申延晴 牛罡 張媛 朱雪華 宋波凱
摘 要： 克拉美麗山前地區石炭系火山岩油氣藏，鑽井縱向上存在壓力系統複雜、地層易漏易塌、鑽頭選型困難，機械鑽速慢，鑽井工期長等問題。針對以上問題，通過優化井身結構，建立多因素的鑽頭優選方法，優選合理的鑽頭型號和個性化PDC鑽頭;優選鉀鈣基鑽井液體系;採用復合鑽井技術。最終形成了適合該地區石炭系的鑽井提速配套技術。通過10口井現場試驗表明，井下複雜時率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山岩機械鑽速由2.87 m/h提高至5.05 m/h，單井鑽井工期縮短了10～15 d。這表明，鑽井提速配套技術可以降低複雜時率，提高機械鑽速，縮短鑽井工期，為該地區資源規模有效開發和鑽井提速提供了技術支撐，具有較好的實用性和推廣應用價值。
關 鍵 詞：鑽井提速;井身結構;鑽頭優選;PDC鑽頭;復合鑽井技術;石炭系;火山岩
中圖分類號：TE 22 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2019）11-2634-05
Matching Technology of Drilling Speed Increase for Carboniferous
Reservoirs in Kelameili Mountain Front Area
SHEN Yan-qing1，NIU Gang1，ZHANG Yuan1，ZHU Xue-hua1，SONG Bo-kai2
（1. Exploration Utility Department， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Xinjiang Karamay 834000， China;
2. College of Petroleum Engineering， Yangtze University， Hubei Wuhan430100， China）
Abstract： There were many drilling problems in carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area， such as complicated pressure system， easy to leak and collapse in the formation， difficult type selection of bit， slow drilling speed， long drilling time and so on. In view of above problems，by optimizing the well structure and selecting the scientific and reasonable bit model， a multi-factor bit selection method was established， and the personalized PDC bit was optimized as well as potassium calcium based drilling fluid system， and compound drilling technology was used to form a matching technology for the drilling speed increase of carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area of Xinjiang oil field. The field tests of 10 wells showed that the underground time rate was reduced from 4.5% to 1.5%， the mechanical drilling speed of the carboniferous volcanic rock was increased from 2.87 m/h to 5.05 m/h， and the single well drilling time was shortened 10～15 days. It shows that the technology to increase drilling speed for carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area can reduce the complex time rate， improve the mechanical drilling speed， shorten the drilling time， which can provide the technical support for the effective exploitation of the resources and the speed increase of the drilling in this area， so the matching technology has good practicability and the value of popularization and application.
Key words： Drilling speed increase; Well structure; Bit optimization; PDC bit; Compound drilling technology; Carboniferous; Volcanic rock
近年來，克拉美麗山前石炭系火山岩油氣藏成為新疆油田重點天然氣勘探領域。探井鑽井情況表明：該區石炭系埋深度達3 500～5 000 m，厚度為300～1 200 m，岩性為泥岩、凝灰岩、安山岩、玄武岩、火山角礫岩等，縱向岩性變化頻繁，夾層多，岩石可鑽性級值高達7～9，單軸抗強度150 MPa以上，鑽頭選型困難，機械鑽速慢，鑽井工期長。上部三疊系和二疊系砂泥岩夾層發育，井壁穩定差，井徑不規則，下部石炭系天然裂縫發育，易發生漏失，安全鑽井密度窗口窄，深層石炭系鑽井風險大，井身結構優化困難[1]。因此，圍繞克拉美麗石炭系火山岩氣藏開發鑽井技術需求，開展井身結構優化及快速鑽井技術研究，形成適合克拉美麗石炭系火山岩氣藏鑽井提速配套技術。研究成果在現場取得了良好的實施效果。
1 鑽井提速難點分析及主要問題
1.1 提速難點分析
（1）地層壓力系統複雜。地層壓力系統縱向上呈上低、中高、下不確定的複雜情況，上部地層（K1tg～J1b）正常壓實，地層壓力係數1.00左右;中下部地層（T3b～T1b）為壓力過渡帶，P3wt～C為異常壓力段，壓力係數0.7～1.4;M6井石炭系實測壓力係數：1.254～1.33，M10井石炭系實測壓力係數：1.057～1.216。
（2）漏失壓力低、漏層發育，防漏堵漏難度大，普遍存在漏失現象[2]。地層壓力與漏失壓力接近，安全鑽井密度窗口窄;漏失頻率高、漏失量大;全區域、各層位均有漏層發育，滲透型、裂縫型並存[3]。
（3）中下部地層不穩定，石炭系頂部存在碳質泥岩，易坍塌。侏羅系以上地層坍塌壓力較低（0.5～1.0），侏羅系底部至石炭系頂部地層坍塌壓力係數較高（1.1～1.4）[4]。
（4）二疊系砂礫岩、石炭系火山岩岩石強度高，岩性變化大，鑽頭選型難，鑽速低。二疊系牙輪鑽頭可鑽性5級～6級，石炭系牙輪鑽頭可鑽性6級～7級[5]。
1.2 主要問題
（1）井漏頻繁、漏失量大。
（2）阻卡事故多。
（3）鑽井速度低，鑽井周期長，鑽井成本高。由於該區複雜的鑽井地質特點，造成鑽井周期長達3台月～4台月，鑽井成本高。
2 鑽井提速配套技術
2.1 井身結構優化
2.1.1 設計依據
（1）有利於減少井下複雜，保證鑽井施工安全。要防止淺層流砂層滲漏，白堊系、侏羅系、三疊系地層滲漏、二疊系、石炭系裂縫漏失。要有利於防止淺部地層垮塌，勝金口組（K1s）大套褐色泥岩垮塌，八道灣組煤層及及灰黑色碳質泥岩垮塌，三疊系克拉瑪依組褐色泥岩垮塌，梧桐溝組褐色泥岩垮塌。防止石炭系井漏與井噴。
（2）根據壓力系統的分布規律，確定套管層次和下深。根據地質錄井資料、試氣資料統計，克拉美麗地層壓力可以分為三個壓力分布區域：正常壓力帶，壓力過渡帶和異常壓力帶。在區域分布上，也存在較為明顯的變化規律，如白堊系呼圖壁組自東向西地層壓力逐漸升高（0.8～0.9）;侏羅系三工河組自東偏南方向向西偏北方向壓力升高（0.8～1.0），侏羅系八道灣自東北向西南抬升，壓力係數為0.9～1.1，局部地方高達1.2;石炭系地層壓力自東偏南方向向西偏北方向壓力升高（0.8～1.3）。
（3）考慮有利於採用鑽井提速和安全鑽進需求。二疊系地層硬，地層易垮塌，存在大尺寸鑽進鑽速慢問題[6]。為防止該段泥岩坍塌，提高密度又帶來上部地層的漏失問題。
（4）符合行業規範與標準。
2.1.2 井身結構優化方案
克拉美麗山前構造井身結構優化方案見表1。
採用Φ444.5 mm鑽頭鑽至井深500 m，下入F339.7 mm表層套管，採用內管注水泥工藝固井，水泥漿返至地面。封隔地表流沙層，為井口控制和後續安全鑽井創造條件。
2.2 地層岩石力學特性分析及鑽頭優選
2.2.1 地層岩石力學特性分析
M8井鑽井岩石力學強度剖面見圖1。
M8井各層段鑽井岩石力學強度具有以下特點：
（1）白堊系地層強度24 MPa，內摩擦角34°。連木沁組下部（～1 200 m）存在4～5段夾層，整體硬度不高，在60 MPa左右，相對平均硬度變化幅度較大，鑽頭從軟地層進入硬夾層容易導致衝擊斷齒，在該段注意鑽井參數的控制。
（2）侏羅系地層強度70 MPa，內摩擦角37°。地層軟硬交互頻繁，容易掉塊、漏失，進入侏羅系地層硬度整體提升近50%，地層軟硬夾層增多且強度變化幅度達到90%。同時該段存在8～10段礫石夾層，厚度達到22～24 m，對PDC鑽頭影響較大，因此在八道灣組要根據地層變化，及時調整鑽井參數，減少夾層對鑽頭的破壞。
（3）三疊系地層強度64 MPa，內摩擦角36°。夾層多易漏失、垮塌。三疊系地層強度有所下降，其白鹼灘下部、克拉瑪依上部強度僅為21 MPa，但是地層軟硬變換頻率較高，應注意井眼質量。
（4）二疊系梧桐溝組及石炭系岩石強度75～97 MPa，內摩擦角41°。泥岩段水敏性強，易剝落，石炭系上部泥岩、安山岩及凝灰岩交錯分布，軟硬變化頻繁且地層研磨性高，應選用抗衝擊性鑽頭。
2.2.2 PDC鑽頭優選
隨著PDC鑽頭的廣泛使用，PDC鑽頭的性能有了很大的提高，從軟底層到硬地層都已經可以使用，而且使用壽命長，鑽進速度快，起下鑽次數少，從而達到了縮短鑽井周期的目的。上部白堊系、侏羅系地層，實現二開兩趟鑽工程，選用窄刀翼大排泄槽，提高鑽頭防泥包能力;礫石夾層，選用優質H3復合片，提高鑽頭抗衝擊性;選用5刀翼19 mm齒，提高機械鑽速;因此，筆者建議選用DBS鑽頭SF55H3。通過PDC鑽頭優選，達到了預期的現場應用效果：二開段成功實現兩趟鑽，二開段機械鑽速提高51%，單趟鑽進尺提高1.6倍，二開段鑽井工期節約17.5 d。
2.2.3 Ф215.9 mm尺寸鑽頭優選
M8井石炭系地層研磨性相對較高、岩石內摩擦角在40°以上，岩石平均抗壓強度在90 MPa左右。鑽進過程中，容易造成鑽頭外排齒及掌尖磨損，降低鑽頭的可靠性。基於現有鑽頭使用分析，本文建議選用阿特拉U513S高效PDC鑽頭，增長鑽頭進尺，以減少起下鑽次數，提高鑽井效率。Ф215.9 mm尺寸鑽頭使用效果對比見表2，可以看出，在M6井、M8井使用阿特拉U513S高效PDC鑽頭時，鑽井機械鑽速明顯提高。
2.2.4 鑽頭優選序列
二開先設計一致三牙輪鑽穿白堊系底部砂礫岩後，再下入4刀翼或5刀翼PDC鑽頭鑽至侏羅系八道灣組中下部，再設計一隻牙輪鑽頭鑽穿八道灣組砂礫岩到白鹼灘穩定泥岩;三開先設計一隻阿特拉高效PDC鑽頭鑽穿三疊系克拉瑪依組中部，鑽至石炭系目的層，最後設計一隻牙輪鑽頭鑽至設計完鑽井深[7]。鑽頭方案設計見表3。
2.3 鉀鈣基鑽井液體系優選
克拉美麗地區地層層系多、經歷地質變動大、不整合接觸、斷裂系統發育、物源充足、沉積快速、欠壓實、孔隙度高、裂縫發育、井漏等問題突出。根據實際鑽井情況和對地層屬性的分析，為了避免和減少鑽井過程中井下複雜情況的發生以及減少鑽井液對儲層造成的損害，根據該地區鑽井、地質及儲層保護的要求優選確定鑽井液體系及配方。二開、三開選擇鉀鈣基鑽井液體系，鉀鈣基鑽井液體系是以有機鹽鑽井液體系為基礎，進一步強化鑽井液抑制能力，強化K+、Ca2+離子增效抑制作用，優選與之配套的處理劑及防漏堵漏材料，完善重泥漿流變控制技術。因此，筆者建議鑽井液體系及配方：
一開採用普通坂土CMC鑽井液體系，配方為10%坂土+0.4%Na2CO3+0.4%CMC（中）+堵漏劑+重晶石。
二開採用鉀鈣基鑽井液體系，配方為4%坂土+0.2%Na2CO3+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%陽離子乳化瀝青+1%潤滑劑+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏劑+0.2%消泡劑+重晶石。
三開採用鉀鈣基鑽井液體系，配方為4%坂土+0.2%Na2CO3+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%陽離子乳化瀝青+1%～2%潤滑劑+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏劑+0.2%消泡劑+重晶石。
根據上述配方對體系優化後的抗溫性能、抑制性、潤滑性等進行了室內實驗評價。經過優化後的體系性能穩定，抗溫性可達140 ℃以上，一次二次滾動回收率高，抑制性強，能有效穩定井壁;潤滑性優良，有效降低扭矩和摩阻，預防卡鑽等複雜;在漏失量和次數等方面明顯降低，確保了順利、安全、快速鑽井施工，滿足克拉美麗山前區塊的鑽井工程需要。2017年，克拉美麗山前地區鑽井工程中均使用了優化後的鉀鈣基鑽井液體系，井下複雜時率由4.5%降低至1.5%，較攻關前明顯降低。
2.4 復合鑽井技術
2.4.1 螺杆鑽具+PDC鑽頭
螺杆鑽具+PDC鑽頭復合鑽井技術已被國內外所公認為可以顯著提高機械鑽速[8]：在鑽柱強度不受影響的情況下，可大幅度提高鑽頭轉速，增加單位時間內鑽頭對地層的切削次數，充分發揮PDC鑽頭低鑽壓高轉速的破岩優勢;在此種鑽井方式下，由於轉盤以低轉速轉動，可以減小整個鑽柱與井壁或套管壁間的摩擦扭矩，有效改善了鑽柱的受力狀況，提高鑽具的使用壽命;利用螺杆+轉盤復合鑽井，可以給鑽頭提供穩定的扭矩，延長鑽頭使用壽命，增加單只鑽頭的進尺。PDC鑽頭適應的轉速在120～300 r/min，通常復合鑽井的轉盤轉速為50～65 r/min，加上螺杆的轉速120～150 r/min，鑽頭轉速在170～215 r/min，充分發揮PDC高轉速的特點來提高鑽井速度[9]。
M8井採用復合鑽，由表4鑽速對比可以看出，二開採用Φ311.2 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為12.74 m/h，是轉盤轉的1.58倍;三開採用Φ215.9 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為4.80 m/h，是轉盤轉的1.79倍，復合鑽井的鑽速以及平均進尺得到了極大的提高。
2.4.2 提速工具+PDC鑽頭
通過現場試驗，二開段二疊系、三疊系藉助提速工具（多維扭力衝擊器3DXC）+PDC鑽頭提速，機械鑽速大幅提升，平均提速1倍以上，大大縮短了施工周期，效果明顯。三開段目的層石炭系天然裂縫發育，易發生漏失，機械鑽速偏低。通過首輪實施井DT1井試驗，在石炭系中上部採用提速工具+PDC鑽頭進行提速，機械鑽速獲得突破，平均機械鑽速達到4.4 m/h，較往年鄰井提速1.2倍[10]。因此，筆者建議後續實施井採用石炭系中上部採用提速工具+PDC鑽頭，中下部採用長壽命高效牙輪的提速技術方案。2015年，鄰井石炭系中上部平均機械鑽速為1.96 m/h，2016-2017年，石炭系中上部採用提速工具+PDC鑽頭提速，平均機械鑽速為3.09 m/h，較2015年有明顯提高。
3 現場應用
通過2年的技術攻關和試驗，在克拉美麗山前地區石炭系火山岩氣藏鑽井10口，實現了三疊系、二疊系和石炭系地層同裸眼鑽進，減少了套管下入深度，井下複雜時率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山岩機械鑽速由2.87 m/h提高至5.05 m/h，單井鑽井工期縮短了10～15 d，並取得經濟效益9 394.02萬元。
4 結 論
（1）針對克拉美麗山前地區石炭系火山岩氣藏井身結構進行了優化設計，形成了一套適合的井身結構，實現了三疊系、二疊系和石炭系地層同裸眼鑽進，減少了套管下入深度，該結構滿足氣井鑽井井控安全條件，最大限度地保護油氣層、避免井下複雜事故發生，達到安全快速鑽進的目的。
（2）根據地層岩石力學特性、優選了以PDC鑽頭為主的鑽頭序列，強化鑽井參數和水力參數，通過對比優化篩選，形成了較好的適應當地地層的鑽頭系列。
（3）2017年，鑽井工程中均使用了優化後的鉀鈣基鑽井液體系，從現場使用情況來看，鉀鈣基體系能夠滿足鑽井工程的需要，有效控制和減少了井下複雜的發生。
（4）採用「螺杆鑽具+高效PDC鑽頭」復合鑽井技術，提速效果明顯，M8井二開試驗Φ311.2 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為12.74 m/h，是轉盤轉的1.58倍;三開試驗Φ215.9 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為4.80 m/h，是轉盤轉的1.79倍，鑽井的鑽速及平均進尺得到了極大的提高;石炭系中上部採用「提速工具+PDC鑽頭」提速，提速效果明顯，2016-2017年，石炭系中上部鑽井平均機械鑽速達3.09 m/h，提速效果顯著。
參考文獻：
[1] 張生銀. 準噶爾盆地准東地區石炭系烴源岩和火成岩儲層發育的地質條件研究[D]. 中國科學院大學， 2014：12-15.
[2] 董波， 王劍波， 彭琳，等. 元壩陸相裂縫性儲層防漏堵漏技術研究[J]. 鑽采工藝， 2015（4）： 118-121.
[3] 楊虎， 周鵬高， 鄧平，等. 克拉美麗火山岩氣藏欠平衡水平井鑽完井技術研究[C].天然氣藏高效開發技術研討會，2011.
[4] 楊虎， 張偉， 凌立蘇，等. 準噶爾盆地陸東裂縫性火山岩鑽探技術[J]. 石油鑽采工藝， 2010， 32（4）： 22-25.
[5] 韓博， 李士斌， 張立剛. 基於虛擬強度指數的復合鑽井鑽頭優選[J]. 當代化工， 2015（9）： 2155-2157.
[6] 楊蘭田， 王西江. 巴麥地區外圍井井身結構優化方案分析[J]. 中外能源， 2012， 17（2）： 64-68.
[7] 鄧平， 陳楊， 楊虎，等. 新疆克拉美麗氣田裂縫性火山岩鑽並技術研究與應用[C].全國特殊氣藏開發技術研討會，2013： 221-222.
[8] 李夢剛， 楚廣川， 張濤，等. 塔河油田優快鑽井技術實踐與認識[J]. 石油鑽探技術， 2008， 36（4）： 000018-21.
[9] 孫琳， 孫海平， 謝建輝. 克拉美麗氣田鑽井提速配套技術應用[J]. 西部探礦工程， 2012， 24（12）： 77-80.
[10]李君， 辛小亮， 付超勝，等. 優快鑽井技術在克拉美麗氣田滴南地區的應用[J]. 天然氣技術與經濟， 2018（1）.
摘 要： 克拉美麗山前地區石炭系火山岩油氣藏，鑽井縱向上存在壓力系統複雜、地層易漏易塌、鑽頭選型困難，機械鑽速慢，鑽井工期長等問題。針對以上問題，通過優化井身結構，建立多因素的鑽頭優選方法，優選合理的鑽頭型號和個性化PDC鑽頭;優選鉀鈣基鑽井液體系;採用復合鑽井技術。最終形成了適合該地區石炭系的鑽井提速配套技術。通過10口井現場試驗表明，井下複雜時率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山岩機械鑽速由2.87 m/h提高至5.05 m/h，單井鑽井工期縮短了10～15 d。這表明，鑽井提速配套技術可以降低複雜時率，提高機械鑽速，縮短鑽井工期，為該地區資源規模有效開發和鑽井提速提供了技術支撐，具有較好的實用性和推廣應用價值。
關 鍵 詞：鑽井提速;井身結構;鑽頭優選;PDC鑽頭;復合鑽井技術;石炭系;火山岩
中圖分類號：TE 22 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2019）11-2634-05
Matching Technology of Drilling Speed Increase for Carboniferous
Reservoirs in Kelameili Mountain Front Area
SHEN Yan-qing1，NIU Gang1，ZHANG Yuan1，ZHU Xue-hua1，SONG Bo-kai2
（1. Exploration Utility Department， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Xinjiang Karamay 834000， China;
2. College of Petroleum Engineering， Yangtze University， Hubei Wuhan430100， China）
Abstract： There were many drilling problems in carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area， such as complicated pressure system， easy to leak and collapse in the formation， difficult type selection of bit， slow drilling speed， long drilling time and so on. In view of above problems，by optimizing the well structure and selecting the scientific and reasonable bit model， a multi-factor bit selection method was established， and the personalized PDC bit was optimized as well as potassium calcium based drilling fluid system， and compound drilling technology was used to form a matching technology for the drilling speed increase of carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area of Xinjiang oil field. The field tests of 10 wells showed that the underground time rate was reduced from 4.5% to 1.5%， the mechanical drilling speed of the carboniferous volcanic rock was increased from 2.87 m/h to 5.05 m/h， and the single well drilling time was shortened 10～15 days. It shows that the technology to increase drilling speed for carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area can reduce the complex time rate， improve the mechanical drilling speed， shorten the drilling time， which can provide the technical support for the effective exploitation of the resources and the speed increase of the drilling in this area， so the matching technology has good practicability and the value of popularization and application.
Key words： Drilling speed increase; Well structure; Bit optimization; PDC bit; Compound drilling technology; Carboniferous; Volcanic rock
近年來，克拉美麗山前石炭系火山岩油氣藏成為新疆油田重點天然氣勘探領域。探井鑽井情況表明：該區石炭系埋深度達3 500～5 000 m，厚度為300～1 200 m，岩性為泥岩、凝灰岩、安山岩、玄武岩、火山角礫岩等，縱向岩性變化頻繁，夾層多，岩石可鑽性級值高達7～9，單軸抗強度150 MPa以上，鑽頭選型困難，機械鑽速慢，鑽井工期長。上部三疊系和二疊系砂泥岩夾層發育，井壁穩定差，井徑不規則，下部石炭系天然裂縫發育，易發生漏失，安全鑽井密度窗口窄，深層石炭系鑽井風險大，井身結構優化困難[1]。因此，圍繞克拉美麗石炭系火山岩氣藏開發鑽井技術需求，開展井身結構優化及快速鑽井技術研究，形成適合克拉美麗石炭系火山岩氣藏鑽井提速配套技術。研究成果在現場取得了良好的實施效果。
1 鑽井提速難點分析及主要問題
1.1 提速難點分析
（1）地層壓力系統複雜。地層壓力系統縱向上呈上低、中高、下不確定的複雜情況，上部地層（K1tg～J1b）正常壓實，地層壓力係數1.00左右;中下部地層（T3b～T1b）為壓力過渡帶，P3wt～C為異常壓力段，壓力係數0.7～1.4;M6井石炭系實測壓力係數：1.254～1.33，M10井石炭系實測壓力係數：1.057～1.216。
（2）漏失壓力低、漏層發育，防漏堵漏難度大，普遍存在漏失現象[2]。地層壓力與漏失壓力接近，安全鑽井密度窗口窄;漏失頻率高、漏失量大;全區域、各層位均有漏層發育，滲透型、裂縫型並存[3]。
（3）中下部地層不穩定，石炭系頂部存在碳質泥岩，易坍塌。侏羅系以上地層坍塌壓力較低（0.5～1.0），侏羅系底部至石炭系頂部地層坍塌壓力係數較高（1.1～1.4）[4]。
（4）二疊系砂礫岩、石炭系火山岩岩石強度高，岩性變化大，鑽頭選型難，鑽速低。二疊系牙輪鑽頭可鑽性5級～6級，石炭系牙輪鑽頭可鑽性6級～7級[5]。
1.2 主要問題
（1）井漏頻繁、漏失量大。
（2）阻卡事故多。
（3）鑽井速度低，鑽井周期長，鑽井成本高。由於該區複雜的鑽井地質特點，造成鑽井周期長達3台月～4台月，鑽井成本高。
2 鑽井提速配套技術
2.1 井身結構優化
2.1.1 設計依據
（1）有利於減少井下複雜，保證鑽井施工安全。要防止淺層流砂層滲漏，白堊系、侏羅系、三疊系地層滲漏、二疊系、石炭系裂縫漏失。要有利於防止淺部地層垮塌，勝金口組（K1s）大套褐色泥岩垮塌，八道灣組煤層及及灰黑色碳質泥岩垮塌，三疊系克拉瑪依組褐色泥岩垮塌，梧桐溝組褐色泥岩垮塌。防止石炭系井漏與井噴。
（2）根據壓力系統的分布規律，確定套管層次和下深。根據地質錄井資料、試氣資料統計，克拉美麗地層壓力可以分為三個壓力分布區域：正常壓力帶，壓力過渡帶和異常壓力帶。在區域分布上，也存在較為明顯的變化規律，如白堊系呼圖壁組自東向西地層壓力逐漸升高（0.8～0.9）;侏羅系三工河組自東偏南方向向西偏北方向壓力升高（0.8～1.0），侏羅系八道灣自東北向西南抬升，壓力係數為0.9～1.1，局部地方高達1.2;石炭系地層壓力自東偏南方向向西偏北方向壓力升高（0.8～1.3）。
（3）考慮有利於採用鑽井提速和安全鑽進需求。二疊系地層硬，地層易垮塌，存在大尺寸鑽進鑽速慢問題[6]。為防止該段泥岩坍塌，提高密度又帶來上部地層的漏失問題。
（4）符合行業規範與標準。
2.1.2 井身結構優化方案
克拉美麗山前構造井身結構優化方案見表1。
採用Φ444.5 mm鑽頭鑽至井深500 m，下入F339.7 mm表層套管，採用內管注水泥工藝固井，水泥漿返至地面。封隔地表流沙層，為井口控制和後續安全鑽井創造條件。
2.2 地層岩石力學特性分析及鑽頭優選
2.2.1 地層岩石力學特性分析
M8井鑽井岩石力學強度剖面見圖1。
M8井各層段鑽井岩石力學強度具有以下特點：
（1）白堊系地層強度24 MPa，內摩擦角34°。連木沁組下部（～1 200 m）存在4～5段夾層，整體硬度不高，在60 MPa左右，相對平均硬度變化幅度較大，鑽頭從軟地層進入硬夾層容易導致衝擊斷齒，在該段注意鑽井參數的控制。
（2）侏羅系地層強度70 MPa，內摩擦角37°。地層軟硬交互頻繁，容易掉塊、漏失，進入侏羅系地層硬度整體提升近50%，地層軟硬夾層增多且強度變化幅度達到90%。同時該段存在8～10段礫石夾層，厚度達到22～24 m，對PDC鑽頭影響較大，因此在八道灣組要根據地層變化，及時調整鑽井參數，減少夾層對鑽頭的破壞。
（3）三疊系地層強度64 MPa，內摩擦角36°。夾層多易漏失、垮塌。三疊系地層強度有所下降，其白鹼灘下部、克拉瑪依上部強度僅為21 MPa，但是地層軟硬變換頻率較高，應注意井眼質量。
（4）二疊系梧桐溝組及石炭系岩石強度75～97 MPa，內摩擦角41°。泥岩段水敏性強，易剝落，石炭系上部泥岩、安山岩及凝灰岩交錯分布，軟硬變化頻繁且地層研磨性高，應選用抗衝擊性鑽頭。
2.2.2 PDC鑽頭優選
隨著PDC鑽頭的廣泛使用，PDC鑽頭的性能有了很大的提高，從軟底層到硬地層都已經可以使用，而且使用壽命長，鑽進速度快，起下鑽次數少，從而達到了縮短鑽井周期的目的。上部白堊系、侏羅系地層，實現二開兩趟鑽工程，選用窄刀翼大排泄槽，提高鑽頭防泥包能力;礫石夾層，選用優質H3復合片，提高鑽頭抗衝擊性;選用5刀翼19 mm齒，提高機械鑽速;因此，筆者建議選用DBS鑽頭SF55H3。通過PDC鑽頭優選，達到了預期的現場應用效果：二開段成功實現兩趟鑽，二開段機械鑽速提高51%，單趟鑽進尺提高1.6倍，二開段鑽井工期節約17.5 d。
2.2.3 Ф215.9 mm尺寸鑽頭優選
M8井石炭系地層研磨性相對較高、岩石內摩擦角在40°以上，岩石平均抗壓強度在90 MPa左右。鑽進過程中，容易造成鑽頭外排齒及掌尖磨損，降低鑽頭的可靠性。基於現有鑽頭使用分析，本文建議選用阿特拉U513S高效PDC鑽頭，增長鑽頭進尺，以減少起下鑽次數，提高鑽井效率。Ф215.9 mm尺寸鑽頭使用效果對比見表2，可以看出，在M6井、M8井使用阿特拉U513S高效PDC鑽頭時，鑽井機械鑽速明顯提高。
2.2.4 鑽頭優選序列
二開先設計一致三牙輪鑽穿白堊系底部砂礫岩後，再下入4刀翼或5刀翼PDC鑽頭鑽至侏羅系八道灣組中下部，再設計一隻牙輪鑽頭鑽穿八道灣組砂礫岩到白鹼灘穩定泥岩;三開先設計一隻阿特拉高效PDC鑽頭鑽穿三疊系克拉瑪依組中部，鑽至石炭系目的層，最後設計一隻牙輪鑽頭鑽至設計完鑽井深[7]。鑽頭方案設計見表3。
2.3 鉀鈣基鑽井液體系優選
克拉美麗地區地層層系多、經歷地質變動大、不整合接觸、斷裂系統發育、物源充足、沉積快速、欠壓實、孔隙度高、裂縫發育、井漏等問題突出。根據實際鑽井情況和對地層屬性的分析，為了避免和減少鑽井過程中井下複雜情況的發生以及減少鑽井液對儲層造成的損害，根據該地區鑽井、地質及儲層保護的要求優選確定鑽井液體系及配方。二開、三開選擇鉀鈣基鑽井液體系，鉀鈣基鑽井液體系是以有機鹽鑽井液體系為基礎，進一步強化鑽井液抑制能力，強化K+、Ca2+離子增效抑制作用，優選與之配套的處理劑及防漏堵漏材料，完善重泥漿流變控制技術。因此，筆者建議鑽井液體系及配方：
一開採用普通坂土CMC鑽井液體系，配方為10%坂土+0.4%Na2CO3+0.4%CMC（中）+堵漏劑+重晶石。
二開採用鉀鈣基鑽井液體系，配方為4%坂土+0.2%Na2CO3+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%陽離子乳化瀝青+1%潤滑劑+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏劑+0.2%消泡劑+重晶石。
三開採用鉀鈣基鑽井液體系，配方為4%坂土+0.2%Na2CO3+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%陽離子乳化瀝青+1%～2%潤滑劑+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏劑+0.2%消泡劑+重晶石。
根據上述配方對體系優化後的抗溫性能、抑制性、潤滑性等進行了室內實驗評價。經過優化後的體系性能穩定，抗溫性可達140 ℃以上，一次二次滾動回收率高，抑制性強，能有效穩定井壁;潤滑性優良，有效降低扭矩和摩阻，預防卡鑽等複雜;在漏失量和次數等方面明顯降低，確保了順利、安全、快速鑽井施工，滿足克拉美麗山前區塊的鑽井工程需要。2017年，克拉美麗山前地區鑽井工程中均使用了優化後的鉀鈣基鑽井液體系，井下複雜時率由4.5%降低至1.5%，較攻關前明顯降低。
2.4 復合鑽井技術
2.4.1 螺杆鑽具+PDC鑽頭
螺杆鑽具+PDC鑽頭復合鑽井技術已被國內外所公認為可以顯著提高機械鑽速[8]：在鑽柱強度不受影響的情況下，可大幅度提高鑽頭轉速，增加單位時間內鑽頭對地層的切削次數，充分發揮PDC鑽頭低鑽壓高轉速的破岩優勢;在此種鑽井方式下，由於轉盤以低轉速轉動，可以減小整個鑽柱與井壁或套管壁間的摩擦扭矩，有效改善了鑽柱的受力狀況，提高鑽具的使用壽命;利用螺杆+轉盤復合鑽井，可以給鑽頭提供穩定的扭矩，延長鑽頭使用壽命，增加單只鑽頭的進尺。PDC鑽頭適應的轉速在120～300 r/min，通常復合鑽井的轉盤轉速為50～65 r/min，加上螺杆的轉速120～150 r/min，鑽頭轉速在170～215 r/min，充分發揮PDC高轉速的特點來提高鑽井速度[9]。
M8井採用復合鑽，由表4鑽速對比可以看出，二開採用Φ311.2 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為12.74 m/h，是轉盤轉的1.58倍;三開採用Φ215.9 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為4.80 m/h，是轉盤轉的1.79倍，復合鑽井的鑽速以及平均進尺得到了極大的提高。
2.4.2 提速工具+PDC鑽頭
通過現場試驗，二開段二疊系、三疊系藉助提速工具（多維扭力衝擊器3DXC）+PDC鑽頭提速，機械鑽速大幅提升，平均提速1倍以上，大大縮短了施工周期，效果明顯。三開段目的層石炭系天然裂縫發育，易發生漏失，機械鑽速偏低。通過首輪實施井DT1井試驗，在石炭系中上部採用提速工具+PDC鑽頭進行提速，機械鑽速獲得突破，平均機械鑽速達到4.4 m/h，較往年鄰井提速1.2倍[10]。因此，筆者建議後續實施井採用石炭系中上部採用提速工具+PDC鑽頭，中下部採用長壽命高效牙輪的提速技術方案。2015年，鄰井石炭系中上部平均機械鑽速為1.96 m/h，2016-2017年，石炭系中上部採用提速工具+PDC鑽頭提速，平均機械鑽速為3.09 m/h，較2015年有明顯提高。
3 現場應用
通過2年的技術攻關和試驗，在克拉美麗山前地區石炭系火山岩氣藏鑽井10口，實現了三疊系、二疊系和石炭系地層同裸眼鑽進，減少了套管下入深度，井下複雜時率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山岩機械鑽速由2.87 m/h提高至5.05 m/h，單井鑽井工期縮短了10～15 d，並取得經濟效益9 394.02萬元。
4 結 論
（1）針對克拉美麗山前地區石炭系火山岩氣藏井身結構進行了優化設計，形成了一套適合的井身結構，實現了三疊系、二疊系和石炭系地層同裸眼鑽進，減少了套管下入深度，該結構滿足氣井鑽井井控安全條件，最大限度地保護油氣層、避免井下複雜事故發生，達到安全快速鑽進的目的。
（2）根據地層岩石力學特性、優選了以PDC鑽頭為主的鑽頭序列，強化鑽井參數和水力參數，通過對比優化篩選，形成了較好的適應當地地層的鑽頭系列。
（3）2017年，鑽井工程中均使用了優化後的鉀鈣基鑽井液體系，從現場使用情況來看，鉀鈣基體系能夠滿足鑽井工程的需要，有效控制和減少了井下複雜的發生。
（4）採用「螺杆鑽具+高效PDC鑽頭」復合鑽井技術，提速效果明顯，M8井二開試驗Φ311.2 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為12.74 m/h，是轉盤轉的1.58倍;三開試驗Φ215.9 mm鑽頭復合鑽井，平均鑽速為4.80 m/h，是轉盤轉的1.79倍，鑽井的鑽速及平均進尺得到了極大的提高;石炭系中上部採用「提速工具+PDC鑽頭」提速，提速效果明顯，2016-2017年，石炭系中上部鑽井平均機械鑽速達3.09 m/h，提速效果顯著。
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