1 元壩地區(qū)鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析
1.1 壓力情況復(fù)雜
從元壩地區(qū)實(shí)鉆情況來(lái)看，縱向壓力分布為常壓-高壓-常壓[5-8]：（1）千佛崖組及其以上地層為常壓地層，千佛崖組及部分下沙溪廟組地層有氣層；（2）自流井-須家河組地層為高壓低滲、裂縫性氣藏，壓力窗口窄，[第一論文 網(wǎng)專業(yè)提供論文代寫(xiě)的服務(wù)，歡迎光臨www .DylW.nEt]漏、涌時(shí)有同層，井下復(fù)雜問(wèn)題多；（3）嘉陵江組地層目前未鉆遇較好氣層，但部分井鉆遇高壓鹽水層。飛仙關(guān)組和長(zhǎng)興組地層同為一個(gè)常壓壓力系統(tǒng)，以溶孔性氣層為主，且可鉆性好；（4）雷口坡組、茅口組和棲霞組地層有局部存在高壓氣層的可能。
1.2 復(fù)雜地層分布
由實(shí)鉆資料得知，元壩地區(qū)地質(zhì)剖面上復(fù)雜地層較多，鉆進(jìn)過(guò)程中地層不穩(wěn)定，易發(fā)生井漏、塌、斜等復(fù)雜情況，鉆井施工難度較大。影響該地區(qū)鉆井速度的復(fù)雜地層主要有：（1）劍門(mén)關(guān)組地層多存在裂縫性漏層，且多數(shù)井上部有微出水層；（2）上沙溪廟組地層上部的微出水層，其承壓不高，鉆井液密度超過(guò)1.90g/cm3時(shí)易漏；上沙溪廟組地層底部存在垮塌層，空氣鉆井難以實(shí)施；（3）自流井組-須家河組復(fù)雜地層有三個(gè)特點(diǎn)：a.油氣藏多為裂縫性氣藏，壓力窗口窄，壓井時(shí)易出現(xiàn)噴、漏同存；b.自流井組與須家河組地層的砂礫巖層可鉆性極差，機(jī)械鉆速低、易發(fā)生井下故障；c.泥巖段不穩(wěn)定，易出現(xiàn)掉塊卡鉆；（4）嘉陵江組地層多井鉆遇高壓鹽水層，對(duì)鉆井速度造成了一定影響。
1.3 鉆進(jìn)事故及復(fù)雜情況
經(jīng)對(duì)元壩地區(qū)已鉆井進(jìn)行分析，該地區(qū)超深井平均非生產(chǎn)時(shí)效11.7%，個(gè)別井甚至超過(guò)了20%，嚴(yán)重影響了鉆井施工進(jìn)度。其故障與復(fù)雜主要分為以下幾類[5-8]：（1）鉆具與鉆頭事故：空氣鉆過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆和斷鉆具事故，須家河復(fù)雜層多發(fā)生鉆頭與卡鉆事故。統(tǒng)計(jì)顯示，該類事故累計(jì)損失時(shí)間占該地區(qū)事故總時(shí)間的33.97%。（2）溢流、井漏：壓力分布規(guī)律性不均衡，溢流、井漏頻繁發(fā)生，不僅損失大量的施工時(shí)間、還損失大量鉆井液造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。（3）轉(zhuǎn)漿復(fù)雜：氣體鉆井轉(zhuǎn)換泥漿后，多發(fā)生井下復(fù)雜，被迫劃眼甚至出現(xiàn)卡鉆。（4）固井復(fù)雜與事故：地層承壓能力難以準(zhǔn)確掌握、井溫高，固井施工難度大，固井時(shí)多發(fā)生漏失，固井返速低、質(zhì)量差，固井復(fù)雜問(wèn)題頻發(fā)。
2 元壩超深井優(yōu)快鉆井技術(shù)
近兩年來(lái)，針對(duì)元壩地區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)和引入國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的鉆井工藝和技術(shù)，大大提升了探區(qū)鉆井技術(shù)水平，逐步為元壩地區(qū)提高機(jī)械鉆速開(kāi)辟了一條合理的提速模式。
2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
元壩探區(qū)鉆井普遍較深，鉆探茅口組的井已接近7500m，區(qū)域的壓力系統(tǒng)也十分復(fù)雜。優(yōu)化前主要采用的是“Φ508.0mm+Φ339.7mm+Φ273.1mm+Φ193.7mm+Φ146.1mm”井身結(jié)構(gòu)。該套井身結(jié)構(gòu)存在下面幾個(gè)方面的問(wèn)題[9]：（1）Φ508.0mm導(dǎo)管下深淺，不能有效封隔疏松表層及地表水，導(dǎo)致導(dǎo)眼鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生多次滲漏，并嚴(yán)重影響了下一開(kāi)次的空氣鉆實(shí)施；（2）Φ339.7mm表層套管下深淺，不能有效封固上沙廟組低承壓地層，將承壓能力較低的上沙廟組地層與壓力較高的須家河組同時(shí)打開(kāi)，易引起井漏等復(fù)雜；（3）Φ273.1mm技術(shù)套管不能將須家河、雷口坡組的高壓層位完全封固，導(dǎo)致雷口坡、嘉陵江均使用高密度鉆進(jìn)，增加了安全的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)受密度的限制，許多提速措施難以實(shí)施，鉆井速度大受影響，而且極易發(fā)生卡鉆事故。
為此對(duì)元壩探區(qū)的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，新井身結(jié)構(gòu)增加了Φ508mm、Φ339.7mm套管和Φ273.1mm套管的下深，有效封隔了復(fù)雜層位，為實(shí)施新技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了條件。同時(shí)，新井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“留有余地”，如果在嘉陵江組鉆遇高壓層，則可以提前下入Φ193.7mm套管，采用Φ146.1mm尾管完井，使得處理井下復(fù)雜情況的能力得到了提升。
2.2 鉆井提速新技術(shù)
2.2.1 氣體鉆井技術(shù)
自2005年底首度在老君1井使用空氣鉆以來(lái)，氣體鉆井技術(shù)已經(jīng)成為探區(qū)內(nèi)陸相控制井斜和提速的重要手段[10，11]。元壩陸相上部地層為白堊系以及侏羅系的蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組地層，地層厚度大；地層巖性不均，以泥巖和石英砂巖為主，巖性多變，巖石堅(jiān)硬，可鉆性差，但地層相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有油氣層，比較適合空氣鉆井。白堊系下部地層普遍存在水層，為了保證空氣鉆順利實(shí)施，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)管下深500～700m，采用泡沫鉆井方式鉆進(jìn)。
結(jié)合川東北氣體鉆井的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及元壩地區(qū)的地層性質(zhì)和井眼條件，對(duì)元壩地區(qū)的氣體鉆井參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，如表1所示，鉆進(jìn)過(guò)程中，氣體排量隨井深的增加逐漸增大，另外當(dāng)出現(xiàn)破碎帶或預(yù)測(cè)井下出水時(shí)可適當(dāng)增加排量，以保證井下安全。
表1 氣體鉆井優(yōu)化參數(shù)
針對(duì)空氣鉆對(duì)鉆具損傷嚴(yán)重的特點(diǎn)，空氣鉆實(shí)施過(guò)程中每趟鉆均對(duì)鉆鋌及配合接頭進(jìn)行逐一探傷，并通過(guò)適時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，在鉆具組合靠近鉆頭處使用雙向減振器的辦法，減小跳鉆對(duì)鉆具和鉆頭的損傷，從而保證了空氣鉆井的安全?？紤]空氣鉆井安全的需要，主要采用塔式鉆具結(jié)構(gòu)防斜：Φ444.5mm鉆頭+浮閥+Φ279.4mm鉆鋌×3根+831×730接頭+Φ228.6mm減震器×1根+Φ228.6mm鉆鋌×6根+731×630接頭+Φ203.2mm鉆鋌×8根+631×410接頭+Φ177.8mm鉆鋌×2根+Φ139.7mm鉆桿。
2.2.2 控壓降密度鉆井技術(shù)
元壩陸相下部地層主要鉆遇下沙溪廟、千佛崖、自流井和須家河地層，尤其自流井和須家河組為高壓低產(chǎn)地層，常規(guī)鉆井鉆井液密度高（最高2.43g/cm3），機(jī)械鉆速低（平均鉆速僅為0.63m/h），同時(shí)易出現(xiàn)地層漏失、壓差卡鉆、鉆桿脫扣以及地層孔隙壓力與破裂梯度之間的壓力窗口狹窄而造成的既涌又漏等問(wèn)題，使非生產(chǎn)時(shí)間增多、井控難度加大。
高鉆井液密度和較大井底壓差是造成元壩地區(qū)該層段深井機(jī)械鉆速低、井下復(fù)雜情況多的關(guān)鍵因素。壓差增大容易產(chǎn)生壓持效應(yīng)，影響機(jī)械鉆速；容易壓漏地層，出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，并且在地層發(fā)生漏失過(guò)程中，易誘發(fā)高壓層產(chǎn)生溢流。采用液相欠平衡/控壓鉆井技術(shù)，井口安裝旋轉(zhuǎn)控制頭，可以適當(dāng)降低鉆井液密度，解決井漏或降低漏失程度，在保證安全的前提下盡量減小“壓持效應(yīng)”，提高機(jī)械鉆速，如果鉆遇天然氣發(fā)生氣侵時(shí)可以在進(jìn)行壓力控制的情況下邊處理邊鉆進(jìn)。在自流井產(chǎn)層必須用能夠壓穩(wěn)產(chǎn)層密度的鉆井液近平衡鉆開(kāi)并鉆完，鉆穿后如果氣層發(fā)育狀況不好，在安全的前提下可以降低鉆井液密度繼續(xù)進(jìn)行控壓鉆井作業(yè)至須家河產(chǎn)層頂部以上50m。
針對(duì)元壩地區(qū)陸相下部地層特點(diǎn)、壓力狀況以及井眼條件，利用DRILLBENCH公司的鉆井動(dòng)態(tài)模擬軟件——Dynaflodrill軟件模擬計(jì)算了控壓降密度鉆井期間的鉆井液密度參數(shù)，如表2所示。
2.2.3 渦輪配合孕鑲鉆頭鉆井技術(shù)
元壩陸相下沙溪廟～須家河組巖性一般為砂泥巖互層，地層軟硬交錯(cuò)，可鉆性極差，特別是自流井底部存在大段礫石層，以及須家河組致密石英砂巖地層，研磨性極強(qiáng)，易造成鉆頭過(guò)早磨損。元壩1井在該層段鉆進(jìn)時(shí)平均機(jī)械鉆速0.94m/h，機(jī)械鉆速最小的0.31m/h，單只鉆頭進(jìn)尺最低僅為4.59m。機(jī)械鉆速慢、單只鉆頭進(jìn)尺少、起下鉆趟數(shù)多是導(dǎo)致元壩1井全井鉆井速度慢、鉆井周期長(zhǎng)的最重要原因。
為了解決下部陸相地層提速瓶頸問(wèn)題，引進(jìn)了孕鑲+渦輪復(fù)合鉆井技術(shù)，為深井、硬地層、大尺寸井眼提高機(jī)械鉆速提供了一套全新的模式。其中渦輪鉆具的優(yōu)點(diǎn)：高能量效率、高性能，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1444r/min，是普通螺桿的5倍以上；工作平穩(wěn)，可以減少因?yàn)榫抡駝?dòng)引起的損害，如碎齒、胎體斷裂、掉齒等，延長(zhǎng)鉆頭壽命；設(shè)計(jì)加工精細(xì)，沒(méi)有橡膠件，工作壽命長(zhǎng)，可在井下工作400-1000h；孕鑲金剛石鉆頭是一種自銳性鉆頭，通過(guò)磨削破碎地層：金剛石鑲進(jìn)鉆頭本體內(nèi)，交疊設(shè)計(jì)可以保證鉆頭對(duì)井底全接觸，并且金剛石高耐磨性，適合高轉(zhuǎn)速，對(duì)須家河組高研磨性地層比較適應(yīng)，如圖1所示。其中渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井的鉆具結(jié)構(gòu)為：Φ311.2mm孕鑲金剛石鉆頭+Φ241.3mm渦輪鉆具+浮閥+Φ228.6mm鉆鋌×3根+731×630接頭+Φ203.2mm鉆鋌×6根+Φ203.2mm震擊器+Φ177.8mm鉆鋌×2根+Φ139.7mmHWDP×9根+Φ139.7mmDP。鉆井參數(shù)：鉆壓50-130kN，轉(zhuǎn)速50-60r/min，排量38-45L/s，立壓30-31MPa；泥漿性能：密度1.58-1.99g/cm3，漏斗黏度55-58s。
圖1 SmithBits公司K507孕鑲金剛石鉆頭
2.2.4 螺桿配合PDC復(fù)合鉆井技術(shù)
元壩地區(qū)海相地層，地層埋藏深，壓力系數(shù)較低，地層巖性主要是膏巖、灰?guī)r、白云巖，巖石抗壓強(qiáng)度在200～400MPa之間，抗拉強(qiáng)度5MPa左右，具有高抗壓、低剪切的特征，同時(shí)巖性均質(zhì)，適合PDC鉆頭的使用[12]。高速螺桿與PDC鉆頭的配合使用與傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)相比，其“低鉆壓和高轉(zhuǎn)速”的特點(diǎn)可以大大提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，并能有效地控制井斜和減輕對(duì)上部技術(shù)套管的磨損。
復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)螺桿鉆具鉆井參數(shù)的選擇既要考慮地層巖石的性質(zhì)，又要考慮到螺桿本身的性能，使得PDC鉆頭達(dá)到最佳工作狀態(tài)，即機(jī)械鉆速最快。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，鉆壓、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和鉆井液排量必須控制在一定的范圍。轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在30～70r/min，原則上井越深，井眼越小，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速應(yīng)越低。排量的選擇在滿足鉆井要求的同時(shí)，不要超過(guò)螺桿鉆具允許的最大排量，如果要求的排量太大，可考慮選用帶分流孔的空心轉(zhuǎn)子螺桿鉆具來(lái)解決大排量問(wèn)題。
考慮到元壩地區(qū)井底溫度較高（預(yù)計(jì)150℃以上），推薦采用國(guó)民油井公司生產(chǎn)的Hemidril泥漿馬達(dá)，如圖2所示，為國(guó)民油井抗高溫高效螺桿結(jié)構(gòu)圖。該螺桿鉆具抗高溫可達(dá)177℃，最大輸出扭矩20547N·m，適用于井底高溫、地層復(fù)雜的深井。其主要技術(shù)特點(diǎn)為：（1）橡膠壁厚均勻，能夠減小泄漏與熱量，耐壓更高，扭矩更大；（2）采用動(dòng)力筋技術(shù)，密封效率高，少漏失、摩擦小，有助于將壓力轉(zhuǎn)換成扭矩，使更多功率傳遞到鉆頭，提高機(jī)械鉆速。
圖2 國(guó)民油井抗高溫高效螺桿結(jié)構(gòu)圖
3 提速技術(shù)集成應(yīng)用效果分析
針對(duì)元壩地區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)展上述優(yōu)快鉆井配套技術(shù)的研究，選取了元壩10、元壩16、元壩103H、元壩124及元壩205井等5口井進(jìn)行了元壩地區(qū)提速試驗(yàn)，最終5口試驗(yàn)井平均機(jī)械鉆速2.0m/h，相比試驗(yàn)之前提高了26.58%，試驗(yàn)井平均鉆井周期331.86d，較試驗(yàn)前縮短了29.4%。其中5口試驗(yàn)井Φ660.4mm導(dǎo)眼井段采用泡沫鉆井技術(shù)平均機(jī)械鉆速4.50m/h，有效解決了上部大井眼攜水?dāng)y砂難題，與泥漿鉆相比，單井便節(jié)約鉆井周期30d以上；一開(kāi)Φ444.5mm井眼段采用空氣鉆井技術(shù)，平均鉆進(jìn)進(jìn)尺2440m，機(jī)械鉆速高達(dá)10.25m/h，相比試驗(yàn)之前提高了19.1%；元壩10、元壩103H井Φ311.2mm井眼自上沙溪廟組至須家河組地層采用控壓降密度鉆井技術(shù)，應(yīng)用井段分別為3267～4894m和3969～5075.3m，平均機(jī)械鉆速均相比試驗(yàn)之前提高了35%以上；元壩10、元壩124井Φ311.2mm井眼自千佛崖組至須家河組地層采用渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速1.19m/h，較試驗(yàn)前提高了40%以上，并且元壩124井使用孕鑲+渦輪復(fù)合鉆井第三趟鉆創(chuàng)造了單只鉆頭鉆穿自流井底部40.47m礫石層后，仍鉆進(jìn)了須家河組高致密研磨地層314m的元壩地區(qū)鉆井紀(jì)錄；5口試驗(yàn)井Φ241.3mm井眼在海相地層雷口坡、嘉陵江及飛仙關(guān)組采用高效螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)，分層機(jī)械鉆速較試驗(yàn)前分別提高了15.4%、37.32%和73.22%。
4 結(jié)論與建議
?。?）元壩地區(qū)優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)增加了Φ508mm、Φ339.7mm及Φ273.1mm套管的下深，由于封隔了更多的復(fù)雜層位，有效減少了上沙廟、自流井以及須家河地層復(fù)雜情況的發(fā)生，同時(shí)避免了深層小井眼、小鉆具施工，使得機(jī)械鉆速大幅度提高，應(yīng)對(duì)異常情況的能力大大加強(qiáng)；（2）高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆具配合具有高耐磨性和長(zhǎng)壽命的孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)，能夠較大幅度提高自流井、須家河地層的機(jī)械鉆速及行程鉆速，是解決深井大尺寸井眼強(qiáng)研磨性地層機(jī)械鉆速慢的有效手段；（3）氣體鉆井、高轉(zhuǎn)速渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井以及抗高溫長(zhǎng)壽命螺桿配合高效PDC復(fù)合鉆井等技術(shù)針對(duì)性地解決了元壩陸相上部大尺寸井眼地層、下部自流井-須家河組高研磨性地層以及深部海相地層的技術(shù)難題，適合在元壩地區(qū)進(jìn)行深入的推廣應(yīng)用；（4）建議針對(duì)元壩地區(qū)的不同地層特點(diǎn)，進(jìn)一步加大國(guó)產(chǎn)“孕鑲金剛石鉆頭+渦輪鉆具”、“高效PDC+抗高溫螺桿鉆具”等工具的研制與改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與推廣應(yīng)用，以便盡快提升我國(guó)深井超深井鉆井的技術(shù)水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯著降低鉆井成本的目的。
1.1 壓力情況復(fù)雜
從元壩地區(qū)實(shí)鉆情況來(lái)看，縱向壓力分布為常壓-高壓-常壓[5-8]：（1）千佛崖組及其以上地層為常壓地層，千佛崖組及部分下沙溪廟組地層有氣層；（2）自流井-須家河組地層為高壓低滲、裂縫性氣藏，壓力窗口窄，[第一論文 網(wǎng)專業(yè)提供論文代寫(xiě)的服務(wù)，歡迎光臨www .DylW.nEt]漏、涌時(shí)有同層，井下復(fù)雜問(wèn)題多；（3）嘉陵江組地層目前未鉆遇較好氣層，但部分井鉆遇高壓鹽水層。飛仙關(guān)組和長(zhǎng)興組地層同為一個(gè)常壓壓力系統(tǒng)，以溶孔性氣層為主，且可鉆性好；（4）雷口坡組、茅口組和棲霞組地層有局部存在高壓氣層的可能。
1.2 復(fù)雜地層分布
由實(shí)鉆資料得知，元壩地區(qū)地質(zhì)剖面上復(fù)雜地層較多，鉆進(jìn)過(guò)程中地層不穩(wěn)定，易發(fā)生井漏、塌、斜等復(fù)雜情況，鉆井施工難度較大。影響該地區(qū)鉆井速度的復(fù)雜地層主要有：（1）劍門(mén)關(guān)組地層多存在裂縫性漏層，且多數(shù)井上部有微出水層；（2）上沙溪廟組地層上部的微出水層，其承壓不高，鉆井液密度超過(guò)1.90g/cm3時(shí)易漏；上沙溪廟組地層底部存在垮塌層，空氣鉆井難以實(shí)施；（3）自流井組-須家河組復(fù)雜地層有三個(gè)特點(diǎn)：a.油氣藏多為裂縫性氣藏，壓力窗口窄，壓井時(shí)易出現(xiàn)噴、漏同存；b.自流井組與須家河組地層的砂礫巖層可鉆性極差，機(jī)械鉆速低、易發(fā)生井下故障；c.泥巖段不穩(wěn)定，易出現(xiàn)掉塊卡鉆；（4）嘉陵江組地層多井鉆遇高壓鹽水層，對(duì)鉆井速度造成了一定影響。
1.3 鉆進(jìn)事故及復(fù)雜情況
經(jīng)對(duì)元壩地區(qū)已鉆井進(jìn)行分析，該地區(qū)超深井平均非生產(chǎn)時(shí)效11.7%，個(gè)別井甚至超過(guò)了20%，嚴(yán)重影響了鉆井施工進(jìn)度。其故障與復(fù)雜主要分為以下幾類[5-8]：（1）鉆具與鉆頭事故：空氣鉆過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆和斷鉆具事故，須家河復(fù)雜層多發(fā)生鉆頭與卡鉆事故。統(tǒng)計(jì)顯示，該類事故累計(jì)損失時(shí)間占該地區(qū)事故總時(shí)間的33.97%。（2）溢流、井漏：壓力分布規(guī)律性不均衡，溢流、井漏頻繁發(fā)生，不僅損失大量的施工時(shí)間、還損失大量鉆井液造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。（3）轉(zhuǎn)漿復(fù)雜：氣體鉆井轉(zhuǎn)換泥漿后，多發(fā)生井下復(fù)雜，被迫劃眼甚至出現(xiàn)卡鉆。（4）固井復(fù)雜與事故：地層承壓能力難以準(zhǔn)確掌握、井溫高，固井施工難度大，固井時(shí)多發(fā)生漏失，固井返速低、質(zhì)量差，固井復(fù)雜問(wèn)題頻發(fā)。
2 元壩超深井優(yōu)快鉆井技術(shù)
近兩年來(lái)，針對(duì)元壩地區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)和引入國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的鉆井工藝和技術(shù)，大大提升了探區(qū)鉆井技術(shù)水平，逐步為元壩地區(qū)提高機(jī)械鉆速開(kāi)辟了一條合理的提速模式。
2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
元壩探區(qū)鉆井普遍較深，鉆探茅口組的井已接近7500m，區(qū)域的壓力系統(tǒng)也十分復(fù)雜。優(yōu)化前主要采用的是“Φ508.0mm+Φ339.7mm+Φ273.1mm+Φ193.7mm+Φ146.1mm”井身結(jié)構(gòu)。該套井身結(jié)構(gòu)存在下面幾個(gè)方面的問(wèn)題[9]：（1）Φ508.0mm導(dǎo)管下深淺，不能有效封隔疏松表層及地表水，導(dǎo)致導(dǎo)眼鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生多次滲漏，并嚴(yán)重影響了下一開(kāi)次的空氣鉆實(shí)施；（2）Φ339.7mm表層套管下深淺，不能有效封固上沙廟組低承壓地層，將承壓能力較低的上沙廟組地層與壓力較高的須家河組同時(shí)打開(kāi)，易引起井漏等復(fù)雜；（3）Φ273.1mm技術(shù)套管不能將須家河、雷口坡組的高壓層位完全封固，導(dǎo)致雷口坡、嘉陵江均使用高密度鉆進(jìn)，增加了安全的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)受密度的限制，許多提速措施難以實(shí)施，鉆井速度大受影響，而且極易發(fā)生卡鉆事故。
為此對(duì)元壩探區(qū)的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，新井身結(jié)構(gòu)增加了Φ508mm、Φ339.7mm套管和Φ273.1mm套管的下深，有效封隔了復(fù)雜層位，為實(shí)施新技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了條件。同時(shí)，新井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“留有余地”，如果在嘉陵江組鉆遇高壓層，則可以提前下入Φ193.7mm套管，采用Φ146.1mm尾管完井，使得處理井下復(fù)雜情況的能力得到了提升。
2.2 鉆井提速新技術(shù)
2.2.1 氣體鉆井技術(shù)
自2005年底首度在老君1井使用空氣鉆以來(lái)，氣體鉆井技術(shù)已經(jīng)成為探區(qū)內(nèi)陸相控制井斜和提速的重要手段[10，11]。元壩陸相上部地層為白堊系以及侏羅系的蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組地層，地層厚度大；地層巖性不均，以泥巖和石英砂巖為主，巖性多變，巖石堅(jiān)硬，可鉆性差，但地層相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有油氣層，比較適合空氣鉆井。白堊系下部地層普遍存在水層，為了保證空氣鉆順利實(shí)施，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)管下深500～700m，采用泡沫鉆井方式鉆進(jìn)。
結(jié)合川東北氣體鉆井的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及元壩地區(qū)的地層性質(zhì)和井眼條件，對(duì)元壩地區(qū)的氣體鉆井參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，如表1所示，鉆進(jìn)過(guò)程中，氣體排量隨井深的增加逐漸增大，另外當(dāng)出現(xiàn)破碎帶或預(yù)測(cè)井下出水時(shí)可適當(dāng)增加排量，以保證井下安全。
表1 氣體鉆井優(yōu)化參數(shù)
針對(duì)空氣鉆對(duì)鉆具損傷嚴(yán)重的特點(diǎn)，空氣鉆實(shí)施過(guò)程中每趟鉆均對(duì)鉆鋌及配合接頭進(jìn)行逐一探傷，并通過(guò)適時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，在鉆具組合靠近鉆頭處使用雙向減振器的辦法，減小跳鉆對(duì)鉆具和鉆頭的損傷，從而保證了空氣鉆井的安全?？紤]空氣鉆井安全的需要，主要采用塔式鉆具結(jié)構(gòu)防斜：Φ444.5mm鉆頭+浮閥+Φ279.4mm鉆鋌×3根+831×730接頭+Φ228.6mm減震器×1根+Φ228.6mm鉆鋌×6根+731×630接頭+Φ203.2mm鉆鋌×8根+631×410接頭+Φ177.8mm鉆鋌×2根+Φ139.7mm鉆桿。
2.2.2 控壓降密度鉆井技術(shù)
元壩陸相下部地層主要鉆遇下沙溪廟、千佛崖、自流井和須家河地層，尤其自流井和須家河組為高壓低產(chǎn)地層，常規(guī)鉆井鉆井液密度高（最高2.43g/cm3），機(jī)械鉆速低（平均鉆速僅為0.63m/h），同時(shí)易出現(xiàn)地層漏失、壓差卡鉆、鉆桿脫扣以及地層孔隙壓力與破裂梯度之間的壓力窗口狹窄而造成的既涌又漏等問(wèn)題，使非生產(chǎn)時(shí)間增多、井控難度加大。
高鉆井液密度和較大井底壓差是造成元壩地區(qū)該層段深井機(jī)械鉆速低、井下復(fù)雜情況多的關(guān)鍵因素。壓差增大容易產(chǎn)生壓持效應(yīng)，影響機(jī)械鉆速；容易壓漏地層，出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，并且在地層發(fā)生漏失過(guò)程中，易誘發(fā)高壓層產(chǎn)生溢流。采用液相欠平衡/控壓鉆井技術(shù)，井口安裝旋轉(zhuǎn)控制頭，可以適當(dāng)降低鉆井液密度，解決井漏或降低漏失程度，在保證安全的前提下盡量減小“壓持效應(yīng)”，提高機(jī)械鉆速，如果鉆遇天然氣發(fā)生氣侵時(shí)可以在進(jìn)行壓力控制的情況下邊處理邊鉆進(jìn)。在自流井產(chǎn)層必須用能夠壓穩(wěn)產(chǎn)層密度的鉆井液近平衡鉆開(kāi)并鉆完，鉆穿后如果氣層發(fā)育狀況不好，在安全的前提下可以降低鉆井液密度繼續(xù)進(jìn)行控壓鉆井作業(yè)至須家河產(chǎn)層頂部以上50m。
針對(duì)元壩地區(qū)陸相下部地層特點(diǎn)、壓力狀況以及井眼條件，利用DRILLBENCH公司的鉆井動(dòng)態(tài)模擬軟件——Dynaflodrill軟件模擬計(jì)算了控壓降密度鉆井期間的鉆井液密度參數(shù)，如表2所示。
2.2.3 渦輪配合孕鑲鉆頭鉆井技術(shù)
元壩陸相下沙溪廟～須家河組巖性一般為砂泥巖互層，地層軟硬交錯(cuò)，可鉆性極差，特別是自流井底部存在大段礫石層，以及須家河組致密石英砂巖地層，研磨性極強(qiáng)，易造成鉆頭過(guò)早磨損。元壩1井在該層段鉆進(jìn)時(shí)平均機(jī)械鉆速0.94m/h，機(jī)械鉆速最小的0.31m/h，單只鉆頭進(jìn)尺最低僅為4.59m。機(jī)械鉆速慢、單只鉆頭進(jìn)尺少、起下鉆趟數(shù)多是導(dǎo)致元壩1井全井鉆井速度慢、鉆井周期長(zhǎng)的最重要原因。
為了解決下部陸相地層提速瓶頸問(wèn)題，引進(jìn)了孕鑲+渦輪復(fù)合鉆井技術(shù)，為深井、硬地層、大尺寸井眼提高機(jī)械鉆速提供了一套全新的模式。其中渦輪鉆具的優(yōu)點(diǎn)：高能量效率、高性能，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1444r/min，是普通螺桿的5倍以上；工作平穩(wěn)，可以減少因?yàn)榫抡駝?dòng)引起的損害，如碎齒、胎體斷裂、掉齒等，延長(zhǎng)鉆頭壽命；設(shè)計(jì)加工精細(xì)，沒(méi)有橡膠件，工作壽命長(zhǎng)，可在井下工作400-1000h；孕鑲金剛石鉆頭是一種自銳性鉆頭，通過(guò)磨削破碎地層：金剛石鑲進(jìn)鉆頭本體內(nèi)，交疊設(shè)計(jì)可以保證鉆頭對(duì)井底全接觸，并且金剛石高耐磨性，適合高轉(zhuǎn)速，對(duì)須家河組高研磨性地層比較適應(yīng)，如圖1所示。其中渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井的鉆具結(jié)構(gòu)為：Φ311.2mm孕鑲金剛石鉆頭+Φ241.3mm渦輪鉆具+浮閥+Φ228.6mm鉆鋌×3根+731×630接頭+Φ203.2mm鉆鋌×6根+Φ203.2mm震擊器+Φ177.8mm鉆鋌×2根+Φ139.7mmHWDP×9根+Φ139.7mmDP。鉆井參數(shù)：鉆壓50-130kN，轉(zhuǎn)速50-60r/min，排量38-45L/s，立壓30-31MPa；泥漿性能：密度1.58-1.99g/cm3，漏斗黏度55-58s。
圖1 SmithBits公司K507孕鑲金剛石鉆頭
2.2.4 螺桿配合PDC復(fù)合鉆井技術(shù)
元壩地區(qū)海相地層，地層埋藏深，壓力系數(shù)較低，地層巖性主要是膏巖、灰?guī)r、白云巖，巖石抗壓強(qiáng)度在200～400MPa之間，抗拉強(qiáng)度5MPa左右，具有高抗壓、低剪切的特征，同時(shí)巖性均質(zhì)，適合PDC鉆頭的使用[12]。高速螺桿與PDC鉆頭的配合使用與傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)相比，其“低鉆壓和高轉(zhuǎn)速”的特點(diǎn)可以大大提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，并能有效地控制井斜和減輕對(duì)上部技術(shù)套管的磨損。
復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)螺桿鉆具鉆井參數(shù)的選擇既要考慮地層巖石的性質(zhì)，又要考慮到螺桿本身的性能，使得PDC鉆頭達(dá)到最佳工作狀態(tài)，即機(jī)械鉆速最快。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，鉆壓、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和鉆井液排量必須控制在一定的范圍。轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在30～70r/min，原則上井越深，井眼越小，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速應(yīng)越低。排量的選擇在滿足鉆井要求的同時(shí)，不要超過(guò)螺桿鉆具允許的最大排量，如果要求的排量太大，可考慮選用帶分流孔的空心轉(zhuǎn)子螺桿鉆具來(lái)解決大排量問(wèn)題。
考慮到元壩地區(qū)井底溫度較高（預(yù)計(jì)150℃以上），推薦采用國(guó)民油井公司生產(chǎn)的Hemidril泥漿馬達(dá)，如圖2所示，為國(guó)民油井抗高溫高效螺桿結(jié)構(gòu)圖。該螺桿鉆具抗高溫可達(dá)177℃，最大輸出扭矩20547N·m，適用于井底高溫、地層復(fù)雜的深井。其主要技術(shù)特點(diǎn)為：（1）橡膠壁厚均勻，能夠減小泄漏與熱量，耐壓更高，扭矩更大；（2）采用動(dòng)力筋技術(shù)，密封效率高，少漏失、摩擦小，有助于將壓力轉(zhuǎn)換成扭矩，使更多功率傳遞到鉆頭，提高機(jī)械鉆速。
圖2 國(guó)民油井抗高溫高效螺桿結(jié)構(gòu)圖
3 提速技術(shù)集成應(yīng)用效果分析
針對(duì)元壩地區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)展上述優(yōu)快鉆井配套技術(shù)的研究，選取了元壩10、元壩16、元壩103H、元壩124及元壩205井等5口井進(jìn)行了元壩地區(qū)提速試驗(yàn)，最終5口試驗(yàn)井平均機(jī)械鉆速2.0m/h，相比試驗(yàn)之前提高了26.58%，試驗(yàn)井平均鉆井周期331.86d，較試驗(yàn)前縮短了29.4%。其中5口試驗(yàn)井Φ660.4mm導(dǎo)眼井段采用泡沫鉆井技術(shù)平均機(jī)械鉆速4.50m/h，有效解決了上部大井眼攜水?dāng)y砂難題，與泥漿鉆相比，單井便節(jié)約鉆井周期30d以上；一開(kāi)Φ444.5mm井眼段采用空氣鉆井技術(shù)，平均鉆進(jìn)進(jìn)尺2440m，機(jī)械鉆速高達(dá)10.25m/h，相比試驗(yàn)之前提高了19.1%；元壩10、元壩103H井Φ311.2mm井眼自上沙溪廟組至須家河組地層采用控壓降密度鉆井技術(shù)，應(yīng)用井段分別為3267～4894m和3969～5075.3m，平均機(jī)械鉆速均相比試驗(yàn)之前提高了35%以上；元壩10、元壩124井Φ311.2mm井眼自千佛崖組至須家河組地層采用渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速1.19m/h，較試驗(yàn)前提高了40%以上，并且元壩124井使用孕鑲+渦輪復(fù)合鉆井第三趟鉆創(chuàng)造了單只鉆頭鉆穿自流井底部40.47m礫石層后，仍鉆進(jìn)了須家河組高致密研磨地層314m的元壩地區(qū)鉆井紀(jì)錄；5口試驗(yàn)井Φ241.3mm井眼在海相地層雷口坡、嘉陵江及飛仙關(guān)組采用高效螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)，分層機(jī)械鉆速較試驗(yàn)前分別提高了15.4%、37.32%和73.22%。
4 結(jié)論與建議
?。?）元壩地區(qū)優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)增加了Φ508mm、Φ339.7mm及Φ273.1mm套管的下深，由于封隔了更多的復(fù)雜層位，有效減少了上沙廟、自流井以及須家河地層復(fù)雜情況的發(fā)生，同時(shí)避免了深層小井眼、小鉆具施工，使得機(jī)械鉆速大幅度提高，應(yīng)對(duì)異常情況的能力大大加強(qiáng)；（2）高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆具配合具有高耐磨性和長(zhǎng)壽命的孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)，能夠較大幅度提高自流井、須家河地層的機(jī)械鉆速及行程鉆速，是解決深井大尺寸井眼強(qiáng)研磨性地層機(jī)械鉆速慢的有效手段；（3）氣體鉆井、高轉(zhuǎn)速渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井以及抗高溫長(zhǎng)壽命螺桿配合高效PDC復(fù)合鉆井等技術(shù)針對(duì)性地解決了元壩陸相上部大尺寸井眼地層、下部自流井-須家河組高研磨性地層以及深部海相地層的技術(shù)難題，適合在元壩地區(qū)進(jìn)行深入的推廣應(yīng)用；（4）建議針對(duì)元壩地區(qū)的不同地層特點(diǎn)，進(jìn)一步加大國(guó)產(chǎn)“孕鑲金剛石鉆頭+渦輪鉆具”、“高效PDC+抗高溫螺桿鉆具”等工具的研制與改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與推廣應(yīng)用，以便盡快提升我國(guó)深井超深井鉆井的技術(shù)水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯著降低鉆井成本的目的。
