S98绳索钻进取心技术在松辽外围油气钻探中的应用

刘志峰

(东北煤田地质局155勘探队， 辽宁锦州 121000)



S98绳索钻进取心技术在松辽外围油气钻探中的应用

刘志峰

(东北煤田地质局155勘探队， 辽宁锦州 121000)

松辽外围油气地质调查巴D1井的地质条件复杂，孔壁稳定性差，存在漏失、缩径、坍塌掉块等问题。施工中采用S98绳索取心金刚石钻进技术，配以水玻璃、水解聚丙烯酰胺、油井广谱护壁剂的无固相防塌钻井液体系，并通过对钻井液配方的优化和性能参数的合理调整与维护，较好的解决了深井施工中的钻进技术难题。该钻井液体系具有良好的稳定性和流变性，携屑能力强，防塌效果好，在深井钻探施工中取得了良好的效果,为该井的顺利完井奠定了基础。

绳索取心；金刚石钻进；无固相钻井液；复杂地层；松辽外围；油气井

责任编辑：樊小舟

0 引言

绳索取心金刚石钻进中遭遇到的复杂地层是钻探施工的最大难题，如不及时解决，可能会造成钻孔內事故的发生，钻进效率低，严重危及钻孔的安全，甚至导致钻孔报废，特别是在深孔施工中，危害更大。2015年，在松辽外围油气地质调查井巴D1井(井深1700m)的施工中，采用S98绳索金刚石钻进工艺，克服了深孔煤系、油气储层等复杂地层的漏水、孔壁坍塌、缩径等难题，顺利地完成了钻进任务。

1 施工区地质背景

1.1 构造特征

施工区位于天山-兴蒙构造带东部，地质构造复杂，总体处于隆升状态，并发生较大规模岩浆侵入，对岩体周边地质体产生程度不同的接触变质作用。早侏罗世的断陷盆地形成河湖相煤系沉积，晚侏罗世相对隆起伴随断续的中基性火山喷发。

1.2 地层特征

施工区地层主要由区域内出露面积较小的古生代地层，广泛发育中生代陆相火山岩、火山碎屑岩、沉积岩及新生代地层组成。详见表1。

2 钻井施工

2.1 施工要求

设计井深1700m，全井取心，取心率达到85%以上。取心直径一般不小于60mm，井斜不超过8°，井径扩大率不超过15%，进行录井、测井及现场岩心解析等工作。

2.2 设备选择

钻机HXY-8B型，钻塔HCX-23A，泥浆泵NBB260/7，动力机150KW发电机组，绳索绞车SJ300。为了保证钻进中绳索金刚石高速的稳定性，钻机安装基础必须采用水泥混凝土基台。

表1 施工区地层特征

2.3 钻进方法与井深结构

在综合考虑了该区硬岩岩层厚度大，岩石硬度大及可钻性级别较高，岩心采取的直径不能小于60mm等因素，选择了S95-SF系列绳索取心钻具。针对施工特点，重点考虑了钻孔环状间隙问题，将φ95mm的钻头外径加大3mm，取心井径为φ98mm。一开井径φ215.9mm，钻过表土层至硬岩层20m后，钻至井深146.38m,下入φ168mm表层技术套管并完成固井；二开采用φ98mm口径进行S98绳索取心钻进至完井。

2.4 钻具与钻头的选择

2.4.1 钻具及钻头参数

绳索钻进的钻杆选择S95两端加厚CHH系列钻杆，以满足钻杆强度需求。取心器规格为V95-SF反弹卡到位报信系列，参数详见表2。

2.4.2 钻头类型与性能

①针对该区地层的岩石物理机械特性，选择品级为JR4、JR5，浓度100%，粒度40～60目、60～80目的人造金刚石。

②胎体硬度的选择。 较硬互层岩层，可钻性4～7级，胎体硬度选择HRC25～30；中等硬度岩层，可钻性5～8级，胎体硬度选择HRC25～38；坚硬、致密、打滑岩层，可钻性8～12级，胎体硬度选择HRC15～25。

表2 S95绳索钻进钻具参数

③钻头底唇类型。主要为平底尖环齿、阶梯尖环齿、底喷尖环齿三种类型。选用了尖环齿(V型)，在井底磨削碎岩过程中，具有良好的工作稳定性，对孔底岩石既有磨削作用，兼具挤压作用，形成多自由面工作，有利于岩粉的及时排出，使钻头在孔底得到及时冷却。

以上三种钻头在保证正确使用的情况下，实际应用效果明显，钻头寿命长(平均寿命120.48m)，最高达301.80m，钻头平均时效2.14m。

④钻头磨料为金刚石或复合片，内径保径采用粉末金刚石或聚晶；扩孔器采用聚晶保径。

2.5 钻进技术参数

在施工过程中，由于工期的限制，所以，制定了一切从快的原则，在保证质量的前提下，最大限度的发挥金刚石钻进的优势，保证钻井进尺速度。特别是在钻机钻进的转速使用上，在条件许可的条件下，尽量使用高转速，以利于金刚石钻头的磨削速度的提高，使其达到最佳的磨削线速度，在孔深1000m以内，曾使用最高转速1400r.min-1、最低817r.min-1.。孔深1000～1700m最低转速保持在505r.min-1，从而保证了金刚石钻头磨削所需的圆周线速度。

泵量的选择，在钻孔施工中，在满足钻井液上返的前提下，尽可能使用最低泵量[6]，使钻进速度能得到大幅度提高，并减少孔内事故的发生。NBB260/7型泥浆泵一档泵量39L/min，二档泵量60L/min，三档泵量106L/min。

钻压的选择，在较软岩层(煤系)压力一般选择8～14kN，较硬和具有较强研磨性的岩层，一般选择14～25kN。另外，还要注意岩心的堵塞，减少误操作，发现岩心堵塞，即便是0.10m,也不要强行凑合继续钻进，应立即进行取心内管的打捞，这样做的目的就是为了避免钻头和取心器内管总成的损坏，减少上、下钻具的次数，从而对钻孔起到一定的保护作用。

3 钻井液现场调整与复杂地层的处理

3.1 钻井液的现场选配调整

根据绳索取心金刚石钻进特点及施工区地层复杂程度，选配相适应的钻井液是提高钻进效率、减少钻井内事故、保证钻井顺利进行的首要技术措施和手段。巴D1井的施工中，在钻井二开(S98绳钻)后，选择了以往应用比较成熟、具有较好流变性和护壁功能的5%水玻璃+0.5%水解聚丙烯酰胺(PHP)+0.5%羧甲基木质纤维素(CMC)无固相防塌钻井液。

经过一段时间的使用，基本上满足了钻井的需求，当钻进至521.30m白垩系上统时，自井深381～521.30m，由于岩层为大段泥页岩，加之受水化作用影响，发生严重井壁坍塌及缩径，使钻井不能正常进行，后经在钻井液中加入KCl处理后，恢复了正常钻进，因此，影响工期2d。由于在泥页岩巨厚层段进行绳索钻进，钻机回转速度高，高速回转产生的离心力影响，发生了不同程度的钻杆结泥皮现象。而且随井深的增加而趋于严重，造成打捞岩心受阻，不能正常进行。

施工中对现场岩样进行钻井液不同加量的三组配方浸泡对比试验(表3)。

表3 钻井液浸泡对比试验

从表3中三种配方观察发现，随着水玻璃、CNC、PHP加量的增加，在提钻后，钻杆结泥皮现象有上升的趋势，钻杆内壁岩样上沾有的团絮状为以上三种添加剂的未充分水化溶解物。

通过对现场岩样三组配方浸泡对比试验，选择了效果最佳的配方，及时对使用的钻井液配方进行了优化调整，在保持原有性能的前提下，加入了油井广谱护壁剂去掉了羧甲基木质纤维素(CMC)的使用，进而形成了2%水玻璃+0.5%水解聚丙烯酰胺(PHP)+(0.5～1.5)油井广谱护壁剂+(1%～2%)SAS磺化沥青粉无固相防塌钻井液体系，既满足了绳索金刚石钻进对钻井液无固相的需求，同时兼顾了深井煤层和油气储层段泥页岩复杂地层的水化作用的抑制，确保了钻进的快速顺利完成，并顺利完井。调整后钻井液配方性能见表4。

表4 调整后钻井液配方性能

注：正常钻进时，广谱护壁剂加量取低值0.5%；SAS磺化沥青粉的加量随岩层软硬变化决定，软岩层取高值，硬岩层取低值。

3.2 复杂地层的处理与堵漏工艺

3.2.1 复杂地层的处理

①在施工中，该井钻遇的复杂地层具体表现为非煤系和非油气储层的因断裂构造产生的裂隙、断层破碎带等。因岩层在钻穿后的固结性差，钻进中受到钻具的回转敲打，加上钻具提升和下降的速度过快，易形成 “活塞抽吸”现象，产生的负压过大，钻井液的漏失也发生在该井段。进入煤系和油气储层井段，砂、泥页岩遇水后的水化作用，造成岩体的体积膨胀产生缩径，同时还伴有易水化作用的岩层因胶结性破坏，受井内地层应力作用形成坍塌。

②在上述地层钻进，钻井液以维井护壁稳定为前提，兼具较低的失水量，使其泥皮薄、韧性好、强度高，提高护壁防塌性能。而本井采用的无固相防塌钻井液就满足了上述要求。该钻井液性能不用做调整，一般情况下就能保证钻井的顺利进行。如钻遇大段煤系和油气储层时，正常钻进的钻井液若不能抑制砂、泥页岩的水化作用，致打捞取心器内管受阻，这是井内发生缩径预兆，则打捞岩心后，只需在钻井液中添加油井广谱护壁剂一种即可，缩径立即解除。

具体用法是将油井广谱护壁剂的加量由平时0.5%提高到1%～2%。

③油井广谱护壁剂是石油钻井针对深井复杂地层井壁缩径、坍塌专门设计生产的一种复合制剂，由铵盐、硅酸钾、阳离子聚合物、磺化褐煤树脂、正电胶及生物聚合物XC131复合加工而成。一般的缩径具体加量由平时钻进时的0.5%提高到1%；严重缩径，甚至井壁坍塌时，广谱护壁剂的添加则需提至2%。加入钻井液循环4～6h后，上述复杂情况解除，便可钻进。该制剂具有使用方便，见效快，抑制力强等特点，钻进时加入便能起到预防的作用。

3.2.2 堵漏工艺

由于该区发生的漏失多是由于断层裂隙引起，钻进中时常发生。平时备足锯末子、棉籽壳、云母片等惰性物，去除杂质。当钻进过程中发生漏失时，添加到钻井液中泵入井內，随钻随堵不影响钻进。对于大的漏失，则需停钻，采用漏失段灌注水泥浆液进行堵漏作业。水泥砂浆堵漏做法：硅酸盐水泥+食盐+河砂+0.03三乙醇胺速凝剂，水灰比0.50，水泥标号42.5，每袋水泥(50kg)+食盐(500g)+三乙酰胺(25g)。配制时，三乙酰胺和食盐按规定比例溶于少量水中，配成兑制液。待水泥搅拌成浆液时，加入三乙酰胺和食盐液体，用水泵泵入井底封闭段。堵漏时，需将钻具提前下至距井底0.3～0.6m，先泵入清水检查管路是否通畅，随后泵水泥砂浆，泵浆完毕后，再泵入替浆水，并掌握好替浆量，停钻48h后，即可透孔钻进。

4 钻井成果

巴D1井从2016年6月22日搬迁进入现场，开始确定井位，安装钻机水泥混凝土基台，进行整备安装。7月1日正式开钻，至10月28日完井，历时118d，完成钻井深度1700m,完井井径φ98mm，岩心平均采取率99%，完井顶角6.8°，顺利完成测井。各项质量及技术指标完全满足合同地质设计要求，工期比合同规定完井150d提前32d，为后续工作进行赢得了时间。

钻井最高台月效率738.48m(图1),平均台月效率432.57m,钻月数3.93个钻月。该井纯钻进时间达到55%，孔内事故率4%，主要为处理孔内缩径、井壁坍塌时间。提下钻时间率11%，设备检修时间4%，取心器内管投放与打捞时间22%，其它辅助时间4%。

图1 井深与台月效率关系示意Figure 1 Relationship between well depth andmeterage per rig-month

5 结语

S98绳索取心金刚石钻进，在松辽外围油气地质调查井钻井中的应用，结果表明，S98系列绳索取心钻具及工艺完全胜任油气调查类深井的钻井施工，并能较好地发挥。通过钻井实践和技术分析，获得了以下启示。

①巴D1井地质条件复杂，孔壁稳定性差，使用的钻井工艺及无固相钻井液体系满足了深井复杂地层对孔壁稳定性的需求，而油井用广谱护壁剂与SAS磺化沥青粉，在原绳钻用无固相钻井液中的加入调整，极大地发挥了对砂、泥、页岩层复杂地层水化作用的抑制，且耐高温、润滑效果好，显著改善井底钻头工作环境, 对钻进效率的提高起到了决定性的影响作用。

②经过调整后的无固相钻井液，在深井钻进中发挥的作用显著。钻井液预案应根据使用情况及时调整，且使用调配方法简单易行。

③确定适岩的金刚石钻头及类型，做好绳索金刚石钻头扩孔器的使用，是深井施工保证高效所必需的前提条件。

④配备使用大型的钻井液净化除泥除砂设备，是保证钻井液质量的必备条件，特别是对于绳索金刚石钻进深井的施工。

⑤在深井绳索钻进施工中，钻机的安装基础最好选用水泥混凝土基台，以保证钻机高速旋转的稳定性不受影响。

[1]张春波，等.绳索取心金刚石钻进技术[M].北京：地质出版社，1988.

[2]赵运兴，等.煤田钻探技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，1986.

[3]武汉地质学院等. 钻探工艺学(中)[M].北京：地质出版社，1981.

[4]李世忠主编.钻探工艺学(中)[M].北京：地质出版社，1989.

[5]郝瑞，等.钻探工程(中)[M].北京：石油工艺出版社，1980.

[6]刘志峰.辽西杨家杖子煤田绳钻应用小泵量解析[J].中国煤炭地质，2011，23(5)62-63.

[7]黄卫东，等.无固相钻井液在沉积岩复杂地层钻探中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，(12).

[8]柯学，等.苏77-5-8H井大斜度穿煤层安全钻井技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程)2011(12).

[9]田明锦，等.固结钻井液对湘西北页岩气储层的护壁机理研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2016，(10)：194-195.

[10]陈保忠.甲魁煤田绳索取心液动锤钻进施工技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38：25-26.

[11]彭步涛.绳索取心钻进技术在复杂地层中的应用[J].中国煤炭地质，2007，19(增刊1)：9-11.

[12]王志强，等.绳钻工艺在平朔露天矿田勘探中的应用[J].中国煤炭地质2007，19(增刊1)：34-35.

[13]陈金照.依靠科技进步，不断完善绳索取心钻进工艺[J].中国煤炭地质2007，19(增刊1)：50-53.

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

刘志峰(1962—)，男，高级工程师，长期从事地质钻探工程技术及管理工作。

2017-01-15

文献标识码：A