桂中-南盤江地區(qū)黔水地1井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

郭軍 ，陳相霖 ，趙訓(xùn)林 ，王文彬 ，李巖 ，韓菲

（1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙 410000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083）

0 引言

隨著世界能源消費(fèi)的不斷攀升，頁巖氣作為非常規(guī)能源越來越受到重視。在志留系、寒武系、震旦系和二疊系等頁巖層系相繼實(shí)現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)或取得重要突破的同時(shí)，我國南方的石炭系同樣被認(rèn)為是一套重要的頁巖層系，特別是桂中-南盤江地區(qū)的打屋壩組地層被認(rèn)為具有較大勘探潛力，并取得了一定的勘探成果［1-4］。但是，由于溶洞、地下暗河、地層坍塌、井漏及構(gòu)造發(fā)育等各種地質(zhì)復(fù)雜情況，部署在該區(qū)為數(shù)不多的頁巖氣井大都未能鉆遇目的層或未能完成設(shè)計(jì)任務(wù)，嚴(yán)重阻礙了該區(qū)的勘探步伐。因此，探尋適合該區(qū)的鉆探施工方法，降低施工成本，對(duì)于探明打屋壩組泥頁巖地層的含氣性、評(píng)估該套層系頁巖氣資源潛力、加快勘探步伐，具有重要意義。

黔水地1井在未經(jīng)儲(chǔ)層壓裂改造的情況下獲得穩(wěn)定頁巖氣流，該井的成功施工，既開辟了打屋壩組頁巖氣勘查新區(qū)，拓展了滇黔桂地區(qū)頁巖氣的勘查邊界，又為該區(qū)及類似工程的鉆探施工提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。施工過程中，該井鉆遇了泥礫層、破碎帶、溶洞，以及厚度大、水敏性強(qiáng)、承壓能力弱的泥頁巖地層等，發(fā)生了井壁垮塌、下鉆遇阻、卡鉆、井漏、井涌等各種復(fù)雜情況。

為此，從實(shí)際鉆探施工情況出發(fā)，為應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜情況，現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新性地應(yīng)用了跟管鉆進(jìn)、頂漏鉆進(jìn)、近平衡鉆進(jìn)、聚磺鉆井液體系、雙凝雙密度固井等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，建立了適合該區(qū)的鉆探施工方法體系，為后續(xù)的勘探施工提供了指導(dǎo)。

1 工程概況

桂中-南盤江頁巖氣調(diào)查井黔水地1井位于貴州省六盤水市埡紫羅裂陷槽西北緣的玉皇洞向斜，鉆探目的是探索石炭系打屋壩組頁巖氣地質(zhì)形成條件及含氣性，獲取資源評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)計(jì)井深為2 500.00 m，實(shí)際完鉆井深為2 500.00 m，完鉆層位為睦化組；完井方式為下入φ139.7 mm生產(chǎn)套管，固井完井。

1.1 地質(zhì)概況

具體地層劃分及特征見表1。

表1 黔水地1井地層劃分及特征

1.2 鉆探施工情況

桂中-南盤江地區(qū)黔水地1井采用二開井身結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管采用φ480.0 mm跟管鉆頭鉆至井深33.70 m，進(jìn)入基巖后，進(jìn)行固井，封隔地表第四系松散軟弱層南丹組頂部破碎帶和溶洞發(fā)育層；一開采用φ311.2 mm PDC鉆頭鉆至井深1 004.00 m，改用φ215.9 mm PDC鉆頭鉆引導(dǎo)眼至井深1 057.74 m，下入φ244.5 mm技術(shù)套管進(jìn)行固井，套管下深1 001.34 m，封固南丹組巖溶發(fā)育層；二開采用φ215.9 mm PDC鉆頭鉆至井深2 500.00 m，下入φ139.7 mm生產(chǎn)套管進(jìn)行固井，套管下深到2 390.25 m，固井質(zhì)量能夠滿足大型水力壓裂要求。

由于井下復(fù)雜，全井鉆遇1個(gè)溶洞，發(fā)生1次卡鉆、多次遇阻，多次井漏，并進(jìn)行了1次側(cè)鉆，故工期較長，全井鉆井周期145 d，完井周期166 d，臺(tái)月效率513.35 m。

2 井下復(fù)雜及技術(shù)難題

2.1 導(dǎo)管段成孔困難

導(dǎo)管段設(shè)計(jì)井深30.00 m，為第四系的覆蓋層和南丹組頂部的風(fēng)化殼部分，地層松散，破碎嚴(yán)重，落水洞、溶洞發(fā)育。開孔后，采用φ311.2 mm鉆頭進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆進(jìn)，鉆至井深17.10 m處發(fā)生惡性漏失，井口失返；23.60 m發(fā)生垮孔；26.50～28.00 m鉆遇溶洞；32.10 m，因出現(xiàn)埋鉆征兆，上提鉆具，再下放鉆具至井深28.00 m處，多次探原井眼失敗，現(xiàn)場(chǎng)判斷為溶洞上部地層發(fā)生垮塌所致。經(jīng)撈巖屑、商砼封堵等多種處理措施，均無果，施工作業(yè)被迫中止。

2.2 石灰?guī)r地層惡性漏失頻發(fā)

一開后，鉆至井深217.00 m處，鉆速驟然加快、鉆壓驟然下降，鉆具呈現(xiàn)放空現(xiàn)象，鉆井液完全失返；鉆至井深229.00 m處，鉆井液再次完全失返。鄰井資料顯示，井區(qū)范圍之內(nèi)的南丹組地層為裂隙、溶洞、地下暗河等巖溶極其發(fā)育的厚—巨厚層狀石灰?guī)r地層，施工過程中均多次發(fā)生惡性漏失，若進(jìn)行封堵，工期會(huì)被無限拉長，同時(shí)施工成本和施工周期也會(huì)急劇增加。

2.3 井壁易失穩(wěn)

根據(jù)實(shí)鉆情況和巖心分析結(jié)果，目的層打屋壩組鉆厚1 218.00 m，泥頁巖鉆厚947.35 m，單層最大厚度73.00 m；泥頁巖礦物組分主要為石英和黏土。黏土以伊利石和伊/蒙混層為主。施工過程中，井壁吸水膨脹嚴(yán)重，易垮塌，發(fā)生了一次埋鉆事故，多次起下鉆遇阻。

2.4 漏涌并存

填井側(cè)鉆前，自井深1 271.00 m至井深2 168.30 m，共發(fā)現(xiàn)氣顯示異常層57層，多處漏涌并存。其中，井深1 886.00 m處的氣測(cè)全烴最大值76.27%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），甲烷75.12%，槽面上漲明顯，氣泡約占80.0%，鉆井液密度由1.20 g/cm3提高至1.30 g/cm3，同時(shí)伴隨井漏的發(fā)生，漏速約30.0 m3/h。

2.5 固井難度大

一是目的層氣測(cè)顯示好，氣測(cè)值高，固井時(shí)易發(fā)生氣竄；二是目的層段施工過程中，多處發(fā)生井漏，最大漏速180.0 m3/h；三是目的層段地層承壓能力弱。施工過程中，所用鉆井液密度最大為1.33 g/cm3，固井用水泥漿極易使井漏情況變得更加復(fù)雜。

3 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用效果

3.1 轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)的跟管鉆進(jìn)技術(shù)

針對(duì)導(dǎo)管段溶洞上部地層垮塌嚴(yán)重，致使下部井眼和鉆具極易被埋，不能成孔的難題，現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新性地引入了跟管鉆進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)是將潛孔錘技術(shù)和跟管技術(shù)融合在一起的一種鉆進(jìn)新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)所使用的同心滑塊跟管鉆進(jìn)，其中心鉆頭的花鍵與沖擊器相連，管靴與套管相連。不工作時(shí)，鉆頭的滑塊呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，其直徑小于套管直徑；工作時(shí)，滑塊在地面向上壓力的作用下呈現(xiàn)張開狀態(tài)，其直徑大于套管直徑。跟管鉆頭在沖擊器和鉆機(jī)扭矩的共同作用下，進(jìn)行沖擊、回轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)。同時(shí)，將部分沖擊力通過管靴傳遞給套管，使得套管與鉆具同步跟進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層的封隔和井壁的穩(wěn)固［5-6］。

跟管鉆進(jìn)的鉆具和套管是同步進(jìn)行、同步加尺，常規(guī)使用時(shí)，均是配置在全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)上。加單根時(shí)，先把加接的鉆桿與井內(nèi)鉆桿相連，后從鉆桿頂部套入套管，再把加接的鉆桿與動(dòng)力頭相連。黔水地1井所用鉆機(jī)為轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)動(dòng)力輸出，轉(zhuǎn)盤口小于跟管套管的直徑，跟管鉆具和套管不能正常加尺。針對(duì)該種情況，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)鉆臺(tái)面的高度，對(duì)鉆桿和套管進(jìn)行切割改造，使其長度小于鉆臺(tái)面的高度。每次加接鉆桿前，先在井口處加接套管，后把加接的鉆桿通過轉(zhuǎn)盤面插入套管內(nèi)，與井內(nèi)鉆桿進(jìn)行對(duì)接。

現(xiàn)場(chǎng)引入跟管鉆進(jìn)技術(shù)后，根據(jù)實(shí)際需要選擇了具體參數(shù)：鉆頭直徑480.0 mm、鉆壓20.0 kN、轉(zhuǎn)速35 r/min、空氣壓力1.8 MPa、供風(fēng)總量140.0 m3/min。施工歷時(shí) 8.0 h，鉆進(jìn)井段 20.00～33.70 m，進(jìn)尺 13.70 m，鉆遇地層發(fā)育泥礫層、破碎帶、溶洞等各種復(fù)雜情況，施工過程順利。鉆入基巖層后停止鉆進(jìn)，進(jìn)行固井作業(yè)，導(dǎo)管段施工圓滿結(jié)束。

3.2 頂漏鉆進(jìn)技術(shù)

以往鉆探資料表明：井內(nèi)發(fā)生惡性漏失時(shí)，采用清水頂漏鉆進(jìn)，對(duì)于井內(nèi)無坍塌層或有輕微坍塌層是可行的，甚至比處理漏失更為有效。但對(duì)于井壁極不穩(wěn)定地層的井眼，如果只采用簡單的清水頂漏鉆進(jìn)，輕則發(fā)生井下事故，重則造成井眼報(bào)廢［7-8］。針對(duì)工作區(qū)內(nèi)的南丹組石灰?guī)r地層，惡性漏失頻發(fā)，但井壁相對(duì)穩(wěn)定，淺層氣不發(fā)育，基本為常壓等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用頂漏鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行一開鉆進(jìn)。具體技術(shù)措施如下：

1）現(xiàn)場(chǎng)利用市政供水管網(wǎng)，引入2個(gè)φ100.0 mm的水管，并在現(xiàn)場(chǎng)配備了1個(gè)可以蓄水400.0 m3的清水池，保證充足的水源。

2）配制稠漿，利用鉆井液將其泵入已鉆裸眼井段，作為環(huán)空的墊漿，預(yù)防淺層氣的發(fā)生。

3）每鉆進(jìn)30.00～50.00 m和起鉆之前，均泵入高黏度鉆井液攜砂、懸砂，以封堵較小裂隙和增加泵入井壁巖屑的黏度，提高井壁的穩(wěn)定性。

4）起鉆之前進(jìn)行2個(gè)及以上循環(huán)周期的鉆井液循環(huán)，且嚴(yán)格進(jìn)行短起下作業(yè)，用以光滑井壁和循環(huán)排砂。循環(huán)周的次數(shù)隨著井深的增加會(huì)相應(yīng)增加，具體以起下鉆具順暢程度為準(zhǔn)。

5）下鉆時(shí)，鉆頭出了導(dǎo)管之后，嚴(yán)格遵循“分段循環(huán)下鉆”和“劃眼下鉆”方式下鉆。順暢井段采用“分段循環(huán)下鉆”方式下鉆，遇阻井段采用“劃眼下鉆”方式下鉆。距井底30.00～50.00 m，探沉砂面后劃眼至井底。劃眼參數(shù)為鉆壓20.0～40.0 kN，轉(zhuǎn)速40～60 r/min，排量35.0 L/s。隨著井深的增加，劃眼速度應(yīng)相應(yīng)減慢，并加大排砂力度，杜絕因?yàn)榧?dòng)壓力過大而導(dǎo)致井壁垮塌現(xiàn)象的發(fā)生。

自井深423.21 m處開始采用頂漏強(qiáng)行鉆進(jìn)，井段464.00～479.00，624.00～632.00，648.00～653.00 m 等多處均出現(xiàn)鉆速驟然加快、鉆壓驟然下降等放空現(xiàn)象；至井深1057.74 m一開完鉆，純鉆進(jìn)時(shí)間190.0 h，合計(jì)7.9 d，平均機(jī)械鉆速5.6 m/h，鉆井液完全失返，但鉆進(jìn)順利，未發(fā)生井壁垮塌、卡埋鉆等工程事故。

3.3 主動(dòng)節(jié)流循環(huán)的近平衡鉆井技術(shù)

為了預(yù)防因鉆井液密度過高而造成井漏的發(fā)生，針對(duì)頁巖氣多以吸附氣為主，泥頁巖儲(chǔ)層物性多屬于超低孔、超低滲儲(chǔ)層［9-11］，鉆進(jìn)過程中，鉆井液所攜帶氣體多為鉆頭破碎巖石所含氣體，泥頁巖地層中的氣體進(jìn)入井筒速度相對(duì)較慢且量少［12-13］。埋鉆之前，井內(nèi)氣顯示全烴值最大76.27%等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新性地采用主動(dòng)節(jié)流循環(huán)的近平衡鉆進(jìn)技術(shù)，即當(dāng)氣測(cè)值升至較高值時(shí)，通過井控系統(tǒng)主動(dòng)進(jìn)行節(jié)流循環(huán)、放噴點(diǎn)火2個(gè)鉆井液循環(huán)周，后視開井后的具體情況確定是否增大鉆井液密度及其增值大小。此技術(shù)使得鉆井液中容易引起井涌的大氣泡能夠被液氣分離器大量、及時(shí)、迅速地排出，同時(shí)使得除氣量有限的除氣器能夠充分發(fā)揮清除氣體更徹底的優(yōu)勢(shì)，更好地清除掉鉆井液中不易分離的小氣泡，從而快速降低井內(nèi)壓力，避免鉆井液密度增長過快。

同時(shí)，儲(chǔ)備2倍以上的井筒容積的重漿和足夠提高現(xiàn)有鉆井液密度至1.45 g/cm3的重晶石，并確保井控系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常和二十四小時(shí)井控坐崗制度，保證鉆井液密度盡可能走低限，最大可能地實(shí)現(xiàn)近平衡鉆進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓井時(shí)，每次均以0.02 g/cm3的速度提高鉆井液密度；每次起鉆前，在充分循環(huán)鉆井液之后，泵入高于正常鉆進(jìn)0.03 g/cm3的加重鉆井液，再進(jìn)行起鉆；每鉆進(jìn)200.00 m或純鉆進(jìn)時(shí)間超過24.0 h，進(jìn)行1次短程起下鉆。每次短程起下鉆均需起至φ244.5 mm技術(shù)套管的管鞋內(nèi)，且充分循環(huán)鉆井液，保證井眼清潔。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)決定當(dāng)全烴值大于60.00%時(shí)，即進(jìn)行“主動(dòng)節(jié)流循環(huán)”。自側(cè)鉆開始至完鉆，全井共進(jìn)行了4次主動(dòng)節(jié)流循環(huán)式的放噴點(diǎn)火，對(duì)應(yīng)全烴值分別為62.04%，64.67%，63.41%，63.09%。此方法的應(yīng)用，有效地緩解了井內(nèi)壓力，控制了鉆井液密度的快速增長。至完鉆，鉆井液密度最大值為1.23 g/cm3，與埋鉆之前相比，降低了0.10 g/cm3。

3.4 鉆井液性能優(yōu)化

最初設(shè)計(jì)的普通低固相聚合物鉆井液體系，尤其是針對(duì)局部破碎、水敏性強(qiáng)、厚度大、承壓能力差的目的層——打屋壩組泥頁巖地層，因其防塌抑制能力較差，根本不能滿足實(shí)際施工的需要［14-15］，導(dǎo)致鉆至井深2 163.30 m起鉆更換鉆頭時(shí)發(fā)生埋鉆事故；事故處理過程中，又在井深1 903.35 m發(fā)生嚴(yán)重漏失，漏速180.0 m3/h。

事故后，選用了聚磺鉆井液體系。該體系對(duì)水敏性泥頁巖、破碎帶等地層具有較強(qiáng)的防塌抑制能力，也優(yōu)化了鉆井液的流變性能［16-17］，具體配方為：（10.0%～15.0%）膨潤土+（0.3%～0.5%）PAM+（0.2%～0.3%）CMC+0.5%防塌防卡劑+0.3%磺化褐煤樹脂+0.3%廣譜護(hù)壁劑+0.2%磺化酚醛樹脂+0.5%消泡劑+4.0%NaOH+（1.0%～2.0%)地層壓力增強(qiáng)劑，其各項(xiàng)性能控制范圍見表2。

表2 聚磺鉆井液體系各項(xiàng)性能參數(shù)

該體系在常規(guī)聚合物鉆井液體系的基礎(chǔ)上，通過加入防塌防卡劑和磺化酚醛樹脂等材料，大大提高了對(duì)水敏性泥頁巖的防塌抑制能力，地層壓力增強(qiáng)劑則提高了地層承壓能力；同時(shí)，磺化褐煤樹脂和磺化酚醛樹脂降低了失水量［18］。在后續(xù)的施工中，自側(cè)鉆點(diǎn)1656.00 m至完鉆井深2 500.00 m，共計(jì)用時(shí)12.0 d，進(jìn)尺844.00 m，未再發(fā)生井漏、井壁坍塌等井下復(fù)雜情況，施工順利。

3.5 雙凝雙密度固井技術(shù)

針對(duì)目的層段氣顯示好、漏失嚴(yán)重、承壓能力弱等特點(diǎn)，為了滿足后期壓裂作業(yè)的要求，同時(shí)防止固井施工中漏失和氣竄現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)采用彈韌性雙凝雙密度水泥漿，領(lǐng)漿采用彈韌性低密度水泥漿，尾漿采用彈韌性防氣竄常規(guī)密度水泥漿，雙凝分界點(diǎn)位于700.00 m左右。領(lǐng)漿配方為嘉華G級(jí)油井水泥+20.0%漂珠+8.0%穩(wěn)定劑+3.0%早強(qiáng)劑+4.0%降失水劑+1.6%分散劑+3.0%緩凝劑+4.0%彈塑性材料+1.0%增韌材料+4.0%膨脹劑+0.1%纖維+0.3%消泡劑+58.0%水，密度 1.60 g/cm3，API失水量 41.0 mL，稠化時(shí)間 240.0 min，72.0 h頂部抗壓強(qiáng)度23.5 MPa。尾漿配方為G級(jí)油井水泥+3.5%彈塑性材料+3.5%降失水劑+1.5%分散劑+2.0%緩凝劑+1.0%增韌材料+3.0%膨脹劑+0.1%纖維+0.4%消泡劑+40.0%水，密度1.88 g/cm3，API濾失量46.0 mL，稠化時(shí)間148.0 min，48.0 h頂部抗壓強(qiáng)度18.7 MPa。

水泥漿注入前，先采用清洗液充分清洗界面，進(jìn)一步提高界面的水泥膠結(jié)力，同時(shí)下入剛性和彈性套管扶正器保證套管居中度大于67%，并采用紊流、塞流替漿技術(shù)，一方面降低環(huán)空流動(dòng)阻力，防止井漏，另一方面提高環(huán)空頂替效率，以保證固井質(zhì)量。

雙凝雙密度固井技術(shù)能夠保證較小的液柱壓力，防止在固井過程中水泥漿漏失，解決了因水泥漿體積收縮和脫水失重所造成的流體竄流和膠結(jié)不好的微間隙，具有很強(qiáng)的膠結(jié)能力和防氣竄能力。固井質(zhì)量測(cè)井解釋結(jié)果表明：套管與水泥的膠結(jié)面以膠結(jié)良好為主，水泥與地層的膠結(jié)面以膠結(jié)良好—中等為主，該井固井質(zhì)量較好，能夠滿足后期壓裂試氣的要求。

4 結(jié)論

1）針對(duì)近地表的浮土層、破碎帶、裂隙、溶洞等所引起的惡性漏失、井壁垮塌等各種井下復(fù)雜情況，跟管鉆進(jìn)技術(shù)成功地解決了黔水地1井的導(dǎo)管段成孔問題，避免了井位移動(dòng)，節(jié)省了施工工期和施工成本，并創(chuàng)新了轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)的跟管鉆進(jìn)技術(shù)，擴(kuò)展了該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2）針對(duì)惡性漏失頻發(fā)的南丹組石灰?guī)r地層，頂漏強(qiáng)行鉆深1 057.74 m，實(shí)現(xiàn)了巖溶發(fā)育地層的一次性封隔，極大地節(jié)省了施工成本，為后續(xù)該區(qū)南丹組石灰?guī)r地層的鉆探工藝選擇、頂漏鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用及鉆進(jìn)深度提供了重要參考。

3）主動(dòng)節(jié)流循環(huán)的近平衡鉆進(jìn)避免了鉆井液密度過大所造成的井漏；聚磺鉆井液體系提高了鉆井液的防塌擬制性能和流變性能；彈韌性雙凝雙密度固井技術(shù)保證了固井質(zhì)量：三者的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了側(cè)鉆井段的快速、順利施工。