摘要
顺北56X井是顺北V号条带的一口重点预探井，该井完钻井深9300 m（垂深8087.94 m），井底静止温度最高达178℃。储层钻遇断裂带，地层破碎。特深、高温等复杂地质条件给该井定向钻井带来了一系列挑战：摩阻扭矩大、工具面调控难、轨迹控制难、井底温度高、仪器故障率高、破碎带地层定向钻井风险高等。针对上述问题，通过开展井身剖面优化、高温随钻测量仪器优选及工艺配套、定向钻头优选、工具面快速调控工艺研究、降摩减阻工艺配套、地震数据随钻修正指导钻井技术应用和极限延伸能力安全评价，初步形成了特深水平井定向钻井技术体系，实现了亚洲陆上首口井深超9000 m特深水平井安全成井，为顺北油气田特深油气藏勘探开发提供了技术支撑。
顺北56X井部署的顺北V号条带是中国石化西北油田分公司主要油气上产区域之
顺北56X井储层定向段钻遇地层为一间房组和鹰山组，地层岩性为浅灰色、黄灰色泥晶灰岩。该井采用五开制井身结构，如
| 开次 | 钻头尺寸/mm | 钻深/m | 套管外径/mm | 套管下深/m | 水泥返高/m | 目 的 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 导管 | 914.4 | 30 | 720 | 30 | 地面 | 建立一开井口 |
| 1 | 660.4 | 600 | 508 | 599 | 地面 | 封隔第四系疏松地层 |
| 2 | 444.5 | 4582 | 365.13 | 4580 | 地面 | 封隔二叠系以上地层 |
| 3 | 333.38 | 6562 | 273.1 | 6560 | 地面 | 封隔志留系及以上地层 |
| 4 | 241.3 | 7707 | 193.7 | 7705 | 地面 | 封隔目的层之上地层 |
| 5 | 149.2 | 8861.23 |
该井设计剖面为“直—增—稳”三段制单增剖面，设计造斜点为7790 m，设计造斜段造斜率为7.92°/30 m，设计造斜段长300.45 m，设计稳斜段长738.86 m，设计稳斜角78°，设计稳斜方位角90°，具体参数如
| 斜深/m | 井斜角/° | 方位角/° | 垂深/m | 南北/m | 东西/m | 水平位移/m | 井眼曲率/[(°）·30 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7756.00 | 1.51 | 234.91 | 7754.07 | -17.54 | -43.11 | -43.13 | 0.00 | |
| 7790.00 | 1.51 | 234.91 | 7788.06 | -18.05 | -43.84 | -43.86 | 0.00 | 造斜点 |
| 8090.45 | 78.00 | 85.78 | 8005.30 | -7.83 | 127.77 | 127.76 | 7.92 | |
| 8336.21 | 78.00 | 90.00 | 8045.00 | 1.02 | 369.99 | 369.99 | 0 | A靶点 |
| 8829.31 | 78.00 | 90.00 | 8090.00 | 1.02 | 860.99 | 860.99 | 0 | B靶点 |
顺北56X井实钻完钻井深9300 m，垂深8087.94 m，水平位移1348.1 m，水平位移较同条带邻井长约500~800 m，面临的技术挑战较邻井更严峻，主要体现在以下4个方面。
（1）井眼轨道多设计为单增剖面，不利于定向提速以及螺杆选型。当前井眼轨道设计多为单一圆弧，造斜段长，无调整段，滑动进尺长，定向效率低；再者部分井设计造斜率在15°/30 m以上，需要使用大弯角螺杆钻具（>1.75°）进行定向造斜，大弯角螺杆钻具（>1.75°）无法进行复合钻进，若实钻造斜率与设计相差较大，则需起钻更换螺杆钻具。顺北超深井起下钻平均耗时在50 h以上，影响钻井效率。
（2）井底温度高，仪器可靠性差。顺北56X井井底测井静温达178℃，循环温度达167℃，已接近前期常用的耐温175℃高温MWD仪器的使用极限。顺北V号条带的SHB5XE、SHB5XG等井由于达到175℃高温仪器耐温极限，最后盲打完钻；而且小尺寸井眼水力参数受限，排量<12 L/s，由于井超深、排量低，信号脉冲幅值低，造成解码误码率高。
（3）摩阻扭矩大、滑动钻进时工具面快速稳定调控难，轨迹控制难。邻井SHB5XXH钻进至8500 m后扭矩骤增至24 kN·m，转盘憋停，上提钻具摩阻达300 kN，下放摩阻达280 kN，无法进行工具面调控；顺北V号条带平均工具面调控时间超2 h，不仅严重影响钻井时效，对造斜效果影响也较大。
（4）特深储层需要加深钻进，但极限延伸能力预测难，加剧了定向钻井风险。
针对常规单增剖面设计存在的问题，应用“基于钻井提速的井眼轨道设计方法”对剖面进行了优化设
| 井深/m | 井斜/（°） | 方位/（°） | 垂深/m | 南北位移/m | 东西位移/m | 水平位移/m | 狗腿度/[(°）·（30m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7756 | 1.51 | 234.91 | 7754.07 | -17.54 | -43.11 | -43.16 | 0 |
| 7777 | 1.51 | 234.91 | 7775.06 | -17.85 | -43.56 | -43.61 | 0 |
| 7787 | 1.8 | 85.38 | 7785.06 | -17.92 | -43.51 | -43.56 | 9.5 |
| 7962.86 | 57.49 | 85.38 | 7931.96 | -11.19 | 39.82 | 39.79 | 9.5 |
| 8315.47 | 84.76 | 90 | 8045 | 1.02 | 369.99 | 370 | 2.35 |
| 8808.53 | 84.76 | 90 | 90 | 8090 | 1.02 | 860.99 | 0 |
针对高温随钻测量配套工艺措施针对性不强，仪器故障率高的问
顺北56X井针对不同井段的井筒温度情况，优选匹配了不同的仪器类型，如
| 井段/m | 井底静温/℃ | 循环温度/℃ | 仪器类型 |
|---|---|---|---|
| 7756~7958 | 166 | 152 | APS175改进型 |
| 7958~8986 | 172 | 160 | 3D-I185 |
| 8986~9300 | 178 | 167 | TEL185 |
针对顺北56X井超深、排量低导致的误码率高的问题，从优化间隙配比、改善解码工艺等方面提出了配套技术措施：
（1）对APS175改进型旋转阀式脉冲器，推荐间隙尺寸0.033~0.036 mm；对3D-I185型和TEL185型下座键类脉冲器，蘑菇头和限流环推荐采用1.167配1.25；
（2）取消中间测量序列同步头，采用开停泵、开顶区的方式获取初始同步头，减少等待时间，提高时效。应用上述技术措施，顺北56X井解码误码率<3%。
为改善仪器应用的井筒温度环境，提出了地面和井下辅助循环降温两类技术措
（1）地面循环降温辅助配套措施：引入利用热管换热及蒸发散热的地面循环降温装置，如
图1 地面循环降温装置示意
Fig.3 Ground circulation cooling device
（2）井下循环降温配套工艺：出套管循环降温时排量较钻进排量提1~2 L/s，Ø149.2 mm井眼循环排量不低于12 L/s，Ø120.65 mm井眼循环降温排量不低于8 L/s。循环时间在60 min以上；分段循环降温时，下钻150~200 m或静止时间超60 min，分段循环降温30~60 min。
针对顺北56X井摩阻扭矩大、工具面调控难、定向效率低等问题，通过优选钻头、螺杆，优配钻具组合，配套降摩减阻工艺措施和工具面调控工艺，借助地震数据随钻修正指导钻井技术，实现了该井的轨迹高效控制。
对顺北56X井储层地层岩石特性进行了分
应用油基钻井液体系，提高润滑性，防止井壁失稳。钻进期间，保持循环钻井液合理的油水比，以提高循环钻井液的乳化稳定性，保持体系破乳电压≥500 V；通过基油乳液实时补充降滤失剂、封堵剂等处理剂来维护循环钻井液体系的滤失量和乳液稳定性。同时地面及时开启离心机，降低劣质固相含量。
该技术是指利用已钻井段的钻、测、录等多源井筒数据协同重构与三维扩散方程修正已钻井段三维地震速度，通过建立待钻地层的参数最优随钻层析快速修正方法，结合地震反演与偏移等技术，实现了地震速度与成像体快速修
基于钻柱扭矩传递规
针对优化后剖面设计参数，结合顺北V号条带前期螺杆钻具应用情况，造斜段优选5LZ120×5.0-1.5°~1.75°单弯螺杆，稳斜段及水平段优选5LZ120×5.0-1.25°~1.5°单弯螺杆。各井段推荐的轨迹控制技术方案为：
钻具组合：混合钻头（KM1342ADR）+1.75°螺杆+Ø120 mm无磁钻铤+Ø88.9 mm加重钻杆3根+Ø88.9 mm钻杆6~12根+Ø88.9 mm加重钻杆42根+Ø88.9 mm钻杆+Ø114.3 mm钻杆（底部配置一柱加重钻杆，提高工具面稳定性）；
钻进参数：钻压20~40 kN；转速20~30 r/min；排量11~13 L/s；
技术措施：小井斜井眼内工具面稳定性差，初始造斜注意采用小钻压钻进，待钻进3~5 m后（螺杆弯角进入到新地层）再逐渐调整提高钻压，保证工具面稳定性，提高定向效率。
钻具组合：PDC钻头（KM1362ADR）+1.5°螺杆+Ø120 mm无磁钻铤+Ø88.9 mm钻杆12~24根+Ø88.9 mm加重钻杆42根+Ø88.9 mm钻杆+Ø114.3 mm钻杆；
钻进参数：钻压20~40 kN；转速20~30 r/min；排量11~13 L/s；
技术措施：设定顶驱最大扭矩为正常钻进时扭矩多附加3 kN·m，防止扭矩过大出现钻具事故，根据实际情况替换钻具，保证钻具使用安全。
针对顺北56X井的工程地质特征，综合考虑仪器抗温、机泵条件、钻柱强度、摩阻扭矩等多因素约束条件，建立了顺北超深井极限延伸预测模
| 计算摩阻/kN | 实测摩阻/kN | 机械极限延伸/m | 计算压 耗/MPa（12 L/s） | 实测压耗/MPa（12 L/s） | 水力极限延 伸/m | 稳斜段实钻长度/m |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 172 | 160 | 1485 | 34.5 | 33 | 1158 | 982.4 |
（1）通过应用“双增剖面”优化设计，顺北56X井的全井复合比例84.11%，其中稳斜段复合比例96.91%（982.4 m段，滑动3次，滑动定向进尺30.3 m），其中稳斜段单趟钻进尺最高353.6 m，创区域定向段单趟进尺最长纪录。
（2）通过仪器优选和工艺配套，在最高井底静止温度178℃的条件下，顺北56X井全井仅发生仪器故障（共12趟钻带仪器钻进），仪器故障率8.33%，远低于工区25%的平均值。
（3）通过应用轨迹控制技术，顺北56X井不仅实现了定向提速，而且在井深9300 m处实现准确中靶（横距9.55 m，纵距3.48 m，靶心距10.16 m），实现了轨迹高效准确控制。
（4）极限延伸能力预测方法给出了井眼极限延伸能力，指导了加深钻进，保障了钻井安全。
（1）顺北56X井的安全成井，表明了我国具备了井深>9000 m水平井的超深水平井定向钻井技术能力；
（2）针对顺北56X井存在的剖面设计待优化、仪器故障率高、轨迹控制难、极限延伸预测不准等技术问题，研究应用了井身剖面优化设计技术、高温随钻测量配套工艺、轨迹高效控制技术和极限延伸能力预测方法等，确保了该井安全高效成井，初步形成了特深水平井定向钻井技术系列；
（3）目前超深、特深水平井定向钻井仍需开展技术攻关，首先是现有井身结构及地面设备限制条件下，井底水力能量不足，对仪器循环降温能力、螺杆效能发挥、清岩携砂均有显著影响，有必要开展井身结构优化，对设备、工具、仪器进行配套升级，以进一步提升棘手水平。再者超深破碎地层的地质环境因素描述需进一步细化，以进一步降低复杂地层的定向钻井风险。
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