空气钻井在喀斯特地区的探索与实践<br/>——以安页1井为例

空气钻井在喀斯特地区的探索与实践
——以安页1井为例

2017-03-02曹立明

石油地质与工程 2017年1期

关键词：钻遇单根喀斯特

李清，曹立明

(中国石化胜利石油工程有限公司西南分公司，四川德阳 618000)

空气钻井在喀斯特地区的探索与实践
——以安页1井为例

李清，曹立明

(中国石化胜利石油工程有限公司西南分公司，四川德阳 618000)

古喀斯特潜山是良好的储油气构造，但其独特的地质特征，使钻井工程面临巨大挑战。介绍了喀斯特的形成原理，分析了在喀斯特地区进行石油、天然气钻井的主要施工难点和风险，针对性地提出了应对典型地下喀斯特地貌-溶洞或地下河的措施：空气钻井优点之一是能有效应对恶性溶洞性井漏,实现安全快速钻井。位于典型喀斯特地区的安页1井探索使用空气钻井技术，成功解除了钻遇大型溶洞的困境，同时获得了较高机械钻速，有效缩短了钻井周期。现场应用表明，空气钻井技术是解决恶性溶洞性漏失及提速提效的有效途径，在喀斯特地区钻井中具有重要推广意义。

喀斯特地貌；井漏；安页1井；空气钻井

我国的喀斯特地貌分布广、面积大,主要分布在碳酸盐岩出露地区,裸露喀斯特面积约120×104km2[1-2]，地下喀斯特分别更加广泛。近年来，随着石油天然气的勘探开发不断深入，发现古喀斯特潜山是良好的储油气构造，地下喀斯特地貌有溶洞、地下河、地下湖等，地表和地下密切相关联的喀斯特地貌有竖井、芽洞、天生桥等。在喀斯特地区进行石油天然气钻探，钻井工程面临钻遇溶洞、地下暗河等风险和挑战，制约着该地区油气勘探开发进展。空气钻井技术作为一套成熟的钻井工艺，能有效克服喀斯特地区地质的不利因素，从而实现安全快速钻井，这对喀斯特地区石油天然气快速勘探开发有着重要意义。

1 喀斯特地形

1.1 形成原理

喀斯特地形的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。石灰岩的主要成分是碳酸钙(CaCO3)，在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙，因碳酸氢钙可溶于水，随着时间推移，空洞便形成并逐步扩大，最终形成喀斯特地形。

1.2 喀斯特发育的环境条件

一是地表附近有节理发育的致密石灰岩；二是中等到较大的降雨量；三是地下水循环通畅。

1.3 地下喀斯特特点

溶洞:又称洞穴，它是地下水沿着可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀而形成的地下孔道。石灰岩在略有酸性的水中容易发生溶解，而这种水在自然界中广泛存在。雨水沿水平的和垂直的裂缝渗透到石灰岩中，将石灰岩溶解并带走，沿节理发育的垂直裂缝逐渐加宽、加深，形成石骨嶙峋的地形，当雨水沿地下裂缝流动时，就不断使裂缝加宽加深，最终形成洞穴系统或地下河道。

2 喀斯特地区钻井难点

喀斯特地区常表现为地表较缺水，地下裂缝、溶洞普遍发育，地下水丰富，在该类地区实施钻井工程施工，极易发生漏失，存在钻遇溶洞的较大风险，给钻井施工带来障碍。

(1)钻井水源成为制约因素：施工井周围水源往往匮乏，如果钻遇严重漏失层或大型溶洞，常采取清水强钻方式，但若水源供水不足，清水强钻无法实施，严重制约正常施工。

(2)钻井液钻井的不可行性：对于钻遇严重漏失层或溶洞，若采用钻井液钻井方式，堵漏难度大、投入成本高、且成功概率低；大量钻井液进入地层，特别是浅部地层，地层连通性好，必将造成地下水污染，对当地环境造成严重伤害。

(3)常规钻井方式难以满足地质要求：在喀斯特区域进行钻探作业，特别是参数井、资料井、评价井等，取准取全各项地质资料是钻探的最终目的，钻遇严重漏失层或溶洞，岩屑无法返至地面，不能捞取岩屑砂样，最终影响地质目的实现。

(4)井下复杂或事故难于避免：溶洞及溶洞裂隙丰富，钻头破岩切削不均匀，产生较大尺寸块状切屑，这些大块切屑难于被携带出地面；岩屑堆积于溶洞“大肚子”部位，当循环停止时，大量大块岩屑迅速下沉，容易发生卡钻或埋钻具事故。

3 空气钻井技术在喀斯特地区应用的优越性

空气钻井是气相欠平衡钻井中最经济实用的一种方法,空气钻井可避免钻井流体漏失引起地层伤害,并且大大消除了“压持效应”,能大幅度提高机械钻速,同时,还有减少井下复杂情况(井漏和压差卡钻等)，及时发现和评价油气藏，保护环境和降低增产措施的作业成本等优点。其最大的优点莫过于能有效对付恶性溶洞性井漏,实现安全快速钻井[3]。空气钻井技术发展至今，已经形成一套成熟的钻井工艺技术，因其独特的优越性得到了广泛应用。

(1)利用空气钻井技术可以比较容易地穿过非正常地层。如天然裂缝、溶洞和盐类物质的夹层,而且由于空气钻进无液相存在,因此不会涉及井壁的水化失稳问题[4]。

(2)空气钻井是以空气作为循环介质，与钻井液钻井相比彻底消除了井底压持效应,极大地解放了机械钻速,因此空气钻进具有较高的机械钻速,一般是常规钻井液钻进方式的3～8倍[4]。

(3)均质性比较好且非含水地层,无论其水敏性如何均可进行空气钻进作业。即使地层少量出水，只要地层稳定性较好，仍可以使用空气雾化钻井或泡沫钻井方式。

(4)空气钻井无钻井液参与循环，循环介质为无毒无害物质，对环境保护具有重要意义，特别是在钻遇大型裂缝或溶洞，避免了大量钻井液漏失造成地层污染和环境破坏。

(5)对于缺水干旱地区钻井，较之钻井液钻井方式，空气钻井方式彻底消除水源制约。

基于以上特点，空气钻井技术在喀斯特地区钻井能发挥其独特的优势。

4 空气钻井在安页1井的应用

4.1 安页1井基本概况

安页1井地处云贵高原向湖南丘陵和四川盆地过渡的斜坡地带，该区域属于典型的喀斯特地貌。区内广泛分布石灰岩，发育有溶洞、溶蚀洼地、伏流，盲谷等喀斯特地貌(任收麦,庞飞,周志等.黔北正安地区安页1井井位论证与设计[R].中国地质调查局油气资源调查中心,2015)。

安页1井是中国地质调查局油气资源调查中心布置在贵州省正安县武陵褶皱区安场向斜西翼南段的一口参数井，设计井深2 184 m。钻探目的是获取五峰-龙马溪组主要页岩层段的物性特征、有机地球化学特征和含气性，开展页岩气富集层段储层测井识别与解释，以及页岩气形成条件与富集规律，为进一步评估和落实安场向斜五峰-龙马溪组页岩气资源和开发方案的制定提供依据。

4.2 空气钻井应用背景

安页1井下入φ508 mm导管，下深20 m。一开使用φ444.5 mm钻头清水钻进，开钻后便进行地质岩屑录井，钻进至20.8 m，出浆口突然失返(双泵，排量50 L/s)，使用单泵、降排量，依然无返浆，清水强行钻进至21 m突然放空，放空至25.5 m。由于水源供应不足，储备清水耗尽，致使多次停钻储水，清水强行钻进至32 m。起出井内钻具，从导管内能明显观察到清水“翻滚流淌”，据此判断钻遇大溶洞(地下暗河)，溶洞深度达4.5 m。

突然钻遇大型溶洞，下步施工无法正常继续，决定使用空气钻井技术。

4.3 空气钻井应用过程

4.3.1 一开应对溶洞(32～380 m)

空气钻井设备上井，经安装调试正常后，开始一开空气钻井施工。

钻具组合：φ444.5 mm牙轮钻头0.42 m+双母(730×830)0.60 m+φ279.2 mm钻铤×1柱+转换接头(831×730)0.48 m+翻板阀(731×730)0.68 m+φ228.6 mm钻铤×2柱+转换接头(731×630)0.48 m+φ203.2 mm无磁钻铤8.35 m+φ203.2 mm钻铤×2根+转换接头(631×410)0.48 m+φ165.0 mm钻铤×2柱+φ127.0 mm G105斜坡钻杆+方保(411×410)0.48 m+方钻杆下旋塞×0.48 m+φ133.4 mm六棱方钻杆+方钻杆上旋塞。

钻进参数：钻压50～80 kN，转速50～60 r/min，空气排量95～100 m3/min。在打钻铤过程中，未接空气钻胶芯，井口处于敞开式，井口能见浑浊水喷出，并携带出部分岩屑。

钻进至井深76 m，井口未见浑浊水喷出，且接单根后，下放不到底，井底有较多沉砂。开4台空压机，提高空气排量至130 m3/min，井口继续喷出浑浊水。逐渐加大钻压120～140 kN，钻速10～20 min/m；钻进至井深130 m，接单根，接胶心后，下放过程中有显示，开气划眼，立压持续上涨至7 MPa，倒钻井泥浆泵憋压至22 MPa，仍未顶通，判断可能钻具水眼被堵。起钻检查钻具水眼及内防喷工具是否失效，发现靠近钻头的第二根钻铤水眼被堵，钻头及其余钻具水眼畅通，翻板阀完好。通透被堵水眼后下钻到底恢复钻进。

经分析，钻具水眼被堵是因为：接单根过程中，由于停气，钻具内部压力剧降，但翻板阀上部仍然存在一定压力，翻板阀无法立即关闭，环空岩屑被猛烈倒吸，当翻板阀完全关闭后阻止了倒吸继续，促使岩屑短时间聚集在翻板阀下部钻具某个部位。根据现场情况，为防止因停气导致岩屑倒吸致使水眼被堵，探索使用空气雾化钻井方式及改变接单根流程：

(1)正常钻进期间保持供气量(5台空压机+2台增压机)，同时使用单凡尔钻井泥浆泵连续注入清水，钻完单根，充分循环3～5 min，划眼一次，上提钻具到位准备接单根；

(2)放空一台增压机；

(3)放空一台增压机后，倒换成三凡尔钻井泥浆泵供液，大排量冲洗；

(4)冲洗1 min左右，放空第二台增压机；

(5)钻井泥浆泵继续供液1 min左右，停泵、接单根；

(6)接单根完毕后，开三凡尔钻井泵，循环1 min左右，启动一台增压机供气；

(7)供气后，将三凡尔钻井泵倒换成单凡尔钻井泵供液；

(8)启动第二台空压机，保持两台增压机供气；

(9)待井口有气流返出后，缓慢下放到底，恢复钻进。

通过采用雾化钻井方式及改变接单根流程，有效降低了钻具水眼被堵风险，但随着井深增加，接单根后憋压现象逐渐严重，即使采用远大于正常供气量，也无法将岩屑带出地面，导致地质无法持续捞取岩屑砂样；为了保证下步能进行正常施工，降低井下风险以及尽早恢复捞取岩屑砂样，钻进至380 m，一开提前完钻(设计501 m)，下入φ339.7 mm表层套管，封固地下暗河及水层，为二开正常施工奠定良好基础。

4.3.2 二开提速(380～1 129.93 m)

二开清水钻进至381 m，气举、烘井壁、进行二开空气钻进。钻具组合：φ314.3 mm牙轮钻头0.30 m+双母(630×730)0.59 m+翻板阀(731×730)0.68 m+φ228.6 mm钻铤×2柱+转换接头(731×630)0.48(放测斜挡板)+φ203.2 mm无磁钻铤8.35 m+φ203.2 mm钻铤×5根+转换接头(631×410)0.48 m+φ165.0 mm钻铤×2柱+φ127.0 mm加重钻杆10柱+φ127.0 mm G105斜坡钻杆+方保(411×410)0.48 m+方钻杆下旋塞0.48 m+φ133.4 mm六棱方钻杆+方钻杆上旋塞。

钻进参数：钻压：140～200 kN，转速：40～60r/min，空气排量：98～132 m3/min。

空气钻进至448 m，地层出水(3～4 m3/h)，停止钻进，活动钻具，增加一台空压机和增压机进行气举、烘井壁，期间排砂口一直有水喷出，且出水量基本不变，决定采用空气雾化钻进。

空气雾化钻进至井深980 m，返砂困难，增加一台空压机，钻进至1 012 m，返砂量再次减少，判断下部井眼段有少量出水，被湿润后的岩屑粘附在井壁和钻柱上，不利于岩屑被携带出地面。使用3台高压清洗机同时向空气中泵入清水(2.5 m3/h)，提高空气携岩能力，效果明显。

钻进至井深1 129.93 m，接单根，通气，立压持续上涨，憋压至6.9 MPa，判断水眼被堵。起钻8柱后向钻具内灌满清水，开钻井泥浆泵顶通，最高憋压至22 MPa，未憋通。起钻检查钻具，发现翻板阀失效，其上部第一根钻铤水眼被堵。

基于地层持续出水，且钻遇过煤层，井壁稳定性逐渐变差，空气钻井方式风险逐步加大，经现场讨论决定，转换泥浆钻井方式,空气钻井结束。

4.3.3 空气钻井使用效果

(1)成功克服大型溶洞带来的困难和挑战，安全快速地完成了一开施工，实现了施工的延续。

(2)取得了良好的经济技术指标，为降低井下风险及缩短钻井周期作出了突出贡献(安页1井空气钻井效率评价见表1)。