湖南永順永頁(yè)2井破碎地層取心問(wèn)題分析與處理對(duì)策

何燾，張紹和*，王文彬，張?chǎng)析?，劉磊磊，肖金成，何紅生，郭軍

（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，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）

鉆探工程的施工難點(diǎn)往往都發(fā)生在復(fù)雜地層或破碎地層，莊生明和羅光強(qiáng)等人在復(fù)雜的汶川地震斷裂帶采用螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘+半合管取心鉆進(jìn)工藝進(jìn)行取心，但堵心問(wèn)題依然突出［1］。在陜西省鳳縣坪坎鎮(zhèn)勘查區(qū)進(jìn)行鉆探工作時(shí)，因?yàn)閹r層松軟、破碎，常導(dǎo)致粘鉆事故的發(fā)生［2］。湘西北地區(qū)同樣因?yàn)榈匦螛?gòu)造復(fù)雜，鉆進(jìn)難度大，鉆遇破碎地層時(shí)，各種問(wèn)題的發(fā)生，使得巖心采取非常困難。而破碎、軟弱地層難取心的現(xiàn)狀，已成為鉆探界的一大技術(shù)難題［3-5］。針對(duì)破碎地層取心難題，張國(guó)麗和羅軍提出了一種GW180-101型破碎地層工具，利用其隱蔽式雙割心機(jī)構(gòu)，配以高速極硬取心鉆頭進(jìn)行取心［6］。李新昌和李劍等人則采用了勝利R-8120型取心工具，利用其具有伸縮功能的加壓割心機(jī)構(gòu)，確保了松散破碎地層的取心收獲率［7］。上述的方法能夠在軟弱破碎地層取得一定效果，但巖心過(guò)于破碎時(shí)，內(nèi)管的保存及收集巖心效果不好，經(jīng)過(guò)沖洗液的沖刷后，巖屑易流失，且所獲取的巖心不能夠代表原始巖層。

在永頁(yè)2井（湖南永順頁(yè)巖氣2井）的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中獲取的不同地層的巖心，得到了鉆遇地層的巖性及成分，針對(duì)新灘組和龍馬溪組層段巖心采取率不足等問(wèn)題，擬采用一種新型囊袋多節(jié)捆綁式繩索取心鉆具，利用其獨(dú)特的囊袋結(jié)構(gòu)和超前側(cè)噴鉆頭，保證取心率的同時(shí)，還避免了沖洗液的影響。

1 區(qū)域構(gòu)造特征

永頁(yè)2井是湖南省頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)有限公司布署在湘鄂西褶沖帶桑植-石門復(fù)向斜青安坪向斜軸部的1口資料井，井口位于湖南省永順縣石堤鎮(zhèn)冷水村。永順區(qū)塊位于中揚(yáng)子臺(tái)褶帶與江南隆起相接地帶，中揚(yáng)子臺(tái)褶帶屬于較穩(wěn)定地塊，江南隆起則較為活躍。如圖1所示，受印支-燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，勘查區(qū)內(nèi)斷裂與褶皺構(gòu)造發(fā)育較多。

圖1 勘查區(qū)構(gòu)造區(qū)劃圖Fig.1 Structural zoning map of the exploration area

工區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，各期次的構(gòu)造行跡也顯得紛繁復(fù)雜。尤其是在燕山Ⅲ幕、Ⅳ幕陸內(nèi)拉張作用下，擠壓應(yīng)力產(chǎn)生逆掩、逆沖推覆構(gòu)造，后期同時(shí)發(fā)育一些規(guī)模不大的張性斷裂，并沿早期斷裂帶產(chǎn)生壓扭性作用，使工區(qū)內(nèi)斷裂更顯復(fù)雜［8］。

2 鉆遇地層巖性

本次實(shí)鉆目的層井段在445.05～1523.11 m，主要鉆遇了新灘組和龍馬溪組。從圖2可以看出，鉆遇地層上部巖性為青灰色至灰色粉砂質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育水平層理。中部巖性為深灰色粉砂質(zhì)頁(yè)巖及頁(yè)巖夾少量深灰色泥質(zhì)粉砂巖，裂隙較發(fā)育，層面間見(jiàn)數(shù)條不規(guī)則微裂縫，局部斷面具擦痕。底部巖性為灰黑色至黑色頁(yè)巖，發(fā)育水平層理，產(chǎn)較多筆石化石。

圖2 鉆遇地層巖心Fig.2 Cores from drilled formation

3 鉆探工藝流程

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)及質(zhì)量要求

永頁(yè)2井設(shè)計(jì)井深為1553.0 m，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定在1553.0 m完結(jié)，完鉆層位于上奧陶統(tǒng)寶塔組。

在一開(kāi)直井段時(shí)（0～19.9 m）先采用?146 mm擴(kuò)孔鉆頭和?127 mm表層套管，配合進(jìn)行擴(kuò)孔，而后再用?96 mm金剛石鉆頭進(jìn)行深層鉆進(jìn)，主要采用鉆鋌加壓，輕壓吊打鉆進(jìn)，保證了一開(kāi)直井段的防斜打直及井身質(zhì)量。二開(kāi)井段（20.00～1553.00 m）使用TXB-1800型鉆機(jī)，無(wú)液壓系統(tǒng)，依靠鉆機(jī)自重給壓，鉆機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速較慢，鉆效較低，而后更改為XY-6N型液壓鉆機(jī)，并采用全壓鉆進(jìn)以提高鉆速。在1000.00～1553.00 m時(shí)，由于井斜偏大，逐步采取控制鉆壓鉆進(jìn)，保證了鉆頭的合理使用，也加快了施工進(jìn)度，防止井斜進(jìn)一步加大。具體井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 永頁(yè)2井井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Well Yongye-2

其他質(zhì)量要求如下：

（1）全孔取心，設(shè)計(jì)要求巖心采取率≥90%，60 mm≤巖心直徑≤63.5 mm。

（2）設(shè)計(jì)要求最大孔斜≤5°，全角變化率≤2°/30 m。

3.2 沖洗液的使用

該井一開(kāi)使用膨潤(rùn)土低固相環(huán)保鉆進(jìn)液體系配漿開(kāi)鉆，針對(duì)一開(kāi)上部地層比較疏松的特點(diǎn)，為了加強(qiáng)防垮塌、防漏失能力，開(kāi)鉆前配置密度為1.06 g/cm3充分遇水化24 h的膨潤(rùn)土漿5 m3，以及濃度為0.5%～1%的KPAM溶液4 m3，鉆井液粘度為70 s。在實(shí)際的鉆井施工過(guò)程中無(wú)垮塌、無(wú)漏失現(xiàn)象發(fā)生，較好地保證了鉆井進(jìn)度和施工安全。

二開(kāi)采用低固相甲基聚合物鉆井液體系，替換掉一開(kāi)鉆井液，井深22.80 m時(shí)加入CMC、KPAM、土粉，并采取頂替方式洗井，使鉆井液密度保持在1.06 g/m3，粘度41 s。二開(kāi)前期鉆井液密度控制在1.13 g/cm3以內(nèi)，粘度41 s左右，隨著井深的逐步增加，鉆井液密度維持在1.06～1.13 g/cm3，粘度上升到42 s，既穩(wěn)定井壁不發(fā)生垮塌，也保證了鉆井液的攜砂能力，確保了鉆井順利進(jìn)行。二開(kāi)井段是本井的目的層，鉆至井深445.05 m龍馬溪組時(shí)，加入了2%降失水劑（CMC、PAC-141）、2%護(hù)壁劑（FT-1、廣譜護(hù)壁劑），進(jìn)入目的層1545.00～1553.00 m后，由安全生產(chǎn)負(fù)責(zé)人調(diào)整好鉆井液各項(xiàng)性能參數(shù)，嚴(yán)格控制泥漿的無(wú)用固相含量和含砂量，含砂量始終保持在0.03%左右。

4 巖心采取技術(shù)難點(diǎn)和改進(jìn)措施

從圖4可以看出，孔深在1041.00～1055.76 m時(shí)，構(gòu)造作用明顯，裂隙發(fā)育，1041.00 m處見(jiàn)一條寬約1 mm、長(zhǎng)約5 cm的水平裂隙，少量泥質(zhì)充填，1051.00～1052.00 m處，見(jiàn)7條寬1～1.5 mm、長(zhǎng)2～5 cm的不規(guī)則穿插裂隙，少量泥質(zhì)充填或無(wú)充填。由于碎屑礦石較多，取心困難，最低的巖心采取率79%，且?guī)r心非常破碎。

圖4 1049～1055 m處破碎巖心Fig.4 Broken cores from 1049m to 1055m

目前，已有眾多專家針對(duì)破碎地層取心提出相關(guān)解決方法［9-15］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用了一種新型囊袋多節(jié)捆綁式繩索取心鉆具［16］進(jìn)行取心，這種新型鉆具適用于風(fēng)化程度高、易沖蝕、軟弱破碎等地層，能夠有效地提高巖心采取率。

從圖5中可以知道，該鉆具是在傳統(tǒng)繩索取心鉆具上增加了多節(jié)捆綁式囊袋總成結(jié)構(gòu)，包括多節(jié)捆綁式囊袋總成和超前側(cè)噴式鉆頭。多節(jié)捆綁式囊袋總成結(jié)構(gòu)同普通的繩索取心鉆具內(nèi)管相同，設(shè)置有單向閥、泄水網(wǎng)以及卡簧裝置。其中，單向閥與囊袋頂部采用過(guò)盈配合并箍緊，囊袋底部則固定于卡簧處。鉆具單向閥內(nèi)的泄水網(wǎng)能夠過(guò)濾掉隨沖洗液一同流進(jìn)的碎屑顆粒，這些碎屑顆粒一旦留存于鉆具中，會(huì)對(duì)鉆具本身產(chǎn)生極大的磨損。

圖5 囊袋多節(jié)捆綁式繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the bladder wireline core drilling tool

內(nèi)管總成中的囊袋部分是整個(gè)新型鉆具的核心部分，起收集巖心、保護(hù)巖心的作用。因此，囊袋本身厚度不易過(guò)厚，且應(yīng)該具備足夠的拉伸強(qiáng)度和耐磨性。目前，囊袋薄膜是采用線型低密度聚乙烯和高密度聚乙烯共同混合的材料加工而成，兼具了二者的高抗穿透性、易拉伸性和易加工的特性。超前側(cè)噴鉆頭由常規(guī)鉆頭部分和超前齒部分構(gòu)成，主要起改變水流流向的作用，其設(shè)計(jì)為階梯狀，通過(guò)變徑鋼體周圍的斜水眼，將沖洗液導(dǎo)流至鉆頭底唇面，隨著唇面上的水口和水槽改變沖洗液的流向。

在鉆進(jìn)施工時(shí)，利用囊袋的自動(dòng)收縮，束牢巖心，不讓巖心滑落，同時(shí)，在鉆具的沖擊力下，不斷向更深的地層伸展，讓巖心充滿囊袋。當(dāng)巖心充滿囊袋時(shí)，囊袋下部的橡皮箍筋圈將囊袋箍緊，泵壓立即升高，并對(duì)地面設(shè)備及時(shí)做出提醒。其原理不同于傳統(tǒng)的取心鉆具，純粹的利用巖心管機(jī)械式的裹挾巖心。普通的巖心管較難獲取軟弱沖蝕性的巖心，但可伸縮性囊袋能夠?qū)⑦@些水土巖石的混合物全部包住，并由橡皮箍緊束牢，大大減少了巖心的丟失。

囊袋多節(jié)捆綁式繩索取心鉆具常搭配超前側(cè)噴式鉆頭（見(jiàn)圖6），該鉆頭能夠在鉆進(jìn)過(guò)程中，改變沖洗液的流向，避免其沖刷內(nèi)管中的巖心，同時(shí)囊袋本身也具有對(duì)巖心的一個(gè)保護(hù)作用，能夠隔離沖洗液。這既提高了巖心的取心率，也保證了巖心的保真度。

圖6 超前側(cè)噴式鉆頭Fig.6 Pilot side jet drill bit

采用新型鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)后，不同深度巖層的取心率如表1所示。

表1 新型鉆具在不同深度的巖心采取率Table 1 Core recovery of the new drilling tool at different depths

新型鉆具得到運(yùn)用以后，實(shí)際效果表明，巖心采取率得到較大提高，由原來(lái)最低79%，提高至90%以上，且?guī)r心因?yàn)槟掖谋Ｗo(hù)和超前側(cè)噴式鉆頭的改流效果，真實(shí)還原了地層特征，減少了巖心的破碎（參見(jiàn)圖7）。

圖7 新型鉆具巖心采取效果Fig.7 Cores taken with the new core drilling tool

5 結(jié)語(yǔ)

（1）湖南永順勘查區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，鉆遇地層裂隙發(fā)育，碎屑礦石較多。因而在實(shí)際的鉆井工程中，一開(kāi)和二開(kāi)階段分別使用低固相環(huán)保鉆井液體系和甲基聚合物鉆井液體系，避免了垮塌、漏失等現(xiàn)象。此外，在兩井段中也分別采用了鉆鋌加壓，輕壓吊打鉆進(jìn)和逐步鉆進(jìn)穩(wěn)控井斜的鉆進(jìn)方式，尤其針對(duì)井斜較大井段，使得其最大孔斜≤5°，保證了施工的順利進(jìn)行。

（2）孔深在1041.00～1055.76 m時(shí)，由于巖層破碎，工程取心效果不佳，所取巖心完整度不夠。此次工程采用了囊狀多節(jié)捆綁式繩索取心鉆具，囊袋多節(jié)捆綁式繩索取心鉆具具有獨(dú)特的多節(jié)捆綁式囊袋總成結(jié)構(gòu)，且鉆具本身常搭配超前側(cè)噴式鉆頭進(jìn)行使用。囊袋本身可以保護(hù)巖心，使得巖心具有保真性；超前側(cè)噴式鉆頭則通過(guò)鋼體變徑處均勻分布由內(nèi)向外的斜水口提前改變了水流流向，防止巖心被沖刷。工程實(shí)踐證明，囊袋多節(jié)捆綁式繩索取心鉆具能夠在破碎地層中提高巖心的取心率，取心率由原來(lái)的79%提升至90%以上。