黔西地區(qū)表層易漏地層鉆井工程技術(shù)

遲煥鵬，胡志方*，王勝建，李大勇，苑 坤，郭 軍

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100083；2.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南長沙410014）

0 引言

黔西地區(qū)是貴州省煤層氣和頁巖氣勘探的重要地區(qū)。其中，煤層氣主要集中在六盤水煤田和織納煤田上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M發(fā)育的煤層群中［1］，織金區(qū)塊、土城區(qū)塊松河井田均已實(shí)現(xiàn)了煤層氣勘查開發(fā)示范工程建設(shè)［2-3］。黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組［4］和舊司組［5］是貴州地區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育層位之一，是黔西頁巖氣勘探的重要地層。近年來，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在黔西地區(qū)針對(duì)龍?zhí)督M煤系地層、打屋壩組泥頁巖地層開展了相關(guān)研究工作［6-7］。

由于黔西地區(qū)地表地下條件復(fù)雜、碳酸鹽巖發(fā)育，上部地層很容易鉆遇溶洞、裂縫，給鉆井工程帶來諸多困難，導(dǎo)致鉆井周期長、成本高，甚至影響地質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)情況和所部署井的鉆井工程實(shí)踐，結(jié)合周邊相似地區(qū)的鉆井工程經(jīng)驗(yàn)，分析了黔西地區(qū)上部碳酸鹽巖地層的鉆井工程難點(diǎn)，總結(jié)了適應(yīng)性的鉆井工程技術(shù)，以期為該地區(qū)復(fù)雜地層的優(yōu)快鉆進(jìn)提供技術(shù)借鑒。

1 地質(zhì)概況

黔西地區(qū)地理上主要由貴州畢節(jié)西南部地區(qū)（威寧、赫章、納雍、織金）和六盤水地區(qū)（六枝、盤縣、水城）組成［8］，從構(gòu)造上，黔西地區(qū)位于上揚(yáng)子地塊滇東-黔中隆起東部，處于上揚(yáng)子地塊南緣，包括滇東-黔中隆起東部和黔西南坳陷2 個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，東側(cè)為黔南坳陷，南側(cè)為南盤江坳陷［9］。黔西地區(qū)出露的地層主要有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、古近系及第四系，以二疊系和三疊系分布最為廣泛，表1 為黔西地層系統(tǒng)簡表［10］。

黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M巖性多樣，主要有泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及煤。黔西地區(qū)打屋壩組分布于盤縣—水城一帶，主要巖性為黑色頁巖、黑色鈣質(zhì)泥巖夾深灰色泥質(zhì)灰?guī)r，水平紋層發(fā)育。舊司組主要位于威寧地區(qū)，為一套含泥灰?guī)r、灰?guī)r的暗色巖系。受構(gòu)造作用的影響，打屋壩組頁巖氣儲(chǔ)層位于褶皺、斷裂較為發(fā)育地區(qū)，以宏觀裂縫發(fā)育為主，微裂縫次之。

2 地層漏失特點(diǎn)

在黔西地區(qū)煤層氣、頁巖氣勘探開發(fā)鉆井過程中發(fā)生不同程度的井漏。黔西地區(qū)上部三疊系、二疊系、石炭系地層主要發(fā)育碳酸鹽巖，如六盤水地區(qū)的永寧鎮(zhèn)組下段、織金地區(qū)茅草鋪組、夜郎組、長興組等地層都有大段灰?guī)r發(fā)育，石炭系南丹組以厚—巨厚層狀灰?guī)r為主，易因喀斯特作用而形成各類巖溶地貌，溶洞、裂縫發(fā)育，部分溶洞與地表水和地下暗河相連，極易發(fā)生失返性漏失。例如黔水地1井在鉆第四系和南丹組地層的導(dǎo)眼段和一開井段時(shí)發(fā)生嚴(yán)重漏失，主要采用清水強(qiáng)鉆，共消耗清水超過2 萬m3，在二開南丹組和打屋壩組共漏失鉆井液和清水超過2600 m3。

表1 黔西地區(qū)地層簡表Table 1 Brief local stratigraphy

通過文獻(xiàn)調(diào)研［11-12］及在該地區(qū)相關(guān)鉆井資料的不完全統(tǒng)計(jì)，地層漏失的情況如表2 所示。通過分析，發(fā)生漏失的地層巖性以灰?guī)r為主，淺表地層漏失主要分為溶洞性漏失和裂縫性漏失2 類。

（1）溶洞性漏失。該地區(qū)地表屬于典型的喀斯特地貌，喀斯特地形的形成是石灰?guī)r地區(qū)地下水長期溶蝕的結(jié)果。表層容易發(fā)生溶洞性漏失，鉆井液往往有進(jìn)無出，采用堵漏漿、水泥漿、混凝土堵漏等方法成功率低，一般采用清水強(qiáng)鉆、空氣鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)等鉆井技術(shù)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

表2 黔西地區(qū)地層漏失情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Summary of circulation loss formation in Western Guizhou

（2）裂縫性漏失。鉆遇天然裂縫發(fā)育的灰?guī)r地層，漏失較嚴(yán)重甚至產(chǎn)生失返性漏失。黔西地區(qū)表層鉆遇較厚的灰?guī)r，如石炭系南丹組為幾百米的巨厚灰?guī)r，天然裂縫發(fā)育，容易發(fā)生失返性漏失，堵漏難度大，處理時(shí)間長。

3 適應(yīng)性鉆井工藝技術(shù)

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黔西地區(qū)大面積出露的地層有石炭系、二疊系及三疊系地層，其中煤層氣目的層為二疊系的龍?zhí)督M，埋藏深度一般在1000 m 以淺的儲(chǔ)層對(duì)煤層氣的有效開采比較有利；頁巖氣主要勘探的目的層為石炭系打屋壩組，埋藏深度展布特征由北向南逐漸變深，一般在500～3500 m 之間，其中黔水地1 井打屋壩組地層深度為1248～2466 m。

3.1.1 煤層氣井井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)黔西六盤水煤田煤層氣井的鉆探情況［13-14］，黔西地區(qū)煤層氣井一般采用直井，井深在1000 m 以內(nèi)。在表層鉆井時(shí)容易發(fā)生井漏，甚至失返。建議采用二開井身結(jié)構(gòu)。

（1）一開。使用?311.2 mm 鉆頭開孔，一般可設(shè)計(jì)100 ～200 m，鉆穿地表松散地層和地下水層，并盡量鉆穿淺層可能存在的溶洞、大型裂縫等容易發(fā)生惡性漏失的地層，下入?244.5 mm 表層套管封隔，水泥漿返至地面，建立井口，根據(jù)地質(zhì)對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)告決定是否安裝防噴器，為二開使用鉆井液安全順利鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。

（2）二開。使用?215.9 mm 的鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，下入?139.7 mm 的生產(chǎn)套管完井，水泥漿返至地面。

3.1.2 頁巖氣井井身結(jié)構(gòu)

黔西地區(qū)石炭系打屋壩組頁巖氣尚處于調(diào)查階段，鉆井主要為探井，井型為直井。根據(jù)黔水地1井的鉆探實(shí)踐，該地區(qū)頁巖氣井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 黔西頁巖氣井建議井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Suggested shale gas well design for Western Guizhou

（1）一開。采用?444.5 mm 或?406.4 mm 鉆頭鉆至井深50～80 m，鉆穿地表溶洞、地下暗河地層，下入?339.7 mm 表層套管，水泥漿返至地面。

（2）二開。采用?311.2 mm 鉆頭鉆至南丹組地層底部，下入?244.5 mm 技術(shù)套管，封隔表層涌水、漏失復(fù)雜地層，并安裝好防噴器，確保目的層打屋壩組安全鉆進(jìn)。

（3）三開。使用?215.9 mm 鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，下入?139.7 mm 生產(chǎn)套管完井，水泥漿返至地面。

3.2 空氣鉆進(jìn)

空氣鉆進(jìn)是以空氣為循環(huán)介質(zhì)的一種鉆進(jìn)方式?？諝忏@進(jìn)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，至今已經(jīng)發(fā)展成為一套成熟的鉆井技術(shù)，其最大優(yōu)勢(shì)莫過于可以有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜惡性漏失，實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井，尤其適應(yīng)于黔西地區(qū)上部漏失地層鉆進(jìn)，當(dāng)遇到地層出水可以轉(zhuǎn)化為霧化空氣或空氣泡沫鉆進(jìn)。

空氣鉆進(jìn)所用鉆頭一般可以選用常規(guī)牙輪鉆頭、空氣潛孔錘。在條件允許的情況下，優(yōu)先推薦使用空氣潛孔錘。可以利用空氣潛孔錘對(duì)地層巖石的高頻沖擊獲得較高的機(jī)械鉆速，同時(shí)，空氣潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)鉆壓小，可以有效實(shí)現(xiàn)防斜打直，尤其是對(duì)地層傾角大的高陡地層。

3.3 清水鉆進(jìn)

清水鉆進(jìn)是用清水作為鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)的一種鉆進(jìn)方法。在黔西地區(qū)，當(dāng)表層鉆遇溶洞、暗河或大型裂縫性地層，發(fā)生失返性漏失時(shí)，在地表水源供給充足的情況下，可以采用清水鉆進(jìn)頂漏快速鉆過失返性漏失地層，及時(shí)下入套管注水泥封隔。

使用清水鉆進(jìn)要注意泥漿泵的配備，保證表層在發(fā)生嚴(yán)重井漏時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)排量60 L/s 的清水強(qiáng)鉆。清水強(qiáng)鉆以犧牲大量清水為代價(jià)，需要有充足的水源，在易出水地層比空氣鉆進(jìn)更具有優(yōu)勢(shì)［15］。

3.4 空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)

空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)是將空氣鉆進(jìn)與跟管鉆進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，鉆進(jìn)與下套管同步的一種鉆進(jìn)方法。跟管鉆進(jìn)至預(yù)定井深后跟管鉆具從套管中提出，套管則留在井中用于穩(wěn)定井壁。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水文水井、地質(zhì)鉆孔、抗旱救災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害治理、巖土鉆掘等工程領(lǐng)域［16］。

將該技術(shù)引入到石油天然氣井淺表地層的鉆進(jìn)中，可以有效應(yīng)用于溶洞、大型裂縫發(fā)育、易垮塌地層以及漏垮同層的鉆進(jìn)。該技術(shù)的基本原理是：中心鉆頭的花鍵與沖擊器相連接。鉆進(jìn)時(shí)，沖擊器使空氣壓縮產(chǎn)生能量，驅(qū)動(dòng)底部的沖擊鉆頭產(chǎn)生高頻震動(dòng)沖擊，在沖擊器和轉(zhuǎn)盤扭矩的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)井底巖石的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。套管通過管靴與鉆頭上部相連，通過卡槽可以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)而套管基本保持不轉(zhuǎn)。在不鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭為收攏狀態(tài)，使整個(gè)鉆頭的直徑略小于套管內(nèi)徑。目前國內(nèi)外跟管鉆具主要有偏心和同心2 種，各自的鉆進(jìn)原理示意圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 偏心鉆具跟管鉆進(jìn)原理示意Fig.2 Schematic of casing while drilling with eccentric drilling tool

圖3 同心鉆具跟管鉆進(jìn)原理示意Fig.3 Schematic of casing while drilling with concentric drilling tool

3.5 空氣反循環(huán)鉆進(jìn)

黔西地區(qū)上部碳酸鹽巖地層在使用常規(guī)方法鉆進(jìn)時(shí)，井漏嚴(yán)重，且伴有井垮發(fā)生，給鉆井作業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失?？諝夥囱h(huán)鉆進(jìn)是將氣體沿著雙壁鉆具內(nèi)外管柱的環(huán)空注入井底，冷卻鉆頭和攜帶巖屑后由雙壁鉆具內(nèi)管上返至地面的一種鉆井技術(shù)［17］。該鉆井技術(shù)具有對(duì)施工區(qū)域水源依賴小、對(duì)井壁沖刷作用小、井垮風(fēng)險(xiǎn)小、能耗低、防漏效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

3.6 主要堵漏方法

針對(duì)井漏，除了可以通過鉆井液密度控制、提高地層承壓能力等預(yù)防措施外，當(dāng)井漏發(fā)生時(shí)，還需要采取合理的堵漏方法來解決復(fù)雜問題。對(duì)溶洞性漏失，主要通過改變鉆進(jìn)方法進(jìn)行處理；對(duì)裂縫性漏失，主要采取的堵漏方法有隨鉆堵漏、橋接堵漏、凝膠堵漏、水泥漿堵漏等。

3.6.1 隨鉆堵漏

對(duì)于微小孔隙或微裂縫導(dǎo)致的較小的漏失，漏失量一般在10 m3/h 以內(nèi)，在鉆入該地層前，可以向鉆井液中加入隨鉆堵漏材料，在鉆井液液柱壓力與地層壓力之間的壓差作用下，隨鉆堵漏劑進(jìn)入地層，封堵近井筒的漏失通道，起到防漏堵漏和提高地層承壓能力的作用。

3.6.2 橋接堵漏

在鉆遇漏速較快的天然裂縫或誘導(dǎo)裂縫漏失時(shí)，一般利用整個(gè)橋漿的多功能作用及工程措施的配合作用，使堵漏材料在漏失地層進(jìn)行掛阻架橋、堵塞嵌入、拉筋、滲濾成厚泥餅填塞，加之整個(gè)體系的高粘切阻力在井下漏層通道窄小部位孔喉中吸水膨脹，從而形成具有一定強(qiáng)度的綿密堵塞以實(shí)現(xiàn)堵漏。

3.6.3 凝膠堵漏

化學(xué)凝膠具有較高的粘彈性，進(jìn)入裂縫后形成段塞滯留在裂縫中，且啟動(dòng)壓力高，不易被鉆井液沖走，能夠有效封堵裂縫通道。對(duì)于漏失量較大的裂縫性地層可以取得較好的堵漏效果。

3.6.4 水泥漿堵漏

由于水泥漿在稠化前呈流動(dòng)狀態(tài)，可以適應(yīng)各種漏失通道堵漏的需要，還可以根據(jù)情況添加纖維材料。水泥漿凝固后具有較高的承壓能力和抗壓強(qiáng)度，堵漏效果較好。水泥漿堵漏應(yīng)用的漏速范圍廣，是一種常用的堵漏方法。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

黔水地1 井是中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心部署在貴州六盤水的一口頁巖氣大口徑地質(zhì)調(diào)查井［18］，設(shè)計(jì)井深 2500 m，于 2019 年 11 月完鉆。該井導(dǎo)管段設(shè)計(jì)井深30 m，設(shè)計(jì)采用?444.5 mm 的鉆頭鉆穿地表土層和上部易漏灰?guī)r，下入?339.7 mm導(dǎo)管封隔淺部疏松易垮塌地層及地表水層。在導(dǎo)管段實(shí)際鉆進(jìn)過程中，地層垮塌、井漏嚴(yán)重，清水鉆進(jìn)至26.5 m 時(shí)，發(fā)生鉆具放空，鉆遇大型溶洞，強(qiáng)鉆至30.1 m 時(shí)，井壁嚴(yán)重垮塌，導(dǎo)致井眼被完全填埋。

4.1 導(dǎo)管段復(fù)雜問題處理過程

（1）清水強(qiáng)鉆。針對(duì)地層垮塌、井漏嚴(yán)重的問題，首先采取清水強(qiáng)鉆，鉆至20.1 m 后，因垮塌嚴(yán)重下入?820 mm 的鋼管來支撐井壁、封隔垮塌地層。

（2）空氣鉆進(jìn)和清水強(qiáng)鉆。下入?820 mm 的鋼管后，采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)至23.6 m，因地層破碎、巖溶裂縫發(fā)育等因素，造成井壁垮塌、巖屑失返等各種問題，空氣鉆進(jìn)被迫終止。轉(zhuǎn)換清水強(qiáng)鉆至30.1 m，泵壓、扭矩、懸重等均急速增大，上提鉆具后，井壁垮塌致井眼被完全填埋。

（3）水泥漿堵漏。首先對(duì)井眼中垮塌巖石進(jìn)行撈取，發(fā)現(xiàn)溶洞上部地層有大面積垮塌跡象。為確保井架基礎(chǔ)安全，采用水泥對(duì)全井段進(jìn)行封堵。2次共注入水泥漿48 m3，水泥漿返至井口。候凝后進(jìn)行掃塞，發(fā)生鉆具放空、清水失返，水泥漿堵漏失敗。

（4）空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)。在以上技術(shù)均無效后，引入同心滑塊跟管鉆進(jìn)技術(shù)，所用跟管鉆具如圖4 所示。鉆進(jìn)參數(shù)為：空氣流量140 m3/min，鉆壓20 kN，轉(zhuǎn)速35 r/min，施工歷時(shí)8 h，進(jìn)尺13.7 m，進(jìn)入基巖成功封隔淺部復(fù)雜地層后，停止跟管鉆進(jìn)，導(dǎo)管下深33.7 m，完成固井作業(yè)。成功鉆穿裂隙、溶洞發(fā)育及易井垮等復(fù)雜地層，空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)過程順利，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)與地層封隔同步。

圖4 黔水地1 井所用跟管鉆具[18]Fig.4 Concentric casing while drilling tool used in Well QSD-1

4.2 應(yīng)用效果

黔水地1 井導(dǎo)管段鉆進(jìn)過程中先后使用了清水強(qiáng)鉆、空氣鉆進(jìn)、水泥漿堵漏、空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)等技術(shù)，解決了裂隙和溶洞復(fù)合型漏失難題，鉆進(jìn)各工藝技術(shù)應(yīng)用情況見表3。在本井中，跟管鉆進(jìn)工藝保證了導(dǎo)眼段施工質(zhì)量，節(jié)約了成本，取得了良好的應(yīng)用效果。

表3 黔水地1 井導(dǎo)管段鉆進(jìn)各工藝技術(shù)效果對(duì)比Table 3 Comparison of performance between various techniques for conductor drilling of Well QSD-1

最終，該井使用空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)有效解決了表層裂隙、溶洞復(fù)合型漏失和易垮塌復(fù)雜地層的鉆探難題，保證了導(dǎo)眼段施工質(zhì)量，節(jié)約了成本，取得了良好的應(yīng)用效果。實(shí)踐證明，空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)是一種可以有效應(yīng)對(duì)該類復(fù)雜地層的鉆探技術(shù)。

5 結(jié)論

（1）黔西地區(qū)上部三疊系、二疊系、石炭系地層主要發(fā)育碳酸鹽巖，溶洞、裂縫發(fā)育，易發(fā)生失返性漏失，類型主要為溶洞性漏失和裂隙性漏失。

（2）針對(duì)黔西地區(qū)上部易漏地層的特點(diǎn)和鉆井工程實(shí)踐，可以通過對(duì)煤層氣井和頁巖氣井進(jìn)行針對(duì)性的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以降低復(fù)雜地層鉆進(jìn)難度，表層套管的下深以封隔表層嚴(yán)重漏失地層為主要原則。

（3）清水鉆進(jìn)、空氣鉆進(jìn)、空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)、空氣反循環(huán)鉆進(jìn)等技術(shù)是應(yīng)對(duì)黔西地區(qū)表層易漏地層鉆井的適應(yīng)性技術(shù)體系，其中空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)是一種能夠解決表層大型裂隙、溶洞型漏失和垮塌共存復(fù)雜地層快速鉆進(jìn)的有效技術(shù)。在實(shí)際鉆井過程中，需要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)和工程情況對(duì)以上技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選。