牛場區(qū)塊煤層氣鉆井堵漏技術研究

唐勝利，閆 鴿，徐堪社

(1．西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西西安 710054;2．中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣是現(xiàn)階段中國煤層氣的重要產(chǎn)業(yè)基地，但是仍然不能滿足我國對煤層氣產(chǎn)量的需求，因此急需尋找一批勘探開發(fā)戰(zhàn)略接替區(qū)。西南的六盤水煤田被認為是我國煤層氣勘探和試驗開發(fā)的三大重點目標區(qū)之一［1］。在六盤水煤田中牛場區(qū)塊含氣量較高，便于開采，具有開發(fā)價值。但是在鉆井過程中容易發(fā)生漏失，且易重復，漏失量和堵漏難度較大，因此漏失是牛場區(qū)塊鉆井中遇到的首要難題。漏失會延誤工期，增加鉆井成本，堵漏技術是本區(qū)塊急需解決的重要難題。

1 概況

1．1 研究區(qū)地層概況

牛場區(qū)塊地處貴州省六盤水市六枝特區(qū)境內(nèi)，隸屬于貴州織納煤田比德－三塘向斜。煤層氣井深大約在840～970 m之間，鉆孔實際揭露的主要地層自上而下分別為第四系(Q)地層、三疊系下統(tǒng)飛仙關組(T1f)地層、二疊系上統(tǒng)長興組(P3c)地層、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)地層、二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P3β)地層。其中飛仙關組上部巖性為深灰色泥灰?guī)r、灰?guī)r，底部巖性為灰紫色泥巖、灰色灰?guī)r、綠灰色粉砂質(zhì)泥巖;龍?zhí)督M巖性為灰色細砂巖、泥質(zhì)細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、深灰色泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖、黑色煤不等厚互層。

1．2 勘探開發(fā)情況

六枝特區(qū)內(nèi)煤層氣涌出量及抽放量均很高，利用量相對較高(表1)，且位于六枝內(nèi)的牛場區(qū)塊累計施工煤層氣井幾十口，其瓦斯涌出量、抽放量較大，利用率較高，勘探開發(fā)程度較高。

表1 六盤水地區(qū)煤礦瓦斯利用情況統(tǒng)計表

1．3 井身情況

牛場區(qū)塊煤層氣井鉆井完鉆原則是完鉆人工井底距32#煤層底部，垂深不小于50 m，完井方式選擇套管射孔方式。結合地層地質(zhì)情況，一開用Ф311.15 mm空氣鉆，循環(huán)介質(zhì)為空氣，低鉆壓適中轉(zhuǎn)速鉆進，鉆至約80 m下Ф215．9 mm表層套管，固井候凝。二開在鉆進過程中選擇Ф215．9 mmPDC鉆頭，鉆至32#煤層底部以下完鉆，下Ф139．7 mm生產(chǎn)套管，固井候凝，水泥返高200 m以上完井;二開鉆井液以防止井下復雜事故發(fā)生為主要目的。

2 漏失情況

2．1 漏失地層

牛場區(qū)塊累計施工36口井，多數(shù)井發(fā)生漏失，主要發(fā)生在飛仙關組，飛仙關組巖性為灰色～淺灰色泥質(zhì)粉砂巖或粉砂巖互層(如圖1)，薄層至中厚層狀，波狀層理及水平層理，灰?guī)r一般有3套，全層厚度大于90 m，地層傾角10°［2］。漏失的發(fā)生不僅延長了工期，而且增加了鉆井成本，因此確定最佳堵漏方法對本區(qū)塊尤為重要。通過牛1-6-1井臺7口井漏失情況如圖2所示，可以看出漏失層位主要集中在垂深340～380 m，7口井失返性漏失后，測量液面均位于80 m左右，可以判斷為同一裂隙性漏失層位，漏層深度變化受地層傾角影響［2］。

圖1 漏失層段地層簡圖

圖2 漏失位置對比圖

2．2 漏失原因

造成漏失的因素有地質(zhì)因素和鉆井工藝因素兩方面，由于構造運動形成的節(jié)理、片理、層理，巖石的各向異性以及巖石本身的結構存在著滲透性，經(jīng)過風化、剝蝕、搬運而產(chǎn)生的溶洞等都是發(fā)生漏失的條件，當孔內(nèi)鉆井液柱壓力大于孔隙壓力就容易發(fā)生漏失現(xiàn)象［3］。研究區(qū)飛仙關組與龍?zhí)督M中的粉砂巖層受構造變形作用，在構造應力作用下產(chǎn)生破裂，形成構造裂隙，加上粉砂巖互層與地下水長期作用形成范圍較廣的裂隙性漏失帶，其屬于裂隙性漏失地層，因此地質(zhì)因素是主要的影響因素。影響漏失的工藝因素主要是鉆井的操作過程，鉆頭的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓，鉆井液上返速度、泵量、種類、密度、粘度以及鉆井液的性能。牛場區(qū)塊下完套管后可能出現(xiàn)井壁掉塊或坍塌等復雜情況，固井循環(huán)時環(huán)空不暢通，會造成憋壓后漏失現(xiàn)象;且固井前技術交底不深入，對漏層判斷不準確，未提出針對性的固井施工措施，其下組煤層整體破裂壓力低，正常鉆進時鉆井液密度低(1．08 g/cm3)，因此液柱壓力低于地層破裂壓力，未發(fā)現(xiàn)煤系地層漏失情況。但固井施工中，注完水泥漿開始替漿時，環(huán)空水泥漿領漿密度達到1．80 g/cm3，領漿垂直高度約300．00 m，液柱壓力預計11．60 MPa，此時液柱壓力大于地層破裂壓力，容易壓漏地層。

3 防漏主要技術對策

3．1 防治措施

在鉆井過程中控制好鉆井速度以及其他鉆井參數(shù)，避免起下鉆過猛，降低鉆進工藝對漏失發(fā)生的影響，并且在井場內(nèi)準備好足夠的堵漏材料，能夠及時配制堵漏泥漿，快速有效地堵漏，避免其他事故發(fā)生。鉆井液長期漏失會導致巖屑無法排出，孔內(nèi)垮塌，埋鉆卡鉆等事故，因此會延長鉆井周期以及增加鉆井成本，所以在鉆井過程中應該防漏并且做到隨鉆堵漏［4］。當遇到在溶洞性大裂縫性漏失層，且漏失速度大于泵入排量的情況時，應采用清水強鉆方法來處理漏失，清水強鉆其原理就是漏層之上為鉆井液用以平衡地層壓力，之下用清水鉆井并攜帶巖屑至漏層［5］。遇到其他情況時可采用水泥漿堵漏，其使用方便快捷有效，也可采用橋塞堵漏、復合堵漏、可控膠凝堵漏等常規(guī)堵漏方法。

3．2 工程應用

牛1-6-1井設計井深864 m，完鉆于玄武巖組。因地層巖性及地質(zhì)構造、鉆井工藝等因素預先制定了多項防漏措施。

調(diào)控維持鉆井液密度:根據(jù)設計的鉆井液密度，并結合實鉆情況，及時合理地調(diào)控維持鉆井液密度，使鉆井液密度控制在1．03～1．09 g/cm3，實現(xiàn)近平衡鉆井，從而盡可能地降低鉆井液液柱壓力。

轉(zhuǎn)速鉆壓控制:針對牛場區(qū)塊地層巖性以及漏失的特點，在鉆井過程中使一開鉆進中鉆頭的轉(zhuǎn)速控制在60 rpm左右，鉆壓在10～20 kN，二開的轉(zhuǎn)速60 rpm+螺桿，鉆壓在20～40 kN之間，鉆井液的粘度在35～42 s之間。

防止憋漏:下鉆到底開泵時，為防止憋漏地層，先用轉(zhuǎn)盤活動鉆具以破壞鉆井液結構力，再開泵，開泵后排量逐漸由小到大。

控制起下鉆速度:嚴密監(jiān)控鉆井液密度，嚴格控制起下鉆速度，避免過高的壓力產(chǎn)生井漏，起鉆嚴格按規(guī)程灌滿鉆井液。

避免環(huán)空障礙:維持優(yōu)良的鉆井液防塌性、防卡性、流變性和失水造壁性，以保證井壁的穩(wěn)定、井眼的凈化和有效的環(huán)空水力值，從而避免環(huán)空泥環(huán)、砂橋、鉆頭泥包等引起的阻卡造成的井漏。

易漏層段的管理:鉆進已知的裂縫發(fā)育、破碎地層的易漏層段和預計漏層前，在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料以防井漏。本井在鉆進過程中加強了鉆井液的管理，每班測試鉆井液性能，隨時調(diào)整、控制各性能參數(shù)，及時調(diào)整鉆井液性能。

3．3 堵漏實例

堵漏過程:在鉆遇實際地層時無法有效防漏，在一開空氣鉆進中，鉆至11 m時遇地層出水，巖屑無法排出，更換螺桿使用清水鉆進。換螺桿鉆具開泵后，井口一直未返漿，加堵漏材料打入井內(nèi)，泥漿依舊失返。抽清水強鉆，分別鉆至15～17 m、23～24 m、26～27 m放空。水量不足，無法滿足強行鉆進，然后選擇采用兩臺空壓機空氣鉆進，共漏失清水300 m3。二開鉆進至飛仙關組359．9 m時泥漿失返，漏失泥漿20 m3，隨后配堵漏泥漿10 m3，配方為復合堵漏劑0．5 t+高粘堵漏劑0．2 t+隨鉆堵漏劑0．2 t，循環(huán)鉆井液，恢復正常鉆進，鉆至840 m完鉆。完鉆測井后下鉆通井，進行地層承壓試驗，先后5次配堵漏泥漿打入井內(nèi)堵漏，一直未能起壓。第一次配堵漏泥漿10 m3，配方為土粉0．5 t+CMC0．2 t+護壁劑0．1 t+隨鉆堵漏劑 8 030．5 t+8 010．2 t+鋸末0．5 m3，注入井內(nèi)，未起壓;第二次起鉆至井深380 m，配堵漏泥漿 15 m3，配方為土粉 1．5 t+CMC0．2 t+ 護壁劑0．3 t+8 030．5 t+8 010．3 t+ 鋸末 0．5 m3，注入井內(nèi)，起壓 2 MPa，很快降為零;繼續(xù)配堵漏泥漿10 m3，配方為土粉0．5 t+CMC0．1 t+803 0．5 t+護壁劑0．1 t+ 橋塞堵漏劑 0．25 t，第一次注入井內(nèi)5 m3，靜止堵漏后穩(wěn)壓15 min，壓力1 MPa，等待4 h后第二次注入井內(nèi)5 m3，穩(wěn)壓15 min，壓力 1．7 MPa;第四次配堵漏泥漿 24 m3，配方為土粉1．5 t+CMC0．2 t+護壁劑0．2 t+隨鉆堵漏劑8 031 t+8 010．2 t+復合堵漏劑0．5 t+黃豆0.05 t+鋸末0．5 m3，下鉆至800 m，注入15 m3堵漏泥漿，起鉆至360 m，泵入4 m3，關井憋壓，繼續(xù)擠入泥漿，起壓2．5 MPa，停泵后壓力很快回零，靜止堵漏后仍未能憋住壓;第五次配堵漏泥漿14 m3，配方為土粉2 t+CMC0．1 t+復合堵漏劑2．25 t+純堿0．05 t+鋸末0．5 m3，下鉆至 500 m，注入 9 m3堵漏泥漿，關井憋壓，繼續(xù)擠入泥漿2 m3，起壓2．5 MPa，開井后繼續(xù)注入3 m3;下鉆到底后關井憋壓，起壓3 MPa，停泵后降為 2 MPa，穩(wěn)壓 15 min。

改進措施:雖然堵漏成功但是地層承壓能力不高，在后續(xù)的鉆井過程中易重復漏失。分析前5次失敗的原因，總結經(jīng)驗教訓并結合現(xiàn)場試驗結果，并且針對飛仙關灰?guī)r地層失返性漏失，堵漏材料無法通過MWD儀器，因此常規(guī)堵漏方法已不可行。于是提出如下改進堵漏措施:①鉆進過程中出現(xiàn)漏失，要判斷井內(nèi)液面是否出現(xiàn)下降，根據(jù)漏失大小，及時起鉆，將綜合堵漏劑、復合堵漏劑、隨鉆(植物纖維)堵漏劑、鋸末、絮凝劑、CMC、土粉、水泥等，按比例攪拌均勻，同時為了提高復合堵漏塞的膠凝程度并加入聚丙烯酰胺、高粘羧甲基纖維素鈉、高粘堵漏劑，通過井口漏斗泥漿攜帶灌入井內(nèi)(灌入堵漏漿濃度達到50%以上);②統(tǒng)計堵漏漿注入量，計算漏點以上井眼容積，關封井器將堵漏漿擠入漏層，確保最優(yōu)堵漏漿濃度和堵漏漿進入裂隙的最優(yōu)量;③下定向鉆具，正常鉆進，調(diào)整好泥漿性能，減少泥漿對漏層沖刷，同時，泥漿中補充隨鉆(植物纖維)堵漏劑，減少泥漿漏失;④如果漏點裂隙較大，惰性堵漏材料無法滿足堵漏效果時，可注水泥封堵。注水泥前根據(jù)漏失情況可先用堵漏材料架橋;⑤根據(jù)改進后的堵漏措施第六次在原堵漏泥漿的基礎上，配堵漏泥漿9 m3，配方為土粉 0．6 t+CMC0．05 t+ 復合堵漏劑0．4 t+ 純堿 0．05 t+ 綜合堵漏劑 0．4 t，起鉆至 640 m注入9 m3堵漏泥漿，關井憋壓，起壓4 MPa，停泵后15 min降為2 MPa，30 min穩(wěn)壓1．5 MPa。試壓合格，然后起鉆下套管、固井;⑥經(jīng)過先后6次配堵漏泥漿，注漿堵漏，最終堵漏成功且地層承壓能力合格，順利完井。

4 結論

(1)牛場區(qū)塊鉆井過程中形成的漏失裂隙帶分布較廣，經(jīng)過常規(guī)堵漏方法無法達到鉆井要求后，綜合失敗原因，勇于創(chuàng)新，結合現(xiàn)場實驗，將綜合堵漏劑、復合堵漏劑、隨鉆(植物纖維)堵漏劑、鋸末、絮凝劑、CMC、土粉、水泥等，按比例攪拌均勻。同時為了提高復合堵漏塞的膠凝程度并加入聚丙烯酰胺、高粘羧甲基纖維素鈉、高粘堵漏劑，通過井口漏斗泥漿攜帶灌入井內(nèi)，再結合水泥漿堵漏法共同堵漏，取得了良好的效果。

(2)堵漏時應該根據(jù)漏失特點，漏失層位特性，并且統(tǒng)計堵漏漿注入量，以及各種數(shù)據(jù)的準確計算，有針對性地選擇堵漏方法，善于歸納總結找到最優(yōu)堵漏方法，確保堵漏成功。