前陸盆地油氣勘探的鉆井技術(shù)

前陸盆地是世界上油氣最豐富、大油氣田最多的一種盆地類型，也是世界上較早從事油氣勘探開發(fā)的領(lǐng)域。前陸盆地也是我國中西部油氣勘探的最重要領(lǐng)域，該地區(qū)發(fā)育有１５個前陸盆地，主要包括塔里木盆地塔西南、庫車，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣、南緣，吐哈盆地北部，柴達(dá)木盆地北部、南部，鄂爾多斯盆地西緣、四川盆地西部、東北部，祁連山北緣酒泉盆地等，總面積約５０萬平方千米。
　　
　　前陸盆地鉆井技術(shù)難點與技術(shù)需求
　　
　　前陸盆地的地面條件惡劣，地層具高陡構(gòu)造，巖石強度大、堅硬、研磨性高、可鉆性差，存在多套壓力系數(shù)，地層異常高壓，地層破碎，表現(xiàn)為在鉆井過程中井斜難于控制，井漏嚴(yán)重，卡鉆頻繁，套管磨損，使得鉆井過程中復(fù)雜事故時效高、機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井成本高。如何優(yōu)質(zhì)、安全、快速鉆井成為制約前陸盆地油氣勘探開發(fā)進(jìn)程的重大技術(shù)難題。鉆井作為勘探開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，費用占勘探開發(fā)投資的５０％以上。鉆井速度的高低、鉆井質(zhì)量的優(yōu)劣，很大程度上影響著勘探開發(fā)的進(jìn)程和整體效益。
　　
　　針對上述難點，前陸盆地鉆井技術(shù)研究應(yīng)解決：高陡構(gòu)造及逆掩推覆體防斜打快問題；高密度泥漿漏失引起的復(fù)合鹽巖層縮徑卡鉆及巨厚、高壓氣層壓差卡鉆問題；惡性井漏的防治問題；儲層的有效保護(hù)問題。為此應(yīng)開展高效防斜打快技術(shù)研究，引進(jìn)垂直鉆井系統(tǒng)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，發(fā)展空氣錘技術(shù)；開展地層壓力和巖性的預(yù)測，提高地層的預(yù)測精度，減少卡鉆等事故的發(fā)生；開展膨脹管、波紋管、隨鉆堵漏等技術(shù)的研究，提高堵漏成功率；開展欠平衡鉆井技術(shù)、無滲透鉆井液等技術(shù)的研究，提高油層保護(hù)水平；開展固井評價與固井技術(shù)研究，提高固井質(zhì)量等。
　　
　　前陸盆地油氣鉆井技術(shù)
　　
　　１．防斜技術(shù) 近年來在現(xiàn)場應(yīng)用較好的防斜技術(shù)，包括鐘擺鉆具防斜、滿眼鉆具控制井斜、ＰＤＣ鉆頭配合螺桿鉆具防斜、偏軸鉆具組合防斜打快技術(shù)等，并正在發(fā)展反鐘擺鉆具防斜、預(yù)彎曲鉆具動力學(xué)防斜等技術(shù)。
　　
　　貝克休斯公司在２０世紀(jì)８０年代末開始研制垂直鉆井系統(tǒng)（ＶＤＳ），成功解決了德國大陸科探井鉆井過程中井斜問題，之后在９０年代中葉發(fā)展了新的垂直鉆井裝置（ＳＤＤ），９０年代末又發(fā)展成為自動井斜控制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)系統(tǒng)（ＶｅｒｔｉＴｒａｋ），成功地解決了高陡構(gòu)造地區(qū)、斷層區(qū)和鹽層鉆井時井眼傾斜問題，并為鉆進(jìn)叢式井，以及采用小尺寸井身結(jié)構(gòu)等提供了可靠保障。近年來在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)基礎(chǔ)上，斯倫貝謝公司又成功發(fā)展了Ｐｏｗｅｒ Ｖ垂直鉆井系統(tǒng)。這些垂直鉆井系統(tǒng)是機、電、液、通訊一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)優(yōu)勢，能夠節(jié)省大量的鉆井時間和費用。
　　
　　實踐證明，ＶＤＳ、ＳＤＤ、ＶｅｒｔｉＴｒａｋ、Ｐｏｗｅｒ Ｖ垂直鉆井系統(tǒng)有助于作業(yè)商在最富挑戰(zhàn)的前陸盆地環(huán)境中，包括高陡構(gòu)造、斷層、逆掩推覆體、鹽層等復(fù)雜情況下，不僅能維持最優(yōu)的鉆井參數(shù)，并且可鉆出高質(zhì)量的井眼。
　　
　　２．空氣／空氣錘鉆井技術(shù) 空氣錘完全依靠空氣錘活塞作用在鉆頭上的震擊作用進(jìn)入地層。使空氣錘有效作業(yè)只需２～３噸的鉆壓，即可保持正常鉆速又不會造成井斜。須注意的是，施加任何過多的鉆壓只會縮短鉆頭的壽命而不會提高鉆速。
　　
　　空氣錘技術(shù)克服了空氣鉆井中井斜的問題。對于嚴(yán)重傾斜的地層，即使采用空氣鉆井，也必須大大降低鉆壓以控制井斜。８０年代中晚期，殼牌公司在加拿大洛基山上進(jìn)行鉆井作業(yè)，遇到的主要鉆井問題就是地層太硬且存在嚴(yán)重的井斜問題。殼牌采用了空氣錘鉆井，很快就認(rèn)識到了空氣錘鉆井應(yīng)用于這類地層的巨大潛能，并且進(jìn)一步提高了空氣錘的質(zhì)量。目前空氣錘已經(jīng)成為一種高可靠性的井下工具。空氣錘鉆頭也在不斷得到改進(jìn)，如鉆頭強度增大從而大大提高了單只鉆頭進(jìn)尺，另外，所有鉆頭上均有兩排保徑齒。
　　
　　空氣／空氣錘鉆井工藝技術(shù)能夠在堅硬、易斜地層鉆進(jìn)中，做到地層不坍塌、地層出水量小和地層無天然氣井漏，并且保證井下安全、快速鉆進(jìn)，節(jié)省了鉆井綜合成本。空氣錘鉆井可在２～３噸的鉆壓下鉆出筆直的井眼，保證了后期鉆井、下套管、起下鉆、通井、注水泥、試油等作業(yè)的順利進(jìn)行。
　　
　　威德福公司采用空氣錘鉆進(jìn)玉門青西前陸盆地逆掩推覆體地層，機械鉆速達(dá)１０～１５米／小時，而目前玉門推覆體地層鉆進(jìn)時最高機械鉆速不到４米／小時，尤其是像窿９井和窿１１１井平均機械鉆速僅有０．７５米／小時。因此采用空氣／空氣錘鉆井方式，將可以大幅度提高前陸盆地的機械鉆速，縮短高陡構(gòu)造地層的鉆井周期，改善井身質(zhì)量，加快前陸盆地的勘探與開發(fā)。

    ３．鉆井液技術(shù) 在前陸盆地鉆井過程中，經(jīng)常會鉆遇高陡、高溫、高壓、流塑性、破碎性等復(fù)雜地層，對鉆井液技術(shù)的要求越來越高，針對不同地層類型與地質(zhì)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該開發(fā)使用不同的鉆井液體系。例如，針對鹽、膏、泥復(fù)合地層，根據(jù)井深、井溫、地應(yīng)力、所鉆遇含鹽軟泥巖類別選擇合理的鉆井液密度，防止塑性變形，控制縮徑；可采用抑制性強的飽和鹽水鉆井液、油包水鉆井液，防止鹽溶引起井塌，并保持鉆井液性能穩(wěn)定，對含有大量石膏的地層，可在鉆井液中加入硫酸鈉或硫酸銨，采用等離子效應(yīng)控制石膏的溶解；飽和鹽水鉆井液中應(yīng)加入瀝青類與磺化酚醛樹脂類產(chǎn)品，封堵泥巖層理、裂隙，降低高溫高壓濾失量，防止井塌；選用合理環(huán)空返速與鉆井液流變參數(shù)，既保證鉆屑的攜帶，又保證環(huán)空流體處于層流，減少對井壁沖蝕；保持鉆井液良好的流變性與潤滑性；防止壓差卡鉆。
　　
　　４．欠平衡鉆井技術(shù) 欠平衡鉆井的主要優(yōu)點是能減輕地層損害，增加油井產(chǎn)能，提高機械鉆速，能較好地適應(yīng)前陸盆地的地質(zhì)特點。近年來，欠平衡鉆井技術(shù)逐漸得以完善，發(fā)展了包括氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井和泥漿欠平衡鉆井在內(nèi)的欠平衡鉆井技術(shù)系列，形成了旋轉(zhuǎn)防噴器、可循環(huán)泡沫、不壓井起下鉆裝置、套管閥等欠平衡鉆井配套技術(shù)。
　　
　　目前投入使用的欠平衡鉆井技術(shù)主要有：干空氣鉆井、氣－霧鉆井、穩(wěn)定泡沫和非彈性泡沫鉆井、充氣鉆井液鉆井、井下注氣鉆井技術(shù)等。其中，井下注氣鉆井技術(shù)是通過寄生管、同心管、鉆柱和連續(xù)油管在鉆進(jìn)的同時往井下鉆井液中注氮、以減輕鉆井液柱的壓力形成欠平衡條件，隨著設(shè)備和工藝的完善，這種技術(shù)已成為欠平衡鉆井技術(shù)的主導(dǎo)技術(shù)。在加拿大，欠平衡鉆井技術(shù)可比普通鉆井技術(shù)的鉆速提高２～６倍。
　　
　　５．利用隨鉆擴(kuò)眼器提高前陸盆地固井質(zhì)量 前陸盆地常規(guī)套管程序一般采用 ２０英寸×１３３／８英寸×９５／８英寸×７英寸×５英寸，對于小井眼，特別是５７／８英寸井眼下５英寸尾管，由于環(huán)空間隙小，固井質(zhì)量難以保證。為了保證固井質(zhì)量，可采用擴(kuò)眼作業(yè)。先進(jìn)的擴(kuò)眼方式是采用雙心鉆頭同時鉆進(jìn)和擴(kuò)眼。由于雙心鉆頭的一體式設(shè)計以及領(lǐng)、擴(kuò)眼工作面尺寸限制，導(dǎo)致領(lǐng)眼與擴(kuò)眼壽命不一致，而使鉆井成本增加，鉆頭壽命縮短。此外雙心鉆頭領(lǐng)眼和擴(kuò)眼間距離較短，鉆進(jìn)時由于偏心力不足，造成擴(kuò)眼尺寸達(dá)不到要求，井眼不規(guī)則。立足于雙心隨鉆擴(kuò)眼鉆頭取得的進(jìn)展，針對雙心鉆頭存在的不足，開發(fā)了隨鉆擴(kuò)眼工具。這一新概念的主要特點是：可更換領(lǐng)眼鉆頭，高度強化擴(kuò)眼工作面的擴(kuò)眼能力，靈活的領(lǐng)、擴(kuò)眼間的鉆具組合。
　　
　　針對復(fù)雜、惡劣的地質(zhì)條件，國外鉆井技術(shù)發(fā)展很快，先后發(fā)展了導(dǎo)向鉆井技術(shù)、ＶｅｒｔＴｒａｋ、Ｐｏｗｅｒ Ｖ等垂直鉆井系統(tǒng)，較好地解決了鉆井過程中的井斜問題，提高了鉆速，提高了井眼質(zhì)量。在應(yīng)對井漏問題方面，發(fā)展了波紋管、膨脹管、無滲透泥漿等技術(shù)；在防止鉆具與套管磨損方面，發(fā)展了防磨接頭等；在解決固井技術(shù)難題時，發(fā)展了高密度水泥漿、低密度水泥漿、隨鉆擴(kuò)眼工具、膨脹式鉆頭等；在提高鉆速、減輕地層損害、增加油井產(chǎn)能方面，發(fā)展并完善了空氣鉆井技術(shù)、欠平衡鉆井等；在提高鉆井效率、保障井身質(zhì)量方面，發(fā)展了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等；在提高勘探成功率、油層鉆遇率方面發(fā)展了隨鉆測井、地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)等。這些新技術(shù)的實施極大地保障了油公司和服務(wù)公司的利益，促進(jìn)了新技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程，加快了油氣勘探開發(fā)的步伐。