前陆盆地油气勘探的钻井技术

前陆盆地是世界上油气最丰富、大油气田最多的一种盆地类型，也是世界上较早从事油气勘探开发的领域。前陆盆地也是我国中西部油气勘探的最重要领域，该地区发育有１５个前陆盆地，主要包括塔里木盆地塔西南、库车，准噶尔盆地西北缘、南缘，吐哈盆地北部，柴达木盆地北部、南部，鄂尔多斯盆地西缘、四川盆地西部、东北部，祁连山北缘酒泉盆地等，总面积约５０万平方千米。
　　
　　前陆盆地钻井技术难点与技术需求
　　
　　前陆盆地的地面条件恶劣，地层具高陡构造，岩石强度大、坚硬、研磨性高、可钻性差，存在多套压力系数，地层异常高压，地层破碎，表现为在钻井过程中井斜难于控制，井漏严重，卡钻频繁，套管磨损，使得钻井过程中复杂事故时效高、机械钻速低、钻井周期长、钻井成本高。如何优质、安全、快速钻井成为制约前陆盆地油气勘探开发进程的重大技术难题。钻井作为勘探开发过程中的重要环节，费用占勘探开发投资的５０％以上。钻井速度的高低、钻井质量的优劣，很大程度上影响着勘探开发的进程和整体效益。
　　
　　针对上述难点，前陆盆地钻井技术研究应解决：高陡构造及逆掩推覆体防斜打快问题；高密度泥浆漏失引起的复合盐岩层缩径卡钻及巨厚、高压气层压差卡钻问题；恶性井漏的防治问题；储层的有效保护问题。为此应开展高效防斜打快技术研究，引进垂直钻井系统或旋转导向钻井系统，发展空气锤技术；开展地层压力和岩性的预测，提高地层的预测精度，减少卡钻等事故的发生；开展膨胀管、波纹管、随钻堵漏等技术的研究，提高堵漏成功率；开展欠平衡钻井技术、无渗透钻井液等技术的研究，提高油层保护水平；开展固井评价与固井技术研究，提高固井质量等。
　　
　　前陆盆地油气钻井技术
　　
　　１．防斜技术 近年来在现场应用较好的防斜技术，包括钟摆钻具防斜、满眼钻具控制井斜、ＰＤＣ钻头配合螺杆钻具防斜、偏轴钻具组合防斜打快技术等，并正在发展反钟摆钻具防斜、预弯曲钻具动力学防斜等技术。
　　
　　贝克休斯公司在２０世纪８０年代末开始研制垂直钻井系统（ＶＤＳ），成功解决了德国大陆科探井钻井过程中井斜问题，之后在９０年代中叶发展了新的垂直钻井装置（ＳＤＤ），９０年代末又发展成为自动井斜控制的旋转导向闭环系统（ＶｅｒｔｉＴｒａｋ），成功地解决了高陡构造地区、断层区和盐层钻井时井眼倾斜问题，并为钻进丛式井，以及采用小尺寸井身结构等提供了可靠保障。近年来在旋转导向钻井技术基础上，斯伦贝谢公司又成功发展了Ｐｏｗｅｒ Ｖ垂直钻井系统。这些垂直钻井系统是机、电、液、通讯一体化的高技术产品，有显著的经济效益和技术优势，能够节省大量的钻井时间和费用。
　　
　　实践证明，ＶＤＳ、ＳＤＤ、ＶｅｒｔｉＴｒａｋ、Ｐｏｗｅｒ Ｖ垂直钻井系统有助于作业商在最富挑战的前陆盆地环境中，包括高陡构造、断层、逆掩推覆体、盐层等复杂情况下，不仅能维持最优的钻井参数，并且可钻出高质量的井眼。
　　
　　２．空气／空气锤钻井技术 空气锤完全依靠空气锤活塞作用在钻头上的震击作用进入地层。使空气锤有效作业只需２～３吨的钻压，即可保持正常钻速又不会造成井斜。须注意的是，施加任何过多的钻压只会缩短钻头的寿命而不会提高钻速。
　　
　　空气锤技术克服了空气钻井中井斜的问题。对于严重倾斜的地层，即使采用空气钻井，也必须大大降低钻压以控制井斜。８０年代中晚期，壳牌公司在加拿大洛基山上进行钻井作业，遇到的主要钻井问题就是地层太硬且存在严重的井斜问题。壳牌采用了空气锤钻井，很快就认识到了空气锤钻井应用于这类地层的巨大潜能，并且进一步提高了空气锤的质量。目前空气锤已经成为一种高可靠性的井下工具。空气锤钻头也在不断得到改进，如钻头强度增大从而大大提高了单只钻头进尺，另外，所有钻头上均有两排保径齿。
　　
　　空气／空气锤钻井工艺技术能够在坚硬、易斜地层钻进中，做到地层不坍塌、地层出水量小和地层无天然气井漏，并且保证井下安全、快速钻进，节省了钻井综合成本。空气锤钻井可在２～３吨的钻压下钻出笔直的井眼，保证了后期钻井、下套管、起下钻、通井、注水泥、试油等作业的顺利进行。
　　
　　威德福公司采用空气锤钻进玉门青西前陆盆地逆掩推覆体地层，机械钻速达１０～１５米／小时，而目前玉门推覆体地层钻进时最高机械钻速不到４米／小时，尤其是像窿９井和窿１１１井平均机械钻速仅有０．７５米／小时。因此采用空气／空气锤钻井方式，将可以大幅度提高前陆盆地的机械钻速，缩短高陡构造地层的钻井周期，改善井身质量，加快前陆盆地的勘探与开发。

    ３．钻井液技术 在前陆盆地钻井过程中，经常会钻遇高陡、高温、高压、流塑性、破碎性等复杂地层，对钻井液技术的要求越来越高，针对不同地层类型与地质结构，应该开发使用不同的钻井液体系。例如，针对盐、膏、泥复合地层，根据井深、井温、地应力、所钻遇含盐软泥岩类别选择合理的钻井液密度，防止塑性变形，控制缩径；可采用抑制性强的饱和盐水钻井液、油包水钻井液，防止盐溶引起井塌，并保持钻井液性能稳定，对含有大量石膏的地层，可在钻井液中加入硫酸钠或硫酸铵，采用等离子效应控制石膏的溶解；饱和盐水钻井液中应加入沥青类与磺化酚醛树脂类产品，封堵泥岩层理、裂隙，降低高温高压滤失量，防止井塌；选用合理环空返速与钻井液流变参数，既保证钻屑的携带，又保证环空流体处于层流，减少对井壁冲蚀；保持钻井液良好的流变性与润滑性；防止压差卡钻。
　　
　　４．欠平衡钻井技术 欠平衡钻井的主要优点是能减轻地层损害，增加油井产能，提高机械钻速，能较好地适应前陆盆地的地质特点。近年来，欠平衡钻井技术逐渐得以完善，发展了包括气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井和泥浆欠平衡钻井在内的欠平衡钻井技术系列，形成了旋转防喷器、可循环泡沫、不压井起下钻装置、套管阀等欠平衡钻井配套技术。
　　
　　目前投入使用的欠平衡钻井技术主要有：干空气钻井、气－雾钻井、稳定泡沫和非弹性泡沫钻井、充气钻井液钻井、井下注气钻井技术等。其中，井下注气钻井技术是通过寄生管、同心管、钻柱和连续油管在钻进的同时往井下钻井液中注氮、以减轻钻井液柱的压力形成欠平衡条件，随着设备和工艺的完善，这种技术已成为欠平衡钻井技术的主导技术。在加拿大，欠平衡钻井技术可比普通钻井技术的钻速提高２～６倍。
　　
　　５．利用随钻扩眼器提高前陆盆地固井质量 前陆盆地常规套管程序一般采用 ２０英寸×１３３／８英寸×９５／８英寸×７英寸×５英寸，对于小井眼，特别是５７／８英寸井眼下５英寸尾管，由于环空间隙小，固井质量难以保证。为了保证固井质量，可采用扩眼作业。先进的扩眼方式是采用双心钻头同时钻进和扩眼。由于双心钻头的一体式设计以及领、扩眼工作面尺寸限制，导致领眼与扩眼寿命不一致，而使钻井成本增加，钻头寿命缩短。此外双心钻头领眼和扩眼间距离较短，钻进时由于偏心力不足，造成扩眼尺寸达不到要求，井眼不规则。立足于双心随钻扩眼钻头取得的进展，针对双心钻头存在的不足，开发了随钻扩眼工具。这一新概念的主要特点是：可更换领眼钻头，高度强化扩眼工作面的扩眼能力，灵活的领、扩眼间的钻具组合。
　　
　　针对复杂、恶劣的地质条件，国外钻井技术发展很快，先后发展了导向钻井技术、ＶｅｒｔＴｒａｋ、Ｐｏｗｅｒ Ｖ等垂直钻井系统，较好地解决了钻井过程中的井斜问题，提高了钻速，提高了井眼质量。在应对井漏问题方面，发展了波纹管、膨胀管、无渗透泥浆等技术；在防止钻具与套管磨损方面，发展了防磨接头等；在解决固井技术难题时，发展了高密度水泥浆、低密度水泥浆、随钻扩眼工具、膨胀式钻头等；在提高钻速、减轻地层损害、增加油井产能方面，发展并完善了空气钻井技术、欠平衡钻井等；在提高钻井效率、保障井身质量方面，发展了旋转导向系统等；在提高勘探成功率、油层钻遇率方面发展了随钻测井、地质导向技术等。这些新技术的实施极大地保障了油公司和服务公司的利益，促进了新技术的工业化进程，加快了油气勘探开发的步伐。