青德地1井優(yōu)快鉆進(jìn)技術(shù)實踐與認(rèn)識

張少林 衣風(fēng)龍 鮑海山

摘要：根據(jù)孔內(nèi)事故復(fù)雜程度，在滿足地質(zhì)設(shè)計要求的前提下，針對一些在短時間內(nèi)難以處理或者處理難度較大的卡鉆、埋鉆、燒鉆等鉆探事故，結(jié)合實際情況側(cè)鉆繞障開展全面無芯鉆進(jìn)，是提高鉆進(jìn)效率、節(jié)約鉆探成本、縮短鉆探施工周期的重要技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物鉆探、復(fù)雜地層鉆進(jìn)、常規(guī)無芯鉆進(jìn)技術(shù)

青德地1井是中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心部署在青海省祁連山哈拉湖地區(qū)的1口天然氣水合物地質(zhì)調(diào)查井，設(shè)計井深700m，該井先后采用了JS135大口徑繩索取心工藝、JS95繩索取芯工藝、成膜泥漿護(hù)壁體系、全面無芯鉆進(jìn)工藝、鋁酸鹽水泥定段定點封閉，側(cè)鉆繞障鉆進(jìn)技術(shù)等不同的鉆進(jìn)方法和技術(shù)工藝，最終順利完成了該井的鉆探工作任務(wù)，取準(zhǔn)取全了各項地層資料及參數(shù)，達(dá)到了地質(zhì)設(shè)計要求。尤其在實施事故井段采用側(cè)鉆繞障無心鉆進(jìn)技術(shù)和成膜泥漿工藝，取得了良好的鉆進(jìn)效率，為今后類似事故的處理和開展無芯鉆探施工積累了一定的實鉆經(jīng)驗，因此具有一定的借鑒和參考意義。

1工程概況

青德地1井于2016年9月21日開鉆之后，0-300m井段使用JS135大口徑繩索取心工藝鉆進(jìn)，300-722m井段使用JS95金剛石繩索取芯工藝鉆進(jìn)，2016年12月13日鉆進(jìn)至井深722.08m時發(fā)生了較為嚴(yán)重的卡鉆事故，通過采取提、拉、頂、轉(zhuǎn)、反等方法處理，至12月26日處理上來井內(nèi)鉆具14組、殘留26組，2016年12月27日至2017年4月25日冬季寒冷停工?？祝?017年3月28日復(fù)工采用了擴(kuò)、套、反的方法繼續(xù)處理井內(nèi)事故，但是由于季節(jié)變化凍土層解凍、井內(nèi)發(fā)生多次垮塌，井壁穩(wěn)定性急劇變差、井徑也逐漸擴(kuò)大，由一起簡單卡鉆事故變?yōu)槎喾矫婢C合的復(fù)雜事故，事故井深逐漸變淺至121m，科學(xué)的分析之后及時調(diào)整該井鉆進(jìn)方案，決定先采用鋁酸鹽水泥定段定點封閉，然后側(cè)鉆繞障鉆進(jìn)技術(shù)繞過事故井段，再使用全面無芯鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)至原井深，最后再換JS95繩索取芯鉆具鉆進(jìn)至完井深度。

2鉆遇地層及施工難點

2.1鉆遇地層

青德地1井鉆遇地層主要為第四系、新近系、古近系、侏羅系，其中第三系地層為主要目的層，鉆遇深度為120m-720m，巖性主要為灰色細(xì)砂、粉砂夾薄層灰色粘土、粉砂質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂，灰色、灰黑色砂泥、砂礫互層逐漸變?yōu)殡s色砂泥互層，泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松，泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松、較為典型的水敏性、水化分散地層，下部侏羅系地層為完鉆層位，鉆遇深度為718m-731m，巖性主要以粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，砂泥互層，軟硬交錯，巖層較為破碎、斷層裂隙發(fā)育，弱研磨性，可鉆性1-4級。

2.2施工難點

根據(jù)青德地1井巖層特征和實鉆情況，該井的鉆探施工主要面臨上部卵石層巨厚、凍土層解凍、目的層井壁穩(wěn)定性差、下部侏羅系地層巖層破碎、膠結(jié)性、固結(jié)性差等工程難題。

2.2.1永凍層解凍

祁連山哈拉湖地區(qū)屬高寒缺氧無人區(qū)，從地表至井深120m深度范圍內(nèi)廣泛存在季節(jié)性凍土和永久凍土層，在凍土層鉆進(jìn)時導(dǎo)致凍土解凍、融化，井壁的穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)井壁垮塌、井徑擴(kuò)大等現(xiàn)象。

2.2.2卵石層巨厚

青德地1井第四系砂、卵、礫石覆蓋層巨厚，平均厚度大于130m，該層結(jié)構(gòu)松散、無棱角、磨圓度號、又特別堅硬，井壁極易坍塌掉塊，在鉆進(jìn)取芯過程中，井內(nèi)事故多，鉆探效率低。

2.2.3井壁穩(wěn)定性差

主要目標(biāo)層段固結(jié)程度較為松散、地層穩(wěn)定性差，在鉆進(jìn)取芯過程中井壁極不穩(wěn)定，其中細(xì)砂、細(xì)礫巖層膠結(jié)性能較差，透水性好，松散、脫落，而部分泥巖和粘土巖層遇水膨脹，易發(fā)生縮徑、卡鉆等現(xiàn)象，對泥漿性能要求高。

3設(shè)備設(shè)施投入

青德地1井滿足井控要求，其投入的設(shè)備主要有：HXY-6型全液壓立軸式巖心鉆機(jī)1臺套，NBB-250/6型泥漿泵1臺，康明斯200KW柴油發(fā)電機(jī)組1臺，YAS22.5-70A型鉆塔1套（底座高度2.2m），2FZ28-21型液控雙閘板防噴器組及壓井節(jié)流管匯1套，陸地凍土區(qū)天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)1套。

4優(yōu)快鉆進(jìn)技術(shù)

4.1鉆進(jìn)方法優(yōu)選

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求和井內(nèi)復(fù)雜情況及事故特征，青德地1井事故井段采用側(cè)鉆繞障鉆進(jìn)工藝和全面無芯鉆進(jìn)工藝，保證了鉆孔的順利完工。

4.1.1側(cè)鉆繞障鉆進(jìn)技術(shù)

在青德地1井鉆探施工過程中，前期采用JS95金剛石繩索取芯工藝鉆進(jìn)井深722.08m時發(fā)生卡鉆事故，經(jīng)過處理部分鉆具遺落井內(nèi)，之后因季節(jié)變化凍土解凍井壁失穩(wěn)，井內(nèi)發(fā)生多次嚴(yán)重垮塌，事故井深變淺至121m處，為了節(jié)約成本、縮短工期、如期完成工作任務(wù)，采用了鋁酸鹽水泥定段定點封閉技術(shù)和側(cè)鉆繞障鉆進(jìn)技術(shù)，具體實施過程如下：

（1）經(jīng)過查看現(xiàn)場巖芯實物和分析前期獲取的地層資料，選擇可鉆性好的新近系暗紅色泥巖層為導(dǎo)斜目標(biāo)井段，采用異徑自然造斜的方法側(cè)鉆。

（2）使用封固效果比較好的鋁酸鹽水泥（圖4-1）將井深115m-121m進(jìn)行定點定段封閉，水泥漿按照0.5-0.6水灰比標(biāo)準(zhǔn)配置，配置比例為鋁酸鹽水泥 + 0.05%速凝劑 + 水，采用泵入法將配置好的水泥漿連續(xù)均勻的輸送到封閉井段。

（3）現(xiàn)場小型試驗表明，鋁酸鹽水泥的初凝時間為5-6小時，因此水泥漿注入完6小時之后，下鉆具進(jìn)行探孔，以便進(jìn)一步驗證定段封固效果。

（4）待水泥漿凝固3天以后，配異徑導(dǎo)斜鉆具（導(dǎo)斜鉆頭 + 常規(guī)Φ50地質(zhì)鉆桿 + 異徑接手 + 常規(guī)Φ60mm地質(zhì)鉆桿 + 主動鉆桿）下入井內(nèi)進(jìn)行掃孔、鉆進(jìn)偏斜。

（5）在掃孔、偏斜鉆進(jìn)過程中必須做到“一輕、二慢、大泵量”即鉆壓要輕（1-3KN足夠）、轉(zhuǎn)速要慢（80-175r/min）、盡量開低轉(zhuǎn)速。

（6）當(dāng)導(dǎo)斜鉆具接觸和鉆入到水泥封閉井段之后，在事故井深上下2m左右井段，必須反復(fù)串動鉆具修復(fù)井壁，修正因異徑偏斜造成的狗腿井段，避免影響無芯鉆具的順利下入。

圖4-1 鋁酸鹽水泥和高效液體潤滑劑

4.1.2全面無芯鉆進(jìn)技術(shù)

當(dāng)異徑偏斜鉆具鉆進(jìn)超過水泥封固井段底部5m以后，使用全面無芯鉆具鉆進(jìn)施工，（Φ112mm全面無芯鉆頭 + Φ89mm導(dǎo)正巖芯管（1根6m）+ 變徑腦袋 + 常規(guī)Φ60地質(zhì)鉆桿 + 主動鉆桿），鉆進(jìn)全程采用常規(guī)地質(zhì)6m長巖心管進(jìn)行導(dǎo)正“防斜打直”，根據(jù)巖層特征，優(yōu)先了三翼合金刮刀鉆頭和高強(qiáng)度PDC一體式鉆頭兩種類型的全面高效無芯鉆頭，同時對鉆進(jìn)參數(shù)也進(jìn)行優(yōu)化，選用低鉆壓、中小轉(zhuǎn)速、大泵量實施鉆進(jìn)（鉆進(jìn)壓力5-8KN、機(jī)械轉(zhuǎn)速80-217r/min、泵量140-164 L/min，），通過采取以上方法措施，順利鉆至原井深722.08m，之后再換JS95繩索取芯鉆具鉆進(jìn)至設(shè)計井深731.24m測井終孔。

在開展事故井段全面無芯鉆進(jìn)過程中實現(xiàn)最高日進(jìn)尺64.82m，全井段平均日進(jìn)尺40.11m，平均每小時鉆進(jìn)速度1.67m/h，取得了不錯的效果。

（1）開展全面無芯鉆進(jìn)，鉆具結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化至關(guān)重要，鉆具結(jié)構(gòu)是否合理關(guān)系到采用什么樣的鉆進(jìn)規(guī)程，并且直接影響鉆進(jìn)效率和成本問題。

（2）開展全面無芯鉆進(jìn)，鉆進(jìn)壓力不易過大，如果鉆壓過大，局部鉆桿容易彎曲、鉆具不穩(wěn)定，不利于防斜打直，現(xiàn)場實踐表明，鉆壓范圍選擇5 - 8 KN為比較合適。

（3）開展全面無芯鉆進(jìn)，鉆頭切削研磨的巖屑和巖粉顆粒較多，為了保持井底干凈、避免重復(fù)破碎，泥漿泵量要比繩索取芯鉆進(jìn)適當(dāng)大一些，一般控制在140-164 L/min為宜，在較大泵量下可實現(xiàn)較好的鉆進(jìn)速度。

圖4-2 三翼合金刮刀鉆頭和三翼PDC一體式鉆頭

4.2泥漿體系優(yōu)選

根據(jù)青德地1井巖層特征，前期繩索取芯階段主要使用了成膜泥漿體系護(hù)壁，基本配方為：5%成膜A劑 + 0.2%燒堿 + 0.2%高效包被劑 + 0.6%抗鹽共聚物 + 0.5%降失水劑 + 2%GFD-1 + 5%液體潤滑劑，在鉆進(jìn)過程中雖然該泥漿體系具有一定的護(hù)壁、潤滑、攜帶巖粉能力，但是隨著井深的逐漸延伸，巖粉粘土顆粒不斷入侵、泥漿體系的流變性較難以控制，井壁濾失量也較高，泥漿整體抑制能力較差，這也是該井發(fā)生卡鉆事故直接原因。由于前期鉆探施工選配泥漿體系主要依據(jù)是地質(zhì)方面提供的地層資料，該地區(qū)又屬于鉆探盲區(qū)、沒有可參考借鑒的鄰井資料，因此泥漿體系的選配上也存在一定的盲目性。

針對青德地1井存在的第四系卵礫石層巨厚、凍土層易解凍垮塌或易凍鉆具，上部第三系井壁穩(wěn)定性差、易坍塌、掉塊，下部目的層縮徑嚴(yán)重、易卡鉆、易脫落和全面無芯鉆進(jìn)巖屑多攜帶困難等施工難點，在全面無芯鉆進(jìn)過程主要選擇和應(yīng)用了具有較強(qiáng)抑制能力、低濾失量、低密度、潤滑性好的高性能聚合物陽離子無固相泥漿體系，基本配比為：廣譜護(hù)壁劑8kg + 高粘防塌劑3-4kg + 磺化褐煤樹脂8kg + 腐殖酸鉀8kg + 聚丙烯酸鉀1.5kg + 0.5kg液體潤滑劑，性能指標(biāo)：比重：1.04-1.06g/cm3、粘度：28-36s、失水量：5-6mL/30min、PH：7-9、泥皮厚度：0.5-0.8mm。該泥漿體系中由于鉀離子、褐煤陽離子、正點膠等陽離子抑制能力較強(qiáng)，可有效抑制井壁失穩(wěn)、降低濾失量和泥漿密度，有利于提高鉆進(jìn)效率、維護(hù)井壁穩(wěn)定。

在全面無芯鉆進(jìn)過程中，根據(jù)不同巖層的護(hù)壁需求，制定和采取了有針對性的泥漿維護(hù)與處理方案，使得該泥漿體系在青德地1井整個無芯鉆進(jìn)階段和后期繩索取芯、完井測井等各個環(huán)節(jié)泥漿性能參數(shù)相對穩(wěn)定、抑制能力強(qiáng)、井壁穩(wěn)定、潤滑性良好，全井未再出現(xiàn)任何井內(nèi)復(fù)雜事故。

（1）全面無芯鉆進(jìn)泥漿泵量保持在140L/min以上、粘度控制在25-30秒，比較有利于攜帶巖屑巖粉、保持井底干凈。

（2）合適的泥漿密度對提高無芯鉆進(jìn)效率至關(guān)重要，現(xiàn)場實踐表明，只要將泥漿密度嚴(yán)格控制在1.08g/cm3以下，就能實現(xiàn)高效率優(yōu)快鉆進(jìn)。

（3）通過實踐應(yīng)用與地層匹配，強(qiáng)抑制性能、低濾失量、低密度聚合物陽離子無固相泥漿，制定合理的維護(hù)方案，保證了青德地1井的順利完井。

5成果與認(rèn)識

青德地1井在鉆探施工過程中，雖然發(fā)生了較為嚴(yán)重的井內(nèi)事故、延長了施工周期、增加了施工成本。通過采用高強(qiáng)度鋁酸鹽水泥定段定點封閉、側(cè)鉆繞障技術(shù)繞過事故井段，實現(xiàn)了事故井段全面無芯鉆進(jìn)施工，在較短的時間內(nèi)完成了全面無芯鉆進(jìn)任務(wù)，最終達(dá)到了地質(zhì)設(shè)計要求，在事故井段歷時18天實現(xiàn)無芯鉆探進(jìn)尺722.08m，取得了較好的鉆進(jìn)效益，也為我單位今后在無芯鉆探施工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)積累了一定的經(jīng)驗教訓(xùn)和鉆探基礎(chǔ)資料。

（作者單位：青海煤炭地質(zhì)一0五勘探隊）