Key Drilling Technologies for the Ultra-Deep Well Manshen 1 in the Tarim Basin
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摘要:
满深1井是位于塔里木盆地塔北隆起满深1号断裂带上的一口预探井，钻井过程中存在二叠系玄武岩漏失与垮塌同存，志留系塔塔埃尔塔格组可钻性差、钻头磨损快，奥陶系桑塔木组易井斜与井壁失稳垮塌等技术难点。为此，研究应用了二叠系优快钻井技术、志留系减振提速技术和奥陶系防斜防塌技术，有效解决了该井面临的钻井技术难点：应用混合钻头+螺杆钻具提速技术一趟钻钻穿二叠系玄武岩地层，应用聚磺钻井液体系确保了二叠系地层的安全钻进，未发生漏失及垮塌等井下故障，与邻井相比机械钻速提高了265.96%；应用个性化PDC钻头+TorkBuster扭力冲击器一趟钻钻穿志留系地层，且钻进期间扭矩稳定、粘滑振动弱，减振提速效果明显；应用预弯曲动力学防斜钻具组合钻进奥陶系高陡地层，防斜打直效果明显；应用高性能防塌水基钻井液安全钻穿奥陶系硬脆性泥岩，井壁稳定效果显著。该井试油获得高产工业油流，实现了塔里木盆地超深层油气勘探的重大突破，形成的超深层碳酸盐岩钻井完井技术为塔里木油田深层油气勘探开发提供了技术支撑。
Abstract:Well Manshen 1 is a pre-exploration well deployed on the Manshen No. 1 fault zone of the Tabei uplift in the Tarim Basin. During the drilling process, this well suffered from both lost circulation and the collapse of Permian basalt. Further, the development of the well was challenged by poor drillability and rapid bit wear in Silurian Tataaiertage Formation, and the slanting and wellbore instability/collapse in Ordovician Santamu Formation. Through technical research, a series of technologies and interventions strategies such as Permian “2X Excellence” drilling, the Silurian vibration reduction and accelerated drilling, and the Ordovician anti-slanting/ collapse drilling were developed, which effectively solved those challenges. The application of hybrid drilling bit+ PDM fast drilling technology successfully penetrating Permian basalt in one trip; the application of polysulfonate drilling fluid system ensuring the safe drilling in Permian strata, and eliminating the downhole failures such as leakage and collapse. Compared with the adjacent wells, the ROP was increased by 265.96%; the customized PDC bit + TorkBuster torque impactor successfully penetrating Silurian strata in one trip, the torque was stable and the stick-slip vibration was weak during the drilling, and the effects of vibration reduction and speed up were clear. The application of pre-bending downhole motor BHA successfully allowed the drillbit to penetrae the Ordovician large dip-angle strata. In this, the anti-slanting effect was obvious; the application of high-performance anti-collapse water-based drilling fluid system safely drilling through the Ordovician hard and brittle mudstone, which achieved a remarkable borehole stabilization effect. This well achieved high-production industrial oil flow drilling oil testing, brought about a major breakthrough in ultra-deep oil and gas exploration of the Tarim Basin, and initially formed the ultra-deep carbonate drilling/completion technologies, which provided technical supports and best practice for the deep oil and gas exploration & development the of Tarim Oilfield.
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苏北盆地油气层具有“小、贫、碎、散”的特征[1]，取心目的层主要为新生界的戴南组和阜宁组，地层岩性为砂泥岩互层，钻井取心时泥岩进尺相对偏多。据统计，95%以上的取心井为定向井，取心井段井斜角为25°～40°，其中约30%定向井取心井段的井斜角超过35°，最大井斜角达到59.8°。苏北盆地多口井的戴南组和阜宁组地层取心结果表明，取心钻头易发生泥包现象，同时受井斜角和地层岩性的影响，常规取心工具的机械钻速和岩心收获率低。
为了解决苏北盆地戴南组和阜宁组泥岩地层钻井取心过程中出现的问题，笔者在分析取心层位地层特点的基础上，研制了个性化取心钻头、优选了取心工具、优化了取心水力参数，形成了适用于该地区泥岩地层的取心关键技术，并在48口井进行了现场应用，均取得了较好的应用效果。
1. 地层特点及取心难点技术
1.1 地层特点
苏北盆地自西向东分别为金湖凹陷、溱潼凹陷和海安凹陷，自上而下钻遇东台组、盐城组、三垛组、戴南组、阜宁组和浦口组地层，部分区块戴南组缺失，各区块目的层的埋深也有一定差别。苏北盆地主要储层和取心层位为戴南组1段和阜宁组3段。
戴南组1段（Ed1）下部为砂砾岩，上部为细砂岩、泥岩。岩性以灰色、浅灰色、褐灰色和黄灰色细砂岩为主，储层较薄，一般为0.50～4.00 m，可钻性级值低，一般为3～4级。
阜宁组3段（Ef3）为灰黑色泥岩与浅灰、灰白色粉砂岩、细砂岩互层地层，储层薄且厚度不均，一般为0.50～6.00 m，是苏北盆地油气主要富集层位，可钻性级值稍高于戴南组。阜3段泥岩黏土矿物含量较高，海安凹陷张家垛区块的张3–4井井下垮塌物的沉积岩全岩X射线衍射定量分析表明，黏土矿物含量占46.8%～51.7%,伊/蒙混层占73.0%～77.0%，伊利石占10.0%（见表1），属于伊/蒙混层型泥页岩[2]。这种泥岩发育不同类型的裂缝，泥质含量比较高、伊/蒙混层含量高，黏土矿物易水化膨胀、分散和垮塌[3]。
表 1 张3–4井阜宁组泥岩沉积岩全岩X-射线衍射定量分析Table 1. Whole rock X-ray diffraction quantitative analysis of mudstone sedimentary rocks in the Funing Formation of Well Zhang3-4井深/m 全岩成分，% 黏土矿物 石英 钾长石 斜长石 重晶石 3 510.00～3 515.00 51.7 36.2 2.1 8.9 1.1 3 516.00～3 520.00 46.8 35.9 3.0 12.9 1.4 3 525.00～3 530.00 50.7 35.4 2.6 9.8 1.5 1.2 取心技术难点
通过分析苏北盆地多口井的戴南组和阜宁组地层取心资料，发现取心作业主要存在以下技术难点：
1）取心钻头与泥岩地层配伍性差，机械钻速低。2014年和2015年平均取心钻进时机械钻速分别为0.61和0.90 m/h。
2）苏北盆地南华区块PDC取心钻头泥包现象时有出现，严重影响了机械钻速。出现泥包钻头现象时，取心机械钻速迅速降低，钻时急剧升高。
3）苏北盆地部分区块（如溱潼区块西部斜坡吉沟构造）阜宁组3段泥岩分散、破碎严重。采用常规取心工具拔心或起钻过程中易造成泥岩岩心掉心、漏心，导致岩心收获率低，严重时出现过岩心收获率为0的情况。
4）采用常规取心工具易引起堵心、磨心，造成岩心收获率低。
2. 取心钻头的研制
2.1 取心地层岩石可钻性分析
苏北盆地戴南组、阜宁组地层岩石可钻性分析结果表明，岩石为中、低强度，可钻性级值为3.0～6.5，为软—中硬地层。
根据室内岩石可钻性测试结果和现场钻头使用经验，可钻性级值与复合片直径对应关系见表2。对可钻性级值为4～5的地层，选择直径为13.0～16.0 mm的进口PDC复合片作为切削元件[4–5]，考虑到苏北盆地戴南组和阜宁组地层的埋深存在差异，以及取心钻头对部分深井、硬地层的适应性，选择
ϕ 13.0 mm PDC复合片，研制了GC406型取心钻头。表 2 岩石可钻性级值与复合片直径对应关系Table 2. Relationship between the drillability extreme value and compact size地层类型 可钻性级值Kd 复合片直径/mm 软地层 Kd≤3.5 19.1 中地层 3.5<Kd≤5.0 16.1 中硬地层 5.0<Kd≤7.0 12.7 硬地层 7.0<Kd≤8.5 8.0 极硬地层 8.5<Kd≤10.0 其他 2.2 钻头水力结构设计
针对戴南组、阜宁组地层中含有大段分散性强的泥岩，钻头容易泥包且岩心容易被冲蚀而不成形，甚至无法获得岩心等情况，采用计算机软件辅助设计了GC406型取心钻头的水力结构，在每个刀翼前布置一个大直径喷嘴，喷嘴喷射方向与轴线的夹角取3°～10°；并对排屑槽斜面倾角进行了优化设计，取适当角度值（见图1）。
GC406型取心钻头采用大喷嘴加内规径流道和经过优化的排屑槽斜面，具有以下优点：
1）采用了大直径喷嘴，其喷射方向直接对准刀翼上的切削齿，可有效清洗切削齿。刀翼上流速的分布原则是：尽量让高流速区分布在各刀翼的主切削齿上，避免在主切削齿附近出现低流速区进而发生取心钻头泥包现象[6]。
2）钻头内的流道为常规固定水眼加内规径流道，可以实现钻井液分流模式。大约80%左右的钻井液从固定水眼的喷嘴流出，减轻了钻井液对岩心的冲蚀；同时，大约20%的钻井液通过内规径流道流出，润滑岩心，减小岩心入筒阻力，有助于岩心进入内筒，提高机械钻速。
2.3 “G 系列”切削齿的应用
GC406型取心钻头切削齿选用了“G系列”切削齿。钻头采用非平面结构，将有害应力从齿的边缘转移到易于吸收高载荷的区域，确保切削齿长时间保持自锐，以延长钻头的使用寿命。同时，“G系列”切削齿具有高抛光表面，可以减小岩屑与切削齿表面的摩擦力，改善岩屑运移状态，提高机械钻速。
2.4 防泥包涂层设计
GC406型取心钻头采用了独特的钻头表面负离子处理技术，使钻头表面带有负电荷，在钻头周围形成一个阳板，产生微电流，钻头与钻井液之间形成一个水的富集区，起润滑或隔板作用。钻进时，黏土表面负离子与钻头表面的负电荷相斥，防止钻头泥包。
2.5 PDC–DS软件优化布齿
PDC–DS软件能够针对复杂地层、钻头复杂运动条件及复杂结构钻头进行PDC钻头工作力学性能分析与评价。使用PDC–DS软件优化GC406型取心钻头的稳定性、工作寿命和水力参数。优化后的GC406型钻头采用六刀翼、
ϕ 13.0 mm切削齿、小后倾角和适当侧转角的设计，提升了钻头的总体性能，可以获得更高的机械钻速。3. 取心筒优选
多年来，苏北盆地取心作业先后使用过川式常规取心工具、胜利油田Rb系列取心工具和江苏油田苏式多功能取心工具。常规取心工具大部分仅适用于直井取心，在定向井取心过程中存在内外筒相互接触、岩心进筒困难和岩心入筒后阻力大等问题，易发生堵心、卡心。
根据苏北盆地地层特征、井型、钻井液类型和井壁条件，选择苏式JS–6全封销挂式多用取心筒或川式DJQ172–101型定向井（投球式）取心筒。苏式JS–6全封销挂式多用取心筒的内筒全面密封，悬挂总成只用一个销子连接和悬挂，内筒底部设有通用底轴承。该轴承由内圈、外圈、盖圈、挡圈及钢球组成，具有扶正内筒的作用。川式DJQ172–101型定向井（投球式）取心筒由安全接头、旋转总成、差值短节、外筒、内筒滚柱支撑节和岩心爪组成，适用于大斜度井、定向井和直井取心。
这2种取心筒的内筒在取心前都可以通过循环钻井液进行冲洗，以清除下钻过程中进入内筒的岩屑、滤饼，防止形成“假心”，引起堵心。同时，内外筒均可以适当加长，实现双筒、三筒取心，适合苏北盆地常规油气井和非常规页岩气井连续取心作业[7–8]。
4. 取心水力参数优化
苏北盆地油气井钻井采用清水钻井液，滤失量大，容易使井壁附近的泥岩水化、膨胀；尤其是阜宁组泥岩岩屑吸水膨胀易造成PDC钻头或牙轮钻头泥包，从而大幅降低机械钻速。为此，需采取改善钻井液性能和水力参数优化措施，以减少PDC取心钻头泥包的现象。
采用性能合适的低黏、低切钻井液，使用离心机清除钻井液中的劣质固相，以降低劣质固相含量。采用阳离子乳液钻井液，提高钻井液的抑制性能，在钻进上部砂岩地层时加足聚合物，以保证钻井液具有较强的抑制能力。
GC406型取心钻头喷嘴的角度和喷射方向进行了特殊设计，可以使井底水力流场和流速得到合理分布。在实际取心作业过程中根据地层岩性选择合适的排量，砂岩地层推荐排量18～20 L/s，以防止松散地层岩心刺心和冲蚀，在泥岩地层将排量增大至22～24 L/s，以确保及时将钻头周围的岩屑携带走，避免泥岩黏附在切削齿表面影响切削效率，同时防止钻头泥包。
5. 复杂情况处理措施
5.1 取心钻头泥包
PDC钻头泥包主要包括切削齿泥包、钻头中心泥包、排屑槽最窄处泥包、排屑槽泥包和钻头整体泥包等情况。取心钻头泥包与地层黏土含量、黏土颗粒分散度、钻井液类型及PDC取心钻头本体材质等有关。解决取心钻头的泥包问题，需要根据取心地层的特点，采取选用抑制性能强的钻井液、优化取心钻头的水道和优选水力参数、对取心钻头表面进行处理、提高钻井液排量、下钻过程中分段循环钻井液等技术措施。PDC取心钻头一旦发生泥包，会导致部分或全部切削齿不能接触地层，机械钻速直线降低[9]。
5.2 取心过程中堵心
取心过程中堵心一般由于以下3种情况造成，处理措施分别为：
1）在取心前循环时未能清除滤饼、井壁黏附的岩屑，下钻过程中，形成“假心”占据岩心内筒空间。因此，需要在取心前大排量循环，以清除进入内筒内部的“假心”。
2）取心筒内筒生锈、腐蚀严重，导致内筒内径缩小，取心过程中导致堵心。因此，取心时要选用不锈钢内筒，并经常检查取心筒内筒，发现问题及时更换内筒。
3）戴南组、阜宁组泥岩胶结物主要为伊/蒙混层和伊利石，伊/蒙混层矿物水化膨胀易剥落掉块，导致取心时岩心在岩心筒内破碎，取心时表现为钻压不回、机械钻速变慢和钻时急剧增长。分析认为，岩心在内筒内破碎、松散，形成“楔心”现象，后续岩心进入内筒的阻力增大，形成局部堵心，造成取心机械钻速突然降低。取心过程中若施加40～60 kN钻压存在钻时特别长的情况，可能发生堵心，应快速将钻压加至100 kN，以解除堵心，恢复正常取心钻进；如果上述操作未能解除堵心，应立即磨心，割心起钻，避免磨心导致岩心收获率降低。
5.3 优选不同类型岩心爪
多口井的取心作业发现，拔心时有明显附加悬重显示，但是出心时岩心长度比进尺短得较多。出现这种情况的原因是采用的岩心爪不适于在破碎、松散的地层取心。
苏北盆地常用的岩心爪是摩擦式弹簧卡箍岩心爪（见图2），割心方式为弹簧卡箍收缩割心，收缩接头内加工有锥度为1∶5的斜面，使用22条摩擦条、摩擦因数达到0.82的卡箍[10–11]。摩擦式弹簧卡箍靠岩心的重力和钻具上提，引起弹簧卡箍依靠摩擦力向下移位，弹簧卡箍在带锥度的斜面上移动、收缩，卡住岩心，拔断岩心。JS–6全封销挂式多用取心筒和DJQ172–101型定向井（投球式）取心筒均可以使用弹簧卡箍岩心爪割心，该岩心爪可以割取
ϕ 101.0 mm岩心，适用于成柱性好、胶结致密的地层；但是弹簧卡箍岩心爪不能够完全封闭岩心下端，在松散、易破碎地层取心起钻过程中有掉心的可能。取心作业时，可根据取心地层中黏土矿物的伊利石含量、伊/蒙混层含量和岩心成柱情况，选择不同的岩心爪。在胶结不好、成岩差、破碎地层选择卡板岩心爪（见图3），在松散、裂解、极破碎地层选择弹簧卡箍加篮式一体化组合岩心爪（见图4），以确保不发生掉心、漏心等情况。
卡板岩心爪适合在疏松、松散地层取心，其割心机构可以割取
ϕ 75.0 mm的岩心。取心钻至设计进尺后，停止旋转转盘并停止施加钻压。在方钻杆与转盘面平齐的地方做2个相距0.13 m的标记。分多次上提，将钻压降至0 （但是钻头不提离井底），开动转盘、空转，磨岩心凹槽15 min左右（在转动的过程中，取心钻头的切削内刃因摆动将岩心磨出一圈凹槽），然后恢复取心钻进，继续钻进0.13 m，此时卡板岩心爪的卡板刚好卡入岩心凹槽，停转盘、上提钻具,卡板微张开后进行割心操作[12]。苏北盆地南华区块使用卡板岩心爪割心，割心时一般有50～100 kN的附加悬重显示。起钻过程中随着井内液柱压力降低和水基钻井液中浸泡时间增长，岩心逐步裂解、破碎，导致起钻过程中所取岩心易掉落，该类地层可选用弹簧卡箍加篮式一体化岩心爪。该岩心爪可以实现内筒全封闭，可确保起钻过程中不发生掉心。
6. 现场应用
2017—2018年，新研制的GC406型取心钻头配合JS–6全封销挂式多用取心筒或DJQ172–101型定向井（投球式）取心筒，在苏北盆地48口井的戴南组、阜宁组地层取心作业中进行了现场应用，平均机械钻速大于3.50 m/h，远远大于2014年的平均机械钻速（0.61 m/h）和2015年的平均机械钻速（0.91 m/h）。
陈8井和陈9井是苏北盆地某区块的2口邻井，分别使用常规的8440FQ203型取心钻头和新研制的GC406型PDC钻头在阜宁组3段进行取心，取心效果如表3所示。从表3可以看出，GC406型取心钻头的进尺、机械钻速和岩心收获率均明显高于8440FQ203型取心钻头。
表 3 陈8井和陈9井阜宁组地层取心效果对比Table 3. Coring result in Funing Formation of Well Chen 8 and Well Chen 9Comparison of coring effect in Funing formation of Well Chen 8 and Chen 9井号 取心井段/m 井斜角/（°） 进尺/m 岩心长度/m 机械钻速/（m·h–1） 岩心收获率，% 钻头型号 陈8井 1 773.01～1 780.66 33.1 7.65 7.65 0.64 100.0 8440FQ203 1 826.10～1 832.71 33.2 7.65 6.61 0.32 100.0 1 854.45～1 858.45 33.4 4.00 3.60 0.35 90.0 1 862.93～1 847.13 33.5 4.20 3.07 0.37 73.1 1 996.11～2 000.11 33.7 4.00 3.60 0.47 90.0 陈9井 1 916.04～1 924.34 34.2 8.30 8.30 5.53 100.0 GC406 1 924.34～1 930.70 34.3 6.36 6.36 3.51 100.0 1 930.70～1 938.19 34.3 7.49 7.49 3.55 100.0 1 938.19～1 947.24 35.0 9.05 9.05 18.10 100.0 1 947.24～1 956.24 35.5 9.00 9.00 4.19 100.0 陈9井阜3段定向井段的井斜角为34.3°，使用GC406型取心钻头连续取心7回次，最高机械钻速达到18.10 m/h、连续取心进尺58.35 m，岩心收获率100.0%，创苏北盆地连续取心进尺最长纪录。
花2井戴南组、阜3段定向井段的井斜角为21.0°，使用GC406型取心钻头取心5回次，最高机械钻速达到24.80 m/h、取心进尺38.64 m，岩心长38.49 m，岩心收获率99.6%，创苏北盆地取心机械钻速最高纪录。
7. 结论与建议
1）针对苏北盆地戴南组、阜宁组泥岩地层取心需求，研制了GC406型取心钻头，配合使用JS–6全封销挂式多用取心筒或DJQ172–101型定向井（投球式）取心筒，形成了该区块泥岩地层取心关键技术。
2）GC406型PDC取心钻头采用了特殊的水力结构和防泥包涂层，解决了苏北盆地戴南组和阜宁组泥岩地层泥包取心钻头的问题。
3）取心前要根据地质预测分析地层的岩性特征和松散程度选择合适的岩心爪，以确保拔心和起钻过程中不发生掉心，提高岩心收获率。
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表 1 满深1井志留系塔塔埃尔塔格组钻头应用情况
Table 1 The application of bit in the Silurian Tataaiertage Formation of Well Manshen 1
PDC钻头型号 钻进井段/m 进尺/
m纯钻时间/
h机械钻速/
（m·h–1）DXS1654 4 885.00～4 918.00 33.00 11.0 3.00 DXS1654 4 918.00～4 975.00 57.00 19.0 3.00 KS1652DGRX 4 975.00～5 014.80 39.80 23.0 1.73 DXS1654 5 016.65～5 032.60 15.95 10.0 1.60 KS1652DGRX 5 032.60～5 124.59 91.99 17.0 5.40 KS1652DGRX 5 127.00～5 209.45 82.45 19.5 4.23 
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