新疆烏蘇市巴音溝煤層氣勘探井護(hù)壁堵漏技術(shù)

陳 磊， 趙廷忠， 夏 榮， 尼亮亮

(新疆地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏蘇 833000)

1 工程概況

2016年5月新疆國(guó)土資源廳通過(guò)了我單位中央返還兩權(quán)價(jià)款資金煤層氣委托項(xiàng)目“新疆烏蘇市巴音溝礦區(qū)煤層氣資源預(yù)查”的立項(xiàng)申請(qǐng)，并委托負(fù)責(zé)組織具體實(shí)施。項(xiàng)目鉆探實(shí)物工作量：煤層氣探井2口1600 m，煤層氣參數(shù)井1口1000 m。設(shè)計(jì)均為直井，并在鉆井時(shí)要求進(jìn)行地球物理測(cè)井和試井。

1.1 地質(zhì)條件

工區(qū)西側(cè)除出露少量古生界地層外，廣泛出露中生界地層，局部緩坡地帶和開闊的溝谷中被第四系覆蓋。新疆烏蘇市巴音溝煤層氣鉆井實(shí)際揭露地層情況(以鉆井ZKN903井為例)見表1。

1.2 構(gòu)造情況

礦區(qū)區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，尤其在中生代地層中發(fā)育有較密集褶皺。

表1 新疆烏蘇市巴音溝煤層氣鉆井揭露地層(ZKN903井)

本區(qū)構(gòu)造線方向主要呈近東西向或北西-南東向，大多為逆斷層。另外還有一組北東-南西向展布的斷層，一般規(guī)模較小，多為平移斷層。褶皺構(gòu)造主要發(fā)育在含煤的侏羅系地層內(nèi)，向斜和背斜相間分布，褶皺軸向多呈近東西向。

1.3 施工目的與要求

施工煤層氣勘探井，用以確定煤儲(chǔ)層的深度、厚度、結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)、頂?shù)装逍再|(zhì)、含氣量、氣體成分及煤層的等溫吸附性能等技術(shù)參數(shù)，為全區(qū)的煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.4 施工難點(diǎn)

(1)第四系地層松散，膠結(jié)差，卵礫石層厚度大。鉆井施工易出現(xiàn)超徑、掉塊、坍塌等孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象。鉆進(jìn)中表現(xiàn)為鉆進(jìn)阻力大，鉆進(jìn)效率低，易發(fā)生卡鉆、埋鉆等事故。

(2)礦區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，鉆井漏失層位多，鉆井漏失嚴(yán)重。在堵漏的同時(shí)還需兼顧鉆井護(hù)壁，保護(hù)目的層，以及保證錄井工作的正常進(jìn)行。

2 鉆井設(shè)備及鉆具配備

選用XY-6B型立軸巖心鉆機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)滿足煤層氣勘探井設(shè)計(jì)井深和完鉆口徑要求。水井?89 mm普通鉆桿250 m，?165 mm定制牙輪鉆頭2個(gè)；?133 mm牙輪鉆頭2個(gè)；HQ鉆桿1000 m，相應(yīng)繩索取心鉆具兩套；?150 mm普通長(zhǎng)、短鉆具各一套；各規(guī)格變徑接頭、換徑導(dǎo)向以及常用的事故處理工具至少一套；?146 mm套管150 m，?127 mm套管300 m。鉆井固孔系統(tǒng)一套，包括振動(dòng)篩和除泥器。BW320型泥漿泵2臺(tái)套；水泥護(hù)壁堵漏儲(chǔ)液罐若干個(gè)。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具組合

(1)ZKN901、ZKN902井第四系覆蓋較淺，一開采用?150 mm口徑單管鉆具，鉆至完整基巖后分別下入?146 mm套管8.5和5.2 m，后換徑至?97 mm孔徑施工至終孔。

(2)ZKN903井第四系覆蓋厚度深達(dá)220.80 m。采用的鉆井結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 ZKN903井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

一開鉆具組合：?168 mm牙輪鉆頭+?160 mm扶正器+?89 mm水井普通鉆桿。由于地層漂石、卵礫石層厚度大，鉆具組合能力限制，下入?146 mm套管120.54 m，換徑施工。

二開鉆具組合：?133 mm牙輪鉆頭+?127 mm扶正器+?89 mm水井普通鉆桿。鉆穿第四系后，采用?97 mm雙管取心鉆具鉆進(jìn)4 m左右，確認(rèn)堅(jiān)硬完整基巖后，下入?127 mm套管224.95 m。套管下至預(yù)定位置后，水泥固井。

三開鉆具組合：?97 mm鉆頭+?97.5 mm擴(kuò)孔器+S89鉆桿+S89雙管繩索取心鉆具。穿至目的層石炭統(tǒng)前峽組上段，完鉆井深980.10 m。

4 鉆井液選擇與性能參數(shù)

根據(jù)工區(qū)地層特點(diǎn)，結(jié)合我單位近年在類似地區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，第四系破碎層采用高固相細(xì)分散性鉆井液開孔鉆進(jìn)；基巖鉆進(jìn)時(shí)，由于巖石較為穩(wěn)定，選擇低固相強(qiáng)抑制性泥漿作為鉆井液；煤層鉆進(jìn)選擇對(duì)儲(chǔ)層低傷害的無(wú)固相鉆井液，既有利于保護(hù)孔壁，節(jié)約成本，又可達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求和目的，提高施工效率，較好地滿足正常鉆進(jìn)的需要。具體配方及性能分別見表2。

表2 鉆井液配方及性能

5 鉆井護(hù)壁技術(shù)

5.1 施工情況

ZKN903井開孔采用?165 mm鉆進(jìn)至121.10 m，因上部卵礫石層較厚，鉆具扭矩過(guò)大，鉆桿接頭處經(jīng)常斷裂，鉆進(jìn)效率較低，于是變徑至?133 mm施工，鉆進(jìn)至225.50 m穿過(guò)第四系后下入?127 mm套管。采用?97 mm口徑鉆進(jìn)至337 m，鉆孔出現(xiàn)嚴(yán)重卡鉆憋車，更換優(yōu)質(zhì)鉆井液反復(fù)掃孔穿過(guò)卡鉆井段鉆進(jìn)至342 m，卡鉆現(xiàn)象依舊嚴(yán)重，于是采用水泥護(hù)壁的方法。灌注水泥漿后提鉆至321 m時(shí)發(fā)生孔內(nèi)事故，事故特征為鉆具無(wú)法活動(dòng)，水泵循環(huán)正常，經(jīng)判斷為粘附卡鉆事故，使用串動(dòng)鉆具以及強(qiáng)堿解卡液沖洗等方法均未成功解卡。通過(guò)反鉆桿→套掃事故頭→正絲錐取，打撈出事故鉆具。

5.2 水泥護(hù)壁失敗原因

在鉆探工藝中，水泥漿灌注是解決鉆井坍塌、掉塊、超徑、固管等復(fù)雜問(wèn)題的有效措施。水泥漿護(hù)壁的成敗主要決定于水灰比、灌注工藝兩個(gè)方面。水泥護(hù)壁失敗的原因除了水文地質(zhì)條件復(fù)雜外，大多是由于對(duì)井內(nèi)情況不明，水泥漿灌注工藝不合理，忽視替漿量、盲目套用替槳量計(jì)算公式造成的。ZKN903井水泥漿灌注護(hù)壁的過(guò)程中，因井壁與鉆桿環(huán)狀間隙小，替漿量過(guò)大，水泥漿液在環(huán)狀空間內(nèi)上返過(guò)高抱死鉆桿。鉆具在井中靜止時(shí)，在鉆井液液柱壓力與地層壓力間的壓差作用下，水泥漿中的水滲入地層，將鉆具緊壓在井壁上形成的水泥濾餅之上，從而導(dǎo)致卡鉆事故。通過(guò)地面數(shù)據(jù)分析，灌注水泥為425普通硅酸鹽水泥，未添加速凝劑，水灰比0.5，水泥初凝時(shí)間175 min，開始灌注至提鉆發(fā)生事故時(shí)間間隔為65 min。并且從事故處理套掃出的鉆桿可以看到內(nèi)部及外部均有凝固水泥，進(jìn)一步驗(yàn)證了水泥護(hù)壁過(guò)程中發(fā)生了粘附卡鉆事故。

5.3 水泥護(hù)壁施工

第二次水泥護(hù)壁施工吸取前次的教訓(xùn)，嚴(yán)格制定合理的水泥灌注工藝，根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算替漿量，取得了較好的效果。

5.3.1 水泥替漿量的確定

目前計(jì)算替漿量有2個(gè)理論公式，一是根據(jù)水泥漿液上返高度與鉆桿內(nèi)水泥漿液高度位置基本相等的思想；二是根據(jù)水力學(xué)壓力平衡的原理。理論公式二需要考慮靜水位高度，其值與灌漿量大小影響灌注效果，情況較為復(fù)雜，工人不易掌握，灌注不易成功。理論公式一實(shí)踐證明較為科學(xué)，灌注成功率較高。該公式為：

Q=V1-KV2+V3

(1)

式中：Q——替漿量，L；V1——鉆桿內(nèi)容積，L；K——壓漿系數(shù)；V2——灌注水泥漿的總?cè)莘e，L；V3——地面管道容積，L。

式中K值的選擇，使用?89 mm繩索取心鉆桿灌注時(shí)，鉆桿與井壁的環(huán)狀間隙較小，水泥護(hù)壁易發(fā)生井內(nèi)事故，因此改用?71 mm繩索取心鉆桿灌注。經(jīng)計(jì)算取K值約為0.50，保證環(huán)空中的水泥漿面與鉆桿內(nèi)水泥漿面處于一個(gè)水平面上。

ZKN903井水泥漿灌注井段為290～342 m，灌注長(zhǎng)度為52 m，灌注水泥漿量為0.4 m3。取地面管道容積為85 L，根據(jù)公式(1)計(jì)算，替漿量Q約為1.60 m3。

5.3.2 水泥漿灌注的操作

根據(jù)井內(nèi)掉塊情況及卡鉆地層長(zhǎng)度，確定水灰比為0.50，水泥漿的配方：250 kg水泥(425硅酸鹽水泥)+5 kg NaCl+0.30 kg三乙醇胺(復(fù)合型速凝早強(qiáng)劑)+125 kg水。

將S89光繩索鉆桿下至距井底1 m左右,先將25 L惰性堵漏材料混合PHP漿液灌入鉆桿內(nèi)，其目的是含有大顆粒材料的漿液經(jīng)過(guò)鉆頭和環(huán)空上返時(shí)產(chǎn)生阻流壓力使泵壓升高，便于直觀地判斷水泥漿液到達(dá)井底和上返的情況。然后將水泥漿液從鉆桿柱內(nèi)灌入，合上鉆機(jī)慢轉(zhuǎn)，水泥灌注完畢后，往孔內(nèi)泵送計(jì)算好的替漿。

配制的水泥漿應(yīng)滿足下列要求：有良好的流動(dòng)性和可泵時(shí)間；速凝、早強(qiáng)、候凝時(shí)間短；不易被稀釋。地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：初凝時(shí)間125 min，終凝時(shí)間240 min。水泥攪拌前去除塊狀物，添加劑在拌和末期加入，水泥灌漿采用機(jī)械攪拌，拌和時(shí)間>10 min。替漿完成后，要緩慢勻速提鉆，防止抽吸和“激動(dòng)”壓力作用破壞孔壁。

ZKN903井的水泥候凝期為36 h，通過(guò)透孔鉆進(jìn)，鉆具能順利通過(guò)卡鉆孔段，達(dá)到了預(yù)期的目的。

6 鉆井堵漏技術(shù)

6.1 鉆井漏失情況

工區(qū)施工所鉆遇地層變化較為明顯，斷層裂隙較多，見圖2。從所取出的巖心看，上部地層破碎，嚴(yán)重漏失，而且漏失層位較多，堵漏成功后出現(xiàn)反復(fù)漏失的情況。其中ZKN901井和ZKN903井出現(xiàn)嚴(yán)重漏失，ZKN902井漏失量較小。

圖2 ZKN901井和ZKN903井部分漏失地層巖心

6.2 堵漏失敗案例

ZKN901井鉆進(jìn)至208和298 m處，ZKN903井鉆進(jìn)至431 m處，發(fā)生完全漏失，多次采用常規(guī)惰性材料堵漏和水泥堵漏的方法均未成功。堵漏失敗的主要表現(xiàn)為：采用惰性材料堵漏方法，堵漏材料完全充填漏失區(qū)域，靜置8～12 h后開始透孔，工作中返漿正常，當(dāng)透過(guò)漏失區(qū)域后完全漏失；或者堵漏成功后，正常鉆進(jìn)數(shù)米后又發(fā)生完全漏失，堵漏成功率非常低。采用水泥堵漏方法，水泥凝固后，透孔工作返漿正常，當(dāng)透過(guò)漏失區(qū)域后即完全漏失。漏失井段取出的水泥柱凝固硬度較差，甚至不凝固。并且因采用灌注工具不當(dāng)，井壁環(huán)狀間隙小，造成多起事故；水泥堵漏工期較長(zhǎng)，成本較大。

6.3 堵漏失敗原因

根據(jù)井內(nèi)漏失部位取出巖心和堵漏水泥取心分析，惰性材料堵漏方法失敗主要有以下幾個(gè)原因：因漏失通道裂隙較小，大顆粒惰性材料棉籽殼的加量過(guò)多，導(dǎo)致堵漏材料無(wú)法進(jìn)入漏失通道內(nèi)；漏失通道截面垂直于地面發(fā)育，使得漏失通道截面大大增加，并且存在上下地層裂隙連通發(fā)育的情況，可能出現(xiàn)反復(fù)漏失的現(xiàn)象；“一堵就返，一鉆就漏”，原因是促使堵漏材料進(jìn)入漏失通道的壓力較小，因漏失地層的負(fù)壓作用使得大顆粒堵漏材料吸附在裂隙上，出現(xiàn)“暫堵”，其余大部分堵漏材料上返至地面。水泥堵漏方法失敗主要有以下幾個(gè)原因：工區(qū)地下水系發(fā)達(dá)，鉆井井壁與鉆桿間環(huán)空間隙小，地層壓力較大，靠液柱壓力水泥無(wú)法進(jìn)入漏失通道；替漿量過(guò)大或過(guò)小，導(dǎo)致部分水泥漿稀釋無(wú)法凝固。在微涌漏情況下，水泥堵漏極易失敗。因?yàn)闊o(wú)法從表面直接判斷，只有通過(guò)水位的變化來(lái)計(jì)算判斷是否是涌漏失。如當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥谔徙@后液柱壓力時(shí)，實(shí)測(cè)水位要高于理論水位，但鉆井液面未涌上井口，往往未能引起足夠的重視。

6.4 堵漏工藝改進(jìn)

6.4.1 合理配比堵漏材料

惰性材料方法堵漏，根據(jù)地層漏失通道的大小，增大或減小大顆粒惰性骨架材料的尺寸，調(diào)整粗細(xì)惰性骨架和充填材料的配比。水泥漿堵漏，需根據(jù)地層漏失種類和工區(qū)堵漏歷史資料，調(diào)整水泥漿配制密度和水泥漿灌注量，增加井內(nèi)液柱壓力以提高水泥漿滲透量。

6.4.2 進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訅骸⒈?/p>

堵漏材料灌注后需進(jìn)行適當(dāng)?shù)你@井加壓、保壓，目的是迫使堵漏材料大量進(jìn)入漏失通道。主要有以下兩種方法：一種方法是提鉆過(guò)程中進(jìn)行高密度鉆井液回灌，并且提鉆完成后不斷添加，保持一段時(shí)間滿井；二是采用井內(nèi)加壓裝置，其作用是在目的井段形成一個(gè)高壓區(qū)域，以阻止堵漏材料上返，迫使堵漏材料大量進(jìn)入漏失通道。粗顆粒惰性材料在漏失通道內(nèi)形成骨架，并且遇水膨脹，高分子材料的鏈節(jié)吸附作用能聚集細(xì)固體顆粒，從而牢固堵塞裂隙通道。而水泥漿在井內(nèi)一定壓力下，也大大提高了滲透量，并且使水泥堵漏更加高質(zhì)、高效。

工區(qū)堵漏工藝改進(jìn)采用的井內(nèi)加壓裝置是K341擴(kuò)張式水力封隔器，其工作原理是：封隔器下至預(yù)定井段后，通過(guò)送漿作業(yè)加壓，液體從中心管進(jìn)入膠筒內(nèi)囊腔，靠液壓撐開膨脹膠筒，從而達(dá)到封隔目的。解封時(shí)，上提管柱剪斷解封銷釘，中心管與膠筒發(fā)生相對(duì)位移，封隔器內(nèi)外壓力平衡即解封。該封隔器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，操作簡(jiǎn)易，懸掛式封隔可在任意井段實(shí)施封隔加壓作業(yè)。K341擴(kuò)張式水力封隔器見圖3。

圖3 K341擴(kuò)張式水力封隔器

6.4.3 擴(kuò)井堵漏法

該方法適用于涌漏失及壓漏失地層的堵漏處理，成功率較高。一是隨鉆堵漏，通過(guò)增大井壁環(huán)狀間隙，降低鉆井液的上返速度，減小環(huán)空壓力差，同時(shí)在鉆井過(guò)程中提高鉆井液的固相含量和粘度，并加入鋸末和單向壓力封閉劑等細(xì)顆粒惰性材料，在井壁形成較厚的泥皮；二是水泥堵漏，擴(kuò)井后進(jìn)行水泥堵漏，實(shí)現(xiàn)了人工造壁。從而達(dá)到封堵漏失的目的。

6.5 處理實(shí)例

ZKN903井在鉆至431 m時(shí)發(fā)生完全漏失，常規(guī)堵漏失敗后采用改進(jìn)工藝堵漏成功。處理方法如下：將0.3 m3水和25 kg膨潤(rùn)土配制成基漿，加入25 kg鋸末、10 kg棉籽殼(將成團(tuán)的棉籽殼篩除)、25 kg單向壓力封閉劑、25 kg可控凝膠充分?jǐn)嚢?，再加入濃度?0%的水解聚丙烯酰胺50 kg,攪拌均勻。使用提桶將配制好的堵漏劑灌入鉆桿內(nèi)，然后開泵將堵漏劑送至井底。提鉆下入K341擴(kuò)張式水力封隔器至350 m左右，開泵封閉上部井段開始憋壓，使堵漏材料盡可能多地進(jìn)入漏失層內(nèi)。當(dāng)泵壓升至4 MPa時(shí)停泵10 min，反復(fù)2～3次。隨后泄壓起鉆，將孔內(nèi)灌滿泥漿后靜置20 h后下鉆鉆進(jìn)，井口鉆井液返漿恢復(fù)正常，堵漏成功。

ZKN901井鉆進(jìn)至208 m處時(shí)發(fā)生完全漏失，采用惰性材料及常規(guī)水泥方法堵漏失敗后，采取擴(kuò)井灌注水泥法取得了成功。處理方法：頂漏鉆進(jìn)至211 m處，取出巖心完整無(wú)裂隙，確定下部無(wú)連通漏失地層。將原口徑?97.5 mm鉆井采用多階梯防斜鉆頭擴(kuò)至108 mm口徑，擴(kuò)井井段為8.5～211 m。因鉆井井壁完整穩(wěn)定，直接采用?89 mm光鉆桿(不帶鉆頭)進(jìn)行灌注，泵入水灰比為0.5的水泥漿，配方為250 kg水泥+5 kg食鹽+0.3 kg三乙醇胺+125 kg水。替漿量根據(jù)公式(1)計(jì)算，水泥泵入量0.36 m3，取K=0.65，替漿量0.77 m3，提鉆時(shí)進(jìn)行高密度沖洗液回灌，提鉆完成后不斷添加鉆井液保持一段時(shí)間滿井，直至水位穩(wěn)定，靜候凝固48 h后，透井鉆進(jìn)，成功堵住漏失。

7 結(jié)論

通過(guò)該工區(qū)鉆井護(hù)壁堵漏的實(shí)踐，在小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)中，遇井壁不穩(wěn)、鉆井漏失時(shí)，在處理方法的選擇上應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，對(duì)癥下藥，方能達(dá)到事半功倍的效果。

(1)護(hù)壁方面。鉆井護(hù)壁都發(fā)生在井壁失穩(wěn)井段，采用水泥護(hù)壁雖然是穩(wěn)定鉆井有效手段，但是風(fēng)險(xiǎn)很大，稍有不慎將會(huì)造成井內(nèi)事故。因此采用水泥護(hù)壁工藝必須制定可靠周密的施工方案，并且要嚴(yán)格按照?qǐng)?zhí)行，處理需迅速、準(zhǔn)確、可靠。

(2)堵漏方面。針對(duì)烏蘇市巴音溝煤層氣勘探工區(qū)鉆井漏失機(jī)理和小口徑金剛石鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)，創(chuàng)新采用了加壓和擴(kuò)井堵漏法進(jìn)行堵漏施工。采用上述方法，有效解決了工區(qū)小口徑金剛石取心鉆進(jìn)涌漏型地層堵漏易失敗的問(wèn)題。

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