下?lián)P子頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井的溶洞識別與處理

趙志濤，蔣 睿，3，盧 彤，朱迪斯，徐軍軍，歐陽志勇，朱文鑒*

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；3.中國地質(zhì)大學（北京），北京 100083）

0 引言

在奧陶系的灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽地層中發(fā)育著大量的巖溶洞穴，易發(fā)生惡性井漏，引發(fā)卡鉆、井塌埋鉆等鉆井事故，甚至造成井眼報廢，對鉆探成本和工期都帶來極大影響，因此，在該類地層鉆進中溶洞的識別與處理具有重要意義。目前，很多學者從地震、測井、鉆進參數(shù)等單角度出發(fā)研究過溶洞識別，但未將地質(zhì)、地震、鉆進、錄井和測井等地質(zhì)工程資料進行綜合研究判斷溶洞發(fā)育情況［1-8］。例如，2006年胡中平等學者發(fā)表了以地震資料識別溶洞的研究成果，溶洞在地震剖面中有彎月狀強反射等特征；2012年馬暉研究了利用測井資料識別塔河油田巖溶溶洞。鉆遇溶洞后，常規(guī)采用橋接堵漏、水泥堵漏等處理方法［9-12］，近幾年也出現(xiàn)了波紋管堵漏、智慧凝膠堵漏等新技術(shù)［13-15］，取得了良好的溶洞堵漏效果。溶洞堵漏方法繁多，適用性不盡相同，須根據(jù)溶洞發(fā)育情況采取合理的堵漏措施。本文結(jié)合下?lián)P子頁巖氣地質(zhì)調(diào)查皖南地1井的溶洞識別和處理，綜合研究地震、鉆井、錄井和測井等資料的溶洞識別特征，并對比分析不同溶洞處理方法的特點，旨在更加準確判斷溶洞發(fā)育情況，采取恰當?shù)奶幚泶胧s短處理周期，降低成本。

1 工程概況

皖南地1井是一口部署于下?lián)P子地區(qū)南陵盆地南緣的小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，直井，設(shè)計深度1500 m，終孔直徑≮75 mm，全井取心，主探五峰-高家邊組，兼探牯牛潭組-侖山組。該井采用繩索取心鉆進工藝，開展了錄井和測井，完鉆深度1506.91 m，完鉆層位奧陶系紅花園組。該工程實現(xiàn)了鉆探目的，梳理了安徽皖南地區(qū)地層層序，特別摸清了五峰-高家邊組發(fā)育情況；在高家邊組發(fā)現(xiàn)2層 氣 測 異 常 井 段（886.60～900.00 m和965.40～971.00 m），為二級項目對頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層的理論推測提供了有力的實物數(shù)據(jù)支撐和驗證［16］。

1.1 地質(zhì)條件

本井鉆遇地層自上而下依次為：第四系蕪湖組、下蜀組、戚家嘰組，志留系高家邊組，奧陶系五峰組、湯頭組、寶塔組、牯牛潭組、紫臺組、紅花園組（未穿），詳見表1。

表1 皖南地1井鉆遇地層Table 1 Formation encountered in Well WND1

1.2 井身結(jié)構(gòu)

皖南地1井采用三開井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。一開采用?165 mm鉆頭鉆至233.49 m，下入?146 mm套管，固井，水泥返至井口，坐防噴器；為了減小環(huán)空，保證上返速度，一開井段又下入?127 mm繩索取心鉆桿作為活動套管。二開采用?98 mm鉆頭鉆至1230.84 m，下入?89 mm活動套管，不固井。三開采用?77 mm鉆頭鉆至1506.91 m，裸眼完鉆。

圖1 皖南地1井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Well structure of WND1

1.3 施工工藝

該井采用繩索取心鉆進工藝，以便于全井取心。選用了XY-8型巖心鉆機，SG24型鉆塔，NBB-390/15型泥漿泵，并配備了2SFZ18-35型防噴器。采用中等硬度細顆粒孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC30～40，水口適當加寬以便排渣，直徑適當加大以減小泥頁巖地層卡鉆風險。其中二開和三開鉆頭分別加大至?98 mm和?77 mm，鉆頭內(nèi)徑加大金剛石濃度，防止鉆頭內(nèi)徑磨損過快。鉆進規(guī)程參數(shù)詳見表2。針對各開次地層選用了合理的鉆井液體系，其中二開針對水敏性的泥頁巖、泥質(zhì)含量高的砂巖且大傾角地層，改用防塌性好、排粉能力強、流變性好、抑制性強的低固相防塌聚合物鉆井液體系，詳見表3。

表2 鉆進規(guī)程參數(shù)Table 2 Drilling parameters

表3 各開次鉆井液體系Table 3 Drilling fluid system for each well section

1.4 鉆遇溶洞情況

二開鉆進過程中，鉆至1223.54 m遇2.8 m溶洞，鉆井液失返，鑒于上部井壁較為穩(wěn)定以及表層套管固井質(zhì)量好且安裝防噴器，因此先頂漏鉆穿溶洞進入完整地層3.5 m，嘗試多次橋接堵漏無效，采用套管封隔，變徑鉆進至完鉆。

2 溶洞識別技術(shù)

溶洞在地質(zhì)、地震、鉆井、錄井、巖心、測井曲線等資料中具有不同的表現(xiàn)特征［1-12］，據(jù)此可以識別溶洞的發(fā)育情況，為溶洞的堵漏處理提供依據(jù)。常規(guī)的溶洞識別一般通過鉆井工程參數(shù)變化來識別，難以準確的判斷溶洞發(fā)育情況，綜合分析地質(zhì)資料、物探資料、鉆井、錄井以及測井資料可較準確判斷溶洞的發(fā)育情況。

2.1 鉆前識別特征

溶洞的形成具有一些地質(zhì)構(gòu)造特點，并在地震中有響應(yīng)特征。如果在進行鉆井工程設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造和地震資料有溶洞特征，須做好溶洞處理預(yù)案，準備充分的技術(shù)措施。溶洞的主要地質(zhì)和地震特征有［1-5］：

（1）溶洞主要受到溶蝕作用而產(chǎn)生，古侵蝕面是

溶洞理想的發(fā)育平臺，存在長期的沉積間斷，在古侵蝕面都普遍發(fā)育著鋁土礦、鋁土質(zhì)泥質(zhì)巖、褐鐵礦層或黃鐵礦等風化殘積物；

（2）存在與侵蝕面伴生的崩塌的角礫巖、覆蓋角礫灰、填隙角礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖等；

（3）地震剖面中表現(xiàn)出彎月狀強反射特征，與溶道的河道狀特征對應(yīng)，強振幅變化率呈帶狀或點狀分布，地震測井約束反演中低波阻抗呈帶狀分布［4］。

皖南地1井無地震詳實資料，因此鉆前沒能準確預(yù)測，但有防漏提示，因此設(shè)計階段做了技術(shù)準備。

2.2 鉆進識別特征

鉆遇溶洞時，鉆壓、鉆井液漏失、鉆時、巖心等鉆井和錄井方面會有異常表現(xiàn)，主要有：

（1）泵壓驟降，鉆井液漏失且漏速較快，甚至失返，一般無井涌現(xiàn)象；

（2）鉆速增快，甚至鉆具放空，鉆時大幅下降，甚至降至0，鉆穿溶洞后恢復到正常鉆時。

（3）巖心破碎或無心，溶洞下部能發(fā)現(xiàn)角礫巖富含帶，溶洞周邊巖心溶孔、裂隙發(fā)育等。繩索取心鉆進中，可根據(jù)巖心缺失長度確定溶洞在井身方向的尺寸。

皖南地1井在井深1223.54～1224.14 m鉆具放空，失鉆壓，鉆時為0；1224.14～1226.34 m處鉆速陡升，鉆時由同類地層平均約39 min/m降為5～20 min/m；鉆井液嚴重漏失，失返，無井涌現(xiàn)象。據(jù)此判斷鉆遇了溶洞，溶洞沿井身方向2.8 m，半充填，溶洞上部0.6 m無充填，下部2.2 m有充填。巖心特征：該井采用繩索取心鉆進工藝，在1223.54 m上部巖心多裂隙，有泥質(zhì)充填，1223.54～1226.34 m巖心缺失，下部為2.50 m的角礫巖富含帶，如圖2所示。據(jù)此判斷溶洞沿井身方向2.8 m，因巖心缺失結(jié)合鉆錄井特征推測泥質(zhì)充填，溶洞周邊裂隙和溶孔發(fā)育。

圖2 鉆穿溶洞后獲取的巖心Fig.2 Cores after drilling through the cave

2.3 鉆后識別特征

溶洞或未壓實的充填物的各項物理特性與正常沉積地層會有一定的差異，因此未經(jīng)處理的溶洞在測井曲線中具有明顯的響應(yīng)特征［8］，主要有以下3個方面：

（1）井徑出現(xiàn)跨徑；

（2）三孔隙度表現(xiàn)出異常大孔隙特征，聲波時差和中子曲線增大，密度變化與填充物有關(guān)，無填充密度值減??；

（3）電阻率降低明顯，深淺側(cè)向幅值差增大；溶洞較大時，淺側(cè)向測量到的是泥漿電阻率，近似常數(shù)。

另外，工程條件允許，也可利用成像測井直觀準確地判斷出溶洞情況［9］。皖南地1井的測井曲線中的溶洞特征明顯，如圖3所示。自然伽馬數(shù)平均值為9 API，電阻率曲線明顯降低呈漏斗狀，平均值為910.4 Ω·m，三孔隙度曲線顯示密度明顯減小，聲波、中子數(shù)值明顯增大，井徑異常增大，測井計算平均孔隙度為6.2%，滲透率為6.891×10-3μm2。

圖3 皖南地1井溶洞局部測井曲線Fig.3 Local logging curves of the cave in Well WND1

3 溶洞處理技術(shù)

3.1 溶洞處理方法

3.1.1 常見方法對比分析

鉆遇溶洞后，首先應(yīng)采用無固相鉆井液或清水頂漏強行鉆穿溶洞進入完整地層，根據(jù)識別特征判斷出溶洞發(fā)育情況，再結(jié)合實際工況，制定合理適宜的處理技術(shù)措施。常見的溶洞處理方法有橋接堵漏、水泥堵漏、頂漏鉆進與套管封隔、波紋管堵漏、凝膠堵漏和移井位等。對于淺層大型溶洞或者難以處理的深層溶洞且不具備頂漏鉆進條件的井，可考慮直接終孔或移井位。

3.1.1.1 橋接堵漏

常用橋接堵漏材料有3種：核桃殼等顆粒狀材料，云母、塑料片等薄片材料，鋸末、草繩等纖維狀材料［10-15］。橋接堵漏是機械堵塞漏失通道，關(guān)鍵是根據(jù)不同的漏層性質(zhì)選擇材料的級配和濃度。該方法價格低廉，施工簡單，安全，但是堵漏地層的承壓能力較弱。橋接材料堵漏對于裂隙性和溶孔等小尺寸漏失效果較好［16-20］，但不適用大尺寸的溶洞性，難以在大尺寸漏失通道中堆積架橋形成有效堵塞。

3.1.1.2 水泥堵漏

水泥堵漏關(guān)鍵是初凝時間控制和能否在初凝時間內(nèi)將水泥漿壓入漏失層［11］。常規(guī)水泥封堵溶洞的機理是通過堵漏管串將水泥漿多次推注一定量即將達到初凝的高稠度水泥漿進入溶洞，并快速凝固，實現(xiàn)逐步堆積，逐步減小漏失通道，從而堵漏。水泥封堵漏層后，地層具很高的承壓能力和抗壓強度，但是施工風險較大，對施工組織者要求高。針對溶洞水泥堵漏，中石化中原石油工程有限公司固井公司研制了攔截袋式堵漏工具，可實現(xiàn)一次堵漏，不用多次推注逐步封堵。其工作原理如圖4所示。

圖4 攔截袋式堵漏工具工作原理Fig.4 Working principle of the intercepting bag plugging tool

3.1.1.3 頂漏鉆進和下套管堵漏

鉆遇中大尺寸的溶洞，堵漏無果，且上部井壁較穩(wěn)定時，可選擇清水強鉆，下套管封隔。這種方法快捷，有效，但投入較大且須變徑鉆進［21-26］。

3.1.1.4 波紋管堵漏

波紋管堵漏是在漏層下入一定壁厚的波紋管，通過液壓或機械方式脹管使波紋管直徑變大脹圓，貼合在井壁上，以達到封堵漏層的目的。該技術(shù)對處理溶洞等惡性井漏效果顯著，不會出現(xiàn)二次復漏，且無須變徑鉆進，但是該技術(shù)成本較高，如果惡性漏失地層溶洞較多時處理起來十分復雜［13］。

3.1.1.5 凝膠堵漏

目前，凝膠已發(fā)展有化學凝膠和智能凝膠。

化學凝膠是通過有機物和無機物合成交聯(lián)劑和成膠劑，交聯(lián)劑和成膠劑反應(yīng)后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過堵漏劑進行填充網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的空隙，形成一種高強度的化學凝膠堵漏劑。其成膠時間可控，強度可調(diào)［27-30］。

智能凝膠以天然大分子纖維素為骨架，接枝共聚水溶性丙烯酰胺單體的凝膠，通過加入交聯(lián)劑、催化劑控制合理的成膠時間，以達到便于施工注入的目的。凝膠在施工結(jié)束后破膠為流體，可通過泥漿循環(huán)出井筒。它具有流變性好、成膠時間可控、成膠強度可調(diào)、抗原油和復合鹽水的污染、抗溫可達150℃等特點［30］。

3.1.2 溶洞處理方案選擇

根據(jù)以上對比分析，考慮溶洞大小、填充情況、工期、經(jīng)費和實際工程條件等因素，特別是工程設(shè)計預(yù)留了?75 mm口徑的井身結(jié)構(gòu)，經(jīng)優(yōu)選論證，首先采用清水強鉆穿過溶洞進入完整地層，然后試用橋接堵漏方式進行處理，處理無效后采用下套管封隔方案進行處理。經(jīng)多次驗證橋接堵漏無效，因此采用下套管封隔堵漏。

3.2 溶洞處理過程

3.2.1 頂漏鉆進

鉆遇溶洞，堵漏無果，且無重大影響時，在一定條件下可選擇清水強鉆。當嚴重井漏但有返漿時，強行鉆進作業(yè)易發(fā)沉渣卡鉆和井壁失穩(wěn)，應(yīng)維持足夠的泵排量以凈化井眼［24，26，31］。在接單根和起鉆前注入高粘洗井液清潔井底沉砂，也須防止裸眼井壁易因鉆井液液柱壓力降低而出現(xiàn)垮塌，并且減少無固相鉆井液浸泡時間，防止造成泥頁巖、煤層等易塌層和易水化層出現(xiàn)縮徑和垮塌；發(fā)生惡性井漏且鉆井液失返時，強行鉆進有3個前提條件［28］：（1）裸眼段井壁穩(wěn)定；（2）巖屑能隨清水流入地層中；（3）已鉆地層和待鉆地層段無油氣水進入井內(nèi)。

皖南地1井鉆遇溶洞后失返，經(jīng)判斷滿足以上3個條件，因此清水強鉆至1230.84 m，進入完整地層3.5 m。鉆進時，要特別注意防止斷鉆脫扣、卡鉆、燒鉆、坍塌和岔孔等。清水強鉆穿過漏層進入完整巖層一定深度后，可下套管固井封堵溶洞。下套管前應(yīng)反復劃眼，有意識地在溶洞與下部地層交接處形成一個人工漏斗，以便使套管順利通過。

3.2.2 下套管

利用繩索取心鉆桿的級配優(yōu)勢，將二開鉆進正在使用的?89 mm繩索取心鉆桿作為活動套管封隔，不固井，鉆桿接頭避開溶洞的位置。鉆桿底部帶?98 mm取心鉆頭，一是有利于居中，二是下套管過程中遇阻或不能下到底時便于處理，三是若下部仍有溶洞，可以繼續(xù)?98 mm口徑擴孔鉆進。

3.2.3 后續(xù)處理

下套管后，采用?77 mm鉆頭三開鉆進，三開鉆進前利用?77 mm鉆頭將?98 mm取心鉆頭內(nèi)側(cè)擴眼通過后，利用堵漏材料將套管環(huán)空封堵，至此溶洞處理完成。

如果后續(xù)再鉆遇溶洞，該處理方式可繼續(xù)使用作為套管的?89 mm鉆桿直接擴孔鉆進和封隔。

3.3 溶洞處理效果

后期變徑鉆進過程中，有短暫堵漏效果，后再次井漏，失返。分析原因是采用活動套管未固井的方式封隔，且下部奧陶系灰?guī)r地層裂隙發(fā)育，小溶孔發(fā)育。鑒于有活動套管護壁，且?guī)r心鉆探巖粉較細可以隨鉆井液流入地層，采用頂漏鉆進至1506.91 m，順利完鉆，且全孔取心，實現(xiàn)了鉆探目的。

4 結(jié)論

（1）皖南地1井施工過程中，利用巖心出現(xiàn)缺失和角礫巖富集帶、鉆具放空、嚴重漏失、跨徑、異常大孔隙等地質(zhì)、鉆井、錄井、測井資料特征判斷在1223.54～1226.34 m井段鉆遇了溶洞，溶洞沿井身方向尺寸2.8 m，半充填，溶洞上部0.6 m無充填，下部2.2 m有充填。

（2）皖南地1井多次橋接堵漏無效后，清水強鉆穿溶洞至完整巖層，利用繩索取心鉆桿級配優(yōu)勢將二開使用的?89 mm繩索取心鉆桿作為套管進行護壁封堵溶洞，保證了處于復雜地層中的二開900多米井壁安全，順利實現(xiàn)鉆探目的，并大幅縮短工期，降低成本，可為類似鉆探工程提供借鑒。