貴州銅仁地區(qū)頁巖氣鉆井施工難點及對策

章 術(shù)， 尹亮先， 首照兵

(四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達(dá)州 635006)

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貴州銅仁地區(qū)頁巖氣鉆井施工難點及對策

章 術(shù)， 尹亮先， 首照兵

(四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達(dá)州 635006)

在貴州銅仁地區(qū)施工頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，因地層構(gòu)造較復(fù)雜，上部灰?guī)r地層巖溶、溶隙發(fā)育，在鉆井過程中存在井壁易垮塌、掉塊卡鉆，井內(nèi)漏失嚴(yán)重，供水困難等難點。秀頁2井設(shè)計井深1900 m，由于鉆井液漏失嚴(yán)重，水泥漿封孔堵漏過程中發(fā)生掉塊卡鉆事故，處理無果導(dǎo)致鉆井中途報廢。移機重新開始，采用較大口徑開孔、多級繩索取心鉆進(jìn)、分段水泥堵漏、多層套管護(hù)壁的方案，順利終孔。本文重點從水泥封孔堵漏方面總結(jié)該孔的鉆井技術(shù)經(jīng)驗，為該區(qū)域頁巖氣井施工提供參考。

頁巖氣鉆井；鉆井液漏失；井壁垮塌；頂漏鉆進(jìn)；水泥封孔堵漏

0 引言

為調(diào)查渝黔湘秀山頁巖氣區(qū)塊黔東北地區(qū)頁巖分布規(guī)律、頁巖厚度及頁巖含氣性參數(shù)，在銅仁地區(qū)(貴州省銅仁市松桃縣瓦溪鄉(xiāng))設(shè)計了一個井深1900 m的地質(zhì)調(diào)查井——秀頁2井。該井上部灰?guī)r地層厚度400～600 m，受溶隙、溶蝕作用及區(qū)域水文條件影響，地層巖心破碎、地層全漏失，井內(nèi)頻繁發(fā)生燒鉆、卡鉆事故；鉆進(jìn)困難，加上區(qū)域缺水，鉆進(jìn)等水等輔助時間增加，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度；通過采取相對應(yīng)頂漏鉆進(jìn)和水泥漿封孔等措施，順利終孔。本文總結(jié)該井施工的經(jīng)驗和體會，為同類鉆孔施工提供參考。

1 地層概況

寒武系中統(tǒng)上部、中部以灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、泥晶白云巖為主，裂隙發(fā)育，方解石充填，溶隙極發(fā)育(孔徑為4～40 mm)，局部裂面見黃色水銹，巖心破碎(見圖1)，厚度約668 m；下部以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主。

寒武系下統(tǒng)上部、底部為灰質(zhì)白云巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、鮞粒狀灰?guī)r，裂隙發(fā)育，裂面見擦痕，局部方解石或方解石線里充填。中部以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖為主，遇水具一定膨脹性，水敏性強。

2 鉆井要求

(1)設(shè)計井深1900 m，除第四系表土覆蓋層，要求全井巖心采取率>80%，頁巖目的層段巖心采取率>90%；(2)平均井徑擴大率≯15%；(3)終孔口徑≮98 mm；(4)直孔最大井斜≯8°，井眼曲率<1.5°/25 m；(5)井底位移<80 m。

圖1 鉆孔部分巖心照片

為保證巖心采取率及相關(guān)測試工作，要求采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝。

3 第一次施工鉆孔報廢情況

為保證1900 m深鉆的順利施工，采用XY-8型鉆機，BW-320型泥漿泵，AG22.5鉆塔；為保證全孔巖心采取率及相關(guān)測試，要求采用?98 mm繩索取心鉆具終孔；全孔采用無固相鉆井液。

采用三級鉆孔結(jié)構(gòu)，開孔采用?150 mm口徑，下入10 m ?146 mm套管作為表層套管；寒武系上部地層采用?130 mm口徑，計劃下入?127 mm技術(shù)套管進(jìn)入寒武系中統(tǒng)高臺組地層完整井段；其下采用S95mm口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)至終孔。

秀頁2井開鉆層位為平井組,由于裂隙、巖溶極發(fā)育(直徑在1～15 mm不等)，鉆孔漏失嚴(yán)重，分別在井深16、88、157、237 m處發(fā)生鉆井液漏失，鉆井施工過程中，采用803堵漏劑、鋸末等惰性材料隨鉆堵漏，鉆孔內(nèi)漏失情況減小，局部井段鉆井液上返地表；施工至井深437 m井深時，巖心較為破碎，鉆井液全漏失，多次堵漏不成功，頂漏鉆進(jìn)時孔內(nèi)發(fā)生燒鉆事故，采取反絲鉆具及擴孔“抱鉆具”方式，將事故處理完畢，井內(nèi)下入?127 mm技術(shù)套管。

繼續(xù)鉆進(jìn)，在井深449、470、525、675 m處發(fā)生鉆井液漏失，隨鉆堵漏效果不明顯，供水不足致使每日正常工作時間僅為12 h，鉆進(jìn)至井深797 m處，井內(nèi)全漏失不返水，多次堵漏不成功，決定用水泥漿(1∶0.5)進(jìn)行封孔堵漏，鉆具距離井底2 m，水泥壓漿結(jié)束后，開始灌注替漿水，由于井壁垮塌掉塊，在起拔鉆具時，鉆具卡死在井內(nèi)，經(jīng)過多次提拉處理，鉆桿未發(fā)生松動跡象；再次強力起拔鉆桿，導(dǎo)致鉆桿脫扣，起上鉆桿324 m，起上后發(fā)現(xiàn)底部公接箍絲扣嚴(yán)重變形，故更換新接箍對扣后再次提拔，結(jié)果無效，開車開不動。此時距水泥漿灌入已超過20 h，水泥已基本初凝，孔內(nèi)鉆桿鉆具被卡死，處理無效，以致鉆孔報廢，直接經(jīng)濟損失60萬元。

4 第二次施工技術(shù)設(shè)計及施工情況

鑒于第一次施工因掉塊卡鉆導(dǎo)致鉆孔報廢的教訓(xùn)，在征得業(yè)主方同意的情況下，移孔2 m重新施工。

4.1 鉆探施工設(shè)計

總結(jié)第一次施工失敗經(jīng)驗教訓(xùn)，研究分析已鉆取巖心的巖性特征、對比鉆井過程中漏失點、垮塌井段巖心，制定施工方案；井身結(jié)構(gòu)擬采用較大口徑開孔，多級繩索取心鉆進(jìn)，分段水泥堵漏，采取多層套管護(hù)壁的方案(見表1)。

表1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

表層套管下入深度為10 m，以下用JS150金剛石繩索取心鉆進(jìn)至寒武系中統(tǒng)平井組完整灰?guī)r地層，下入?130 mm套管，然后換徑用JS122金剛石繩索取心鉆進(jìn)至寒武系下統(tǒng)清虛洞組完整灰?guī)r地層，下入?114.3 mm套管。其下采用JS98金剛石繩索取心鉆進(jìn)至終孔。

4.2 施工中出現(xiàn)的問題及應(yīng)對措施

移孔鉆進(jìn)過程中，在10、42、86、120、165、223、310、345、453、497、650、763 m井深點發(fā)生鉆井液漏失，在41～55、90～105、144～507 m井深段地層巖溶、溶隙發(fā)育，巖心極度破碎；鉆井按照設(shè)計進(jìn)行施工，邊頂漏鉆進(jìn)，邊水泥封孔堵漏，上部鉆進(jìn)較為順利，并按實鉆情況下入技術(shù)套管護(hù)壁，實際井身結(jié)構(gòu)(見表2)。

4.2.1 繩索取心頂漏鉆進(jìn)

4.2.1.1 鉆頭選擇

表2 實際井身結(jié)構(gòu)

該鉆井巖溶發(fā)育，地層漏失，為了預(yù)防鉆進(jìn)過程中巖心堵塞造成燒鉆事故，選用了水口多(含側(cè)向水口)、過水性能好的鉆頭；本鉆孔巖溶地層使用由桂林金剛石生產(chǎn)的胎體硬度HRC20～25，金剛石濃度為100%的表鑲鉆頭(見圖2)。

圖2 金剛石鉆頭照片

4.2.1.2 內(nèi)管投放

當(dāng)井內(nèi)有一定的水位時，在井口直接將內(nèi)管總成投放到鉆桿內(nèi)，依靠內(nèi)管總成的重力自由下落；如果鉆井液漏失，井內(nèi)水位較低或無水位時，要借助繩索絞車將內(nèi)管總成送到位，然后投放脫卡器脫卡，防止井口投送內(nèi)管沖擊對鉆頭的破壞，造成井內(nèi)事故。

4.2.1.3 鉆孔潤滑減阻

頂漏鉆進(jìn)過程中，必須采取措施解決鉆井液漏失問題。微裂縫漏失堵漏鉆井液配方：水+PHP(2‰)+堵漏王(2%～4%)+干鋸末(1%～3%)。充分拌和至粘稠狀態(tài)，利用井口漏斗倒入繩索取心鉆桿內(nèi)，連接主動鉆桿后開泵慢慢回轉(zhuǎn)上下活動鉆具掃孔，待泵壓正常后可結(jié)束掃孔；如堵漏效果開始顯現(xiàn)但不明顯，可重復(fù)進(jìn)行2次，增強堵漏功效。

在鉆進(jìn)過程中，除了向鉆桿內(nèi)泵送鉆井液冷卻潤滑鉆頭外，還需在漏失層上部鉆桿與井壁的環(huán)裝間隙單獨灌注鉆井液，避免鉆具與井壁處于干摩擦狀態(tài)；這樣不僅可以降低井內(nèi)負(fù)荷，減少鉆桿承受的扭矩及鉆具的磨損，而且可以避免鉆桿脫扣、斷裂事故的發(fā)生。

4.2.1.4 鉆孔預(yù)送沖洗液時間

頂漏鉆進(jìn)前，必須嚴(yán)格計算預(yù)送沖洗液時間，防止沖洗液未到達(dá)井底鉆頭前，開動鉆機造成的燒鉆事故；預(yù)送沖洗液時間按下式計算(地面以上管路的容積按40 L計，考慮排粉時間，加2～4 min)[3]:

(1)

式中：T1——預(yù)送沖洗液時間，min;k1——安全系數(shù)，取k1=1.1～1.3；h——靜止水位至孔口的高度，m；q——每米鉆桿容積，L/m；Q——泵量，L/min。

本井采用的是唐山金石JS系列繩索取心鉆具，JS150繩索取心鉆桿每米容積(q)12.36 L；JS122繩索取心鉆桿每米容積(q)8.10 L；JS98繩索取心鉆桿每米容積(q)4.94 L;JS75繩索取心鉆桿每米容積(q)2.92 L。

4.2.1.5 注意事項

(1)下井前，檢查好鉆具密封性；保證鉆具不漏水，防止鉆具泄壓、漏水造成井底燒鉆事故；鉆進(jìn)前，開泵檢查水泵工作狀況，防止水泵工作不良，鉆頭過水量不足引起的燒鉆事故。

(2)在鉆進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度；如果發(fā)現(xiàn)不進(jìn)尺、或進(jìn)尺突然變緩的情況，要及時提鉆打撈巖心查找原因，嚴(yán)禁盲目鉆進(jìn)，防止破碎巖心堵塞鉆頭水路，引起鉆頭拉槽和燒鉆事故。

(3)鉆具提離井底50 cm,打開水泵，嚴(yán)格按照計算的預(yù)送沖洗液時間向井內(nèi)灌注足量鉆井液，然后再開始掃孔鉆進(jìn)。

4.2.2 水泥封孔堵漏

該井部分井段巖心極度破碎，為預(yù)防鉆進(jìn)過程中上部井段掉塊造成卡鉆事故，本井設(shè)計每鉆進(jìn)50 m進(jìn)行水泥封孔，其目的一是水泥封孔堵漏，二是對破碎灰?guī)r地層增強膠結(jié)，避免掉塊風(fēng)險。為使用方便，可按孔徑和不同水灰比計算出水泥使用量，灌注時簡單計算即可，每袋水泥可灌注鉆孔長度見表3。

表3 單包水泥不同水灰比不同井段灌注長度

4.2.2.1 堵漏水泥漿量及相關(guān)數(shù)據(jù)計算

(1)本次封閉井段所需水泥漿總量

V1=LQk2

(2)

式中：V1——預(yù)封閉井段的所需水泥漿量，L；L——預(yù)封閉井段的區(qū)間長度，m;Q——預(yù)封閉井段每米理論容積，L/m;k2——保險系數(shù),1.3～2.0(依據(jù)鉆進(jìn)時鉆井液漏失量大小來調(diào)整)。

(2)干水泥用量

G水/G灰=m；G水/γ水+G灰/γ灰=V

(3)

式中：m——水灰比；G水——水的質(zhì)量，kg；G灰——水泥的質(zhì)量，kg；γ水——水的密度，γ水=1 kg/L;γ灰——水泥的密度，γ灰=3.1 g/cm3;V——需配置水泥漿體積，L。

(3)水泥漿用水量

G水=mG灰

(4)

(4)封孔替漿水量計算(頂替水量)

V2=(H-h)qk3

(5)

式中：V2——封孔所需替水量，L；H——鉆井深度，m;h——靜止水位至孔口的高度，m;q——每米鉆桿容積，L/m；k3——保險系數(shù),1.1～1.3。

4.2.2.2 封孔前操作注意事項

(1)封孔前復(fù)查預(yù)封閉井段巖心，結(jié)合水文記錄數(shù)據(jù)，分析判斷封閉井段漏失層深度、漏失量，巖心裂隙、溶隙大小及完整程度；并計算出封孔相關(guān)數(shù)據(jù)；準(zhǔn)備好水泥、替漿水等材料。

(2)在水泥漿中加入早強劑(速凝劑)，一定要在地表做水泥漿凝結(jié)時間試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)按比例加入；禁止未進(jìn)行水泥漿地表凝結(jié)試驗盲目隨意加入早強劑/速凝劑；

(3)水泥封孔堵漏時，必須換用低一級配鉆桿封孔，不得使用鉆進(jìn)時使用的鉆桿作為封孔鉆具；封孔時，鉆具距離井底0.5～1 m為宜；封孔作業(yè)最好選擇在一天中氣溫較低時作業(yè)，但禁止夜間進(jìn)行。

(4)必須在替漿水壓送完后，再將鉆具提出水泥漿面50 m，才能用清水清洗鉆具、水泵，清洗完的鉆具必須全部出井口，禁止留在井內(nèi)。

(5)封孔鉆桿作業(yè)水泥漿埋管深度控制在100 m以內(nèi)，嚴(yán)格控制水灰比，禁止隨意向攪好的水泥漿中加清水，封孔目的以堵漏為主的可以在水泥漿中加入鋸末、堵漏王等堵漏材料。

(6)封孔目的以堵漏為主的，采用普通硅酸鹽水泥(R32.5以上)候凝時間為8 h；封孔目的以凝結(jié)破碎帶為主的，必須采用高標(biāo)號早強水泥(R42.5以上)，其候凝時間為48 h。

4.2.2.3 封孔后操作注意事項

(1)水泥漿灌完后待凝8 h后用打撈棒進(jìn)行探孔檢查，封孔位置符合預(yù)定要求即可換用鉆具透孔；封孔位置不夠應(yīng)立即進(jìn)行二次補封。

(2)透孔時必須充分將水泥粉末排干凈后方可加鉆桿。封孔后透孔時返水情況下，必須等到清水排出井口后方可加鉆桿；若仍不返水，建議多排孔內(nèi)水泥粉末一段時間，嚴(yán)防水泥粉末埋鉆事故發(fā)生。

5 施工效果

秀頁2井在第二次施工過程中采用上述邊頂漏鉆進(jìn)，邊水泥封孔堵漏的方法，順利終孔，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到優(yōu)秀。在后續(xù)施工的岑地1井(銅仁岑鞏)采用此工法施工，未發(fā)生安全事故，臺月效率達(dá)到625.02 m，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

6 結(jié)語

(1)盡管水泥封孔堵漏施工方法水泥漿候凝時間較長，表面上耽誤了不少時間，但是水泥漿對破碎巖心的膠結(jié)減少了掉塊卡鉆事故的風(fēng)險，同時候凝期間對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維修，也減少了設(shè)備維護(hù)時間。通過該區(qū)域使用頂漏鉆進(jìn)、水泥封孔堵漏技術(shù)，在對付貴州銅仁地區(qū)巖溶發(fā)育、巖心破碎的地層，取得了較好的效果，為該區(qū)域施工積累了經(jīng)驗。

(2)采用水泥封孔也存在一定的風(fēng)險，由于操作不慎，容易發(fā)生漿液封孔過程中凝固造成的事故。因此在操作過程中，要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范及注意事項，統(tǒng)一指揮，明確分工，各司其職，才能取得較好的效益。

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Difficulties of Shale Gas Well Drilling Construction in Tongren of Guizhou and the Countermeasures

ZHANG Shu, YIN Liang-xian, SHOU Zhao-bing

(137 Geological Team of Sichuan Coalfield Geology Bureau, Dazhou Sichuan 635006, China)

In shale gas geological survey well construction in Tongren of Guizhou, because of the complex strata structure with development of karst and dissolution in the upper limestone strata, the wall is prone to collapse with block falling and drill pipe sticking, serious leakage and difficult water supply. The depth of Xiuye2 well was designed for 1900m, but this well was halfway abandoned due to the serious lost circulation, block falling and drill pipe sticking in the process of cement slurry sealing and plugging. After drill shifting, the scheme of hole opening with large diameter, multi-stage wire-line core drilling, sublevel cementing plugging and wall protection by multi-layer casing was adopted, the hole construction was completed smoothly. This paper summarizes the drilling experience mainly in cement sealing and plugging to provide reference to shale gas well construction in this area.

shale gas well drilling; lost circulation; borehole collapse; drilling against top leakage; cement sealing and plugging

2016-12-08；

2017-03-23

章術(shù)，男，漢族，1963年生，隊鉆探公司總經(jīng)理，工程師，從事鉆探項目管理工作，四川省達(dá)州市華蜀南路200號，791047572@qq.com。

P634

B

1672-7428(2017)05-0010-04