前陸盆地油氣勘探的鉆井技術

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的領域。前陸盆地也是我國中西部油氣勘探的最重要領域，該地區發育有１５個前陸盆地，主要包括塔里木盆地塔西南、庫車，準噶爾盆地西北緣、南緣，吐哈盆地北部，柴達木盆地北部、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。
　　
　　前陸盆地鉆井技術難點與技術需求
　　
　　前陸盆地的地面條件惡劣，地層具高陡構造，巖石強度大、堅硬、研磨性高、可鉆性差，存在多套壓力系數，地層異常高壓，地層破碎，表現為在鉆井過程中井斜難于控制，井漏嚴重，卡鉆頻繁，套管磨損，使得鉆井過程中復雜事故時效高、機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井成本高。如何優質、安全、快速鉆井成為制約前陸盆地油氣勘探開發進程的重大技術難題。鉆井作為勘探開發過程中的重要環節，費用占勘探開發投資的５０％以上。鉆井速度的高低、鉆井質量的優劣，很大程度上影響著勘探開發的進程和整體效益。
　　
　　針對上述難點，前陸盆地鉆井技術研究應解決：高陡構造及逆掩推覆體防斜打快問題；高密度泥漿漏失引起的復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；儲層的有效保護問題。為此應開展高效防斜打快技術研究，引進垂直鉆井系統或旋轉導向鉆井系統，發展空氣錘技術；開展地層壓力和巖性的預測，提高地層的預測精度，減少卡鉆等事故的發生；開展膨脹管、波紋管、隨鉆堵漏等技術的研究，提高堵漏成功率；開展欠平衡鉆井技術、無滲透鉆井液等技術的研究，提高油層保護水平；開展固井評價與固井技術研究，提高固井質量等。
　　
　　前陸盆地油氣鉆井技術
　　
　　１．防斜技術 近年來在現場應用較好的防斜技術，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等，并正在發展反鐘擺鉆具防斜、預彎曲鉆具動力學防斜等技術。
　　
　　貝克休斯公司在２０世紀８０年代末開始研制垂直鉆井系統（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年代中葉發展了新的垂直鉆井裝置（ＳＤＤ），９０年代末又發展成為自動井斜控制的旋轉導向閉環系統（ＶｅｒｔｉＴｒａｋ），成功地解決了高陡構造地區、斷層區和鹽層鉆井時井眼傾斜問題，并為鉆進叢式井，以及采用小尺寸井身結構等提供了可靠保障。近年來在旋轉導向鉆井技術基礎上，斯倫貝謝公司又成功發展了Ｐｏｗｅｒ Ｖ垂直鉆井系統。這些垂直鉆井系統是機、電、液、通訊一體化的高技術產品，有顯著的經濟效益和技術優勢，能夠節省大量的鉆井時間和費用。
　　
　　實踐證明，ＶＤＳ、ＳＤＤ、ＶｅｒｔｉＴｒａｋ、Ｐｏｗｅｒ Ｖ垂直鉆井系統有助于作業商在最富挑戰的前陸盆地環境中，包括高陡構造、斷層、逆掩推覆體、鹽層等復雜情況下，不僅能維持最優的鉆井參數，并且可鉆出高質量的井眼。
　　
　　２．空氣／空氣錘鉆井技術 空氣錘完全依靠空氣錘活塞作用在鉆頭上的震擊作用進入地層。使空氣錘有效作業只需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。
　　
　　空氣錘技術克服了空氣鉆井中井斜的問題。對于嚴重傾斜的地層，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行鉆井作業，遇到的主要鉆井問題就是地層太硬且存在嚴重的井斜問題。殼牌采用了空氣錘鉆井，很快就認識到了空氣錘鉆井應用于這類地層的巨大潛能，并且進一步提高了空氣錘的質量。目前空氣錘已經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，如鉆頭強度增大從而大大提高了單只鉆頭進尺，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能夠在堅硬、易斜地層鉆進中，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，節省了鉆井綜合成本。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、試油等作業的順利進行。
　　
　　威德福公司采用空氣錘鉆進玉門青西前陸盆地逆掩推覆體地層，機械鉆速達１０～１５米／小時，而目前玉門推覆體地層鉆進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，縮短高陡構造地層的鉆井周期，改善井身質量，加快前陸盆地的勘探與開發。

    ３．鉆井液技術 在前陸盆地鉆井過程中，經常會鉆遇高陡、高溫、高壓、流塑性、破碎性等復雜地層，對鉆井液技術的要求越來越高，針對不同地層類型與地質結構，應該開發使用不同的鉆井液體系。例如，針對鹽、膏、泥復合地層，根據井深、井溫、地應力、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，采用等離子效應控制石膏的溶解；飽和鹽水鉆井液中應加入瀝青類與磺化酚醛樹脂類產品，封堵泥巖層理、裂隙，降低高溫高壓濾失量，防止井塌；選用合理環空返速與鉆井液流變參數，既保證鉆屑的攜帶，又保證環空流體處于層流，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 欠平衡鉆井的主要優點是能減輕地層損害，增加油井產能，提高機械鉆速，能較好地適應前陸盆地的地質特點。近年來，欠平衡鉆井技術逐漸得以完善，發展了包括氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井和泥漿欠平衡鉆井在內的欠平衡鉆井技術系列，形成了旋轉防噴器、可循環泡沫、不壓井起下鉆裝置、套管閥等欠平衡鉆井配套技術。
　　
　　目前投入使用的欠平衡鉆井技術主要有：干空氣鉆井、氣－霧鉆井、穩定泡沫和非彈性泡沫鉆井、充氣鉆井液鉆井、井下注氣鉆井技術等。其中，井下注氣鉆井技術是通過寄生管、同心管、鉆柱和連續油管在鉆進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，隨著設備和工藝的完善，這種技術已成為欠平衡鉆井技術的主導技術。在加拿大，欠平衡鉆井技術可比普通鉆井技術的鉆速提高２～６倍。
　　
　　５．利用隨鉆擴眼器提高前陸盆地固井質量 前陸盆地常規套管程序一般采用 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，由于環空間隙小，固井質量難以保證。為了保證固井質量，可采用擴眼作業。先進的擴眼方式是采用雙心鉆頭同時鉆進和擴眼。由于雙心鉆頭的一體式設計以及領、擴眼工作面尺寸限制，導致領眼與擴眼壽命不一致，而使鉆井成本增加，鉆頭壽命縮短。此外雙心鉆頭領眼和擴眼間距離較短，鉆進時由于偏心力不足，造成擴眼尺寸達不到要求，井眼不規則。立足于雙心隨鉆擴眼鉆頭取得的進展，針對雙心鉆頭存在的不足，開發了隨鉆擴眼工具。這一新概念的主要特點是：可更換領眼鉆頭，高度強化擴眼工作面的擴眼能力，靈活的領、擴眼間的鉆具組合。
　　
　　針對復雜、惡劣的地質條件，國外鉆井技術發展很快，先后發展了導向鉆井技術、ＶｅｒｔＴｒａｋ、Ｐｏｗｅｒ Ｖ等垂直鉆井系統，較好地解決了鉆井過程中的井斜問題，提高了鉆速，提高了井眼質量。在應對井漏問題方面，發展了波紋管、膨脹管、無滲透泥漿等技術；在防止鉆具與套管磨損方面，發展了防磨接頭等；在解決固井技術難題時，發展了高密度水泥漿、低密度水泥漿、隨鉆擴眼工具、膨脹式鉆頭等；在提高鉆速、減輕地層損害、增加油井產能方面，發展并完善了空氣鉆井技術、欠平衡鉆井等；在提高鉆井效率、保障井身質量方面，發展了旋轉導向系統等；在提高勘探成功率、油層鉆遇率方面發展了隨鉆測井、地質導向技術等。這些新技術的實施極大地保障了油公司和服務公司的利益，促進了新技術的工業化進程，加快了油氣勘探開發的步伐。