湘西北復(fù)雜構(gòu)造區(qū)破碎地層繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)難點(diǎn)及優(yōu)化

孔祥旺，張紹和，王文彬，孫平賀，吳冬宇，肖金成，何紅生

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

湖南省是一個(gè)“缺煤、無(wú)油、少氣”的省份，自2011年開(kāi)始，湘西北地區(qū)作為頁(yè)巖氣重點(diǎn)勘探區(qū)，在該區(qū)域已部署了幾十口頁(yè)巖氣調(diào)查井[1]。但由于該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在頁(yè)巖氣勘探過(guò)程中常鉆遇裂隙發(fā)育、巖性多變、產(chǎn)狀變化大的地層，極易發(fā)生卡鉆、埋鉆、井壁坍塌、巖心采取率較低等問(wèn)題[2-4]，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率，阻礙了該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。

大量研究人員已經(jīng)對(duì)此類(lèi)破碎地層的取心技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，如萬(wàn)旭文等[5]研制了一種強(qiáng)力反循環(huán)鉆具，該鉆具獨(dú)特的水路結(jié)構(gòu)可以使鉆井液在卡簧座底端部位產(chǎn)生分流，一定程度上可緩解巖心堵塞的問(wèn)題；盧春華等[6]研發(fā)了繩索強(qiáng)制取心鉆具，相比傳統(tǒng)S-75繩索取心鉆具，取心效果得到了一定的改善。但相關(guān)鉆具都無(wú)法有效地提高巖心采取率，主要是由于無(wú)法避免沖洗液對(duì)破碎巖心的沖蝕作用，造成巖心的破壞以及流失。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，本文以湘西北復(fù)雜構(gòu)造區(qū)湘慈地1井鉆井工程為例，通過(guò)分析該井在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)際遇到的一些鉆進(jìn)難點(diǎn)，提出了鉆井技術(shù)優(yōu)化方案，并在工程實(shí)際中取得了良好應(yīng)用效果。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于湘西北復(fù)雜構(gòu)造區(qū)(圖1)，該地區(qū)的地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了武陵期、雪峰至加里東期、海西期、印支至燕山期等發(fā)展階段。區(qū)內(nèi)發(fā)育有桑植–石門(mén)復(fù)向斜以及保靖–慈利斷裂帶，桑植–石門(mén)復(fù)向斜位于中揚(yáng)子臺(tái)地的東南部，向斜較寬緩，背斜窄陡，斷裂發(fā)生在褶皺南翼。保靖–慈利斷裂帶位于江南隆起的北緣、桑植–石門(mén)復(fù)向斜的南緣，構(gòu)成二者的分界線(xiàn)。并且它以大庸所為界可分為北東、南西兩段，南西段又可分為兩支，西支主要由撫字坪–大如田和老寨–保靖兩條壓扭性斷層組成。由于該斷裂帶穿過(guò)了本次研究區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件受該斷層的影響較大。

2 鉆井概況及地層特點(diǎn)

湘慈地1井位于桑植–石門(mén)復(fù)向斜與保靖–慈利斷裂過(guò)渡帶，是一口頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查井，井型為直井。本井設(shè)計(jì)井深2 000 m，實(shí)際完鉆井深2 001.20 m。圖2為井身結(jié)構(gòu)圖。

本井自上而下依次鉆遇了第四系、寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組、寒武系中統(tǒng)孔王溪組及高臺(tái)組、寒武系下統(tǒng)清虛洞組及石牌組地層。

第四系：厚度為15.40 m，主要為松散黏土、白云巖碎塊混合物，其土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)較為松散。

婁山關(guān)組：厚度為866.80 m，主要為白云巖以及深色含泥灰?guī)r。其中深灰色含泥灰?guī)r呈厚層狀，巖石表面發(fā)育較多裂隙以及縫合線(xiàn)，巖性脆，具隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)以及參差狀斷口。

圖1 湘西北地區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Outline tectonic map of northwest Hunan

孔王溪組：厚度為144.70 m，主要以白云巖為主，多為粒屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，由于斷裂構(gòu)造穿越本套地層，巖層破碎嚴(yán)重，溶溝、溶洞以及裂隙較為發(fā)育。

高臺(tái)組：厚度為29.3 m，主要為炭質(zhì)灰?guī)r、含礫炭質(zhì)灰?guī)r、含炭泥巖、泥巖灰綠色–黑灰色炭質(zhì)灰?guī)r，主要礦物成分以方解石為主，炭質(zhì)次之，具有泥晶結(jié)構(gòu)。

清虛洞組：厚度為29.3 m，主要為硅質(zhì)白云巖、泥巖，綠灰色泥巖，主要礦物成分以黏土礦物為主，細(xì)膩，具有滑感，節(jié)理裂隙發(fā)育。

石牌組：厚度為914.41 m，主要由粉砂巖、細(xì)砂巖以及泥巖等組成。

3 鉆進(jìn)技術(shù)難點(diǎn)

1) 巖心采取率低

井區(qū)范圍內(nèi)分布較多的灰白色厚層白云巖，主要集中婁山關(guān)組和孔王溪組地層。該段地層構(gòu)造較為發(fā)育、地層古老、巖性變化大，溶溝、裂隙及溶洞發(fā)育，在鉆進(jìn)時(shí)遇多處巖層破碎帶，巖心破碎嚴(yán)重(圖3)。因此，在該段極易出現(xiàn)巖心采取率低的現(xiàn)象。

圖3 湘慈地1井嚴(yán)重破碎巖心Fig.3 Severely broken core of the Xiangcidi well 1

2) 卡鉆、埋鉆、井壁失穩(wěn)

二開(kāi)井段為上寒武統(tǒng)婁山關(guān)組大套厚層白云巖地層，此段使用金剛石繩索取心鉆頭鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，由于前期鉆具懸重過(guò)輕，無(wú)法提供足夠的鉆壓，導(dǎo)致機(jī)械鉆速較低。此外，由于本井主要鉆遇婁山關(guān)組和下寒武統(tǒng)石牌組，兩套地層多為泥質(zhì)、硅質(zhì)及灰質(zhì)孔隙充填膠結(jié)，構(gòu)造復(fù)雜，巖性多變，當(dāng)鉆進(jìn)該地層時(shí)，極易發(fā)生孔壁坍塌、掉塊等井壁失穩(wěn)問(wèn)題[7]，且在本段鉆進(jìn)過(guò)程中依舊使用一開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液，護(hù)壁能力無(wú)法達(dá)到要求，鉆渣不能被完全攜帶出孔，致使大量鉆渣和掉塊滯留孔內(nèi)，引發(fā)卡鉆、埋鉆事故。

4 鉆探技術(shù)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化鉆具選擇

由于湘慈地1井臨近慈利–保靖大斷裂，故所鉆遇的部分地層較為破碎，鉆進(jìn)難度較大。此類(lèi)地層采用普通的金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)時(shí)，常出現(xiàn)巖心采取率低、巖心管堵塞等問(wèn)題[8-10]。為解決這一問(wèn)題，提出采用無(wú)泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具[11]。

4.1.1 鉆具組成及特點(diǎn)

此鉆具由鉆具總成、無(wú)泵鉆具、調(diào)節(jié)接頭以及超前側(cè)噴鉆頭等部分組成(圖4)。

圖4 無(wú)泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the advanced lateral jet wire-line coring tool

其中無(wú)泵鉆具主要由防堵錐網(wǎng)、單向閥、接頭和內(nèi)管組成。在極破碎巖層中存在大量直徑較小的顆粒物，容易進(jìn)入內(nèi)外管的間隙之中。如果不能采取有效措施將這些顆粒物隔絕，當(dāng)大量的顆粒物涌入內(nèi)外管的間隙之中，便會(huì)增大內(nèi)外管的機(jī)械摩擦，極易導(dǎo)致內(nèi)管卡死，造成鉆具無(wú)法打撈，最終發(fā)生卡鉆事故。故此鉆具的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)了防堵錐網(wǎng)，可以很好地將細(xì)小的顆粒物隔離開(kāi)，使內(nèi)外管的間隙保持通暢，從而可以有效地降低內(nèi)外管的摩擦磨損，提高鉆具的使用壽命。在內(nèi)管下部設(shè)有卡簧座，并在該部位安裝了爪簧，爪簧在自然狀態(tài)下是閉合的，當(dāng)巖心進(jìn)入時(shí)，爪簧會(huì)被巖心擠開(kāi)，而提鉆時(shí)，爪簧在彈性和巖心自重下收攏，從而能夠防止巖心脫落，保證巖心只進(jìn)不出。

在此類(lèi)破碎地層中鉆進(jìn)，由于巖心破碎易被沖蝕，為保證巖心采取率，一般回次進(jìn)尺不能超過(guò)1 m。而普通的繩索取心鉆具內(nèi)管長(zhǎng)一般為3 m，若孔內(nèi)存有水體時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在巖心內(nèi)管中巖心形成水柱，而打撈巖心時(shí)水柱容易將巖心壓出內(nèi)管造成空管。故本新型鉆具縮短了內(nèi)管的長(zhǎng)度，并采用無(wú)泵接手隔離上部的水體，大大減小了巖心上部的水壓，能有效提高取心率。無(wú)泵接手使下內(nèi)管處于密封狀態(tài)，當(dāng)巖心下滑時(shí)上部即形成負(fù)壓對(duì)巖心產(chǎn)生吸力，阻止其下滑，可有效提高巖心采取率。

除此之外，超前側(cè)噴鉆頭(圖5)的設(shè)計(jì)能夠改變鉆井液的流動(dòng)方向，鉆井液沿著內(nèi)外管的間隙流動(dòng)，到達(dá)該鉆頭后便從其側(cè)方水口流出，可有效防止鉆頭內(nèi)破碎的巖心被沖洗液沖蝕而產(chǎn)生破壞。且該鉆頭還設(shè)計(jì)了超前齒，能夠避免從水口噴出的沖洗液與尚未進(jìn)入鉆頭的巖石直接接觸，降低了沖刷作用對(duì)巖石造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)，以保證鉆頭前部巖石的完整性。

圖5 超前側(cè)噴鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of advanced lateral jet bit

4.1.2 鉆具的使用在鉆遇嚴(yán)重破碎的地層時(shí)，及時(shí)打撈鉆具的內(nèi)管總成，用本鉆具的內(nèi)管總成進(jìn)行替換。在鉆進(jìn)過(guò)程中，無(wú)須使用水泵沖洗鉆孔，而是利用孔內(nèi)的靜水壓力和上下提動(dòng)鉆具在孔底形成局部反循環(huán)而實(shí)現(xiàn)沖洗孔底的鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)結(jié)束后，及時(shí)用打撈器打撈內(nèi)管進(jìn)行取心。此外，在破碎地層中使用該鉆具取心時(shí)，送鉆時(shí)需保持其均勻性，防止發(fā)生溜鉆。且在鉆進(jìn)中需及時(shí)觀察泵壓以及鉆進(jìn)時(shí)間的變化情況，并分析井內(nèi)狀況，防止發(fā)生卡心以及磨心等不良現(xiàn)象，當(dāng)同種巖性的鉆進(jìn)時(shí)間與正常鉆進(jìn)時(shí)間相差懸殊時(shí)，應(yīng)立即割斷巖心并起鉆[12]。在無(wú)泵鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓不宜過(guò)大，一般鉆壓值控制在2～4 kN，防止巖心管發(fā)生堵塞現(xiàn)象。在鉆進(jìn)過(guò)程中還需合理控制鉆頭轉(zhuǎn)速，一般控制在100～200 r/min。

4.1.3 鉆具的應(yīng)用效果

本孔鉆遇了多處地層破碎帶，尤其是在685.05～1 100 m井段，該處地層嚴(yán)重破碎，取心難度大。該段巖心采取率見(jiàn)表1。在井深685.05～910.9 m處，使用金剛石取心鉆頭與普通繩索鉆具組合進(jìn)行取心鉆進(jìn)，該段平均巖心采取率僅為76.3%，巖心采取率較低。在910.9～1 100 m段，鉆進(jìn)過(guò)程中采用無(wú)泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具，巖心采取率達(dá)到了94.4%，相比普通繩索取心鉆具而言，取心率得到了大幅度的提升。

表1 湘慈地1井685.05～1 100 m巖心采取率Table 1 Core recovery rate of 685.05-1 100 m depth in well 1 of Xiangcidi

根據(jù)以上鉆井?dāng)?shù)據(jù)可知，此鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜破碎地層正常鉆進(jìn)，有效提高此類(lèi)地層的巖心采取率。由圖6可知，通過(guò)本鉆具所取出的巖心完整性較好，基本能夠保持其原生結(jié)構(gòu)。

圖6 無(wú)泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具所取巖心Fig.6 Core drilled by the advanced lateral jet wire-line coring tool

4.2 優(yōu)選鉆井液體系

鉆井液對(duì)鉆井的重要程度不言而喻，是保證鉆孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素[13-14]。鉆進(jìn)過(guò)程中，由于鉆孔的實(shí)施，會(huì)引起地層應(yīng)力的釋放，若鉆井液選擇不當(dāng)，在護(hù)壁能力不足的條件下，極易造成孔壁破碎、垮落的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致鉆具卡鉆、被埋等工程事故的發(fā)生。因此，在鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的地層條件以及施工設(shè)計(jì)要求合理地選擇鉆井液體系，以降低鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)并維持井身的穩(wěn)定性[15-16]。針對(duì)此鉆井的實(shí)際情況，采用了以下鉆井液體系：

①針對(duì)一開(kāi)上部地層比較疏松的特點(diǎn)，主要是以提高護(hù)壁能力、降低漏失風(fēng)險(xiǎn)為目的，所以在該段使用優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土配置泥漿，設(shè)計(jì)的鉆井液密度為1.06 g/cm3，漏斗黏度為40 s，能夠達(dá)到快速、徹底攜帶井底沉砂的效果。在一開(kāi)段施工過(guò)程中無(wú)垮塌、無(wú)漏失現(xiàn)象發(fā)生，有效地保證了鉆井進(jìn)度以及現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性。

②由于二開(kāi)段前期未更換鉆井液，導(dǎo)致在此段發(fā)生了卡鉆、埋鉆事故。故在后期優(yōu)化了鉆井液體系，采用低固相鉀基聚合物鉆井液，加入2%降失水劑(CMC、PAC-141)以及2%護(hù)壁劑(FT-1、廣譜護(hù)壁劑)。用該鉆井液替換掉一開(kāi)鉆井液，鉆井液密度維持在1.06 g/cm3，漏斗黏度為30 s，既能達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果，又能防止其發(fā)生垮塌，同時(shí)還保證了鉆井液的攜砂能力。為確保正常鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過(guò)程中要求保持各種處理劑的有效含量并定期補(bǔ)充，使鉆井液性能符合相應(yīng)的要求，從而達(dá)到提高鉆井液的懸浮、攜帶巖屑能力的目的。此外，由于繩索取心鉆進(jìn)環(huán)狀間隙小，而鉆頭底唇面積大、巖粉多，為了充分冷卻鉆頭并及時(shí)排除巖粉，選用了較大的泵量(90～150 L/min)，并在鉆進(jìn)過(guò)程中適當(dāng)?shù)卦龃罅藳_洗液量。在該破碎段地層采用此鉆井液體系后，應(yīng)用效果較好，在后續(xù)的鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生卡鉆以及孔壁垮塌等鉆井事故。

5 結(jié)論

a.對(duì)湘西北復(fù)雜構(gòu)造區(qū)內(nèi)湘慈地1井繩索取心鉆進(jìn)過(guò)程中存在的技術(shù)難題進(jìn)行了分析，包括巖心采取率低、卡鉆、埋鉆以及井壁失穩(wěn)等問(wèn)題。為解決此類(lèi)復(fù)雜地層中存在的巖心采取率低、巖心管堵塞等問(wèn)題，提出采用無(wú)泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具。該鉆具將無(wú)泵鉆具和繩索取心鉆具合二為一，增加了防堵錐網(wǎng)以及爪簧的設(shè)計(jì)，并搭配超前鉆頭的使用。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該鉆具的取心效果良好，巖心采取率達(dá)到了94.4%。

b.為保證復(fù)雜地層深孔鉆進(jìn)中孔壁的穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)不同的地層條件以及工程質(zhì)量要求合理選擇鉆井液的類(lèi)型，以適應(yīng)井下復(fù)雜地質(zhì)情況。在一開(kāi)使用膨潤(rùn)土配漿開(kāi)鉆，由于二開(kāi)、三開(kāi)段地層嚴(yán)重破碎，故采用低固相鉀基聚合物鉆井液體系，以增強(qiáng)井壁的穩(wěn)定性和泥漿的攜砂能力。