山西平遙煤系氣探井堵漏方法探索

謝色新，馬俊強，崔 駿，姜瑞辰

(中國煤炭地質總局廣東煤炭地質局勘查院，廣東 廣州 510440)

1 前言

復雜地層鉆探中如何處理好鉆孔漏失是最普遍的一個難題[1-3]。由于鉆孔漏失，造成鉆進施工的困難，鉆孔漏、涌水進而引起鉆孔垮塌、卡埋鉆具，被迫停鉆處理等。鉆孔漏失處理不當會引發(fā)其他孔內事故，影響鉆孔質量及施工效率，甚至報廢鉆孔[4-5]。

煤系氣泛指以煤層作為烴源巖的非常規(guī)天然氣，主要成分為甲烷，主要包括煤層氣、煤系砂巖氣及頁巖氣[6-7]。煤系氣探井較一般煤炭和煤層氣探井深，為探測含氣層段和指導取樣工作，鉆井施工過程中都會進行氣測錄井，要求井口鉆井液返出量達到70%以上，因此煤系氣探井堵漏工作顯得尤為重要[8-10]。本文就山西平遙區(qū)塊煤系氣探井鉆進過程中遇到的井漏問題和采取的堵漏措施進行闡述和分析，提出了幾點認識和建議。

2 概況

2.1 地理位置

平遙南區(qū)塊山西省平遙縣南部，該項屬于山西省國土資源廳在2017年8月17日公告的山西省煤層氣勘查區(qū)塊招標出讓項目，共由12個拐點坐標圈定，東西長22.64km，南北寬16.83km，面積為181.025km2，具體平面示意圖如圖1所示。

勘查區(qū)南部與果子溝煤炭普查區(qū)部分重疊，西部地區(qū)與介平普查區(qū)和下梁普查區(qū)小部分重疊，西南地區(qū)與溫家溝煤礦、明子煤礦、王鳳煤礦緊鄰，基于這些資料，判斷區(qū)內煤層氣具有一定資源潛力[11-12]，但限于以往工作程度，區(qū)內煤層氣含量及分布規(guī)律尚不清楚。勘查區(qū)大部分地區(qū)被第四系覆蓋，未有鉆孔對深部煤層進行揭露，整體勘探程度和研究程度較低。

圖1 平遙南區(qū)塊位置示意圖

2.2 地層

區(qū)內基巖在南部和東部山區(qū)出露，在西部、中部和北部地表被第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3)及中更新統(tǒng)(Q2)覆蓋，區(qū)內地層情況見表1。

2.3 構造

沁水盆地形成于華北晩古生代成煤期之后，總體呈長軸狀沿NNE向延伸，是華北地區(qū)中生代左行剪切擠壓背景下于燕山中晚期形成的復式向斜型構造盆地。盆地周緣由廣泛出露的古生界所環(huán)繞，并呈環(huán)狀單斜帶向盆地腹部傾伏，盆地腹部被三疊系覆蓋，是向斜構造最穩(wěn)定和保存最完整的部分[13]。

表1 鉆遇地層

勘查區(qū)區(qū)域上與盆地的構造基本一致，總體構造形態(tài)為走向北東傾向北西的單斜構造，地層傾角一般10°～19°。區(qū)內構造較復雜，褶被、斷裂非常發(fā)育。

3 堵漏情況及漏失原因分析

3.1 施工情況

本井于2018年10月3日開工，設計井深1 880m。施工設備XY- 8C鉆機基巖段全孔繩索取芯。鉆井采用三開結構，一開0～220m井徑為150mm，下入φ127mm套管底深220m；二開220～457m井徑為φ110mm，下入φ108mm套管底深457m；三開457～1 231.33m井徑為φ98mm。

2018年11月27日早班，鉆進至孔深1 176.48～1 177.48m時，沖洗液消耗增大為0.5m3/h。提芯后繼續(xù)鉆進至孔深1 178.48m時，沖洗液消耗增大為0.8m3/h。提芯后用鋸末和高黏堵漏劑調成糊狀順鉆桿倒入0.1m3，用泵送入孔底泵壓升高，通過掃孔降下泵壓繼續(xù)鉆進至1 180.52m，出現無泵壓、無返漿情況。

3.2 惰性膨脹材料堵漏

2018年11月27日白班接班后進行調漿，利用黃豆、鋸末、黃土、142材料、高黏堵漏劑，調成糊狀用泥漿泵送至孔底，泵壓0.5MPa，鉆進1m后取芯，內管中無黃豆等堵漏材料。同時，測量水位為70m。調整堵漏材料，在原有的材料中加入棉絮、鉸成條狀的編制袋，繼續(xù)堵漏，有泵壓0.8MPa，鉆進至1 183.44m孔口仍無返漿。

2018年11月28日白班在堵漏材料中加入膨脹物，等待膨脹物膨脹24h。29日白班開始鉆進孔口有沖洗液輕微返出。分析認為，地層裂隙較大，惰性膨脹材料已進入裂隙流走，之后繼續(xù)用惰性材料封堵兩個班效果不明顯，經研究決定用水泥封孔法進行堵漏。

3.3 水泥加鋸末封堵

12月3日開始封孔，鉆桿下到1 183m，注入水泥前先進行了隔水材料注入(0.5m3清水+75kg黃土+40kg刨花)。水灰比為0.5，用量2m3，泥漿泵注入。鉆桿容積為5.79m3，注入替漿4m3，整個注入過程中泵壓0.5MPa左右。用慢檔提鉆桿，提鉆時及時回灌漿。12月5號開始透孔，在944m處遇阻，鉆進提芯為水泥柱(理論計算水泥柱位置917m)。12月10號夜班透孔至1 180.70m時，泵壓突然下降至1.5MPa，孔口返漿量約正常的1/4。停止鉆進，加入100kg棉籽進行堵漏，繼續(xù)鉆進，堵漏效果不明顯，堵漏失敗。為了查明漏失巖層段底深，頂漏強行鉆進至1 214m，見完整巖芯后停止鉆進。

3.4 水泥加棉籽殼封堵

12月13號，用水泥加棉籽封孔堵漏，鉆桿位置1 186m。在0.2m3水泥漿中摻入60kg棉籽，攪拌均勻后從鉆桿中倒入，然后用泥漿泵注入0.5m3水泥漿，替漿量至1m3時，泵壓升至4.5MPa。上提鉆桿90m后，關閉井口閘板用泵壓入0.5m3替漿，泵壓在3MPa，提鉆候凝。12月15日白班開始透孔，1 091m處遇見水泥。1 100～1 175m水泥柱芯膠結完好，1 175～1 181m水泥柱芯內可見掉塊較多。透孔至1 182.39m處，沖洗液消耗增加，同時孔內阻力較大，提鉆后發(fā)現鉆具磨損嚴重，堵漏失敗。

3.5 純水泥封堵

12月18日注入水泥0.6m3，上提鉆具50m，將多余水泥沖出，候凝。12月20日開始掃水泥，1150m3處見水泥，正常返漿，鉆到1 186m處，孔口返漿逐漸降為1/3泵量，鉆進到1 231m返漿量只剩下1/5，堵漏失敗。

3.6 水泥加壓封堵

12月28日將鉆具下到1 205m處，關防噴器閘板，封閉孔口，注入1m3清水進行洗井；注入0.5m3水泥漿(水灰比0.5，水泥標號42.5R)，隨后注入替漿清水1.6m3；提鉆到1 170m，再次關閉防噴器閘板，用1m3黃土漿沖孔；隨后注入0.5m3有機凝膠，完后再注入0.2m3隔離液；上述完后注入0.8m3加速凝劑的水泥漿；此后注入1.6m3替漿，將鉆桿內水泥漿替出；最后，等待泵壓消失，松開閘板，提鉆，候凝。12月30日在1 186m處遇水泥塞，返漿量二分之一，堵漏失敗。

3.7 水泥加有機凝聚加壓封堵

2018年12月31日，根據前次封堵經驗，φ50mm鉆桿下至1 170m處，注清水1m3洗井，稠泥漿1m3，有機凝膠2m3，隔離液0.2m3，加速凝劑的水泥2m3，替漿1.4m3(不完全替漿，防止替空)。2019年1月1日開始下鉆探水泥面，1 080.55m處遇水泥塞，1 080.55～1 177m處水泥塞較完整，1 177～1 189m段沒有水泥塞，漏失情況依然存在，堵漏失敗。

3.8 漏失原因分析

1)構造影響

鉆孔位于山前構造帶，斷裂十分發(fā)育，特別是南北向斷層，落差較大，地震剖面圖如圖2所示。受張性正斷層影響，次生構造多，導致裂隙發(fā)育，連通性好。

圖2 地震剖面圖

圖3 巖芯實物圖

2)巖芯和地下水影響

漏失段主要巖性為細粒砂巖，巖芯嚴重破碎，裂隙發(fā)育。觀察巖芯裂隙面，可見明顯水痕，具體實物如圖3所示，說明該漏失段含水，水泥封堵無效即由流動地下水帶走水泥漿導致。

3)鉆井液影響

為維持井壁穩(wěn)定，本井施工鉆井液比重調至1.15～1.20g/mL，出現漏失前，現場取芯停泵后，鉆井液均在井口出現溢流，分析認為，鉆井液比重大，加之泥漿泵壓力，會壓裂井筒周邊地層，導致鉆井液進入地層。停泵后井筒周圍鉆井液回流至井筒，出現井口溢流。

4 處理結果

4.1 方案制定

為了解漏失段孔壁情況，對漏失段進行了井徑測井，測井結果顯示1 176～1 195m井段平均孔徑129.22mm，孔徑最大位置為1 194.1m，孔徑達到221.50mm，漏失段情況如圖4所示。

圖4 漏失段井徑情況

現場研究認為鉆井過程中遇到的惡性鉆井液漏失、掉塊、擴徑嚴重、反復堵漏效果不佳等情況，因處理耗時長，漏失段地層“大肚子”情況更為嚴重，導致下步堵漏難度更大。

遂決定用高標號水泥，封閉1 000m以下鉆孔。從1 000m井深處側鉆，使原孔斜3°左右降低至2°左右，經計算，至漏失層段，新井眼距原井眼距離大于3m，不會受原井眼影響。同時破碎地層局部傾角大，近直立，側鉆后有可能避開該漏失處。即便仍會遇到漏失段，也可提前準備，降低井眼“大肚子”情況，利于堵漏工作開展。

4.2 側鉆加承壓堵漏方案實施

1月15日下入φ91mm鉆桿下短接自制偏心工具下入孔內，利用φ73mm取芯鉆具進行側鉆，側鉆開始深度966m，側鉆出10m后，起出φ73mm取芯鉆具和造斜工具，利用帶導向鉆頭進行擴孔。之后恢復正常三開取芯鉆進，正常鉆進至1 180m位置開始出現鉆井液漏失情況，之后鉆進過程中間夾調泥漿、加惰性材料堵漏工作，頂漏鉆進至1 210m后進行注水泥封堵。

本次封堵主要程序：下鉆桿至1 208m處，距孔底2m，注1m3清水洗井，泵注1.5m3水泥漿，替漿1.4m3，泄壓五分鐘提鉆。候凝36h，透孔至1 210m后，鉆井液消耗小于0.5m3/小時，堵漏成功。

5 結論

(1)鉆進時，注意控制鉆井液比重，盡量采用平衡壓力鉆進，防止鉆井液壓裂地層，導致出現漏失情況。

(2)出現漏失后，及時分析漏失出現的原因，針對性的采用堵漏辦法，做到節(jié)省時間和經濟性兼顧，防止盲目堵漏。

(3)封堵前進行測井，準確掌握井徑數據。

(4)水泥封堵時需精確計算水泥用量，并添加一定附加值，防止出現水泥返高不足。

(5)煤系氣探井深度大，在設計時應充分考慮可能出現的復雜情況，增加設計開次。

(6)在出現惡性漏失，井壁坍塌嚴重情況下，側鉆加承壓堵漏的方法 具有重要應用意義和推廣價值。