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踐，結(jié)合周邊相似地區(qū)的鉆井工程經(jīng)驗，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 個三級構(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，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。

表2 黔西地區(qū)地層漏失情況統(tǒng)計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

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 以淺的儲層對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)對井控風(fēng)險的預(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井的鉆探實踐，該地區(qū)頁巖氣井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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)勢莫過于可以有效應(yīng)對復(fù)雜惡性漏失，實現(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?？梢岳每諝鉂摽族N對地層巖石的高頻沖擊獲得較高的機(jī)械鉆速，同時，空氣潛孔錘鉆進(jìn)時鉆壓小，可以有效實現(xiàn)防斜打直，尤其是對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，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，可以實現(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，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［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，沖擊器使空氣壓縮產(chǎn)生能量，驅(qū)動底部的沖擊鉆頭產(chǎn)生高頻震動沖擊，在沖擊器和轉(zhuǎn)盤扭矩的作用下實現(xiàn)對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，通過卡槽可以實現(xiàn)鉆進(jìn)過程中鉆頭轉(zhuǎn)動而套管基本保持不轉(zhuǎn)。在不鉆進(jìn)時，鉆頭為收攏狀態(tài)，使整個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，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)具有對施工區(qū)域水源依賴小、對井壁沖刷作用小、井垮風(fēng)險小、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，還需要采取合理的堵漏方法來解決復(fù)雜問題。對溶洞性漏失，主要通過改變鉆進(jìn)方法進(jìn)行處理；對裂縫性漏失，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，一般利用整個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，且啟動壓力高，不易被鉆井液沖走，能夠有效封堵裂縫通道。對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)計井深 2500 m，于 2019 年 11 月完鉆。該井導(dǎo)管段設(shè)計井深30 m，設(shè)計采用?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，發(fā)生鉆具放空，鉆遇大型溶洞，強(qiáng)鉆至30.1 m 時，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。實踐證明，空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)是一種可以有效應(yīng)對該類復(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）針對黔西地區(qū)上部易漏地層的特點(diǎn)和鉆井工程實踐，可以通過對煤層氣井和頁巖氣井進(jìn)行針對性的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計以降低復(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)。在實際鉆井過程中，需要根據(jù)實際地質(zhì)和工程情況對以上技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選。