S98繩索鉆進(jìn)取心技術(shù)在松遼外圍油氣鉆探中的應(yīng)用

劉志峰

(東北煤田地質(zhì)局155勘探隊(duì)， 遼寧錦州 121000)

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S98繩索鉆進(jìn)取心技術(shù)在松遼外圍油氣鉆探中的應(yīng)用

劉志峰

(東北煤田地質(zhì)局155勘探隊(duì)， 遼寧錦州 121000)

松遼外圍油氣地質(zhì)調(diào)查巴D1井的地質(zhì)條件復(fù)雜，孔壁穩(wěn)定性差，存在漏失、縮徑、坍塌掉塊等問題。施工中采用S98繩索取心金剛石鉆進(jìn)技術(shù)，配以水玻璃、水解聚丙烯酰胺、油井廣譜護(hù)壁劑的無固相防塌鉆井液體系，并通過對鉆井液配方的優(yōu)化和性能參數(shù)的合理調(diào)整與維護(hù)，較好的解決了深井施工中的鉆進(jìn)技術(shù)難題。該鉆井液體系具有良好的穩(wěn)定性和流變性，攜屑能力強(qiáng)，防塌效果好，在深井鉆探施工中取得了良好的效果,為該井的順利完井奠定了基礎(chǔ)。

繩索取心；金剛石鉆進(jìn)；無固相鉆井液；復(fù)雜地層；松遼外圍；油氣井

責(zé)任編輯：樊小舟

0 引言

繩索取心金剛石鉆進(jìn)中遭遇到的復(fù)雜地層是鉆探施工的最大難題，如不及時(shí)解決，可能會造成鉆孔內(nèi)事故的發(fā)生，鉆進(jìn)效率低，嚴(yán)重危及鉆孔的安全，甚至導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，特別是在深孔施工中，危害更大。2015年，在松遼外圍油氣地質(zhì)調(diào)查井巴D1井(井深1700m)的施工中，采用S98繩索金剛石鉆進(jìn)工藝，克服了深孔煤系、油氣儲層等復(fù)雜地層的漏水、孔壁坍塌、縮徑等難題，順利地完成了鉆進(jìn)任務(wù)。

1 施工區(qū)地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

施工區(qū)位于天山-興蒙構(gòu)造帶東部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，總體處于隆升狀態(tài)，并發(fā)生較大規(guī)模巖漿侵入，對巖體周邊地質(zhì)體產(chǎn)生程度不同的接觸變質(zhì)作用。早侏羅世的斷陷盆地形成河湖相煤系沉積，晚侏羅世相對隆起伴隨斷續(xù)的中基性火山噴發(fā)。

1.2 地層特征

施工區(qū)地層主要由區(qū)域內(nèi)出露面積較小的古生代地層，廣泛發(fā)育中生代陸相火山巖、火山碎屑巖、沉積巖及新生代地層組成。詳見表1。

2 鉆井施工

2.1 施工要求

設(shè)計(jì)井深1700m，全井取心，取心率達(dá)到85%以上。取心直徑一般不小于60mm，井斜不超過8°，井徑擴(kuò)大率不超過15%，進(jìn)行錄井、測井及現(xiàn)場巖心解析等工作。

2.2 設(shè)備選擇

鉆機(jī)HXY-8B型，鉆塔HCX-23A，泥漿泵NBB260/7，動力機(jī)150KW發(fā)電機(jī)組，繩索絞車SJ300。為了保證鉆進(jìn)中繩索金剛石高速的穩(wěn)定性，鉆機(jī)安裝基礎(chǔ)必須采用水泥混凝土基臺。

表1 施工區(qū)地層特征

2.3 鉆進(jìn)方法與井深結(jié)構(gòu)

在綜合考慮了該區(qū)硬巖巖層厚度大，巖石硬度大及可鉆性級別較高，巖心采取的直徑不能小于60mm等因素，選擇了S95-SF系列繩索取心鉆具。針對施工特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮了鉆孔環(huán)狀間隙問題，將φ95mm的鉆頭外徑加大3mm，取心井徑為φ98mm。一開井徑φ215.9mm，鉆過表土層至硬巖層20m后，鉆至井深146.38m,下入φ168mm表層技術(shù)套管并完成固井；二開采用φ98mm口徑進(jìn)行S98繩索取心鉆進(jìn)至完井。

2.4 鉆具與鉆頭的選擇

2.4.1 鉆具及鉆頭參數(shù)

繩索鉆進(jìn)的鉆桿選擇S95兩端加厚CHH系列鉆桿，以滿足鉆桿強(qiáng)度需求。取心器規(guī)格為V95-SF反彈卡到位報(bào)信系列，參數(shù)詳見表2。

2.4.2 鉆頭類型與性能

①針對該區(qū)地層的巖石物理機(jī)械特性，選擇品級為JR4、JR5，濃度100%，粒度40～60目、60～80目的人造金剛石。

②胎體硬度的選擇。 較硬互層巖層，可鉆性4～7級，胎體硬度選擇HRC25～30；中等硬度巖層，可鉆性5～8級，胎體硬度選擇HRC25～38；堅(jiān)硬、致密、打滑巖層，可鉆性8～12級，胎體硬度選擇HRC15～25。

表2 S95繩索鉆進(jìn)鉆具參數(shù)

③鉆頭底唇類型。主要為平底尖環(huán)齒、階梯尖環(huán)齒、底噴尖環(huán)齒三種類型。選用了尖環(huán)齒(V型)，在井底磨削碎巖過程中，具有良好的工作穩(wěn)定性，對孔底巖石既有磨削作用，兼具擠壓作用，形成多自由面工作，有利于巖粉的及時(shí)排出，使鉆頭在孔底得到及時(shí)冷卻。

以上三種鉆頭在保證正確使用的情況下，實(shí)際應(yīng)用效果明顯，鉆頭壽命長(平均壽命120.48m)，最高達(dá)301.80m，鉆頭平均時(shí)效2.14m。

④鉆頭磨料為金剛石或復(fù)合片，內(nèi)徑保徑采用粉末金剛石或聚晶；擴(kuò)孔器采用聚晶保徑。

2.5 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

在施工過程中，由于工期的限制，所以，制定了一切從快的原則，在保證質(zhì)量的前提下，最大限度的發(fā)揮金剛石鉆進(jìn)的優(yōu)勢，保證鉆井進(jìn)尺速度。特別是在鉆機(jī)鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速使用上，在條件許可的條件下，盡量使用高轉(zhuǎn)速，以利于金剛石鉆頭的磨削速度的提高，使其達(dá)到最佳的磨削線速度，在孔深1000m以內(nèi)，曾使用最高轉(zhuǎn)速1400r.min-1、最低817r.min-1.?？咨?000～1700m最低轉(zhuǎn)速保持在505r.min-1，從而保證了金剛石鉆頭磨削所需的圓周線速度。

泵量的選擇，在鉆孔施工中，在滿足鉆井液上返的前提下，盡可能使用最低泵量[6]，使鉆進(jìn)速度能得到大幅度提高，并減少孔內(nèi)事故的發(fā)生。NBB260/7型泥漿泵一檔泵量39L/min，二檔泵量60L/min，三檔泵量106L/min。

鉆壓的選擇，在較軟巖層(煤系)壓力一般選擇8～14kN，較硬和具有較強(qiáng)研磨性的巖層，一般選擇14～25kN。另外，還要注意巖心的堵塞，減少誤操作，發(fā)現(xiàn)巖心堵塞，即便是0.10m,也不要強(qiáng)行湊合繼續(xù)鉆進(jìn)，應(yīng)立即進(jìn)行取心內(nèi)管的打撈，這樣做的目的就是為了避免鉆頭和取心器內(nèi)管總成的損壞，減少上、下鉆具的次數(shù)，從而對鉆孔起到一定的保護(hù)作用。

3 鉆井液現(xiàn)場調(diào)整與復(fù)雜地層的處理

3.1 鉆井液的現(xiàn)場選配調(diào)整

根據(jù)繩索取心金剛石鉆進(jìn)特點(diǎn)及施工區(qū)地層復(fù)雜程度，選配相適應(yīng)的鉆井液是提高鉆進(jìn)效率、減少鉆井內(nèi)事故、保證鉆井順利進(jìn)行的首要技術(shù)措施和手段。巴D1井的施工中，在鉆井二開(S98繩鉆)后，選擇了以往應(yīng)用比較成熟、具有較好流變性和護(hù)壁功能的5%水玻璃+0.5%水解聚丙烯酰胺(PHP)+0.5%羧甲基木質(zhì)纖維素(CMC)無固相防塌鉆井液。

經(jīng)過一段時(shí)間的使用，基本上滿足了鉆井的需求，當(dāng)鉆進(jìn)至521.30m白堊系上統(tǒng)時(shí)，自井深381～521.30m，由于巖層為大段泥頁巖，加之受水化作用影響，發(fā)生嚴(yán)重井壁坍塌及縮徑，使鉆井不能正常進(jìn)行，后經(jīng)在鉆井液中加入KCl處理后，恢復(fù)了正常鉆進(jìn)，因此，影響工期2d。由于在泥頁巖巨厚層段進(jìn)行繩索鉆進(jìn)，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度高，高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力影響，發(fā)生了不同程度的鉆桿結(jié)泥皮現(xiàn)象。而且隨井深的增加而趨于嚴(yán)重，造成打撈巖心受阻，不能正常進(jìn)行。

施工中對現(xiàn)場巖樣進(jìn)行鉆井液不同加量的三組配方浸泡對比試驗(yàn)(表3)。

表3 鉆井液浸泡對比試驗(yàn)

從表3中三種配方觀察發(fā)現(xiàn)，隨著水玻璃、CNC、PHP加量的增加，在提鉆后，鉆桿結(jié)泥皮現(xiàn)象有上升的趨勢，鉆桿內(nèi)壁巖樣上沾有的團(tuán)絮狀為以上三種添加劑的未充分水化溶解物。

通過對現(xiàn)場巖樣三組配方浸泡對比試驗(yàn)，選擇了效果最佳的配方，及時(shí)對使用的鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，在保持原有性能的前提下，加入了油井廣譜護(hù)壁劑去掉了羧甲基木質(zhì)纖維素(CMC)的使用，進(jìn)而形成了2%水玻璃+0.5%水解聚丙烯酰胺(PHP)+(0.5～1.5)油井廣譜護(hù)壁劑+(1%～2%)SAS磺化瀝青粉無固相防塌鉆井液體系，既滿足了繩索金剛石鉆進(jìn)對鉆井液無固相的需求，同時(shí)兼顧了深井煤層和油氣儲層段泥頁巖復(fù)雜地層的水化作用的抑制，確保了鉆進(jìn)的快速順利完成，并順利完井。調(diào)整后鉆井液配方性能見表4。

表4 調(diào)整后鉆井液配方性能

注：正常鉆進(jìn)時(shí)，廣譜護(hù)壁劑加量取低值0.5%；SAS磺化瀝青粉的加量隨巖層軟硬變化決定，軟巖層取高值，硬巖層取低值。

3.2 復(fù)雜地層的處理與堵漏工藝

3.2.1 復(fù)雜地層的處理

①在施工中，該井鉆遇的復(fù)雜地層具體表現(xiàn)為非煤系和非油氣儲層的因斷裂構(gòu)造產(chǎn)生的裂隙、斷層破碎帶等。因巖層在鉆穿后的固結(jié)性差，鉆進(jìn)中受到鉆具的回轉(zhuǎn)敲打，加上鉆具提升和下降的速度過快，易形成 “活塞抽吸”現(xiàn)象，產(chǎn)生的負(fù)壓過大，鉆井液的漏失也發(fā)生在該井段。進(jìn)入煤系和油氣儲層井段，砂、泥頁巖遇水后的水化作用，造成巖體的體積膨脹產(chǎn)生縮徑，同時(shí)還伴有易水化作用的巖層因膠結(jié)性破壞，受井內(nèi)地層應(yīng)力作用形成坍塌。

②在上述地層鉆進(jìn)，鉆井液以維井護(hù)壁穩(wěn)定為前提，兼具較低的失水量，使其泥皮薄、韌性好、強(qiáng)度高，提高護(hù)壁防塌性能。而本井采用的無固相防塌鉆井液就滿足了上述要求。該鉆井液性能不用做調(diào)整，一般情況下就能保證鉆井的順利進(jìn)行。如鉆遇大段煤系和油氣儲層時(shí)，正常鉆進(jìn)的鉆井液若不能抑制砂、泥頁巖的水化作用，致打撈取心器內(nèi)管受阻，這是井內(nèi)發(fā)生縮徑預(yù)兆，則打撈巖心后，只需在鉆井液中添加油井廣譜護(hù)壁劑一種即可，縮徑立即解除。

具體用法是將油井廣譜護(hù)壁劑的加量由平時(shí)0.5%提高到1%～2%。

③油井廣譜護(hù)壁劑是石油鉆井針對深井復(fù)雜地層井壁縮徑、坍塌專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種復(fù)合制劑，由銨鹽、硅酸鉀、陽離子聚合物、磺化褐煤樹脂、正電膠及生物聚合物XC131復(fù)合加工而成。一般的縮徑具體加量由平時(shí)鉆進(jìn)時(shí)的0.5%提高到1%；嚴(yán)重縮徑，甚至井壁坍塌時(shí)，廣譜護(hù)壁劑的添加則需提至2%。加入鉆井液循環(huán)4～6h后，上述復(fù)雜情況解除，便可鉆進(jìn)。該制劑具有使用方便，見效快，抑制力強(qiáng)等特點(diǎn)，鉆進(jìn)時(shí)加入便能起到預(yù)防的作用。

3.2.2 堵漏工藝

由于該區(qū)發(fā)生的漏失多是由于斷層裂隙引起，鉆進(jìn)中時(shí)常發(fā)生。平時(shí)備足鋸末子、棉籽殼、云母片等惰性物，去除雜質(zhì)。當(dāng)鉆進(jìn)過程中發(fā)生漏失時(shí)，添加到鉆井液中泵入井內(nèi)，隨鉆隨堵不影響鉆進(jìn)。對于大的漏失，則需停鉆，采用漏失段灌注水泥漿液進(jìn)行堵漏作業(yè)。水泥砂漿堵漏做法：硅酸鹽水泥+食鹽+河砂+0.03三乙醇胺速凝劑，水灰比0.50，水泥標(biāo)號42.5，每袋水泥(50kg)+食鹽(500g)+三乙酰胺(25g)。配制時(shí)，三乙酰胺和食鹽按規(guī)定比例溶于少量水中，配成兌制液。待水泥攪拌成漿液時(shí)，加入三乙酰胺和食鹽液體，用水泵泵入井底封閉段。堵漏時(shí)，需將鉆具提前下至距井底0.3～0.6m，先泵入清水檢查管路是否通暢，隨后泵水泥砂漿，泵漿完畢后，再泵入替漿水，并掌握好替漿量，停鉆48h后，即可透孔鉆進(jìn)。

4 鉆井成果

巴D1井從2016年6月22日搬遷進(jìn)入現(xiàn)場，開始確定井位，安裝鉆機(jī)水泥混凝土基臺，進(jìn)行整備安裝。7月1日正式開鉆，至10月28日完井，歷時(shí)118d，完成鉆井深度1700m,完井井徑φ98mm，巖心平均采取率99%，完井頂角6.8°，順利完成測井。各項(xiàng)質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)完全滿足合同地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，工期比合同規(guī)定完井150d提前32d，為后續(xù)工作進(jìn)行贏得了時(shí)間。

鉆井最高臺月效率738.48m(圖1),平均臺月效率432.57m,鉆月數(shù)3.93個(gè)鉆月。該井純鉆進(jìn)時(shí)間達(dá)到55%，孔內(nèi)事故率4%，主要為處理孔內(nèi)縮徑、井壁坍塌時(shí)間。提下鉆時(shí)間率11%，設(shè)備檢修時(shí)間4%，取心器內(nèi)管投放與打撈時(shí)間22%，其它輔助時(shí)間4%。

圖1 井深與臺月效率關(guān)系示意Figure 1 Relationship between well depth andmeterage per rig-month

5 結(jié)語

S98繩索取心金剛石鉆進(jìn)，在松遼外圍油氣地質(zhì)調(diào)查井鉆井中的應(yīng)用，結(jié)果表明，S98系列繩索取心鉆具及工藝完全勝任油氣調(diào)查類深井的鉆井施工，并能較好地發(fā)揮。通過鉆井實(shí)踐和技術(shù)分析，獲得了以下啟示。

①巴D1井地質(zhì)條件復(fù)雜，孔壁穩(wěn)定性差，使用的鉆井工藝及無固相鉆井液體系滿足了深井復(fù)雜地層對孔壁穩(wěn)定性的需求，而油井用廣譜護(hù)壁劑與SAS磺化瀝青粉，在原繩鉆用無固相鉆井液中的加入調(diào)整，極大地發(fā)揮了對砂、泥、頁巖層復(fù)雜地層水化作用的抑制，且耐高溫、潤滑效果好，顯著改善井底鉆頭工作環(huán)境, 對鉆進(jìn)效率的提高起到了決定性的影響作用。

②經(jīng)過調(diào)整后的無固相鉆井液，在深井鉆進(jìn)中發(fā)揮的作用顯著。鉆井液預(yù)案應(yīng)根據(jù)使用情況及時(shí)調(diào)整，且使用調(diào)配方法簡單易行。

③確定適巖的金剛石鉆頭及類型，做好繩索金剛石鉆頭擴(kuò)孔器的使用，是深井施工保證高效所必需的前提條件。

④配備使用大型的鉆井液凈化除泥除砂設(shè)備，是保證鉆井液質(zhì)量的必備條件，特別是對于繩索金剛石鉆進(jìn)深井的施工。

⑤在深井繩索鉆進(jìn)施工中，鉆機(jī)的安裝基礎(chǔ)最好選用水泥混凝土基臺，以保證鉆機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性不受影響。

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Application of S98Wire Line Coring Technology on Oil and Gas Drilling in Songliao Basin Periphery

Liu Zhifeng

(No.155 Exploration Team, Northeast China Bureau of Coal Geological Exploration, Jinzhou, Liaoning 121000)

The well Ba D1 in the Songliao Basin periphery oil and gas geological exploration has complex geological condition, and existed problems of poor wall stability, fluid loss, diameter shrinkage, collapse and block fall-off. Thus, the wire line coring diamond drilling is used in operation, supported by soluble silicate, hydrolytic polyacrylamide, oil well broad-spectrum wall protective agent solid-free collapse prevention drilling fluid system. Through drilling fluid formulation optimization, performance parameter reasonable adjustment and preventive maintenance, thus have solved drilling technical hard nuts in deep well operation. This drilling fluid system has better stability and rheological property with strong cuttings carrying capacity and better collapse preventive effect and got good results in deep well drilling operation, and has laid the foundation for smooth well completion.

wire line coring; diamond drilling; solid-free drilling fluid; complex formation; Songliao Basin periphery; oil and gas well

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.12

1674-1803(2017)04-0057-05

劉志峰(1962—)，男，高級工程師，長期從事地質(zhì)鉆探工程技術(shù)及管理工作。

2017-01-15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A