空氣鉆井在喀斯特地區(qū)的探索與實(shí)踐
——以安頁(yè)1井為例

李 清，曹立明

(中國(guó)石化勝利石油工程有限公司西南分公司，四川德陽(yáng) 618000)

空氣鉆井在喀斯特地區(qū)的探索與實(shí)踐
——以安頁(yè)1井為例

李 清，曹立明

(中國(guó)石化勝利石油工程有限公司西南分公司，四川德陽(yáng) 618000)

古喀斯特潛山是良好的儲(chǔ)油氣構(gòu)造，但其獨(dú)特的地質(zhì)特征，使鉆井工程面臨巨大挑戰(zhàn)。介紹了喀斯特的形成原理，分析了在喀斯特地區(qū)進(jìn)行石油、天然氣鉆井的主要施工難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)性地提出了應(yīng)對(duì)典型地下喀斯特地貌-溶洞或地下河的措施：空氣鉆井優(yōu)點(diǎn)之一是能有效應(yīng)對(duì)惡性溶洞性井漏,實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井。位于典型喀斯特地區(qū)的安頁(yè)1井探索使用空氣鉆井技術(shù)，成功解除了鉆遇大型溶洞的困境，同時(shí)獲得了較高機(jī)械鉆速，有效縮短了鉆井周期?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，空氣鉆井技術(shù)是解決惡性溶洞性漏失及提速提效的有效途徑，在喀斯特地區(qū)鉆井中具有重要推廣意義。

喀斯特地貌；井漏；安頁(yè)1井；空氣鉆井

我國(guó)的喀斯特地貌分布廣、面積大,主要分布在碳酸鹽巖出露地區(qū),裸露喀斯特面積約120×104km2[1-2]，地下喀斯特分別更加廣泛。近年來，隨著石油天然氣的勘探開發(fā)不斷深入，發(fā)現(xiàn)古喀斯特潛山是良好的儲(chǔ)油氣構(gòu)造，地下喀斯特地貌有溶洞、地下河、地下湖等，地表和地下密切相關(guān)聯(lián)的喀斯特地貌有豎井、芽洞、天生橋等。在喀斯特地區(qū)進(jìn)行石油天然氣鉆探，鉆井工程面臨鉆遇溶洞、地下暗河等風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，制約著該地區(qū)油氣勘探開發(fā)進(jìn)展?？諝忏@井技術(shù)作為一套成熟的鉆井工藝，能有效克服喀斯特地區(qū)地質(zhì)的不利因素，從而實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井，這對(duì)喀斯特地區(qū)石油天然氣快速勘探開發(fā)有著重要意義。

1 喀斯特地形

1.1 形成原理

喀斯特地形的形成是石灰?guī)r地區(qū)地下水長(zhǎng)期溶蝕的結(jié)果。石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣(CaCO3)，在有水和二氧化碳時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸氫鈣，因碳酸氫鈣可溶于水，隨著時(shí)間推移，空洞便形成并逐步擴(kuò)大，最終形成喀斯特地形。

1.2 喀斯特發(fā)育的環(huán)境條件

一是地表附近有節(jié)理發(fā)育的致密石灰?guī)r；二是中等到較大的降雨量；三是地下水循環(huán)通暢。

1.3 地下喀斯特特點(diǎn)

溶洞:又稱洞穴，它是地下水沿著可溶性巖石的層面、節(jié)理或斷層進(jìn)行溶蝕和侵蝕而形成的地下孔道。石灰?guī)r在略有酸性的水中容易發(fā)生溶解，而這種水在自然界中廣泛存在。雨水沿水平的和垂直的裂縫滲透到石灰?guī)r中，將石灰?guī)r溶解并帶走，沿節(jié)理發(fā)育的垂直裂縫逐漸加寬、加深，形成石骨嶙峋的地形，當(dāng)雨水沿地下裂縫流動(dòng)時(shí)，就不斷使裂縫加寬加深，最終形成洞穴系統(tǒng)或地下河道。

2 喀斯特地區(qū)鉆井難點(diǎn)

喀斯特地區(qū)常表現(xiàn)為地表較缺水，地下裂縫、溶洞普遍發(fā)育，地下水豐富，在該類地區(qū)實(shí)施鉆井工程施工，極易發(fā)生漏失，存在鉆遇溶洞的較大風(fēng)險(xiǎn)，給鉆井施工帶來障礙。

(1)鉆井水源成為制約因素：施工井周圍水源往往匱乏，如果鉆遇嚴(yán)重漏失層或大型溶洞，常采取清水強(qiáng)鉆方式，但若水源供水不足，清水強(qiáng)鉆無法實(shí)施，嚴(yán)重制約正常施工。

(2)鉆井液鉆井的不可行性：對(duì)于鉆遇嚴(yán)重漏失層或溶洞，若采用鉆井液鉆井方式，堵漏難度大、投入成本高、且成功概率低；大量鉆井液進(jìn)入地層，特別是淺部地層，地層連通性好，必將造成地下水污染，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴(yán)重傷害。

(3)常規(guī)鉆井方式難以滿足地質(zhì)要求：在喀斯特區(qū)域進(jìn)行鉆探作業(yè)，特別是參數(shù)井、資料井、評(píng)價(jià)井等，取準(zhǔn)取全各項(xiàng)地質(zhì)資料是鉆探的最終目的，鉆遇嚴(yán)重漏失層或溶洞，巖屑無法返至地面，不能撈取巖屑砂樣，最終影響地質(zhì)目的實(shí)現(xiàn)。

(4)井下復(fù)雜或事故難于避免：溶洞及溶洞裂隙豐富，鉆頭破巖切削不均勻，產(chǎn)生較大尺寸塊狀切屑，這些大塊切屑難于被攜帶出地面；巖屑堆積于溶洞“大肚子”部位，當(dāng)循環(huán)停止時(shí)，大量大塊巖屑迅速下沉，容易發(fā)生卡鉆或埋鉆具事故。

3 空氣鉆井技術(shù)在喀斯特地區(qū)應(yīng)用的優(yōu)越性

空氣鉆井是氣相欠平衡鉆井中最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種方法,空氣鉆井可避免鉆井流體漏失引起地層傷害,并且大大消除了“壓持效應(yīng)”,能大幅度提高機(jī)械鉆速,同時(shí),還有減少井下復(fù)雜情況(井漏和壓差卡鉆等)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)油氣藏，保護(hù)環(huán)境和降低增產(chǎn)措施的作業(yè)成本等優(yōu)點(diǎn)。其最大的優(yōu)點(diǎn)莫過于能有效對(duì)付惡性溶洞性井漏,實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井[3]?？諝忏@井技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成一套成熟的鉆井工藝技術(shù)，因其獨(dú)特的優(yōu)越性得到了廣泛應(yīng)用。

(1)利用空氣鉆井技術(shù)可以比較容易地穿過非正常地層。如天然裂縫、溶洞和鹽類物質(zhì)的夾層,而且由于空氣鉆進(jìn)無液相存在,因此不會(huì)涉及井壁的水化失穩(wěn)問題[4]。

(2)空氣鉆井是以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，與鉆井液鉆井相比徹底消除了井底壓持效應(yīng),極大地解放了機(jī)械鉆速,因此空氣鉆進(jìn)具有較高的機(jī)械鉆速,一般是常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)方式的3～8倍[4]。

(3)均質(zhì)性比較好且非含水地層,無論其水敏性如何均可進(jìn)行空氣鉆進(jìn)作業(yè)。即使地層少量出水，只要地層穩(wěn)定性較好，仍可以使用空氣霧化鉆井或泡沫鉆井方式。

(4)空氣鉆井無鉆井液參與循環(huán)，循環(huán)介質(zhì)為無毒無害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義，特別是在鉆遇大型裂縫或溶洞，避免了大量鉆井液漏失造成地層污染和環(huán)境破壞。

(5)對(duì)于缺水干旱地區(qū)鉆井，較之鉆井液鉆井方式，空氣鉆井方式徹底消除水源制約。

基于以上特點(diǎn)，空氣鉆井技術(shù)在喀斯特地區(qū)鉆井能發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

4 空氣鉆井在安頁(yè)1井的應(yīng)用

4.1 安頁(yè)1井基本概況

安頁(yè)1井地處云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷目λ固氐孛?。區(qū)內(nèi)廣泛分布石灰?guī)r，發(fā)育有溶洞、溶蝕洼地、伏流，盲谷等喀斯特地貌(任收麥,龐飛,周志等.黔北正安地區(qū)安頁(yè)1井井位論證與設(shè)計(jì)[R].中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,2015)。

安頁(yè)1井是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心布置在貴州省正安縣武陵褶皺區(qū)安場(chǎng)向斜西翼南段的一口參數(shù)井，設(shè)計(jì)井深2 184 m。鉆探目的是獲取五峰-龍馬溪組主要頁(yè)巖層段的物性特征、有機(jī)地球化學(xué)特征和含氣性，開展頁(yè)巖氣富集層段儲(chǔ)層測(cè)井識(shí)別與解釋，以及頁(yè)巖氣形成條件與富集規(guī)律，為進(jìn)一步評(píng)估和落實(shí)安場(chǎng)向斜五峰-龍馬溪組頁(yè)巖氣資源和開發(fā)方案的制定提供依據(jù)。

4.2 空氣鉆井應(yīng)用背景

安頁(yè)1井下入φ508 mm導(dǎo)管，下深20 m。一開使用φ444.5 mm鉆頭清水鉆進(jìn)，開鉆后便進(jìn)行地質(zhì)巖屑錄井，鉆進(jìn)至20.8 m，出漿口突然失返(雙泵，排量50 L/s)，使用單泵、降排量，依然無返漿，清水強(qiáng)行鉆進(jìn)至21 m突然放空，放空至25.5 m。由于水源供應(yīng)不足，儲(chǔ)備清水耗盡，致使多次停鉆儲(chǔ)水，清水強(qiáng)行鉆進(jìn)至32 m。起出井內(nèi)鉆具，從導(dǎo)管內(nèi)能明顯觀察到清水“翻滾流淌”，據(jù)此判斷鉆遇大溶洞(地下暗河)，溶洞深度達(dá)4.5 m。

突然鉆遇大型溶洞，下步施工無法正常繼續(xù)，決定使用空氣鉆井技術(shù)。

4.3 空氣鉆井應(yīng)用過程

4.3.1 一開應(yīng)對(duì)溶洞(32～380 m)

空氣鉆井設(shè)備上井，經(jīng)安裝調(diào)試正常后，開始一開空氣鉆井施工。

鉆具組合：φ444.5 mm牙輪鉆頭0.42 m+雙母(730×830)0.60 m+φ279.2 mm鉆鋌×1柱+轉(zhuǎn)換接頭(831×730)0.48 m+翻板閥(731×730)0.68 m+φ228.6 mm鉆鋌×2柱+轉(zhuǎn)換接頭(731×630)0.48 m+φ203.2 mm無磁鉆鋌8.35 m+φ203.2 mm鉆鋌×2根+轉(zhuǎn)換接頭(631×410)0.48 m+φ165.0 mm鉆鋌×2柱+φ127.0 mm G105斜坡鉆桿+方保(411×410)0.48 m+方鉆桿下旋塞×0.48 m+φ133.4 mm六棱方鉆桿+方鉆桿上旋塞。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓50～80 kN，轉(zhuǎn)速50～60 r/min，空氣排量95～100 m3/min。在打鉆鋌過程中，未接空氣鉆膠芯，井口處于敞開式，井口能見渾濁水噴出，并攜帶出部分巖屑。

鉆進(jìn)至井深76 m，井口未見渾濁水噴出，且接單根后，下放不到底，井底有較多沉砂。開4臺(tái)空壓機(jī)，提高空氣排量至130 m3/min，井口繼續(xù)噴出渾濁水。逐漸加大鉆壓120～140 kN，鉆速10～20 min/m；鉆進(jìn)至井深130 m，接單根，接膠心后，下放過程中有顯示，開氣劃眼，立壓持續(xù)上漲至7 MPa，倒鉆井泥漿泵憋壓至22 MPa，仍未頂通，判斷可能鉆具水眼被堵。起鉆檢查鉆具水眼及內(nèi)防噴工具是否失效，發(fā)現(xiàn)靠近鉆頭的第二根鉆鋌水眼被堵，鉆頭及其余鉆具水眼暢通，翻板閥完好。通透被堵水眼后下鉆到底恢復(fù)鉆進(jìn)。

經(jīng)分析，鉆具水眼被堵是因?yàn)椋航訂胃^程中，由于停氣，鉆具內(nèi)部壓力劇降，但翻板閥上部仍然存在一定壓力，翻板閥無法立即關(guān)閉，環(huán)空巖屑被猛烈倒吸，當(dāng)翻板閥完全關(guān)閉后阻止了倒吸繼續(xù)，促使巖屑短時(shí)間聚集在翻板閥下部鉆具某個(gè)部位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，為防止因停氣導(dǎo)致巖屑倒吸致使水眼被堵，探索使用空氣霧化鉆井方式及改變接單根流程：

(1)正常鉆進(jìn)期間保持供氣量(5臺(tái)空壓機(jī)+2臺(tái)增壓機(jī))，同時(shí)使用單凡爾鉆井泥漿泵連續(xù)注入清水，鉆完單根，充分循環(huán)3～5 min，劃眼一次，上提鉆具到位準(zhǔn)備接單根；

(2)放空一臺(tái)增壓機(jī)；

(3)放空一臺(tái)增壓機(jī)后，倒換成三凡爾鉆井泥漿泵供液，大排量沖洗；

(4)沖洗1 min左右，放空第二臺(tái)增壓機(jī)；

(5)鉆井泥漿泵繼續(xù)供液1 min左右，停泵、接單根；

(6)接單根完畢后，開三凡爾鉆井泵，循環(huán)1 min左右，啟動(dòng)一臺(tái)增壓機(jī)供氣；

(7)供氣后，將三凡爾鉆井泵倒換成單凡爾鉆井泵供液；

(8)啟動(dòng)第二臺(tái)空壓機(jī)，保持兩臺(tái)增壓機(jī)供氣；

(9)待井口有氣流返出后，緩慢下放到底，恢復(fù)鉆進(jìn)。

通過采用霧化鉆井方式及改變接單根流程，有效降低了鉆具水眼被堵風(fēng)險(xiǎn)，但隨著井深增加，接單根后憋壓現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，即使采用遠(yuǎn)大于正常供氣量，也無法將巖屑帶出地面，導(dǎo)致地質(zhì)無法持續(xù)撈取巖屑砂樣；為了保證下步能進(jìn)行正常施工，降低井下風(fēng)險(xiǎn)以及盡早恢復(fù)撈取巖屑砂樣，鉆進(jìn)至380 m，一開提前完鉆(設(shè)計(jì)501 m)，下入φ339.7 mm表層套管，封固地下暗河及水層，為二開正常施工奠定良好基礎(chǔ)。

4.3.2 二開提速(380～1 129.93 m)

二開清水鉆進(jìn)至381 m，氣舉、烘井壁、進(jìn)行二開空氣鉆進(jìn)。鉆具組合：φ314.3 mm牙輪鉆頭0.30 m+雙母(630×730)0.59 m+翻板閥(731×730)0.68 m+φ228.6 mm鉆鋌×2柱+轉(zhuǎn)換接頭(731×630)0.48(放測(cè)斜擋板)+φ203.2 mm無磁鉆鋌8.35 m+φ203.2 mm鉆鋌×5根+轉(zhuǎn)換接頭(631×410)0.48 m+φ165.0 mm鉆鋌×2柱+φ127.0 mm加重鉆桿10柱+φ127.0 mm G105斜坡鉆桿+方保(411×410)0.48 m+方鉆桿下旋塞0.48 m+φ133.4 mm六棱方鉆桿+方鉆桿上旋塞。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：140～200 kN，轉(zhuǎn)速：40～60r/min，空氣排量：98～132 m3/min。

空氣鉆進(jìn)至448 m，地層出水(3～4 m3/h)，停止鉆進(jìn)，活動(dòng)鉆具，增加一臺(tái)空壓機(jī)和增壓機(jī)進(jìn)行氣舉、烘井壁，期間排砂口一直有水噴出，且出水量基本不變，決定采用空氣霧化鉆進(jìn)。

空氣霧化鉆進(jìn)至井深980 m，返砂困難，增加一臺(tái)空壓機(jī)，鉆進(jìn)至1 012 m，返砂量再次減少，判斷下部井眼段有少量出水，被濕潤(rùn)后的巖屑粘附在井壁和鉆柱上，不利于巖屑被攜帶出地面。使用3臺(tái)高壓清洗機(jī)同時(shí)向空氣中泵入清水(2.5 m3/h)，提高空氣攜巖能力，效果明顯。

鉆進(jìn)至井深1 129.93 m，接單根，通氣，立壓持續(xù)上漲，憋壓至6.9 MPa，判斷水眼被堵。起鉆8柱后向鉆具內(nèi)灌滿清水，開鉆井泥漿泵頂通，最高憋壓至22 MPa，未憋通。起鉆檢查鉆具，發(fā)現(xiàn)翻板閥失效，其上部第一根鉆鋌水眼被堵。

基于地層持續(xù)出水，且鉆遇過煤層，井壁穩(wěn)定性逐漸變差，空氣鉆井方式風(fēng)險(xiǎn)逐步加大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)討論決定，轉(zhuǎn)換泥漿鉆井方式,空氣鉆井結(jié)束。

4.3.3 空氣鉆井使用效果

(1)成功克服大型溶洞帶來的困難和挑戰(zhàn)，安全快速地完成了一開施工，實(shí)現(xiàn)了施工的延續(xù)。

(2)取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，為降低井下風(fēng)險(xiǎn)及縮短鉆井周期作出了突出貢獻(xiàn)(安頁(yè)1井空氣鉆井效率評(píng)價(jià)見表1)。

5 結(jié)論與建議

(1)空氣鉆井技術(shù)能有效應(yīng)對(duì)喀斯特地區(qū)惡性溶洞性井漏,實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井，能有效降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和鉆井成本。

表1 安頁(yè)1井空氣鉆井情況

(2)空氣鉆井技術(shù)應(yīng)對(duì)喀斯特溶洞，在工程方面克服了常規(guī)鉆井方式面臨的各種困難和挑戰(zhàn)，能夠進(jìn)行正常的巖屑地質(zhì)錄井，解決了水源的制約，做到了清潔生產(chǎn)，保護(hù)了環(huán)境。

(3)地下河水在?？諝夂笱杆儆咳刖矁?nèi)，加之氣壓劇降，環(huán)空巖屑易倒吸造成鉆具水眼被堵；探索出的特殊接單根流程能有效防止或降低鉆具水眼被堵風(fēng)險(xiǎn)。

(4)建議在布署井位時(shí)，作好前期地質(zhì)水文勘察工作，避免或繞開地下大型溶洞及地下暗河，對(duì)降低鉆井工程難度至關(guān)重要。

(5)建議優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，加大導(dǎo)管下深，盡量封隔上部嚴(yán)重漏層或溶洞，為防止深部地層出現(xiàn)大型溶洞，預(yù)留一層技術(shù)套管以備用。

[1] 宋林華.喀斯特地貌研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2000,19(3):193-200.

[2] 張六暢.淺析喀斯特地貌成因及特點(diǎn)[J].才智，2013,14:302-304.

[3] 鄭沖濤,韓烈祥.空氣鉆井的裝備配套技術(shù)[J].鉆采工藝，2003,26(4):63-66.

[4] 朱江,王萍,蔡利山，等.空氣鉆井技術(shù)及其應(yīng)用[J].鉆采工藝,2007,30(2):145-148.

編輯：岑志勇

1673-8217(2017)01-0115-04

2016-05-17

李清，工程師，碩士，1983年生，2010年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣井工程現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工作。

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