雄安新區(qū)D19 井破碎熱儲(chǔ)層氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

趙長(zhǎng)亮，王勇軍*，聶德久，王 磊

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院），山東 德州 253072；2.山東省地?zé)崆鍧嵞茉刺綔y(cè)開發(fā)與回灌工程技術(shù)研究中心，山東 德州 253072）

0 引言

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)是利用向鉆柱內(nèi)注入壓縮空氣，降低鉆柱內(nèi)流體密度從而改變鉆柱內(nèi)外液柱壓差，在鉆柱內(nèi)外液柱壓差的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)鉆井液從鉆柱外環(huán)空流入、從鉆柱內(nèi)環(huán)空返出的一種鉆進(jìn)工藝［1-2］。空壓機(jī)將壓縮空氣經(jīng)供氣管線、氣盒子、雙壁主動(dòng)鉆桿、雙壁鉆桿、氣水混合器進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管內(nèi)，氣體與鉆井液混合形成密度小于鉆井液的混合流體，進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管的氣體沿內(nèi)管快速上升，產(chǎn)生氣舉作用［2-4］。當(dāng)連續(xù)注入壓縮空氣時(shí)，在鉆柱內(nèi)外液柱壓差及水下氣體上移托舉的作用下，鉆孔內(nèi)鉆柱外的流體經(jīng)鉆具底部鉆頭水眼連續(xù)進(jìn)入鉆柱內(nèi)，當(dāng)液流達(dá)到一定速度時(shí)，就能帶走鉆孔底部的巖屑［4-5］。水與巖屑混合的固、液二相混合物經(jīng)下部鉆柱內(nèi)腔達(dá)到氣水混合器處，與注入的壓縮空氣混合形成固、液、氣三相混合物繼續(xù)沿雙壁鉆桿內(nèi)管內(nèi)腔內(nèi)上返循環(huán)至地面。返出地面的混合流體經(jīng)清除固相后可再次注入井筒內(nèi)參與循環(huán)［6］。該工藝廣泛應(yīng)用于深層基巖地?zé)豳Y源的勘探開發(fā)中，特別是漏失嚴(yán)重的地層中，具有能耗低、孔底清潔、鉆進(jìn)效率高、保護(hù)儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)［7-9］。我們?cè)谛郯残聟^(qū)D19 井破碎熱儲(chǔ)層鉆進(jìn)中進(jìn)行了氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)的研究應(yīng)用。

1 D19 井概況

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所組織實(shí)施了雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉凑{(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目，D19井為該項(xiàng)目2019 年工作任務(wù)中的一個(gè)勘探孔，位于安新縣城區(qū)北，雄安新區(qū)核心區(qū)南部，交通便利。鉆探施工任務(wù)由山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院）承擔(dān)。D19 完鉆井深4021.78 m，揭穿霧迷山組和高于莊組2個(gè)熱儲(chǔ)層。鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 D19 井鉆探現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Panoramic view of Well D19 drilling site

1.1 鉆探設(shè)備

D19 井采用ZJ50 型石油鉆機(jī)進(jìn)行施工，主要設(shè)備情況見表1。

表1 主要鉆探設(shè)備Table 1 Main drilling equipment

1.2 地質(zhì)概況

雄安新區(qū)地質(zhì)構(gòu)造位于渤海灣盆地的冀中坳陷內(nèi)，主要涉及的構(gòu)造單元有徐水凹陷、容城凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起、霸縣凹陷、保定凹陷、高陽低凸起，主體構(gòu)造線以NE 向?yàn)橹鳎饕獢嗔延蠳E 向容城斷裂、牛東斷裂、保定斷裂、高陽斷裂，NWW 向牛南斷裂［10-13］。D19 井鉆遇地層情況見表2。

表2 D19 井鉆遇地層分層情況Table 2 Geological stratigraphy at Well D19

1.3 井身結(jié)構(gòu)

D19 井成井結(jié)構(gòu)為四開［14］：

一開?444.5 mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)至700 m，下入?339.7 mm 石油套管；

二開?311 mm 鉆頭鉆進(jìn)至2926 m，并進(jìn)行定深取心，揭露霧迷山組白云巖，下入?244.5 mm 石油套管；

三開?215.9 mm 鉆頭鉆進(jìn)至3767 m，并進(jìn)行定深取心，揭穿霧迷山組白云巖，下入?177.8 mm 石油套管；

四開?152.1 mm 鉆頭全面鉆進(jìn)至4021.78 m，并進(jìn)行定深取心，揭露高于莊組熱儲(chǔ)層，裸眼完井。

成井井身結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 D19 井成井結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Completion structure of Well D19

1.4 鉆井液體系

D19 井鉆探施工過程中，根據(jù)不同井段地層的巖性特征，采用了不同體系的鉆井液［15］，見表3。

表3 各開次鉆井液體系Table 3 Drilling fluid systems

2 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)的應(yīng)用研究

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為保護(hù)熱儲(chǔ)層、防止熱儲(chǔ)層因鉆井液造成污染，在三開、四開熱儲(chǔ)層井段應(yīng)使用清水鉆進(jìn)。三開掃開水泥塞后換清水繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至2949 m 出現(xiàn)漏失、井口不返水，經(jīng)項(xiàng)目技術(shù)人員綜合分析，如采用清水頂漏鉆進(jìn)，將消耗大量的水，施工用水的供給無法得到保障，同時(shí)頂漏鉆進(jìn)的巖屑會(huì)隨著漏失而進(jìn)入熱儲(chǔ)層中，也會(huì)對(duì)熱儲(chǔ)層造成一定的影響；另一方面鉆進(jìn)產(chǎn)生的較大塊巖屑無法隨清水進(jìn)入到裂隙中，會(huì)導(dǎo)致孔底積累的大塊巖屑隨鉆進(jìn)逐漸增多，造成重復(fù)破碎影響效率、甚至可能出現(xiàn)沉渣卡鉆等復(fù)雜情況。經(jīng)綜合研究決定采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝?yán)^續(xù)鉆進(jìn)，可避免正循環(huán)的漏失問題，通過在鉆柱內(nèi)腔建立起反向循環(huán)，將孔底的碎巖屑攜帶至地面，解決孔底沉渣的問題、實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)，同時(shí)可以防止巖屑進(jìn)入儲(chǔ)層裂隙中、達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)層的目的。

2.1 鉆具組合及工藝參數(shù)研究

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)井內(nèi)靜水位為167 m，根據(jù)以往其他類似項(xiàng)目氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，雙壁鉆桿深度與鉆孔深度比值一般控制在1∶（5～8）、空壓機(jī)風(fēng)量一般為4～15 m3/min 等［1-2］。同時(shí)考慮鉆孔深度、井身結(jié)構(gòu)、鉆具設(shè)備配備等因素，D19 井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)配備的主要設(shè)備及鉆具見表4。

表4 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)主要設(shè)備Table 4 Main equipment of gas lift reverse circulation

根據(jù)以往的研究成果和施工經(jīng)驗(yàn)，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)中，鉆柱內(nèi)腔中混合流體的上返速度關(guān)系著攜帶巖屑能力，是氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵，可以運(yùn)用下式計(jì)算氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)攜帶不同直徑巖屑所需的最小流速［16］：

式中：d1—巖屑顆粒直徑，cm；rf—巖屑密度，g/cm3；r1—鉆井液密度，g/cm3。

根據(jù)本井漏失發(fā)生前正循環(huán)鉆進(jìn)及以往類似地層氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，鉆頭刻取的巖屑直徑大多在5～10 mm 的范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量正循環(huán)返出的白云巖巖屑密度為2.73 g/cm3，代入式（1）計(jì)算，攜帶直徑10 mm 的巖屑顆粒Vmin=0.75 m/s；攜帶直徑5 mm 的巖屑顆粒Vmin=0.53 m/s。

為滿足鉆進(jìn)過程中巖屑上返流速的要求、找到最優(yōu)的工藝參數(shù)，參考沉沒比一般應(yīng)大于0.5［1-2］，結(jié)合上述雙壁鉆桿下深及風(fēng)量的經(jīng)驗(yàn)值，以往氣舉反循環(huán)研究成果、施工經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)鉆具配備，經(jīng)綜合分析研究，對(duì)雙壁鉆桿下深347.76 m（沉沒比0.5）、492.66 m（沉沒比0.65）、695.52 m（沉沒比0.75），風(fēng)量8、10、12 m3時(shí)的返水量進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算出了相應(yīng)的上返速度。

首先采用?215.9 mm 鉆頭+?165 mm 鉆鋌+?89 mm 常規(guī)鉆桿+?127 mm 雙壁鉆桿的鉆具組合，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算的上返速度見圖3。在實(shí)際測(cè)試中上返水量較小、攜帶巖屑效果很差，無法滿足正常鉆進(jìn)需求，現(xiàn)場(chǎng)研究分析認(rèn)為：?89 mm 常規(guī)鉆桿內(nèi)徑太?。?71 mm），在深度較深（2949 m）的條件小，能上返的水量較小，無法滿足正常鉆進(jìn)攜帶巖屑的需求。綜合研究決定將?89 mm 常規(guī)鉆桿全部置換為內(nèi)徑較大（?96 mm）的?114 mm 常規(guī)鉆桿，返水量有了明顯的提高，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的鉆柱內(nèi)流體上返速度也有一定的提高（見圖4），攜帶巖屑效果明顯提升。

圖3 采用?89 mm 鉆桿時(shí)不同風(fēng)量上返速度Fig.3 Up-hole velocity at different air volumes with ?89mm drill rod

依據(jù)圖4 可以看出：當(dāng)風(fēng)量超過10 m3/h 時(shí)，隨著風(fēng)量繼續(xù)增加，上返速度增加得很少；雙壁鉆桿下深從492.66 m 增加至695.52 m，上返速度提升亦較少，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄，雙壁鉆桿下深695.52 m時(shí)，空壓機(jī)負(fù)荷明顯增加，空氣循環(huán)系統(tǒng)的密封部件損耗亦明顯增加。

圖4 采用?114 mm 鉆桿時(shí)不同風(fēng)量上返速度Fig.4 Up-hole velocity at different air volumes with ?114mm drill rod

經(jīng)綜合研究確定：采用?215.9 mm 鉆頭+? 165 mm 鉆鋌+?114 mm 常規(guī)鉆桿+?127 mm 雙壁鉆桿的鉆具組合，雙壁鉆桿下深492.66 m（沉沒比0.65）、風(fēng)量10 m3/min，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的返水量22.12 m3/h、計(jì)算的鉆柱內(nèi)流體上返流速為0.85 m/s。代入式（1）計(jì)算，上返速度能夠滿足?12.7 mm的巖屑顆粒的上返攜帶，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆及以往類似地層經(jīng)驗(yàn)判斷，能夠滿足正常鉆進(jìn)需要。

實(shí)際鉆進(jìn)過程中，正常情況下返水穩(wěn)定、返渣均勻（見圖5），返出巖屑大多為3～10 mm 的片狀巖屑、有少量達(dá)到15 mm 的塊狀巖屑，孔底較為干凈。在地層較破碎時(shí)，返出巖屑增多、尺寸增大（10～15 mm）、且大多呈塊狀，孔底時(shí)有少量沉渣，偶出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，經(jīng)上提活動(dòng)鉆具大多能解除堵塞問題，雖對(duì)鉆進(jìn)效率造成了一定的影響，但基本能維持正常鉆進(jìn)。氣舉反循環(huán)在D19 井孔中機(jī)械鉆進(jìn)效率為1.5～2 m/h，相比常規(guī)正循環(huán)鉆進(jìn)效率提高約25%～30%，且有效地解決了漏失問題、達(dá)到了保護(hù)熱儲(chǔ)層的目的。

圖5 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)正常返水（渣）情況Fig.5 Normal water (cuttings)return in air lift and reverse circulation drilling

2.2 防堵工藝研究應(yīng)用

氣舉反循環(huán)工藝鉆進(jìn)至3226 m 時(shí)遇斷層帶，進(jìn)尺很快，鉆進(jìn)約1 m 后出現(xiàn)堵塞（返水量降低甚至不返水）現(xiàn)象，一般將鉆具提離孔底，繼續(xù)送風(fēng)40～50 min 后能恢復(fù)返水，有時(shí)則需繼續(xù)送風(fēng)1.5～2 h 方能恢復(fù)返水、甚至不能恢復(fù)返水?；謴?fù)返水后集中返出大量巖屑、隨后才能恢復(fù)正常，不能恢復(fù)返水則需要起鉆清理鉆具內(nèi)堵塞物（見圖6）。再次下放鉆具孔底沉渣較多，繼續(xù)鉆進(jìn)孔底沉渣逐漸增多，且經(jīng)常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常鉆進(jìn)、鉆進(jìn)效率很低。

圖6 起鉆清理出鉆具內(nèi)的堵塞物Fig.6 Cleaning blockage in the drilling string

現(xiàn)場(chǎng)分析研究，造成此現(xiàn)象的主要原因有以下2 個(gè)方面：一是地層破碎，孔底巖塊較多，大量小粒徑巖屑進(jìn)入鉆具內(nèi)造成堵塞，較大粒徑巖屑在吸水和鉆頭碾壓的作用下卡堵鉆頭進(jìn)水（渣）口；二是下放鉆具掃進(jìn)時(shí)，孔底碎巖塊即被擠向四周、巖塊埋住鉆頭底部進(jìn)水（渣）口，造成進(jìn)水受阻、進(jìn)水量減少，使鉆具內(nèi)混合流體上返流速降低、攜帶能力降低而造成堵塞。為了有效解決破碎地層氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)易堵塞難題，我們從以下2 個(gè)方面進(jìn)行了研究改進(jìn)。

2.2.1 改進(jìn)鉆頭水眼

在三牙輪鉆頭的3 個(gè)水眼外側(cè)加裝異形保護(hù)鋼板（見圖7），將保護(hù)板與牙輪之間的間隙控制在3～5 mm，保證牙輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下此處仍可進(jìn)水、并吸入小顆粒巖屑，大部分巖屑通過輪齒間隙進(jìn)入，由于在鉆進(jìn)過程中牙輪一直轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不會(huì)出現(xiàn)巖屑卡堵輪齒間隙的現(xiàn)象。在井底巖屑較多時(shí)，可以有效地防止進(jìn)水（渣）堵塞，同時(shí)可以控制吸入巖屑的粒徑和數(shù)量、避免鉆柱內(nèi)腔因巖屑過多而堵塞。

圖7 鉆頭進(jìn)水（渣）口防堵保護(hù)Fig.7 Blocking protection at bit water (cuttings)inlet ports

2.2.2 增設(shè)防堵進(jìn)水短接

通過對(duì)破碎地層氣舉反循環(huán)堵塞現(xiàn)象及地層破碎情況的研究分析，深入研究氣舉反循環(huán)吸水（渣）機(jī)理，在鉆頭上部增加防堵進(jìn)水短接，解決井底碎巖屑較多時(shí)、因鉆頭底部吸水（渣）口堵埋造成進(jìn)水量減少的問題。其作用原理是將鉆頭底部吸水（渣）的作用進(jìn)行分離，將吸水的功能主要賦予防堵進(jìn)水短接的進(jìn)水孔，其距離井底相對(duì)較遠(yuǎn)，一般情況下不受井底碎巖屑影響，可以保證進(jìn)水量，從而保證正常循環(huán)?？紤]加設(shè)了防堵進(jìn)水短接后，鉆頭底部的吸水（渣）口的進(jìn)水、吸渣能力就會(huì)減弱、甚至出現(xiàn)不進(jìn)水不吸渣的情況。根據(jù)射流、虹吸相關(guān)理論的研究，進(jìn)水孔距離鉆頭底面一般不應(yīng)超過550 mm，同時(shí)應(yīng)將進(jìn)水孔設(shè)置為斜孔，使其在保證進(jìn)水的同時(shí)輔助鉆頭底部吸渣。按相關(guān)理論：進(jìn)水孔距離鉆頭底面越近，吸渣效果越好；進(jìn)水孔豎向夾角越小，產(chǎn)生的射流、虹吸作用就越強(qiáng)，輔助吸渣的效果亦越好。但在實(shí)際加工中，豎向夾角＜30°時(shí)加工十分困難、且對(duì)工具強(qiáng)度影響較大，進(jìn)水孔位置亦需要避開下端母扣，同時(shí)考慮防堵進(jìn)水短接的進(jìn)水孔距鉆頭底面越近、越容易造成堵塞。因此本次研究吸水孔的豎向夾角設(shè)置為30°，進(jìn)水孔距離鉆頭底面的距離設(shè)置為420～520 mm，豎向分3 層均勻布置、每層徑向設(shè)置3 個(gè)孔，并根據(jù)等截面的原理，使9 個(gè)進(jìn)水孔截面積的和與鉆頭體內(nèi)腔截面積相近。經(jīng)計(jì)算進(jìn)水孔直徑設(shè)置為22 mm，防堵進(jìn)水短接結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 防堵進(jìn)水短接結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure of the anti-blocking inlet sub

添加防堵進(jìn)水短接后，堵塞問題明顯減輕，基本實(shí)現(xiàn)了正常鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至3230 m 時(shí)地層特別破碎、井壁坍塌，鉆具上提后井孔即被坍塌物填滿，下放鉆具掃進(jìn)0.5 m 左右防堵進(jìn)水孔堵塞，上提鉆具循環(huán)后再探井深又恢復(fù)至3230 m，反復(fù)掃進(jìn)多次無法通過。

現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為，下放鉆具掃進(jìn)時(shí)，井底坍塌的碎巖塊即被擠向四周，大量小粒徑巖屑從防堵進(jìn)水孔吸入鉆具內(nèi)腔形成“巖屑塞”，造成“蹩壓”現(xiàn)象［1-3］，進(jìn)水量減少，使鉆具內(nèi)腔混合流體上返速度下降。同時(shí)大量的碎巖屑逐漸接近、甚至埋住防堵進(jìn)水孔，其中粒徑與進(jìn)水孔徑相近的巖塊在被吸入的過程中卡堵進(jìn)水孔（見圖9），造成進(jìn)水受阻、進(jìn)水量進(jìn)一步減少，從而形成下放鉆具0.5 m 即發(fā)生堵塞的現(xiàn)象。

圖9 堵塞的防堵進(jìn)水短接Fig.9 Jammed anti-blocking inlet sub

研究決定對(duì)防堵進(jìn)水接頭進(jìn)行改進(jìn)，在進(jìn)水孔外加保護(hù)管，其原理是將實(shí)際進(jìn)水口上移，使其遠(yuǎn)離井底沉渣，達(dá)到進(jìn)水而不吸渣的目的，從而防止堵塞問題出現(xiàn)，實(shí)際加工過程中因工具外徑減小、壁厚減小，相應(yīng)強(qiáng)度降低，因此將原3 層進(jìn)水孔改為了2層，并加大了防堵進(jìn)水孔的直徑及2 層進(jìn)水孔的間距（見圖10），保證鉆具的強(qiáng)度。

圖10 改進(jìn)后的防堵進(jìn)水短接示意Fig.10 Schematic diagram of the improved anti-blocking water inlet sub

使用改進(jìn)后的防堵進(jìn)水接頭解決了堵塞問題，至3234 m 穿過破碎帶，清理坍塌巖塊的過程中返出大量巖屑（圖11）。繼續(xù)應(yīng)用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，后續(xù)鉆遇多個(gè)破碎層段，均順利穿過，至4021.78 m 完成設(shè)計(jì)鉆探任務(wù)。

圖11 特別破碎段返出的大量巖屑Fig.11 Large amount of cuttings returning from the very broken section

3 結(jié)語

雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉凑{(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目D19 井熱儲(chǔ)層應(yīng)用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)順利地完成了設(shè)計(jì)工作任務(wù)。在應(yīng)對(duì)復(fù)雜破碎地層時(shí)，通過研制的鉆頭進(jìn)水口保護(hù)裝置及防堵進(jìn)水接頭，有效地解決了破碎復(fù)雜地層氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)易堵塞的難題，保障了氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)的順利進(jìn)行，為氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)在破碎復(fù)雜地層的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。