摘要
在望江坳陷下扬子地区大口径油气调查井钻探施工过程中，由于该地区经历多期构造运动，导致地质条件复杂，地层存在多期反转，地层倾角大，地层褶皱破碎，裂缝大量发育，且裂缝多被方解石、石英矿物充填。该区地层岩性复杂，发育灰岩、膏岩、泥质灰岩、灰质泥岩、泥质页岩、煤层等多种岩性。复杂的地层条件，软硬矿物的不均匀分布，导致钻探过程中极易发生井斜，钻头磨损严重，对钻探施工效率和质量产生较大影响。针对这一问题，本文通过钻头优选、钻具组合优化，适时采用MWD随钻测斜纠斜技术，形成了复杂构造地层防斜打快复合钻进技术，达到了预期效果，保证了完井质量，取得了较好的经济效益和社会效益。
Abstract
During the drilling construction process of large-diameter oil and gas exploration wells in the Lower Yangtze area of the Wangjiang Depression， due to the fact that this area has experienced multiple periods of tectonic movements， the geological conditions are complex. There are multiple periods of strata inversion， large dip angles of strata， folded and fractured strata， and a large number of fractures have developed. Moreover， most of the fractures are filled with calcite and quartz minerals. The lithology of the formation is complex， with the development of various lithologies such as limestone， gypsum rock， argillaceous limestone， calcareous mudstone， argillaceous shale， and coal seams. The complex geological conditions and uneven distribution of soft and hard minerals lead to easy well deviation and severe wear of drill bits during the drilling process， which has a significant impact on the efficiency and quality of drilling construction. In view of this problem， through bit optimization， drilling tool Combinatorial optimization， MWD deviation measurement while drilling and deviation correction technology is adopted at the right time， forming a composite drilling technology of deviation prevention and fast drilling in complex structure formation， achieving the expected effect， ensuring the completion quality， and achieving good economic and social benefits.
0 引言
随着勘探开发规模的扩大，钻探的要求越来越高、难度越来越大，在复杂地质区域进行钻探是业内公认的难题（陈涛和刘德平，2016）。如何在复杂区域进行防斜快打一直是钻井工作者面临的一个关键技术问题。理论和实践经验表明，造成钻孔弯曲的原因是多方面的，一般来说主要有地质、钻探技术和钻进工艺等因素（贾飞等，2022）。目前井斜的控制主要靠塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具等被动防斜工具，其降斜能力还不能完全满足复杂地质区域的防斜打快要求（郝武中，2002；李文飞，2012； 曹小军，2023）。
W-1 井是部署在安徽南部望江坳陷南部斜坡带的一口页岩气调查井。望江坳陷位于下扬子陆块的沿江褶皱带，它的形成和演化受盆地北缘边界郯庐断裂带的左旋平移牵引及南东侧沿江断裂带的北向挤压作用所控制，在壳内滑脱、拆离面上产生逆冲、推覆等构造作用。该地区属于扬子地层区的下扬子地层分区，新元古界和古生界广泛发育，除中下泥盆统缺失外，其他层系均有不同程度的沉积。地层受复杂构造活动影响重复出现，地层软硬交替，井斜控制难度大。在钻进过程中存在地层倾角大（地层倾角 10°～50°）、地层褶皱、裂缝发育，裂缝内充填石英、方解石等硬性矿物，导致特别容易井斜、井斜规律性差、钻速缓慢等技术难题（姚宁平等，2021）。
为了能够在复杂构造地层防斜打快，笔者从钻进工艺方面出发，通过优化钻具组合、优选钻头 （祁新堂等，2022）、优化钻井液性能、应用预弯曲钻具复合钻进技术、随钻测斜纠斜技术等关键工艺，首次为该地区总结施工经验，旨在提供优化的钻进工艺方法，为复杂构造地层防斜打直提供理论基础。
1 工程概况
为对长江中下游油气调查提供地质基础数据，揭示下扬子地区地层含油气性特征，获取地层含油气性参数，在下扬子盆地望江坳陷江南斜坡带开展大口径页岩气调查井钻探。下扬子地区具有独特的地质演化特点，特别是自印支运动以来，遭受了比上扬子更强烈的后期改造，对古生界海相地层产生了巨大影响，逆冲、倒转构造发育，地层关系极其复杂，页岩气地质调查和研究难度很大（朱文博等， 2021；石砥石等，2022；王朝等，2023）。该井设计为三开井眼，井身质量要求见表1，具体数据见图1。
图1井身结构图
表1井身质量要求
2 复杂地层防斜打快工艺
2.1 复杂地层防斜打快
第四系、新近系、古近系、白垩系赤山组、三叠系黄马青组岩性以砂岩为主（表2），地层岩性比较稳定，钻进进尺较快，钻速稳定，平均钻速达到 5 m/ h，采用常规塔式钻具组合快速钻进，井斜保持相对稳定。进入三叠系周冲村组后，岩性发生变化，周冲村组上部为灰岩、泥岩、泥灰岩，底部为角砾岩 （图2a），分选性差，砾石大小、磨圆不均，加上构造复杂，褶皱发育，导致易井斜，井斜角逐渐增加，且井斜方位角变化大，说明地层造斜力不稳定，这是由于地层倾向不稳定，且砾石复杂，方解石石英充填裂缝，地层造斜力受多重因素影响，导致井斜难控制（王力，2022）。从井深1200～2000 m井斜角保持在 2°左右，井斜方位角不稳定，通过岩心和岩屑观察可以发现，该套地层岩性复杂，以灰岩、泥质灰岩、泥岩、炭质泥岩为主，不同岩性地层交替出现，不同岩性地层硬度不同，地层软硬互层导致地层可钻性发生纵向变化；地层倾角大，且构造复杂，受多期构造运动影响，裂缝大量发育，裂缝多垂直地层方向延伸，方解石石英充填。受多重因素影响，钻进过程中钻孔横截面岩性不均一，在钻压的作用下产生的地层造斜力复杂多变，导致井斜难控制，相较于单一因素的倾斜地层钻进，复杂构造地层钻进井斜规律复杂，依靠钻具进行防斜纠斜困难（柴方园，2014；徐曦等，2018）。
该井在施工过程中，针对复杂的地层条件以及多变的井斜情况，采用 ϕ311.2 mPDC 钻头+ϕ203钻铤+ϕ177.8 钻铤的大刚度塔式钻具组合，因地层条件复杂，倾角较大，不宜采用大钻压钻进，钻压控制在 30～40 kN，钻速控制在 50 r/min，利用 PDC 钻头良好的钻进性能，控制井斜在合理范围内，井斜角 ＜2°，钻速1.38 m/h，实现防斜打直，保证钻进效率。
在该井段的防斜打直钻进过程中，采用现代防斜打直技术最常用的螺杆+PDC 钻头复合钻进工艺并没有取得理想的效果。在 1800~1960 m 井段，采用了 1°螺杆+PDC 钻头复合钻进工艺，平均钻速 1.91 m/h，钻速相较于PDC+塔式钻具组合提升不明显（图3）。但是在钻速提升的同时，复合钻进导致井斜角不受控制，井斜角最大到 3.76°。分析原因认为，该井钻遇地层构造过于复杂，地层褶皱程度大，裂缝大量发育并充填，部分裂缝倾角达 90°，地层破碎严重，钻头工作面岩性不均一，矿物硬度差异大，导致采用螺杆+PDC钻头复合钻进，过高的转速易钻头发生崩齿现象，使用寿命大大减少，钻速提升不明显。
2.2 井斜地层随钻纠斜技术
钻进至 2000 m 后，测斜发现最大井斜角达到 3.76°，且方位角不稳定（表3）。为了防止井斜失控，同时保证井下安全，决定从井斜严重的 2000 m 以深进行定向纠斜。
定向纠斜难点：钻孔地层条件复杂，岩性不均一，地层造斜力复杂，导致设计纠斜钻孔轨迹与实际钻孔轨迹差别较大。
定向钻具组合：ϕ215.9 mmPDC 钻头+1°螺杆+ 定向短节+ϕ165 mm 无磁钻铤（内含 MWD）+变丝接头+ϕ177.8 mm钻铤+ϕ127 mm钻杆
地面调试螺杆，组装调试仪器，置零仪器角差； 组装钻具，测量装合；孔口试螺杆正常后，下钻；定向仪器座键，三次座键；密封电缆，开始钻进。当顶角小于 5°时，采用磁工面法定向钻进，当顶角大于 5°时，采用重工面法定向钻进。钻进工艺参数：钻压：钻具下到孔底，使用小钻压，正常进尺后，逐渐加大钻压，一般钻压为 40～50 kN；泵量：25～30 L/ s，泥浆泵为 YX3NB-1300A 型；定向钻进时钻杆不回转；定向钻头采用 ϕ215.9 mmPDC 钻头。当造斜强度较大或进尺较慢时，采用定向钻进与复合钻进交替进行，保证定向钻进轨迹光滑。
定向纠斜过程：定向纠斜点从2019.52 m开始，仪器角差置零，采用磁工作面法定向钻进，定向纠斜工具面角 300°～330°，控制钻进速度为 1 m/h 左右，采用定向钻进和复合钻进交替进行的方式防止纠斜强度过大，产生较大狗腿度，导致钻杆易断裂。定向纠斜钻进加复合钻进交替钻进至井深2142.60 m，井斜角降至1.27°，方位角140°。
该井段通过 MWD随钻纠斜定向钻进和复合钻进交替进行，将井斜控制在设计范围内，保证了后期取芯工作顺利进行。
图2岩心照片
a—周冲村组角砾岩；b—吴家坪组泥质灰岩；c—吴家坪组炭质泥岩d—和龙山组泥质灰岩
表2井斜数据
图3不同钻进工艺的防斜打直效果指示图
3 复杂地层钻头优选
第四系、新近系、古近系、白垩系赤山组、三叠系黄马青组，岩性以砂岩为主，泥质含量较多，夹砂砾岩及薄层泥岩，钻进过程中进尺较快，牙轮钻头平均钻时 71.5 h，平均进尺 245.61 m，平均钻速为 3.44 m/h。PDC钻头钻时153.8 h进尺558.45 m，钻速为 3.63 m/h。对比可以看出，牙轮钻头和 PDC 钻头钻速接近，进尺较快，但PDC钻头使用寿命更长，达到牙轮钻头的2倍以上，大大提高了钻探效率。
钻进至井深 1000 m，进入三叠系周冲村组下部灰质角砾岩地层后，钻速明显下降，牙轮钻头和 PDC 钻头钻速分别为 1.11 m/h 和 1.49 m/h，PDC 钻头的钻时为91.17 h，但与前期相比使用寿命大大降低。通过结合钻速、钻头磨损情况（图4）及岩心观察（图2）分析认为，这主要受复杂的构造地层情况影响。通过观察岩心发现，三叠系周冲村组下部灰质角砾岩，砾石磨圆度差，分选性差，砾石与基质硬度相差大，砾石与基岩胶结类型、胶结强度不同，在钻进过程中，切削齿破岩困难，砾石不易破碎，导致易崩齿，导致钻速下降，钻头寿命降低。井深达到 1300 m 后，通过观察岩心（图2b）可发现，该区域地层受构造活动影响严重，地层在高倾角的同时，裂隙发育丰富，裂隙内多纵向充填方解石石英等硬度较大的脆性矿物，钻头切削面复杂的岩性变化也是导致钻头磨损严重、钻速缓慢的重要原因（胡继良等，2011；刘德平等，2011）。
图4PDC钻头崩齿现象
a—PDC钻头使用前；b—PDC钻头使用后
表3纠斜效果
在逆冲构造导致地层重叠、岩性复杂层段，使用了 2 个牙轮钻头和 3 个 PDC 钻头，牙轮钻头的使用寿命相较于上一层段基本不变，但PDC钻头使用寿命大大减少，单钻头使用寿命平均为27.4 h；在该层段钻速缓慢，2种钻头的差距不明显（表4）。分析原因认为逆冲构造发育导致地层情况复杂，岩性复杂多变，地层软硬互层，导致钻头磨损崩齿严重，大大影响钻井效率。
钻进至泥灰岩层段之后，钻头使用寿命和钻速相较于上一层段有所提升，PDC 钻头的使用寿命为牙轮钻头的 1/2，但 PDC 钻头的钻速达到牙轮钻头的一倍，说明在该地层PDC钻头更具适用性。根据岩心观察、钻进效果分析认为，泥岩灰岩频繁交替发育，且构造情况与上部地层相同，频繁的软硬互层和复杂的构造条件导致钻头磨损快，无心钻进 30~40 m就开始进尺困难，需提钻更换钻头，钻速相对较低。
表4不同层段两种钻头的机械钻速对比
4 结论与建议
（1）单一大倾角地层多采用复合钻进防斜技术，但该井构造条件复杂，在大倾角的基础上褶皱发育，地层扭转、破碎，裂缝大量发育并充填石英等硬性矿物，地层造斜力不受控制，研究表明，常规塔式钟摆钻具组合在该类型地层控斜作用良好，但钻进效率低；螺杆+PDC 钻头钻具组合具有钻速快的优点，但无法控制井斜；采用的PDC钻头+塔式钻具组合具有钻速快、井斜控制稳定的优点，适用于该类复杂地层钻探施工。
（2）在该类复杂的地层条件下，传统的依靠钻具组合防斜纠斜常常会失效，复杂的地层造斜力导致井眼轨迹不受控制。采用 MWD 随钻测斜仪+螺杆钻具随钻纠斜技术，实现对孔底轨迹参数的实时监控，动态调整，定向纠斜与复合钻进交替进行，具有很好的复杂地层纠斜效果。
（3）复杂的构造和地层岩性变化，导致在钻进过程中钻头磨损严重，且钻头使用寿命和钻速快速衰减。通过数据分析发现，不同的层段不同类型钻头具有明显的钻探效果差异。牙轮钻头在不同层段钻速均相对较低，但牙轮钻头的使用寿命稳定，适用于不同的地层情况；PDC 钻头钻速高，尤其在泥灰岩层段，钻速是牙轮钻头的一倍，但磨损快，使用寿命短。
