滇東地區(qū)頁巖氣調(diào)查云宣地1 井鉆探施工難點(diǎn)及對策

李 巖 ，郭 軍 ，王文彬

（1.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；2.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南長沙410014）

頁巖氣以其有利的自生自儲型聚集特征，在非常規(guī)油氣資源領(lǐng)域的戰(zhàn)略意義日趨重要［1-2］。北美地區(qū)的頁巖氣勘探與產(chǎn)能均已經(jīng)取得重要突破［3］。在我國，經(jīng)過多年來的深入勘探，四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組率先取得重大突破［4］，此后，四川長寧、威遠(yuǎn)和云南昭通等地也相繼取得突破。同為中國南方富有機(jī)質(zhì)海相頁巖的典型代表——下寒武統(tǒng)筇竹寺組（牛蹄塘組）頁巖亦是頁巖氣勘探領(lǐng)域非常值得關(guān)注的重要層系［5-6］，滇東地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色泥頁巖發(fā)育良好，具備頁巖氣形成的基礎(chǔ)物質(zhì)條件［7-9］，勘探開發(fā)潛力巨大。但滇東地區(qū)寒武系筇竹寺組以淺地層為大套灰?guī)r地層，整體厚度約1100 m，溶洞、暗河及裂縫極為發(fā)育，且受構(gòu)造影響，局部巖石破碎嚴(yán)重，鉆探施工難度大。受制于以上各因素的影響，滇東地區(qū)頁巖氣勘探步伐緩慢。因此，為加快滇東地區(qū)頁巖氣勘探步伐，填補(bǔ)滇東地區(qū)寒武系筇竹寺組始終未取得突破的空白，探究一套適合滇東地區(qū)復(fù)雜地層頁巖氣鉆探施工技術(shù)體系顯得尤為重要。

云宣地1 井鉆遇了厚約1100 m 的大套灰?guī)r地層，溶洞及裂縫極為發(fā)育，導(dǎo)致了井漏、井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。通過鉆頭優(yōu)選、多種堵漏措施相結(jié)合、頂漏鉆進(jìn)及井下事故處理技術(shù)等技術(shù)方法，建立了一套適合于滇東地區(qū)小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查鉆探施工技術(shù)體系，以期為該地區(qū)下一步勘探提供技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)也為我國南方下寒武統(tǒng)筇竹寺組海相頁巖氣的勘探提供借鑒。

1 云宣地1 井概況

云宣地1 井位于云南省曲靖市宣威市西澤鄉(xiāng)睦樂村，構(gòu)造上隸屬于揚(yáng)子地臺滇東臺褶帶西南緣的老官營向斜，自上而下鉆遇地層（見表1）主要為：第四系，二疊系茅口組、棲霞組與梁山組，石炭系中晚統(tǒng)、擺佐組、大塘組、巖關(guān)組，泥盆系宰格組，寒武系滄浪鋪組、筇竹寺組和漁戶村組等地層。

表1 云宣地1 井鉆遇地層及巖性Table 1 Lithology encountered during drilling of Well Yunxuandi-1

該井經(jīng)費(fèi)預(yù)算272.6 萬元，設(shè)計(jì)井深1680 m，完鉆井深1690 m，終孔直徑為96 mm，全井段巖心采取率為97.05%。0～500 m 井段最大井斜為1.328°，井深485 m，方位角為31.8°；500～1690 m 井段，最大井斜為 2.107°，井深 1679.3 m，方位角為 263.72°，井底水平位移為11.78 m。完鉆層位為寒武系漁戶村組，鉆探目的為揭示滇東北沖斷褶皺帶老官營向斜筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度、巖性、電性、含氣性等頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)特征，力爭獲得頁巖氣資源調(diào)查發(fā)現(xiàn)或重大發(fā)現(xiàn)，為滇東北復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣新層系資源潛力評價(jià)和有利目標(biāo)區(qū)優(yōu)選提供依據(jù)。

云宣地1 井表土層段設(shè)計(jì)采用?170 mm 鉆頭開孔，鉆至20.00 m，下?168 mm 表層套管至井深9.30 m，實(shí)際采用?220 mm 鉆頭鉆至9.30 m，下入?194 mm 套管至9.00 m；一開設(shè)計(jì)采用?150 mm鉆頭鉆至100.00 m，下入?148 mm 技術(shù)套管至99.50 m，實(shí)際采用?170 mm 鉆頭鉆至37.90 m，下入?168 mm 技術(shù)套管至37.50 m，再用?150 mm 鉆頭鉆至44.60 m，下入?146 mm 技術(shù)套管至44.35 m；二開設(shè)計(jì)采用?122 mm 鉆頭鉆至600.00 m，下入?114 mm 技術(shù)套管至599.50 m，實(shí)際采用?122 mm 鉆頭鉆至275.40 m，下入?114 mm 技術(shù)套管至275.00 m；三開設(shè)計(jì)采用?96 mm 鉆頭裸眼鉆進(jìn)至1680.00 m，實(shí)際采用?96 mm 鉆頭裸眼鉆進(jìn)至1690.00 m。

云宣地1 井設(shè)計(jì)及實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見表2、圖1。

圖1 云宣地1 井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Well Yunxuandi-1

表2 云宣地1 井設(shè)計(jì)及實(shí)際井身結(jié)構(gòu)對比和更改原因分析Table 2 Comparison of Well Yunxuandi?1 structures and analysis of reasons for revision

2 鉆探施工難點(diǎn)及應(yīng)對措施

2.1 表層土松軟，成孔難度大

導(dǎo)管段設(shè)計(jì)井深20.00 m，開鉆后采用?170 mm 鉆頭進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆進(jìn)。鉆至井深6.00 m 處發(fā)生漏失，井口失返；鉆至9.00 m 處見基巖，繼續(xù)鉆進(jìn)，穿過基巖后井口仍然失返，采用?220 mm 硬質(zhì)合金鉆頭擴(kuò)孔至9.30 m 處，再下入?194 mm 套管至9.00 m 處，隨后井口返出泥漿，但返漿不多，給前期施工造成了較大影響［10］。

2.2 地層不穩(wěn)定，大型溶洞發(fā)育，巖石局部擠壓，破碎掉塊嚴(yán)重

云宣地1 井于井深30 m 處鉆遇一大型溶洞，長6 m，溶洞內(nèi)充填有碎石、粘土、砂礫等雜物，且溶洞裂隙與地面水系貫通，地表水對溶洞及內(nèi)部充填物頻繁沖刷，致使溶洞內(nèi)部掉塊嚴(yán)重，施工難度增加。

針對溶洞應(yīng)對措施：采取下入?168 mm 技術(shù)套管至37.5 m 處，揭穿溶洞底部并隔離溶洞。針對掃孔過程中由于鉆頭磨損嚴(yán)重、壽命嚴(yán)重縮短的情況，選用適巖中等胎體硬度、金剛石孕鑲濃度適當(dāng)提高的特制金剛石孕鑲鉆頭，掃孔至孔底（去除溶洞底部堆積物），然后灌注水泥漿固定?168 mm 技術(shù)套管，防止溶洞內(nèi)部坍塌掉塊［11］。采用此種方法，將溶洞內(nèi)部漏失量從約25 m3/h 降至6 m3/h 以內(nèi)，從而解決了溶洞內(nèi)部惡性漏失的難題。

云宣地1 井目的層段以淺發(fā)育大套灰?guī)r地層，厚度為1138 m?；?guī)r局部構(gòu)造發(fā)育，地層破碎，取心難度大［11］。其中 19.68～23.70、466.10～476.60、880.56～885.46、1079.85～1083.72、1106.02～1110.21 m 等局部巖石破碎嚴(yán)重，在鉆探過程中時(shí)有井漏和掉塊現(xiàn)象發(fā)生，給鉆探施工造成了極大困難（圖2）。

圖2 溶洞及破碎層段地層Fig.2 Karst cave and fractured strata

針對巖石破碎、取心難度大的應(yīng)對措施：（1）從卡簧廠家定制專用卡簧（?62 mm），以此減小卡簧內(nèi)徑，增大開口寬度，增加卡簧行程，從而適應(yīng)巖心直徑。（2）通過采取輕壓吊打、增加取心回次、減少回次進(jìn)尺等技術(shù)措施保證巖心采取率能夠滿足合同與設(shè)計(jì)要求。在上述技術(shù)措施的保證下，最終除大型溶洞層段巖心遺失6 m 外，破碎層段巖心遺失43.85 m，但全井段巖心采取率依然達(dá)到了97.05%，滿足了設(shè)計(jì)要求（穩(wěn)定層段巖心采取率≮90%），提高了巖心采取率和鉆進(jìn)效率［12］。

2.3 大套灰?guī)r地層漏失嚴(yán)重，堵漏工作困難

云宣地1 井目的層下寒武統(tǒng)筇竹寺組以淺地層為大套灰?guī)r地層，巖性以灰色至深灰色灰?guī)r和灰白色白云質(zhì)灰?guī)r以及白云巖為主，其中灰?guī)r層段溶洞、小型晶洞及裂縫（以縱向裂縫為主）尤為發(fā)育（圖3），漏失點(diǎn)多，漏失連續(xù)嚴(yán)重，井口失返頻現(xiàn)，且孔深越大，井壁越容易失穩(wěn)，堵漏工作困難。

圖3 灰?guī)r晶洞及裂縫Fig.3 Limestone caves and fractures

溶洞底部以深地層大型溶洞不發(fā)育，但在局部層 段（36.00～51.20、65.50～85.20、93.15～124.70、223.60～224.80、229.10～230.20、263.30～267.90 m）灰?guī)r縱向裂隙、晶洞極為發(fā)育，漏失嚴(yán)重，漏失量界于20～24 m3/h 之間，平均漏失量為22 m3/h，井口完全失返。

應(yīng)對措施：

（1）在揭穿溶洞后第一次出現(xiàn)漏失（36.00～51.20 m）時(shí)，及時(shí)分析了原鉆井液性能，認(rèn)為原鉆井液中固相含量較高，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)井壁失穩(wěn)，造成漏失情況發(fā)生［13］。故根據(jù)漏失情況對鉆井液進(jìn)行了優(yōu)化，將配方調(diào)整為：基漿＋3% 膨潤土+0.3% 燒堿+0.5%CMC＋0.02% 聚丙烯酰胺+1% 高粘防塌劑＋0.5%隨鉆堵漏劑，密度控制在1.02～1.03 g/cm3、漏斗粘度控制在22～28 s。對鉆井液進(jìn)行優(yōu)化后，效果較為明顯，堵漏后泥漿上返率達(dá)到30%［14］。但當(dāng)鉆進(jìn)至65.50～85.20 m 時(shí)，再次出現(xiàn)漏失，在鉆頭無異常發(fā)聲、鉆壓正常情況下，綜合考慮各方面因素認(rèn)為，巖石裂隙或晶洞發(fā)育，導(dǎo)致再次漏失。

（2）采用鋸末、海帶、核桃殼等惰性橋接堵漏材料進(jìn)行了堵漏，具體配方為：清水+PHP+CMC+803 堵漏劑+鋸末/核桃殼［15］，此堵漏措施起到了一定的效果，但對于縱向裂隙極為發(fā)育、晶洞體積較大的層段堵漏效果不佳，且于93.15～124.70 m 灰?guī)r層段第3 次漏失。

（3）為保證錄井過程中取全取準(zhǔn)相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)對地層的漏失特點(diǎn)與漏失量的仔細(xì)研判，在93.15～124.70 m 層段采用了復(fù)合凝膠快速堵漏技術(shù)［16］。采用該堵漏措施堵漏后，該層段漏失量從18 m3/h 降低到了5 m3/h 以內(nèi)，效果明顯，但當(dāng)鉆進(jìn)數(shù)小時(shí)后，漏失量又逐漸增加，當(dāng)從124.70 m 鉆進(jìn)3 d后，又再次發(fā)生了較嚴(yán)重的漏失，漏失量為16 m3/h。該技術(shù)適用于漏失量較大、縱向裂隙發(fā)育地層的快速堵漏。

針對以上縱向裂隙與小型晶洞發(fā)育、漏點(diǎn)較多且反復(fù)漏失的層段，考慮到云南宣威每年7-11 月為雨水充沛的季節(jié)，在井口返漿、但返漿不多的層段（275.00～697.20 m），采用頂漏鉆進(jìn)技術(shù)，不做任何處理，快速鉆穿易漏灰?guī)r層段［17］；在井口完全失返的層段（223.60～224.80、229.10～230.20、263.30～267.90 m），采取海帶、鋸末或核桃殼等橋接堵漏材料結(jié)合復(fù)合凝膠進(jìn)行堵漏，避免了因反復(fù)堵漏而降低鉆進(jìn)時(shí)效的情況發(fā)生，從而最大化提高了鉆進(jìn)效率，縮短了施工工期。

3 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用效果

3.1 頂漏鉆進(jìn)技術(shù)

井內(nèi)發(fā)生惡性漏失時(shí)，采用清水頂漏鉆進(jìn)，對于井內(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［18］。

頂漏鉆進(jìn)過程中，鉆桿內(nèi)鉆井液液面與孔內(nèi)液面壓差過低，通過鉆頭的鉆井液流量不均勻，易發(fā)生燒鉆事故，且如果鉆頭選擇不當(dāng)同樣會造成燒鉆事故。為預(yù)防頂漏鉆進(jìn)過程中燒鉆事故的發(fā)生，合理選用了通水性能好、壽命高、進(jìn)尺快、硬度大、耐磨性能好的孕鑲金剛石鉆頭［19］；保障鉆具下放時(shí)各連接部位不漏水、不漏氣，以維持水量恒定，并向鉆桿外部與井壁環(huán)狀間隙灌注二硫化鉬制作的鋰基潤滑脂潤滑材料，減少鉆桿與孔壁間的摩擦，從而減小鉆機(jī)負(fù)荷與鉆桿扭矩，避免井內(nèi)復(fù)雜事故的發(fā)生；鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格控制鉆速，及時(shí)排出孔內(nèi)巖粉，避免因鉆頭冷卻不良導(dǎo)致燒鉆事故的發(fā)生。

針對漏失地層采取了各種堵漏措施相結(jié)合的應(yīng)對措施，堵漏效果甚微，但在275.00～697.20 m 采用頂漏鉆進(jìn)技術(shù)后，成功鉆穿裂隙、溶蝕較為發(fā)育的易漏灰?guī)r層段，減少了大量護(hù)壁堵漏時(shí)間，贏得了更多純鉆進(jìn)時(shí)間，提高了整體鉆進(jìn)效率，避免了井內(nèi)因堵漏導(dǎo)致復(fù)雜事故的發(fā)生，同時(shí)也降低了單位成本，且未因頂漏鉆進(jìn)而發(fā)生燒鉆事故，也未發(fā)生鉆桿埋桿事故，取得了良好的鉆探效果。

3.2 側(cè)鉆施工技術(shù)

云宣地1 井在鉆進(jìn)過程中面臨的最大施工難題是如何維護(hù)井壁穩(wěn)定。該井在井深30～36 m 處鉆遇溶洞，溶洞內(nèi)部掉塊等復(fù)雜情況時(shí)常發(fā)生，對下部地層施工造成了巨大影響。在采用?96 mm 繩索取心鉆進(jìn)至1459.26 m 時(shí)，由于前期處理井漏及溶洞內(nèi)部掉塊等井下復(fù)雜情況過程中鉆桿接箍處螺紋磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致在起鉆過程中磨損接箍以下780 m 鉆桿脫落掉入井內(nèi)。在采用反絲鉆桿反拉鉆具、可退式打撈矛打撈鉆具、?50 mm 鉆桿分段切割及震擊器加公錐打撈等各種方法未果后，井內(nèi)仍遺留234 m 鉆桿。最終采用側(cè)鉆施工方案順利完成了剩余鉆探任務(wù)，并達(dá)到了預(yù)期地質(zhì)任務(wù)目標(biāo)。具體施工技術(shù)如下。

（1）側(cè)鉆能否取得成功不僅僅取決于施工過程，還取決于側(cè)鉆前的充分準(zhǔn)備［20］。結(jié)合本井地層巖性、井內(nèi)復(fù)雜情況、事故處理進(jìn)度以及后期側(cè)鉆所耗費(fèi)的成本等，對目前側(cè)鉆施工工藝進(jìn)行了綜合考量分析，選用動(dòng)力鉆具側(cè)鉆作為本次側(cè)鉆施工方法，即利用彎接頭和井下動(dòng)力鉆具的組合，靠彎接頭產(chǎn)生連續(xù)不斷的側(cè)向力，迫使鉆頭側(cè)鉆入地層，從而避開事故井段鉆至目的層，達(dá)到解除事故的目的［21］。

（2）為保證側(cè)鉆方案的成功率，本次側(cè)鉆水泥塞長度設(shè)計(jì)為50 m（目前測鉆水泥塞的長度基本上不少于30 m），即1459 m 為事故發(fā)生時(shí)的井深，最終井內(nèi)遺留234 m 鉆桿，“落魚”頂端井深1225 m。故將1175 m 作為本次側(cè)鉆施工的側(cè)鉆點(diǎn)，側(cè)鉆點(diǎn)處巖性為寒武系粉砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)含量較高，地層穩(wěn)定，可鉆性好，能夠滿足完鉆目的的要求。

（3）根據(jù)井內(nèi)情況，使用高標(biāo)號（425）水泥水下灌注法注入水泥塞，封隔1175～1225 m 井段，候凝48 h 后，檢測水泥的承載能力，當(dāng)水泥的承載能力滿足要求后，調(diào)整好鉆井液的性能并起鉆。下入側(cè)鉆鉆具造斜，鉆具組合為：?96 mm 全面金剛石鉆頭+?75 mm 1.25°螺桿+?91 mm 鉆桿。從側(cè)鉆點(diǎn)1175 m 處開始造斜，斜度1.25°。側(cè)鉆造斜時(shí)盡量控制鉆壓在 10 kN 內(nèi)，泵壓 4～6 MPa，排量 80 L/min，控制鉆時(shí)在 0.1 m/（10～15 min）。側(cè)鉆造斜完成后，起鉆卸掉1.25°造斜螺桿，改用正常鉆具（?96 mm PDC 取心鉆頭+?89 mm 鉆桿）鉆至 1690 m 完鉆。

本次側(cè)鉆施工總共耗時(shí)25 d，側(cè)鉆過程中孔內(nèi)未發(fā)生任何次生事故，取得了良好的技術(shù)效益，同時(shí)經(jīng)濟(jì)社會效益明顯，成本費(fèi)用約12 萬元，遠(yuǎn)低于打更新井的費(fèi)用（更新井預(yù)估費(fèi)用大于150 萬元），主要表現(xiàn)在：（1）節(jié)約井場設(shè)備拆卸與重新安裝、道路維修以及柴油費(fèi)等費(fèi)用。（2）節(jié)約表層套管、一開、二開等技術(shù)套管費(fèi)用。（3）節(jié)約事故層段以淺地層錄井費(fèi)用。（4）有效減少耕地占用面積，減輕環(huán)境污染。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）云宣地1 井目的層寒武系筇竹寺組以淺地層發(fā)育大套灰?guī)r地層，灰?guī)r厚度大，裂隙、溶洞、小型晶洞極為發(fā)育，堵漏工作難度大。通過采取技術(shù)套管隔離溶洞、鉆頭優(yōu)選、鉆井液優(yōu)化、多種堵漏措施相結(jié)合的應(yīng)對措施，解決了滇東地區(qū)復(fù)雜灰?guī)r層系中漏點(diǎn)多、漏失連續(xù)等惡性漏失的問題，確保了云宣地1 井順利完成，全井巖心采取率97.05%，目的層（筇竹寺組）巖心采取率96.44%，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效。為今后滇東地區(qū)復(fù)雜灰?guī)r層系地層鉆探施工提供可靠經(jīng)驗(yàn)。

（2）通過采用頂漏鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，成功鉆穿復(fù)雜灰?guī)r層系中易漏層段，減少了大量護(hù)壁堵漏時(shí)間，為后期目的層段施工贏得了大量寶貴時(shí)間。

（3）通過采用側(cè)鉆施工技術(shù)，成功處理了井內(nèi)“落魚”事故，與打更新井相比，明顯提升了作業(yè)效率，節(jié)約了成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。