特深科學井孔內(nèi)安全研究與施工技術體系構想

朱文鑒，王李昌

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2. 中南大學， 長沙 410083)

0 引言

特深井(直井)目前主要有沉積巖石油深井和結晶巖科學深孔。石油特深井有國外深9583 m的勃爾茲·羅杰斯1號井(美國)和國內(nèi)8418 m深的馬深1井(四川)。科學特深井有國外12 262 m深的科拉SG-3井(前蘇聯(lián))、9101 m深的KTB主孔(前聯(lián)邦德國)和國內(nèi)5158 m深的科鉆一井。

鉆探鉆井孔內(nèi)安全基礎性問題應包括孔壁安全和軌跡安全?？妆诎踩橇W平衡和物化平衡問題，是一個多場多介質(zhì)(應力場、壓力場、溫度場和流體場；流體、巖體、鉆具)條件下的壓力、應力和物化等平衡，同時各平衡相互影響，其中一項不平衡都會導致孔壁安全問題。鉆孔軌跡安全是空間力學問題，是鉆孔軌跡空間形態(tài)引起的孔壁與鉆桿柱摩阻力對起下鉆、鉆進和其他孔底作業(yè)的屏蔽作用，可導致鉆進過程難以掌控和起下鉆遇卡等問題。

1 鉆探鉆井施工技術體系

對于深井和特深井施工可分為兩大基本技術體系：石油鉆井(沉積巖、全面鉆進)和科學鉆探(結晶巖、取心鉆進)。不同地層孔內(nèi)安全問題的主要特點見表1所示；石油鉆井和科學鉆探孔內(nèi)安全基本問題與應對措施見表2所示。

沉積巖石油鉆井市場需求旺盛、工程量大，理論基礎扎實、技術體系完善，鉆井設備、工具、材料等系列化、標準化程度高。結晶巖科學鉆探需求弱、工程量少，理論基礎研究不足、技術體系不完備，鉆探設備、工具、材料等主要借用石油鉆井與地質(zhì)鉆探，缺乏技術體系和專用裝備與工具。

表1 不同地層鉆探鉆井主要特點

表2 鉆探鉆井孔內(nèi)安全主要問題與措施

2 孔壁安全分析

孔壁安全是一個多場多介質(zhì)條件下的力學和物化平衡問題(應力場、壓力場、流體場、溫度場；流體、巖體、鉆具等)，是一個多因素交互作用的動態(tài)平衡?？妆诎踩谋举|(zhì)是孔壁巖石與井筒鉆井液的應力、壓力和物化三個動態(tài)平衡，結晶巖地層孔壁穩(wěn)定與沉積巖地層孔壁穩(wěn)定具有不同的特點。

2.1 沉積巖孔壁安全

2.1.1 壓力平衡

沉積巖地層有孔隙壓力和破裂壓力，泥漿液柱壓力與其壓力平衡關系為：

pp≤ph≤pf或Gp≤Gh≤Gf

(1)

式中：pp為地層孔隙壓力，MPa；Gp為孔隙壓力梯度，MPa/100 m；ph為鉆井液液柱壓力(含循環(huán)壓力和激動壓力等)，MPa；Gh為鉆井液液柱壓力梯度，MPa/100 m；pf為地層破裂壓力，MPa；Gf為地層破裂壓力梯度，MPa/100 m。

壓力平衡體現(xiàn)為對鉆井液液柱壓力的雙向約束，泥漿密度有一定的窗口，當泥漿密度低于孔隙壓力時會導致井涌井噴(密度下限)；高于破裂壓力時會導致井漏(密度上限)。

2.1.2 應力平衡

維持孔壁巖層應力平衡和防止鉆孔縮徑需要的液柱壓力為坍塌壓力，其與泥漿液柱壓力的關系為：

pc≤ph或Gc≤Gh

(2)

式中：pc為地層坍塌壓力，MPa；

Gp為坍塌壓力梯度，MPa/100 m。

應力平衡體現(xiàn)為鉆開地層時井筒孔壁巖石載荷的再平衡，將井筒圍巖應力分量(需考慮孔壁巖石水敏引起的水化膨脹應力和剪切強度的降低等)與巖石破壞準則(即莫爾-庫倫剪切破壞準則和格里菲斯張性破裂)相比較(圖1)，可判斷孔壁是否穩(wěn)定。對應于軟塑地層，鉆井液密度具有很高的下限(超過2.0 g/cm3)。

圖1 孔壁巖石應力穩(wěn)定態(tài)變化圖

2.1.3 物化平衡

孔壁巖體與鉆井液之間的化學反應或物理轉(zhuǎn)移的動態(tài)平衡。當孔壁巖石與鉆井液的水礦化度、活度或化學電位等不同時會導致水相轉(zhuǎn)移、泥頁巖吸水膨脹或軟化和溶解等，破壞孔壁應力平衡，給孔壁穩(wěn)定產(chǎn)生嚴重影響。物化平衡的關鍵是防止孔壁巖石和鉆井液之間的水相轉(zhuǎn)移。

2.1.4 沉積巖孔壁安全措施

主要依靠泥漿密度調(diào)整壓力和應力平衡，泥漿密度窗口相對較窄；主要依靠泥漿的抑制性控制孔壁巖石與鉆井液之間物化平衡。所以沉積巖維護孔壁穩(wěn)定主要采用泥漿護壁技術，當泥漿護壁技術無法滿足壓力、應力或物化動態(tài)平衡時，采用套管固井隔離。

2.2 結晶巖孔壁安全

2.2.1 壓力平衡

結晶巖地層一般無孔隙壓力；結晶巖地層破裂壓力高，一般不低于上覆壓力梯度(2.5 MPa/100 m)；如斷裂帶、破碎帶或裂隙帶等漏失，其漏失壓力低，一般不高于水柱壓力梯度(1 MPa/100 m)，其壓力平衡為：

ph≤pL&ph≤pf或Gh≤GL&Gh≤Gf

(3)

式中：pL為地層漏失壓力，MPa；

GL為地層漏失壓力梯度，MPa/100 m。

結晶巖斷裂帶、破碎帶或裂隙帶漏失壓力與地層破裂壓力有本質(zhì)的不同。由于結晶巖破裂壓力高，ph≤pf一般條件下都滿足；鉆遇斷裂帶、裂隙帶或破碎帶等地層發(fā)生漏失時，采用泥漿鉆進時ph≤pL式很難滿足，通常采用空氣鉆進或堵漏措施。結晶巖壓力平衡式是單向約束，通常情況下沒有泥漿密度窗口概念。

2.2.2 應力平衡

維持結晶巖孔壁巖層應力平衡需要的鉆井液液柱壓力為坍塌壓力，應力平衡關系同式(3)。由于結晶巖強度高，抗剪切強度高、塑性變形小，其坍塌壓力低，在中深井條件下，結晶巖一般都能滿足該要求。

2.2.3 物化平衡

由于結晶巖遇水很穩(wěn)定，因此物化平衡穩(wěn)定性高。

2.2.4 結晶巖孔壁安全措施

結晶巖孔壁安全度高，但鉆遇斷裂帶、裂隙帶、破碎帶或低強度帶等時，如有漏失，則漏失壓力低(密度上限一般低于1 g/cm3)，調(diào)節(jié)泥漿密度難以滿足壓力，一般需采用空氣鉆井或堵漏措施；同時其坍塌壓力高(密度下限一般高于2.5 g/cm3)，調(diào)節(jié)泥漿密度難以滿足應力平衡要求，一般會通過坍塌擴徑釋放局部壓力至應力重新平衡，為了維護孔壁安全，宜采用固壁或造壁技術護壁。

3 鉆孔軌跡安全分析

鉆孔軌跡安全是鉆孔軌跡空間形態(tài)對鉆桿柱在起下鉆、鉆進等孔內(nèi)作業(yè)過程中的屏障問題，當屏蔽作用達到一定程度時，將導致起下鉆遇卡、鉆進過程難掌控等復雜情況，嚴重時將導致無法正常起下鉆和正常鉆進等問題。

3.1 鉆孔軌跡彎曲分類

依據(jù)鉆孔軌跡頂角的變化可分為正彎曲和負彎曲。正彎曲是鉆孔頂角增加的軌跡彎曲段，鉆探鉆井鉆孔軌跡通常是正彎曲，比如：石油鉆井水平井施工，頂角增加至近90°；水平定向鉆進施工入地時頂角近75°，出土時頂角近105°。負彎曲是鉆孔頂角減少的軌跡彎曲段，鉆探施工過程中糾斜的鉆孔軌跡是典型的負彎曲。在正彎曲和負彎曲孔段，起下鉆、事故處理等作業(yè)鉆桿柱受力狀態(tài)有本質(zhì)的不同。正彎曲時，鉆桿柱整體順鉆孔下孔壁運移，不易形成載荷集中點，對入孔鉆桿柱最少曲率半徑要求較??；負彎曲時，鉆桿柱順鉆孔局部下孔壁運移(下鉆易遇阻)，易形成較大載荷集中點，對入孔鉆桿柱最小曲率半徑要求較大。

在深井直孔中的鉆桿柱可視為受拉力作用的柔性桿體。正彎曲段鉆桿柱摩阻力可簡化為作用于該孔段中間點，摩阻力近似為：

(4)

式中：Ff為摩阻力；

θ1為正彎曲段起始頂角，(°)；

θ2為正彎曲段最終頂角，(°)；

f為摩擦系數(shù)。

直孔負彎曲段鉆桿柱摩阻力可簡化為作用于該孔段起點，摩阻力近似為：

(5)

式中：θ1為負彎曲段最大頂角，(°)；

θ2為負彎曲段最小頂角，(°)，當負彎曲段軌跡超越垂直線時為負值。

依據(jù)鉆孔頂角和方位角的變化不同可分為折彎曲和空間彎曲。折彎曲是由一個正彎曲段和一個負彎曲段構成的軌跡彎曲段，折彎曲會嚴重惡化鉆桿柱的受力狀態(tài)；空間彎曲是鉆孔頂角和方位角都有變化的軌跡彎曲段，方位角變化也會惡化鉆桿柱受力狀況。

3.2 彎曲段軌跡安全評價

鉆孔軌跡安全評價是評價鉆孔軌跡彎曲對鉆探鉆井正常施工的影響程度，應分為二個層次：彎曲段(局部)軌跡安全評價、全孔軌跡安全評價。彎曲段軌跡安全評價可采用最大允許狗腿嚴重度。彎曲狗腿嚴重度為鉆孔軌跡軸線兩個測點之間，其頂角與方位角的空間變化值與兩測點長度的比值，表示鉆孔彎曲程度或變化快慢程度，即鉆孔軌跡曲率(°/30 m或°/100英尺)：

(6)

式中：DLS為狗腿嚴重度，(°)/30 m；L為兩測點彎曲段長度，m；α1為第一個測點頂角，(°)；α2為第2個測點頂角，(°)；θ1為第一個測點方位角，(°)；θ2為第二個測點方位角，(°)。

最大允許狗腿嚴重度為鉆孔軌跡正彎曲或負彎曲的曲率半徑宜大于鉆桿鉆具組合自由狀態(tài)(鉆具組合整體順下孔壁通過彎曲段)的最小曲率半徑。正彎曲段狗腿嚴重度允許值相對較高，最小曲率半徑相對較?。回搹澢喂吠葒乐囟仍试S值相對較低，最小曲率半徑相對較大。狗腿嚴重度指標可反映彎曲段對鉆探鉆井施工的影響，但不能用于評價整個鉆孔軌跡對鉆探施工孔內(nèi)安全的影響。如鉆孔軌跡由2個或以上彎曲段構成，其對鉆探施工孔內(nèi)安全不是單獨影響的，而是具有關聯(lián)性和疊加性的，將嚴重加劇鉆探施工孔內(nèi)安全問題；而且隨著鉆進深度的不斷增加，孔內(nèi)安全不斷惡化。

3.3 全孔軌跡安全評價

全孔的鉆孔軌跡安全評價可采用鉆孔軌跡摩阻力進行評價。由于鉆孔軌跡彎曲，當鉆桿柱上下活動時，鉆孔孔壁會對鉆桿柱產(chǎn)生一定的摩擦阻力；當孔底鉆具遇卡提升鉆桿柱時，鉆孔孔壁對鉆桿柱的摩擦阻力會隨孔底阻力增加而增加，鉆孔軌跡摩阻力可表示為：

Fr=C1×L×q+C2×Fj

(7)

式中：Fr為鉆孔軌跡摩阻力，kN；q為鉆桿單位長度重量，kN/m；L為孔深，m；C1為正常鉆進屏蔽系數(shù)；C2為事故處理屏蔽系數(shù)；Fj為孔底鉆具遇卡阻力，kN。

為了分析C1和C2的影響因數(shù)，以垂直鉆孔軌跡為一折彎曲為例進行計算分析，上段為正彎曲段，長度L1，頂角由0°～θ1；下段為負彎曲段，長度L2，頂角由θ1～θ2；鉆桿單位長度重量為q；孔深為L=L1+L2。則，正常鉆進時摩阻力Fr為：

(9)

由式(9)可見，正常鉆進屏蔽系數(shù)不僅與最大頂角和負彎曲最小頂角相關，還與摩擦系數(shù)和負彎曲段長度線性相關。糾斜后，鉆孔軌跡摩阻力不僅隨孔深增加而增加，而且隨糾斜后孔深增加大幅度增加，嚴重影響鉆進過程中對孔底情況的掌控能力。

假設在孔底鉆具遇卡，卡阻力為Fj，則事故處理時摩阻力Fr為：

(10)

(11)

由式(11)可見，事故處理屏蔽系數(shù)不僅與最大頂角和負彎曲最小頂角相關，還與摩擦系數(shù)線性相關，比正常鉆進屏蔽系數(shù)大，鉆孔軌跡彎曲會嚴重削弱孔底事故處理能力。

鉆孔軌跡安全包括兩個方面：一是控制彎曲段的狗腿嚴重度或曲率半徑，確保鉆桿柱順利通過彎曲段；二是對于有折彎曲和空間彎曲的鉆孔，需考慮整個鉆孔軌跡對后續(xù)鉆進施工的屏蔽作用。對于深井和特深井，分析以往大陸科學鉆探施工的案例，可以得出初步結論：糾斜(較大折彎曲)后能繼續(xù)鉆進孔深極限約為2000 m。

4 特深井施工技術體系構想

特深井實施應依據(jù)地層深度方向宏觀分布規(guī)律將特深井分為上部、中部和下部三段分別考慮。本文依據(jù)科學特深井地層深度方向的不同特點，以孔內(nèi)安全問題為技術主線，提出具有針對性的鉆孔安全技術措施，從而提出特深井施工技術體系初步方案及其重大關鍵技術構想。

4.1 分段特點及主要技術措施

4.1.1 上部段(0—6000～7000 m)

(1)地層情況

底層為沉積巖或結晶巖；沉積巖按石油鉆井技術體系考慮，結晶巖破碎帶、漏失帶等，強致斜巖石；孔底地層溫度約175℃，循環(huán)孔底溫度約100℃。

(2)主要技術措施

沉積巖采用石油鉆井技術體系，泥漿護壁或套管固井和防斜技術；結晶巖采用固壁或造壁技術以及堵漏等護壁技術，采用垂鉆技術+取心技術和活動套管+擴孔技術，可實現(xiàn)長裸眼井段(約4000 m)鉆進；常規(guī)泥漿材料以及孔底儀器和鉆具滿足要求，堵漏材料和固壁或造壁材料滿足175℃要求。

4.1.2 中部段(6000～7000 m—11000～12000 m)

(1)地層情況

地層為結晶巖，主要特點是破碎帶、弱強度地層，強致斜巖石，孔底溫度約250℃，循環(huán)孔底溫度約175℃。

(2)主要技術措施

高溫高密度泥漿技術、高壓差堵漏技術、高溫高強度固壁技術以及垂鉆技術(或純機械式垂鉆系統(tǒng))+取心技術實現(xiàn)長裸眼井段鉆進；泥漿材料以及高溫孔底儀器和鉆具滿足175℃要求；堵漏和固壁材料滿足250℃要求。

4.1.3 下部段(11000～12000 m—13000 m～)：

(1)地層情況

地層為結晶巖，主要特點是弱強度地層、致斜巖石，孔底溫度325℃以上，循環(huán)孔底溫度225℃以上。

(2)主要技術措施

超高溫高密度泥漿技術或超高溫高強度固壁技術護壁，取心鉆進系統(tǒng)+防斜技術，泥漿材料以及超高溫孔底儀器或鉆具需滿足225℃以上的要求，固壁材料需滿足325℃以上的要求。

4.2 重大關鍵技術

4.2.1 長裸眼(0～4000 m)

鉆進技術系統(tǒng)采用適當?shù)募夹g措施解決孔壁安全問題，在結晶巖中實現(xiàn)長裸眼孔段鉆進。長裸眼井段孔壁安全問題主要有裂隙帶或破裂帶漏失和破碎帶或弱強度地層孔壁坍塌，長裸眼井段漏失重點采用高壓差裂隙性堵漏技術處理；破碎帶或弱強度地層坍塌需采用固壁或造壁技術(高強度水泥漿液、高強度化學漿液、膨脹管等)處理。長裸眼鉆進技術系統(tǒng)不僅解決了孔壁穩(wěn)定問題，降低孔內(nèi)事故風險，而且減少了套管程序，大幅度減少施工工期和降低施工成本。

4.2.2 垂鉆取心鉆進技術系統(tǒng)

為解決鉆孔軌跡安全問題，上、中部井段鉆孔軌跡必須近似垂直，需采用垂鉆技術+取心技術，即垂鉆取心鉆進系統(tǒng)技術或小口徑取心鉆進+擴孔垂鉆工藝技術(雙孔方案是備選方案之一)；中、下部井段可采用純機械式垂鉆或防斜技術。

4 結論

本文分析了沉積巖石油鉆井和結晶巖科學鉆探孔內(nèi)安全基本問題，從而提出特深科學井鉆探施工技術體系構想及其重大關鍵技術，可得出以下結論：①孔壁穩(wěn)定安全是鉆探鉆井順利實施的關鍵和前提，包括壓力平衡、應力平衡和物化平衡三個方面的內(nèi)容，三個平衡是動態(tài)的、相互影響的，結晶巖和沉積巖孔壁安全問題具有不同的特點，應根據(jù)地質(zhì)條件評價整個裸眼井段孔壁穩(wěn)定狀態(tài)，從壓力、應力和物化平衡三個方面提出具有針對性的技術措施；②鉆孔軌跡彎曲是深井和特深井實施必須考慮的重大問題之一，特別是結晶巖多存在致斜或強致斜性，直井施工中不采取相應防斜措施會致使鉆孔頂角大幅增加，鉆孔彎曲后采取糾斜措施效果是有限的，同時會增加鉆孔軌跡空間形態(tài)復雜性，會增加鉆孔孔壁對鉆桿柱的摩阻力及其屏蔽作用，為后續(xù)施工帶來諸多隱患和問題；③特深井依據(jù)地層特性和地溫情況分為上、中、下三段，上段重點應對破碎帶、裂隙性漏失帶和強致斜地層等，中段主要應對破碎帶、弱強度地層和強致斜地層以及高溫條件等，下段重點應對弱強度地層和超高溫條件；④從孔壁安全出發(fā)，研發(fā)高效的長裸眼(0～4000m)鉆進技術系統(tǒng)，減少套管程序和施工成本，提高鉆孔孔壁穩(wěn)定性和孔內(nèi)施工安全，從鉆孔軌跡安全出發(fā)，研發(fā)垂鉆取心鉆進技術系統(tǒng)，在實施取心鉆進過程中，提高上段和中段鉆孔軌跡安全度，降低鉆孔軌跡對下段施工的屏蔽作用，為全井安全施工提供必要的條件。

實施特深井(13 000 m以深)科學鉆探工程之前，建立結晶巖鉆探施工必要的理論基礎和構建初步的技術體系是非常必要的，只有在具備較完備的理論基礎和完善的施工技術體系的前提下，才能安全、高效地完成特深井科學鉆探任務。