区地层预测钻遇多套压力系统，突出表现为：基末利阶盐膏层易含透镜体高压盐水，其横向纵向分布无规律可循，且属于异常高压，压力系数难以准确预测。复合盐膏层整体分为“三膏两盐”(上石膏、上盐、中石膏、下盐和下石膏)，其垂厚约为900 m，斜厚可达1 000 m以上，且易蠕变导致井眼缩径、卡钻和套管挤毁等，加之由于地震采集数据受盐膏层影响较大，导致各层层厚和埋深预测误差大，无法准确识别储层顶界埋深，给技术套管和生产套管的管材选择、下入深度确定以及管外有效封隔等带来多重挑战[2]。
1.2 井眼轨迹控制难度大井眼轨迹的控制难点：当钻遇高压盐水层时，由于定向钻具处理井下复杂能力有限，若处置不当则极易造成井下事故，无法实施定向钻进；复合盐膏层采用ø311.2 mm井眼钻进，定向造斜能力差，钻进摩阻扭矩大，定向工具面难以把控，易形成台阶，发生黏卡；探区复合盐膏层有5~40 m厚度差，增加了储层入靶深度的判断难度[3]。
1.3 巨厚盐膏层对钻井液要求高根据阿姆河右岸已钻井的经验，基末利阶盐膏层极易钻遇高压盐水，已发生盐重结晶堵钻具，甚至井喷等多起事故。由于大段的复合盐膏层自身具有较强溶解性，本井段极易形成“糖葫芦”状井眼；同时，盐和石膏易污染钻井液，严重影响钻井液流变性能。因此，对高密度钻井液提出了更高的要求，若其性能指标控制不当，则极易引发井眼垮塌、钻具拖压、井眼清洁难和卡钻等复杂事故[4]。
2 定向探井井身结构与井眼轨道优化 2.1 必封点与特殊复合管柱井身结构基于探区相邻区块已钻井的实际情况，确定纵向上存在3个必封点：①必封点一为谢农阶以上易掉块、崩塌及井漏地层；②必封点二为巴雷姆阶以上成岩性差、胶结疏松的不稳定地层，应予以封隔，为三开顺利钻进创造稳定的上部井眼条件，减小下部钻井垮塌和卡钻等复杂风险；③必封点三为牛津-卡洛夫阶硬石膏底部，由于其以下的储层物性较好，为避免出现储层水平段钻进中发生严重的井漏、井喷等复杂事故，应采用套管分隔储层上、下不同的压力体系，确保施工安全。定向探井套管程序如图 1所示。
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| 图 1 定向探井套管程序 Fig.1 Casing program of directional exploration well |
定向探井井身结构设计(见表 1)的关键是盐膏层高抗挤套管的选择，生产套管井筒完整性的保障，以及钻遇高压盐水的备用方案等[5]。
| 井段 | 裸眼 | 套管 | 水泥返高 | |||||
| 井径/mm | 井深/m | 垂深/m | 管径/mm | 下深/m | 垂深/m | |||
| 一开 | 660.4 | 590 | 590 | 508.0 | 579 | 579 | 地面 | |
| 二开 | 444.5 | 2 280 | 2 280 | 339.7 | 2 279 | 2 279 | 地面 | |
| 三开 | 311.2 | 3 441 | 3 312 | 244.5 | 2 730 | 2 720 | 地面 | |
| 250.8 | 3 410 | 3 311 | 地面 | |||||
| 四开 | 215.9 | 3 815 | 3 623 | 177.8 | 3 813 | 3 622 | 地面 | |
| 五开(备用) | 149.2 | — | — | 114.3 | — | — | — | |
ø311.2 mm井眼：本井段需钻至盐膏层底部，为了提高盐膏层套管抗外挤能力，保证套管强度，采用ø244.5 mm常规套管+ø250.8 mm厚壁高抗挤套管特殊复合套管串设计。其中ø244.5 mm套管封固盐膏层以上不稳地地层，ø250.8 mm厚壁套管封固易蠕变缩径盐膏层。
ø215.9 mm井眼：本井段钻至卡洛夫-牛津阶缝洞型碳酸盐岩储层，采用ø177.8 mm套管悬挂于上层套管，并回接至井口。为了有效防止盐膏层中的高压盐水下窜污染储层，以及高压天然气上窜破坏井筒完整性，在高压盐水层下部及ø177.8 mm生产套管井段安装遇水膨胀封隔器。
备用方案：若三开钻遇高压盐水层，且处理难度极大，三开可提前完钻；四开使用ø215.9 mm钻头钻至距下石膏层底部，五开使用ø149.2 mm钻头钻进；如果采用五开井身结构，可采用ø114.3 mm套管和筛管悬挂不回接完井方式，或者裸眼完井。
2.2 井眼轨道优化合理优化井眼轨道，有效控制井眼轨迹是定向探井成功实施的关键因素[6]。考虑到发生复杂情况时，处理事故复杂以及对定向工具使用条件的限制，优化了井眼轨道设计。
2.2.1 造斜点的选择阿姆河右岸常规大斜度/水平井造斜点一般选择在上盐层。鉴于探区尚未钻井，无相关资料进行参考，且预测定向探井区域高压盐水风险较大，为确保地质靶区的实现，给施工留有定向调整的余地，将造斜点提前至盐膏层以上，选择在巴雷姆阶或凡兰吟阶。
2.2.2 造斜率的确定结合地质特点，同时考虑较软的盐层中不形成键槽、盐膏层中工具的造斜能力、减少定向控制井段、能顺利下入钻井/固井管柱等方面的要求，确定了井眼造斜率为每30 m井段4.5°~5.5°。
2.2.3 井眼轨道剖面的优化根据地质靶点、优化后的造斜点及井眼造斜率综合要求，定向探井的井眼轨迹剖面确定为“直-增-稳-降”或“直-增-稳”(见表 2)。其优点是在可能出现高压盐水的地层以上完成造斜，即使下部地层不对井斜和方位进行限制(下部即使变成直井眼)也能钻进到设计靶区，缺点是稳斜或降斜井段较长，对井眼轨迹的精确控制提出了较高的要求。
| 井段 | 测深/m | 井斜/(°) | 网格方位/(°) | 垂深/m | 北坐标/m | 东坐标/m | 每30 m狗腿度/(°) | 闭合距/m | 闭合方位/(°) |
| 直井段 | 0.00 | 0.00 | 201.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 2 530.00 | 0.00 | 201.00 | 2 530.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 201.00 | |
| 增斜段 | 2 752.02 | 33.82 | 201.00 | 2 739.35 | -59.42 | -22.81 | 4.57 | 63.65 | 201.00 |
| 稳斜段 | 3 456.95 | 33.82 | 201.00 | 3 325.00 | -425.71 | -163.42 | 0.00 | 456.00 | 201.00 |
| 稳斜段 | 3 815.64 | 33.82 | 201.00 | 3 623.00 | -613.34 | -235.45 | 0.00 | 656.98 | 201.00 |
3 以动力钻具为主的井眼轨迹控制
在巨厚复合盐膏层中钻进时，由于石膏夹层较多，PDC钻头在盐膏层中工具面不稳定，牙轮钻头遇石膏时钻速又太慢。因此，选用PDC钻头+动力钻具复合钻进是解决此段井眼轨迹控制的有效方法。通过摩阻扭矩、水力参数分析与现场实践证明，以动力钻具组合钻进为主，以常规钻具组合进行通井、调整造斜率为辅来实现定向探井井眼轨迹的稳定控制，既可以弥补动力钻具循环排量小的不足，通过通井和大排量循环清除岩屑床，调整动力钻具造斜率的偏差和调整井眼垂深，又可以加大钻压，快速钻过可钻性差的地层。因此，上述钻具组合是定向探井安全钻井的有效技术措施。
3.1 造斜钻具组合造斜段采用以动力钻具为主的钻进方式。基于不同角度弯螺杆和短钻铤等工具的优选研究和现场实践，优选固定角度的1.25°、1.00°螺杆以及多种规格的短钻铤用于不同井下工况，并根据随钻测量工具(MWD)获取的定向参数，实时测量并调整井眼轨迹参数，可保证造斜井段的井眼轨迹平滑。典型钻具组合：ø311.2 mm钻头+ø215.9 mm弯螺杆+配合接头+止回阀+定向接头+ø203.2 mm随钻测量工具(MWD)+ø203.2 mm钻铤6根+ø177.8 mm钻铤6根+ø158.8 mm钻杆60根+ø127.0 mm钻杆。
3.2 稳斜钻具组合稳斜段以动力钻具为主的钻具组合采用异向双弯定向工具(DTU)组成了导向钻井系统。典型钻具组合：ø215.9 mm钻头+ø165.0 mm弯螺杆+配合接头+止回阀+ø210.0 mm稳定器+异向双弯定向工具(DTU)+ø165.0 mm随钻测量工具(MWD)+ ø127.0 mm无磁承压钻杆1根+ø127.0 mm钻杆+ø127.0 mm加重钻杆60根+ø127.0 mm钻杆。
4 巨厚盐膏层抗盐钻井液通过对阿姆河右岸前期老井资料统计分析，钻遇高压盐水时，73%的井由于盐结晶、卡钻、套管挤毁、出盐水、套管腐蚀和盐侵等原因导致井眼报废，仅有27%的井安全钻过高压盐水层。目前探区井位逐步进入原高压盐水多发区域，若巨厚复合盐膏层钻进过程中钻井液各项性能失稳，将给钻井带来巨大风险。因此，需研究一套适合定向探井巨厚盐膏层特点的盐水钻井液体系。
4.1 钻井液性能以常规抗盐钻井液体系为基础，通过优选添加剂，优化加量比例，确定了适用于阿姆河右岸巨厚盐膏层的钻井液配方。分别对密度为1.60、2.00和2.45 g/cm3的盐膏层高密度盐水钻井液性能进行室内评价，在密度2.45 g/cm3、120 ℃的条件下，钻井液各项性能稳定(见表 3)，满足了本井段钻井要求。
| 密度/(g·cm-3) | 漏斗黏度/s | 表观黏度/(mPa·s) | 塑性黏度/(mPa·s) | 动切力/Pa | 初切/终切/Pa | API失水/mL | 高温高压失水/mL | pH值 |
| 1.60 | 50 | 32 | 25 | 7 | 2/5 | 1.5 | 8.0 | 9 |
| 2.00 | 68 | 52 | 56 | 10 | 2/8 | 3.0 | 10.0 | 9 |
| 2.45 | 102 | 80 | 118 | 12 | 2/12 | 3.0 | 12.0 | 9 |
4.2 钻井液体系
钻井液体系基本配方为：(1.0%~2.0%)预水化膨润土浆+(0.5%~1.0%)烧碱+(0.3%~0.5%)包被剂+(4.0%~6.0%)降滤失剂#1+(1.5%~2.0%)降滤失剂#2+(3.0%~4.0%)润滑剂+(0.3%~0.5%)稀释剂+(0.3%~0.5%)乳化剂+(1.0%~1.5%)抗盐缓蚀剂+(0.3%~0.5%)盐重结晶抑制剂+(30.0%~35.0%)NaCl+重晶石。其中，预水化膨润土浆为水基钻井液的最基础配浆材料；烧碱用于调节和稳定盐水钻井液的酸碱性；包被剂用于抑制黏土分散；降滤失剂用于降低钻井液滤失量；润滑剂用于调节润滑性，并有辅助防塌作用；稀释剂用于调节体系流变性；表面活性剂有助于减小钻井液的摩擦因数；抗盐缓蚀剂用于减小盐水钻井液体系对井眼内钻柱的腐蚀影响；盐重结晶抑制剂用于预防由于盐结晶而导致的卡钻现象；NaCl用于调节盐水钻井液体系Cl-含量。
定向探井预测基末利阶(井段为2 830~3 315 m)厚度约为485 m，其中上盐膏层与下盐膏层累计厚度为320 m，钻遇高压盐水的可能性比较大。因此，钻井液密度及性能按钻遇高压盐水层设计(见表 4)。
| 井段/m | 密度(g·cm-3) | 漏斗黏度/s | 表观黏度/(mPa·s) | 塑性黏度/(mPa·s) | 动切力/Pa | 切力/Pa | API失水/mL | 泥饼摩阻系数 | 高温高压失水/mL | pH值 |
| 2 830~ 3 315 | 1.74~2.00 | 42~83 | 26~80 | 33~59 | 3.0~23.5 | 3~6/10~18 | 2.0~4.0 | 0.061 2~0.087 5 | 14~10 | 9~10 |
| 2.00~2.45 | 60~108 | 75~136 | 67~120 | 8.0~20.0 | 2~4/10~25 | 1.0~2.0 | 0.061 2~0.087 5 | 12~9 | 9~10 |
5 现场试验与应用
定向探井目前已完钻1#井、2#井和3#井。尽管在钻井过程中有复杂事故(挂卡、断钻具和遇阻)发生，但仍然钻达地质目的层位。根据统计结果，3口井处理复杂事故的时间均较少，生产时效均达到95%以上(见图 2)。其中2#井的产量为108.36万m3/d。
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| 图 2 定向探井现场应用效果 Fig.2 The on-site application results of |
6 结论及认识
(1) 通过分析阿姆河右岸定向探井复杂的地质特点和历年钻井情况，确定了定向探井的钻井难点，并成功钻探3口井，证实了在阿姆河右岸合同区实施定向探井钻井实践的可行性。
(2) 通过对阿姆河右岸钻进过程中钻遇高压盐水的情况进行分析，在盐膏层以上进行定向造斜作业，在可能出现高压盐水的上盐层底部完成定向增斜，后续即使钻遇高压盐水采用稳斜或者降斜也可以钻达目标靶点。
(3) 形成了阿姆河右岸定向探井井眼轨迹控制技术方案，采用PDC钻头+动力钻具复合钻进是解决巨厚复杂盐膏层井眼轨迹控制问题的有效方法。
(4) 通过对阿姆河右岸定向探井钻井液技术难点的分析，完善了阿姆河右岸定向探井钻井液技术，其体系及性能可满足定向探井安全钻井要求，能够有效解决盐膏层钻井液严重污染问题，减少盐膏层起下钻的阻卡，控制盐层钻井中出盐水，减少钻井复杂情况和事故，提高钻井速度。
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