柯柯亚区块钻井难点分析及技术对策探讨.doc

1、柯柯亚区块钻井难点分析及技术对策探讨付光军 尤卫国 朱雪峰 秦娜 夏铭莉 何宜辉（西部钻探吐哈钻井公司，新疆鄯善，838200）摘要：吐哈油田柯柯亚区块是目前吐哈油田上产重点开发区块，该区块钻井过程中事故复杂多发、 钻井周期长，严重制 约了该区 块勘探开发步伐。本文通过对该区块井下复杂事故 进行分析，找出该区块存在的主要技术难点，并进行技术对策探讨，力争认识问题 ，解决 问题，降低柯柯亚区块事故复杂时效，实现防斜打快，加快 该区块勘探开发步伐。关键词：钻井难点 技术对策 煤层 断层 防斜打快 井壁稳定 防塌钻井液体系 前言柯柯亚区块 19921996 年累计完成 7 口井，平均井深 2688.

2、80m，随着柯 19、柯 20 在侏罗系下统八道湾组取得重大突破，该区块勘探开发步伐随之加快，钻探深度不断加深。20072010 年柯柯亚区块共完成探井、开发井累计 17 口，平均井深 3673.41m，平均钻井周期 137.96 天，平均机速 2.5m/h，井漏、溢流、划眼、卡钻等复杂事故频发，经统计复杂事故累计损失 10629.84 小时，合 442.91 天，复杂事故时效 18.98%，造成重大经济损失，严重制约了该区块开发速度。一、地质简介1、地质分层及地层纵向剖面特征（1）地质分层自上而下钻遇第四系西域组（Q ），侏罗系上统齐古组（J3q）、中统七克台组（J2q）、三间房组（J2s）

3、和西山窑组（J2x）及下统三工河组（J1s）和八道湾组（J1b）。 （2）地层纵向剖面特征上部地层（2700m 以前）均质性差，含砾多，砂、泥、煤、砾地层交错；煤系地层（2700m 3400m）J2x 中下部及 J1s 地层煤线交替出现，胶结疏松， J1s 底部大段煤层，且夹碳质泥岩；下部地层（ 3400m井底）炭质泥岩、致密砂岩发育，可钻性差。2、断层分布柯柯亚区块主要发育 4 条东西向逆断层，断距 60-1000m，延伸距离 18-26km。柯柯亚 1、2 号断层，是构造南翼北倾主控断裂，1 号断层断距 900-1050m，延伸长度 26km，最大倾角 78；柯柯亚 3、4 号断层，是构造

4、北翼南倾主控断层，延伸 18-19km。断层分布见表 1。表 1 断层分布表断层产状断层编号 断层名称 断层性质 断开层位目的层 J1b 断距（m) 走向 倾向 倾角（） 延伸长度 （km)1 柯柯亚 1 号 逆断层 Esh-J2b 990-1050 SE-NWW NE 78 262 柯柯亚 2 号 逆断层 Esh-J2b 60-70 NWW NE 78 243 柯柯亚 3 号 逆断层 Esh-J2b 320-370 NWW SW 72 294 柯柯亚 4 号 逆断层 Esh-J2b 165-230 NW S 77 18二、钻井难点分析1、井斜难以控制、防斜打快难度大柯柯亚区块属于山前高陡构造

5、，地层倾角大（2070） ，地层倾角随着井深增加逐渐增大，到三工河组达到最大 70，且井眼方位固定不变，造成该区块井斜、井身质量难以控制，防斜打快难度大。（1）井斜问题突出，参数难以强化受高陡地质构造影响，柯柯亚区块井斜难以控制，完成井井斜普遍较大，从图 1、图 2 分析可知，2000m 以后井斜开始急剧增加，最大井斜超过 24，采用轻压吊打也难以控制井斜，钻井参数受制严重，难以强化，防斜打快问题突出。图 1 探井井斜变化图 图 2 开发井井斜变化图（2）井身质量难以控制柯柯亚区块井斜难以控制，且实钻过程中井眼方位固定不变， 20072010 年完成 17 口井中，井底位移超设计（100 米）

6、13 口，占 76.47%，井斜超设计（ 15）9 口，占 52.94%，井身质量难以控制。完成井井身质量统计结果见表 2。表 2 完成井井身质量统计表井号 井底位移 井斜 井号 井底位移 井斜柯 19-1 498 24.95 柯 192 63 11.87柯 19-2 463 19.97 柯 21 137 15.25柯 19-3 273 18.45 柯 23 332 17.95柯 19-4 88.38 13.56 柯 24 206 11.47柯 19-5 404 17.39 柯 26 391 13.49柯 19-7 448 22.42 柯 27 197 7.58柯 19-10 427 24.5

7、6 柯 30 11 5柯 19 107 11.41 柯 20-4 435 21柯 191 193 16.16 （3）纠斜施工耗费大量钻井周期且易导致井眼轨迹差针对井斜或水平位移已超标井，采取定向钻进纠斜方式控制井身质量，增加了大量的钻井时间，已完成井柯 191、柯 19-5、柯 19-7、柯 19-10 井累计纠斜时间 84 天。纠斜后井眼轨迹差，对后期钻井施工埋下了安全隐患，如柯 19-10 井由于纠斜造成 “弓形” 井眼，引发了卡钻事故造成重大损失。2、地层均质性、可钻性差，平均机速低上部地层砂、泥、煤、砾地层交错，夹层多，岩性杂，下部地层碳质泥岩、致密砂岩发育，硬度高、研磨性强，J2xJ

8、1b 可钻性级值在 6.57，钻头使用受限，平均机速低。（1）上部井段（2700m 以前）钻头行程钻速低上部井段使用牙轮钻头钻进，平均单只钻头进尺 134.56m，纯钻时间 56.32h，钻头行程钻速低；前期试验 PDC 钻头，平均单只钻头进尺 205.93m，平均纯钻 75.28h，相比牙轮钻头行程钻速有所提高，但仍然较低。PDC 钻头使用统计结果见表 3。表 3 2010 年前试验应用 PDC 钻头使用统计钻头型号 使用井段 进尺 机速 纯钻时间WJ519J8 934.351052.00 117.65 7.51 15.66WJ519J8 1543.001927.09 384.09 5.51

9、 69.70DF1606BU 2415.46-2591 175.54 1.14 153.98FX65 2698-2759.81 61.37 2.54 24.16DF1605BUM 2346-2785 439 3.92 111.98FX65 2835.44-2893.35 57.91 0.76 76.19平均 205.93 3.56 75.28（2）下部井段（ 3400-3900m）平均机速低3400m 以下井段使用牙轮钻头平均机速仅为 1.18m/h，500m 井段占用钻井周期 30.2 天，约占全井钻井周期 33 %，PDC 钻头使用未取得进展。3、煤及煤系地层发育，井壁稳定性差，坍塌严重，

10、事故复杂多（1）煤层发育、稳定性差、易塌柯柯亚区块 2700m 以下井段煤层发育，段长、层数多，最多达到 107 层，单层最厚达到33.1m。煤层稳定性差，易发生井壁坍塌，20072010 年，该区块因煤层坍塌累计发生事故复杂 8起，其中卡钻事故 4 起。表 4 煤层分布情况统计表井号 分布井段 煤层数 单层煤层最大厚度柯 19-1 3100-3551m 共 45 层 3471-3487.7m，厚 16.7m柯 19-2 2363.8-3383m 共 27 层 3199-3208.5，厚 9.5m柯 19-4 1636.6-3589.7m 共 107 层 3370-3394.2，厚 23.5m

11、柯 19-5 1754.2-3400.5m 共 82 层 3311-3327.3，厚 16.3m柯 19-6 2588.2-3412.6m 共 51 层 3314.4-3331.9，厚 17.5m柯 191 2156-3386.3m 共 90 层 3255.5-3262.6，厚 7.1m柯 21 2376.7-3506.2m 共 65 层 3356.5-3389.6，厚 33.1m（2）煤系地层泥页岩坍塌煤系地层泥页岩受煤层坍塌及构造应力的影响，易失稳垮塌，且坍塌突然、塌块大，造成划眼、卡钻等复杂事故。从图 3 可以看出，该区块 20072010 年完成井中，共发生 25 井次复杂事故, 其中

12、卡钻及划眼遇阻所占比例高，卡钻占到了 50.77%。图 3 复杂事故统计分析图卡 钻50.77%掉 牙 轮6.02%掉 测 井 仪 器5.84%断 钻 具0.67%井 漏7.09%溢 流6.27%划 眼23.33%4、地质条件复杂，断层发育，断层卡钻事故多发（1）断层分布认识不清、特性复杂该区块地质条件复杂，除存在四条主要逆断层外，还存在细小断层，地质认识不清，相邻井位井况差异大，钻井作业过程中预见性差；断层内煤及煤系层段分布广，地层破碎，易坍塌。（2）钻遇断层卡钻事故多发断层是产生井壁不稳定的原因之一 1，钻开断层后易形成坍塌卡钻。钻开断层后的应力释放存在隐蔽性、突发性、无预见性的特点，卡钻

13、事故处理难度大，钻穿断层技术手段欠缺，钻井难度高。柯 29、柯 24 井因钻遇断层发生卡钻次数累计超过 14 起，且卡点位置集中在 2950-3200m 井段，累计事故损失 345.78 天。三、技术对策探讨1、防斜打快技术对策（1）上部井段（2700m 以上）2700m 以上井段，地层稳定，井斜问题突出，采用常规“2-1”钟摆钻具组合难以控制井斜，应采用主动防斜技术；针对山前高陡构造，能够实现主动防斜主要是以 POWER-V 为代表的垂直导向钻井技术 2 3，另一类为 MWD 导向钻具防斜技术 4。针对柯柯亚区防斜现状，目前已进行了垂直导向钻井及 MWD 导向钻具防斜打快钻井技术试验应用。

14、垂直钻井技术防斜打快技术钻具组合： 三牙轮钻头+POWER-V+钻铤或 PDC+POWER-V+钻铤在柯 21-5 进行了 PowerV 垂直钻井系统试验，试验井段 826m-2765m，累计总进尺 1939m，总纯钻时间 333h，井斜0.5，2500m 水平位移10m，平均机械钻速 5.82m/h，同比机速提高了 1 倍。MWD 导向钻具防斜打快钻井技术导向钻具是带有单弯或双弯壳体及稳定器的井下动力钻具组合，当开动转盘式，钻头的实际转速是螺杆钻具输出转速和转盘转速之和，这时可钻出稳斜井段；一旦发生井斜需要纠斜时，可以定向方式进行作业 4。钻具组合: 三牙轮钻头+单弯螺杆+无磁钻铤（MWD）

15、+扶正器+钻铤PDC+单弯螺杆+无磁钻铤（MWD）+扶正器+钻铤MWD 导向钻具防斜技术在柯 27、柯 29、柯 30、柯 34 等井进行了应用，上部井段井斜得到了有效控制，同比井斜、水平位移都大幅降低，同比机速提高了 27.19%，井身质量得了有效控制。通过现场应用可知，应用垂直钻井系统、MWD 导向钻具防斜技术均可控制井斜，提高机速。POWER-V 垂直钻井系统，优点是自动化程度高，机速提高幅度大，缺点是投资大；MWD 导向钻具防斜技术，优点是投资小，可全面推广使用，缺点是提速效果不如 POWER-V，自动化程度低，综合现有技术现状及条件，选用 MWD 导向钻具防斜打快钻井技术适合柯柯亚区

16、块钻井技术现状。（2）煤及煤系地层（2700-3400m）煤及煤系地层，井壁稳定性差，井下安全问题突出，POWER-V、MWD 复合钻等复杂防斜钻具组合难以应用，常规钻具不能有效控制井斜且转盘转速高不利井下安全，所以技术对策为采用直螺杆复合钻井技术，配合转盘低转速及高性能 MD 牙轮钻头，降低钻压与钻盘转速，在不减少总的破岩能量下实现防斜打快。柯 30 井上试验应用了直螺杆复合钻井技术，试验井段 26613217m，井斜控制在 3 以内，安全穿过煤及煤系地层，通过试验结果分析可知，直螺杆复合钻井技术为解决煤层段全安防斜问题提供了技术思路。钻具组合：216mm3A+175mm 直螺杆+165mm

17、DC*15 根+159mm 随钻+165mmDC*3 根+127mmDP，钻井参数见表 5。表 5 柯 30 井 26613217m 段钻井参数钻压 转盘转速 排量 泵压钻头选型KN rpm l/s MpaMD517 40-180 20-30 28-32 20（3）下部井段（3400-3900m）应用等壁厚、异向双弯低速直螺杆配合个性化 PDC 钻头、SMD 系列马达钻头，实现防斜打快。钻具结构为：216mm3A/PDC+172mm 低速大扭矩螺杆+165mm 无磁 DC（MWD）+165mmDC*17 根+127mmDP，钻井参数见表 6。表 6 柯 30 井 3400m 以下井段钻井参数钻

18、压 转盘转速 排量 泵压钻头选型KN rpm l/s MpaSMD517X 120-160 复合 28-32 20PDC 40-60 复合 28-32 202、针对地层均质性、可钻性差，平均机速低的技术对策（1）上部井段（2700m 以上）上部井段主要技术难点是地层均质性差，夹层多，PDC 钻头难以应用上，牙轮钻头行程钻速低，起下钻次数多增加了非钻头工作时间，因此技术对策为选用高性能 PDC 与 MWD 复合钻具组合使用，提高行程钻速与机速。目前在柯 29、柯 30、柯 34 应用了 P3519LD-A、FS2563BG PDC 钻头配合复合钻井技术，机速同比提高 23.23%103.21%，

19、取得了一定效果。应用 PDC 钻头效果对比见表 7。表 7 应用 PDC 钻头效果对比井号 型号 井段（m） 进尺(m)机速(m/h)同井段牙轮钻头机速（m/h） 同比提高柯 29 P31519LD-A 1553.43 1938.73 385.73 3.68 2.51 46.61%柯 30 DM1925BHLU 1611.00 1847.00 236 3.13 2.54 23.23%P31519LD-A 1411.00 2007.5 596.5 5.06 2.49 103.21%柯 34FS2563BG 2033.00 2731.00 698.00 3.37 1.97 71.07%（2）下部井

20、段（3400-3900m）下部井段岩性致密、岩性杂，可钻性差，机速极低，用 PDC 钻对付这类硬地层难度较大，钻头选型以牙轮钻头为主，选用高性牙轮钻头配合井下动力钻具，进行复合钻进。MD 系列马达钻头在柯柯亚区块中下部井段应用效果较好，2009 年累计年共使用 19 只钻头，总进尺 3354.18 米，总纯钻时间 2040 小时，平均机械钻速 1.65 米/时，相比同井段（3400-3800m）平均机速 1.22 米/时提高了 34.5%。3、煤及煤系地层井壁失稳及井塌技术对策煤及煤系地层集中在 2700-3400m 井段，井壁稳性差易塌，是目前困扰柯柯亚区块的主要技术难题，因此防止煤及煤系地

21、层坍塌是减少事故复杂的主要途径。目前针对煤及煤系地层已开展了地层井壁失稳机理及防塌钻井体系研究，并形成了“41”防塌钻井液技术思路。（1）井壁失稳机理分析图 4、图 5 分别为柯柯亚区块煤和泥岩的电镜扫描图。扫描分析发现煤样中含有粘土矿物（29%） ，分布不均匀，与其它矿物胶结差，岩石挤压变形，反映出地应力分布不均匀，岩石各向受力不一，微裂隙发育。煤层坍塌机理：煤岩抗拉强度低、脆性大、裂缝发育，地应力释放是坍塌的主要原因；煤层构造特征具有非均质性和各向异性，存在垂直解理，对机械作用力特别敏感；煤层中微量泥页岩或未完全炭化成煤的成分吸水膨胀；煤层上下存在水化敏感性炭质泥岩、含泥质煤屑，煤层先期坍

22、塌使其失去支撑，出现垮塌。图 4 柯 19-2 井，2867m，煤 1000 倍 图 5 柯 20-4 井，3015m，泥岩 2500 倍（2）技术对策思路根据对井壁失稳机理分析研究，制定了柯柯压区块防塌技术对策：“封堵固结井壁”阻缓井内激动压力传递，减少滤液侵入地层；“合理密度支撑” 过高、过低钻井液密度均不利于井壁稳定；“控制流变性” 减少压力激动，降低循环压耗，提高携岩能力 “抑制表面水化”降低比亲水量，并降低微裂缝毛细管力作用；“控制气侵污染 ” 降低钻井液的表面张力，便于泥浆脱气。（3）优化钻井液配方进入西山窑前彻底转化成聚磺泥浆，调整泥浆流变性，强化泥浆性能控制；对聚磺泥浆配方进行

23、调整，增大了沥青、有机硅醇等防塌处理剂用量；加强泥浆处理剂质量控制工作，优选高品质泥浆材料。调整前配方： 井浆+CXB-2+SMP-1+KH-n+QCX-1+SYP-1+YGC+CaO 调整后配方：井浆+SMP-1+PSC +KH-n+QCX-1+SMT+YGC4、断层钻井问题柯柯亚区块断层分布广，细小断层多，且认识不清，断层中多含煤-煤系地层，造成了地层复杂，针对断层问题，主要有以下技术思路：（1）加强断层认识，通过地质、录井、钻井资料分析比对，确认断层分布、层段、层位及深度。（2）井位布置上尽量避开断层，或通过上部井眼轨迹控制，达到钻达断层时避开断层。（3）优化井身结构，下套管封隔断层。（

24、4）钻遇断层后，计算地层应力释放时间，钻开至断层后起钻，让井壁周围原始应力释放，井壁坍塌后通过划眼方式通过断层，利用泥浆重新建立井内平衡，达到稳定井壁的目的。四、认识与结论1、通过几年钻井实践，开展了多项基础性技术研究，对柯柯亚区块地质、地层情况、井壁失稳机理及钻井难点认识有所提高。2、PDC 钻头使用上取得了一定效果，但全井段机速仍然偏低，全井段钻头序列尚未形成，3400m 以下深部地层个性化 PDC 钻头试验没有实质性突破。3、柯柯亚区块防斜技术取得了进展，上部井段防斜问题得以解决，下部井段防斜打快仍有待解决。4、柯柯亚目前面临的最大技术难题是煤、煤系地层及断层安全钻井问题，尤其是断层安全钻井问题，是今后柯柯亚区块主要攻关方向。参考文献1 陈庭根、管志川，钻井工程理论与技术，东营：石油大学出版社，2000：1162 狄勤丰、吴玉禄、石向前，预弯曲防斜打快技术初探，石油学报，2003，24（03）3 狄勤丰、沈双平，防斜打快技术的研究与发展，自然杂志，2004,26（02）4 苏义脑，油气直井防斜打快技术理论与实践，北京：石油工业出版社，2003：64作者简介：付光军，1981 年生，钻井工程师，2003 年 7 月毕业于重庆石油高等专科学校，现从事石油钻井工作。电话：0995-8373289，E-mail：。