黔水地1井鉆探施工技術(shù)難點(diǎn)及對策

蘇舟，張紹和*，王文彬，曹函，劉磊磊，肖金成，何紅生，郭軍

（1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410083；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙410083；3.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙410014；4.湖南省地質(zhì)新能源勘探開發(fā)工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410014）

1 鉆井概況

黔水地1井隸屬于“桂中-南盤江頁巖氣地質(zhì)調(diào)查”子項(xiàng)目，構(gòu)造位置位于黔西南坳陷與黔中滇東隆起交接處的玉皇洞向斜，地理位置位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)玉皇洞梁子。該井以玉皇洞向斜石炭系打屋壩組為主要目的層段，旨在揭示區(qū)域地層層序、構(gòu)造及目的層段頁巖含氣性特征［1-2］。黔水地1井自2019年5月15日 設(shè) 備 進(jìn) 場，至2019年11月27日測完生產(chǎn)套管固井質(zhì)量完井，完鉆井深2500 m，完鉆層位為石炭系睦化組。全井取心進(jìn)尺105.91 m，最大井斜為7.50°（測深2486 m），最大全角變化率為2.20°/30 m，井底閉合距為76.70 m，井徑擴(kuò)大率為4.91%；本井井徑擴(kuò)大率較小，井眼相對規(guī)則，各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

2.1 地形地貌

黔水地1井所處的六盤水市位于貴州省西部、云貴高原一、二級臺(tái)地斜坡上，地勢從西北向東南逐步傾斜下降，地區(qū)海拔主要分布在1400～1900 m之間。地面最高點(diǎn)在鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)，海拔2845.7 m；最低點(diǎn)在六枝特區(qū)毛口鄉(xiāng)北盤江河谷，海拔為586 m，相對高差2259.7 m。地貌景觀以山地、丘陵為主，還有盆地、山原、高原、臺(tái)地等地貌類型［3-4］。

區(qū)內(nèi)地形地貌表現(xiàn)為中部高，北部次之，西南部最低的形態(tài)，出露地層為沉積巖地層，以中生界為主，第四系零星分布（圖1）。

圖1 工作區(qū)地形地貌Fig.1 Topographic map of the work area

2.2 構(gòu)造特征

貴州地區(qū)整體位于華南板塊揚(yáng)子陸塊的上揚(yáng)子地塊之六盤水裂陷槽，屬于“埡都-紫云-羅甸”裂陷槽西部［5-7］。黔水地1井具體位于黔西南坳陷與黔中滇東隆起交接處，西鄰黔中滇東隆起，東為黔南坳陷，南接南盤江坳陷（圖2）。區(qū)域地殼主要經(jīng)歷了3個(gè)大的構(gòu)造發(fā)展階段，即中元古代褶皺基底形成階段，南華紀(jì)-侏羅紀(jì)沉積蓋層與拉張型構(gòu)造形成階段以及侏羅紀(jì)之后的陸內(nèi)褶皺造山與疊加改造階段［8-10］。

圖2 區(qū)域大地構(gòu)造位置Fig.2 Regional geotectonic location

2.3 鉆遇地層特點(diǎn)

工作區(qū)所處的黔西南地區(qū)出露的最老地層為志留系中統(tǒng)馬龍群，僅限于威寧地區(qū)埡都-蟒硐斷裂帶附近呈帶狀零星出露，出露的最新地層為第四系全新統(tǒng)。區(qū)內(nèi)大面積出露的地層主要為三疊系、二疊系和石炭系，其中三疊系出露面積占到黔西南地區(qū)面積的1/2左右，其它地層只在局部地區(qū)零星出露?；鸪蓭r僅在黔西南地區(qū)北部零星出露，火成巖主要為上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組及同源的巖墻、巖床狀輝綠巖。區(qū)內(nèi)普遍缺失的地層有上志留統(tǒng)、下泥盆統(tǒng)及白堊系。地質(zhì)調(diào)查和鉆井資料顯示工作區(qū)及周邊內(nèi)主要發(fā)育地層有石炭系、二疊系、三疊系。

本井自上而下依次鉆遇了以下地層：

第四系：厚度為15.40 m，主要為黃色、棕黃色含礫、泥礫粘土層。

石炭系南丹組：厚度為1227.0 m，主要為灰色、淺灰色、灰白色泥晶—細(xì)中晶生屑灰?guī)r，灰黑色硅質(zhì)灰?guī)r；下部顏色變深，多處裂隙夾碳質(zhì)泥巖，兩層雜色角礫灰?guī)r，底部深灰色泥晶灰?guī)r夾碳質(zhì)泥巖增多。

石炭系打屋壩組：厚度為1218 m，上部為深灰、灰黑色泥晶灰?guī)r，與上覆南丹組為整合接觸；中部為灰黑色灰質(zhì)頁巖夾灰色泥晶灰?guī)r，泥巖質(zhì)純，性軟，吸水性好，疏松；下部見粉砂質(zhì)灰?guī)r、中厚層灰質(zhì)頁巖夾灰色泥晶灰?guī)r，頁巖疏松，灰質(zhì)致密，灰?guī)r石英含量高。

石炭系睦化組：厚度為34 m，主要為深灰色灰質(zhì)粘土巖。

3 井身結(jié)構(gòu)與巖心采取情況

黔水地1井采用二開井身結(jié)構(gòu)，完鉆井深2500.00 m，終孔直徑215.9 mm，井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下（參見圖3）。

圖3 黔水地1井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Wellbore structure of Well Qianshuidi-1

（1）導(dǎo)管井段：0～33.70 m，鉆頭直徑480 mm，下入?480 mm導(dǎo)管至33.70 m，聯(lián)入5.60 m；

（2）一 開 井 段：33.70～1004.00 m，鉆 頭 直 徑311.2 mm，下入?244.5 mm技術(shù)套管至1001.34 m，聯(lián)入5.60 m；

（3）二開井段：1004.00～2500.00 m，鉆頭直徑215.9 mm，下入?139.7 mm生產(chǎn)套管至2390.25 m，聯(lián)入5.00 m。

黔水地1井采用川7-4取心鉆具，取心效果良好，取心工具參數(shù)見表1。根據(jù)黔水地1井實(shí)鉆統(tǒng)計(jì)，當(dāng)取心鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)置為鉆壓40～100 kN、轉(zhuǎn)速40～90 r/min、排量20～30 L/s時(shí)，鉆效最高（見表2）。本井全井在石炭系南丹組和打屋壩組共取心15筒，總進(jìn)尺105.91 m，巖心總長96.60 m，平均巖心采取率91.21%。

4 鉆探施工難點(diǎn)及技術(shù)對策

黔水地1井地處云貴高原腹地，地層較為復(fù)雜［11-13］，其中上部井段地層巖溶發(fā)育，下部井段地層含氣量高且構(gòu)造發(fā)育。鉆井過程中，井內(nèi)情況較為復(fù)雜、技術(shù)難點(diǎn)較多［14］，均結(jié)合實(shí)際施工狀況給出相應(yīng)的處理措施，并取得了一定的效果。

表1 黔水地1井取心工具參數(shù)Table 1 Coring tool parameters for Well Qianshuidi-1

表2 黔水地1井取心鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Coring drilling parameters for Well Qianshuidi-1

4.1 導(dǎo)管段

施工難點(diǎn)：井壁垮塌［15-16］和溶洞發(fā)育重合、井漏。溶洞為橫向貫通溶洞，高約1.5 m，寬長不詳。

處理措施：回填粘土、商砼封堵、頂漏鉆進(jìn)、巖屑打撈、空氣鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)、套管封隔等多種措施。

施工概況：開鉆后?311.2 mm井徑鉆進(jìn)至井深19.60 m時(shí)鉆井液全漏。井口回填粘土25 m3堵漏，用水1000 m3，堵漏鉆進(jìn)至20.10 m。?406.4 mm井徑擴(kuò)眼至20.10 m，然后使用?900 mm牙輪鉆頭擴(kuò)眼到20.10 m。擴(kuò)眼期間，共漏失清水約500 m3。后下入?820 mm護(hù)壁管，下深20.00 m，水泥固井。候凝48 h，?444.5 mm氣鉆掃塞鉆進(jìn)至23.60 m，塌孔，風(fēng)道截面大，巖粉無法上返，改用?311.2 mm水鉆鉆進(jìn)至井深39.22 m，期間鉆井液全漏失，共消耗清水約600 m3；?406.4 mm鉆頭擴(kuò)眼到39.22 m，共消耗清水約900 m3；?660.4 mm鉆頭擴(kuò)眼至井深32.01 m，共消耗清水約900 m3。

由于全漏，巖粉無法上返，下?lián)粕捌鲹粕?8趟，約7 m3。撈砂過程中發(fā)現(xiàn)溶洞井段繼續(xù)大面積坍塌，現(xiàn)場決定掃孔后灌注商品砼（32 m3）全井封井，以封閉溶洞及塌孔井段。72 h后鉆水泥塞（溶洞處未見水泥塞，商品砼封堵失?。┑?9.22 m后，繼續(xù)潛孔錘鉆進(jìn)至50.85 m，溶洞處繼續(xù)坍塌掉塊卡鉆，停止鉆進(jìn)。再次灌注商品砼16 m3封填溶洞，72 h后掃水泥塞，溶洞處未見水泥塞，商品砼封堵失敗。

研究用跟管鉆進(jìn)工藝封閉溶洞及坍塌井段，? 480 mm鉆頭跟管鉆進(jìn)至井深33.70 m，下入?480 mm套管33.70 m，固井候凝，掃水泥塞至管底部后，正常返漿，溶洞及坍塌井段封堵成功。

4.2 一開段

施工難點(diǎn)：巖溶發(fā)育，井漏（井口失返）。

處理措施：空氣鉆井、頂漏鉆進(jìn)、試用氣舉反循環(huán)工藝等。

施工概況：空氣鉆進(jìn)至217 m時(shí)，井內(nèi)開始不返巖屑，繼續(xù)空氣鉆進(jìn)至423.31 m，由于井內(nèi)水位較高（水位162 m），潛孔錘無法正常工作，改用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)，423.31 m至1004 m為頂漏強(qiáng)鉆，鉆井液全漏失。

4.3 二開段

施工難點(diǎn)：井漏、井垮、縮徑嚴(yán)重、卡埋鉆、起下鉆或通井遇阻等。

4.3.1 井漏

本井自二開鉆進(jìn)至井底，一直存在滲漏現(xiàn)象，漏速約0.2～0.3 m3/h；處理卡埋鉆事故的過程中，出現(xiàn)大漏，最大漏速180 m3/h。

預(yù)防、處理措施：提前加入裂隙封堵材料提高鉆井液封堵性能；提高鉆井液密度時(shí)注意控制好加重速度，并多次逐步提高鉆井液密度；盡可能改善鉆井液泥餅質(zhì)量，降低鉆井液失水量；將鉆井液粘切控制在合適的范圍內(nèi)，盡可能降低“激動(dòng)”壓力；調(diào)整鉆井液性能，添加地層壓力增強(qiáng)劑、高粘堵漏劑、隨鉆堵漏劑、鋸末等堵漏材料。本井研究了地層情況，結(jié)合滲漏處理效果推薦以下堵漏措施和配方：

（1）滲漏、漏速較小，漏失速度＜5 m3/h，進(jìn)行全井堵漏。

推薦配方：2%～4%隨鉆堵漏劑+1%～3%防塌劑。

（2）中漏、漏速較大，漏失速度5～30 m3/h，但井口未失返。

立即停止循環(huán)，起鉆甩出螺桿，下鉆至套管鞋。采用高濃度橋接堵漏材料漿堵漏，將堵漏漿替至漏層，靜止3～4 h觀察堵漏效果，或采取承壓擠堵。堵漏配方以中、細(xì)堵漏材料復(fù)配，堵漏漿總濃度8%～15%。

推薦配方：2%～3%LF-1+1%～2%SY-1+1%～2%QS-2+2%～3%FT-342。

（3）大漏、漏速很大的情況，漏失速度＞30 m3/h甚至井口失返。

立即停止循環(huán)，起鉆甩出螺桿，下鉆至套管鞋。起鉆吊灌鉆井液，用大顆粒材料配制專項(xiàng)堵漏鉆井液。使用高濃度粗顆粒堵漏材料架橋，再采用高濃度橋接堵漏材料漿堵漏，將堵漿替至漏層，靜止3～4 h觀察堵漏效果，或采取承壓擠堵。堵漏配方以粗、中、細(xì)堵漏材料復(fù)配，堵漏漿總濃度20%～30%。

推薦配方：2%～3%LF-1+2%～4%SY-1+3%～5%SY-5+3%～5%SRD-2+1%～2%QS-2+2%～3%FT-342。

4.3.2 井垮與卡埋鉆

本井目的層打屋壩組主要為泥頁巖地層，具有水敏性強(qiáng)、地層軟、破碎、厚度大等特征，極易產(chǎn)生掉塊、縮徑、井壁垮落等。施工過程中多次出現(xiàn)起下鉆遇阻現(xiàn)象，并發(fā)生一次卡埋鉆。

原因分析：二開鉆進(jìn)過程中，地層一直存在漏失現(xiàn)象，造成了泥漿性能的不穩(wěn)定，降低了其護(hù)壁能力，進(jìn)而使得井壁失穩(wěn)；另外，地層水敏性較強(qiáng)、鉆井液浸泡時(shí)間過長等因素，也促進(jìn)了井壁的失穩(wěn)。

處理措施：在鉆井液中添加防塌防卡劑、廣譜護(hù)壁劑、高粘防塌劑等防塌材料，但效果不佳，最終根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)場研究決定填井側(cè)鉆。

5 鉆探技術(shù)優(yōu)化建議

從地表踏勘及區(qū)域地質(zhì)資料來看，工作區(qū)井場及周邊附近目的層段上覆石炭系南丹組巖性均以厚-巨厚層狀灰?guī)r為主，由于灰?guī)r長期受地表和地下水的侵蝕，形成溶溝、溶蝕裂隙、地下暗河及溶洞，給鉆探施工帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。本井所遇到的技術(shù)困難源于地下巖溶裂隙發(fā)育，并有溶洞，泥漿漏失嚴(yán)重，堵漏困難，施工難度大。復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)向來需要具體問題具體分析，針對本井所遇狀況給出以下建議以供參考。

5.1 鉆探工藝優(yōu)化

（1）鉆探施工前進(jìn)行電法探溶作業(yè)，盡量避開溶洞發(fā)育區(qū)；采用多級井身結(jié)構(gòu)，盡量降低鉆探工程施工工程風(fēng)險(xiǎn)，為下一步鉆進(jìn)提供技術(shù)保障。

（2）導(dǎo)管段巖溶裂隙發(fā)育，地層垮孔嚴(yán)重，且鉆遇溶洞，現(xiàn)場采用跟管鉆進(jìn)工藝成功完成導(dǎo)管段施工。施工過程中，根據(jù)補(bǔ)心高的長度進(jìn)行鉆桿改造，以便能夠正常加鉆桿；把握好套管的焊接，保證跟管鉆頭能夠順利通過套管。

（3）由于本井鉆遇地層傾角變化較大，易造成井斜。取心井段鉆進(jìn)時(shí)，鉆具組合采用川7-4取心筒+鉆鋌，保證鉆壓加至鉆頭上并能夠預(yù)防井斜。經(jīng)測試，鉆壓控制在40～100 kN、轉(zhuǎn)速40～90 r/min、排量20～30 L/s時(shí)進(jìn)尺效果最佳，保證巖心完整度的同時(shí)巖心采取率較高。

（4）下部無心鉆進(jìn)井段采用塔式鉆具組合，無線隨鉆測斜儀配合螺桿，大循環(huán)中低壓、中低鉆速鉆進(jìn)。鉆壓控制在60 kN左右、轉(zhuǎn)速30～60 r/min、排量30～35 L/s時(shí)，進(jìn)尺效果最佳。

（5）破碎易坍塌地層，采用單動(dòng)雙管取心鉆具以保證巖心采取率，少打勤提，避免巖心磨損、脫落等；根據(jù)取心情況，及時(shí)調(diào)節(jié)泥漿性能，維護(hù)井壁穩(wěn)定，提高鉆進(jìn)效率。

5.2 鉆井液技術(shù)優(yōu)化

黔水地1井是該區(qū)塊的一口地質(zhì)調(diào)查井，周邊可參考的資料較少，在鉆進(jìn)過程中需要根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整鉆井液性能［17-18］，以壓穩(wěn)不漏、保持近平衡鉆進(jìn)為原則，同時(shí)注意保持較低的鉆井液固相含量和良好的流變性能。根據(jù)本井的地層特征和實(shí)際應(yīng)用效果推薦以下鉆井液體系：

導(dǎo)管井段和一開井段均使用清水鉆進(jìn)，二開井段使用聚合物防塌防卡鉆井液體系，具體配方為：4%～6%膨潤土+0.3%～0.5%PAM+0.2%～0.3%CMC+2%～3%廣譜護(hù)壁劑+0.1%NaOH+1%～2%防塌防卡劑+1%～1.5%水平井專用劑+1%～2%地層壓力增強(qiáng)劑+1%復(fù)合堵漏劑+0.5%消泡劑+2%磺化褐煤樹脂。

針對鉆井液技術(shù)優(yōu)化給出以下建議：

（1）由于螺桿鉆具與孔壁之間的環(huán)隙較小，在孔內(nèi)地層條件許可的情況下，應(yīng)盡量采用低密度低固相泥漿。這有利于氣測顯示，也可使鉆桿的旋轉(zhuǎn)阻力減低。油氣儲(chǔ)層鉆進(jìn)時(shí)所采用的泥漿應(yīng)具有粘度高、相對密度小、沉砂快、流動(dòng)性好及有防坍性能等特性，建議采用聚合醇儲(chǔ)層保護(hù)防塌防卡鉆井液體系。

（2）泥頁巖水敏性地層，膠結(jié)性差且易坍塌，為保證鉆進(jìn)過程中的地層穩(wěn)定以及順利下放套管，膨潤土漿必須使用淡水配制，充分水化24 h以上，提高造漿率，對現(xiàn)場的泥漿用水進(jìn)行分析，并根據(jù)水質(zhì)情況和土的類型確定泥漿的合理配制方案。

（3）井段地層易漏失、縮徑、垮塌，隨鉆添加防塌防卡劑、廣譜劑、地層壓力增強(qiáng)劑、磺化褐煤樹脂、復(fù)合堵漏劑等材料，盡量保持低密高粘，保持鉆井液流變性能的穩(wěn)定，避免大幅度波動(dòng)，保證鉆進(jìn)過程中各項(xiàng)性能始終符合保護(hù)儲(chǔ)層及穩(wěn)定井壁的要求?？刂破?、下鉆速度，避免壓力“激動(dòng)”，減少孔內(nèi)裂隙內(nèi)部粘土顆粒運(yùn)移，避免導(dǎo)致孔內(nèi)堵塞。

（4）全井段多水敏性地層，復(fù)雜且破碎。為了保證鉆進(jìn)施工的順利進(jìn)行，采用低固相細(xì)分散泥漿，維護(hù)井壁穩(wěn)定并能夠及時(shí)攜帶巖屑上返。鉆進(jìn)過程中，要注意觀察井口返漿情況、振動(dòng)篩上的巖屑返出、巖屑形狀的變化，嚴(yán)格控制鉆井液性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高鉆井液懸浮、攜帶巖屑的能力，確保正常鉆進(jìn)；振動(dòng)篩、除泥器等與鉆井泵同步運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)格控制鉆井液中的固相含量。

6 結(jié)論

（1）黔地1井地下巖溶裂隙發(fā)育、井下情況復(fù)雜，所遇技術(shù)困難在巖溶地區(qū)鉆井工程中具有一定的代表性。另外，鉆井工程中所得到的地層層序、巖性組合、地層厚度、接觸關(guān)系等特征與區(qū)域地質(zhì)基本相符。

（2）本井采用多級井身結(jié)構(gòu)，井身質(zhì)量符合要求。在選擇了恰當(dāng)?shù)你@探工藝和鉆井液技術(shù)的情況下，全井最大井斜7.50°，測深2486.00 m，最大全角變化率2.20°/30 m，井底閉合距為76.70 m，井徑擴(kuò)大率為4.91%?？傮w來說，本井井徑擴(kuò)大率較小，井眼相對規(guī)則，各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。本井采用川7-4取心鉆具，取心效果良好，平均巖心采取率91.21%。

（3）針對施工過程中遇到的井漏、井垮、卡埋鉆、起下鉆或通井遇阻等各種技術(shù)困難，摸索了相應(yīng)的處理措施，并取得了一定的效果。此外，結(jié)合地層特點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用效果給出了鉆探工藝和鉆井液技術(shù)的優(yōu)化建議。這些都能夠?yàn)槿蘸笄髂蠌?fù)雜構(gòu)造區(qū)、以及其他具有相似復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的頁巖氣勘探的實(shí)施提供一定的參考依據(jù)。