黔西地区表层易漏地层钻井工程技术

2021-04-14迟焕鹏胡志方王胜建李大勇

钻探工程 2021年4期

迟焕鹏，胡志方*，王胜建，李大勇，苑坤，郭军

（1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京100083；2.湖南省煤炭地质勘查院，湖南长沙410014）

0 引言

黔西地区是贵州省煤层气和页岩气勘探的重要地区。其中，煤层气主要集中在六盘水煤田和织纳煤田上二叠统龙潭组发育的煤层群中［1］，织金区块、土城区块松河井田均已实现了煤层气勘查开发示范工程建设［2-3］。黔西地区下石炭统打屋坝组［4］和旧司组［5］是贵州地区富有机质泥页岩发育层位之一，是黔西页岩气勘探的重要地层。近年来，中国地质调查局油气资源调查中心在黔西地区针对龙潭组煤系地层、打屋坝组泥页岩地层开展了相关研究工作［6-7］。

由于黔西地区地表地下条件复杂、碳酸盐岩发育，上部地层很容易钻遇溶洞、裂缝，给钻井工程带来诸多困难，导致钻井周期长、成本高，甚至影响地质目标的实现。本文根据该地区的地质情况和所部署井的钻井工程实践，结合周边相似地区的钻井工程经验，分析了黔西地区上部碳酸盐岩地层的钻井工程难点，总结了适应性的钻井工程技术，以期为该地区复杂地层的优快钻进提供技术借鉴。

1 地质概况

黔西地区地理上主要由贵州毕节西南部地区（威宁、赫章、纳雍、织金）和六盘水地区（六枝、盘县、水城）组成［8］，从构造上，黔西地区位于上扬子地块滇东-黔中隆起东部，处于上扬子地块南缘，包括滇东-黔中隆起东部和黔西南坳陷2 个三级构造单元，东侧为黔南坳陷，南侧为南盘江坳陷［9］。黔西地区出露的地层主要有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、古近系及第四系，以二叠系和三叠系分布最为广泛，表1 为黔西地层系统简表［10］。

黔西地区上二叠统龙潭组岩性多样，主要有泥页岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩及煤。黔西地区打屋坝组分布于盘县—水城一带，主要岩性为黑色页岩、黑色钙质泥岩夹深灰色泥质灰岩，水平纹层发育。旧司组主要位于威宁地区，为一套含泥灰岩、灰岩的暗色岩系。受构造作用的影响，打屋坝组页岩气储层位于褶皱、断裂较为发育地区，以宏观裂缝发育为主，微裂缝次之。

2 地层漏失特点

在黔西地区煤层气、页岩气勘探开发钻井过程中发生不同程度的井漏。黔西地区上部三叠系、二叠系、石炭系地层主要发育碳酸盐岩，如六盘水地区的永宁镇组下段、织金地区茅草铺组、夜郎组、长兴组等地层都有大段灰岩发育，石炭系南丹组以厚—巨厚层状灰岩为主，易因喀斯特作用而形成各类岩溶地貌，溶洞、裂缝发育，部分溶洞与地表水和地下暗河相连，极易发生失返性漏失。例如黔水地1井在钻第四系和南丹组地层的导眼段和一开井段时发生严重漏失，主要采用清水强钻，共消耗清水超过2 万m3，在二开南丹组和打屋坝组共漏失钻井液和清水超过2600 m3。

表1 黔西地区地层简表Table 1 Brief local stratigraphy

通过文献调研［11-12］及在该地区相关钻井资料的不完全统计，地层漏失的情况如表2 所示。通过分析，发生漏失的地层岩性以灰岩为主，浅表地层漏失主要分为溶洞性漏失和裂缝性漏失2 类。

（1）溶洞性漏失。该地区地表属于典型的喀斯特地貌，喀斯特地形的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。表层容易发生溶洞性漏失，钻井液往往有进无出，采用堵漏浆、水泥浆、混凝土堵漏等方法成功率低，一般采用清水强钻、空气钻进、跟管钻进等钻井技术进行应对。

表2 黔西地区地层漏失情况统计Table 2 Summary of circulation loss formation in Western Guizhou

（2）裂缝性漏失。钻遇天然裂缝发育的灰岩地层，漏失较严重甚至产生失返性漏失。黔西地区表层钻遇较厚的灰岩，如石炭系南丹组为几百米的巨厚灰岩，天然裂缝发育，容易发生失返性漏失，堵漏难度大，处理时间长。

3 适应性钻井工艺技术

3.1 井身结构设计

黔西地区大面积出露的地层有石炭系、二叠系及三叠系地层，其中煤层气目的层为二叠系的龙潭组，埋藏深度一般在1000 m 以浅的储层对煤层气的有效开采比较有利；页岩气主要勘探的目的层为石炭系打屋坝组，埋藏深度展布特征由北向南逐渐变深，一般在500～3500 m 之间，其中黔水地1 井打屋坝组地层深度为1248～2466 m。

3.1.1 煤层气井井身结构

根据黔西六盘水煤田煤层气井的钻探情况［13-14］，黔西地区煤层气井一般采用直井，井深在1000 m 以内。在表层钻井时容易发生井漏，甚至失返。建议采用二开井身结构。

（1）一开。使用Ø311.2 mm 钻头开孔，一般可设计100 ～200 m，钻穿地表松散地层和地下水层，并尽量钻穿浅层可能存在的溶洞、大型裂缝等容易发生恶性漏失的地层，下入Ø244.5 mm 表层套管封隔，水泥浆返至地面，建立井口，根据地质对井控风险的预告决定是否安装防喷器，为二开使用钻井液安全顺利钻进创造条件。

（2）二开。使用Ø215.9 mm 的钻头钻至设计井深，下入Ø139.7 mm 的生产套管完井，水泥浆返至地面。

3.1.2 页岩气井井身结构

黔西地区石炭系打屋坝组页岩气尚处于调查阶段，钻井主要为探井，井型为直井。根据黔水地1井的钻探实践，该地区页岩气井的井身结构设计如图1 所示。

图1 黔西页岩气井建议井身结构示意Fig.1 Suggested shale gas well design for Western Guizhou

（1）一开。采用Ø444.5 mm 或Ø406.4 mm 钻头钻至井深50～80 m，钻穿地表溶洞、地下暗河地层，下入Ø339.7 mm 表层套管，水泥浆返至地面。

（2）二开。采用Ø311.2 mm 钻头钻至南丹组地层底部，下入Ø244.5 mm 技术套管，封隔表层涌水、漏失复杂地层，并安装好防喷器，确保目的层打屋坝组安全钻进。

（3）三开。使用Ø215.9 mm 钻头钻至设计井深，下入Ø139.7 mm 生产套管完井，水泥浆返至地面。

3.2 空气钻进

空气钻进是以空气为循环介质的一种钻进方式。空气钻进经历了几十年的发展，至今已经发展成为一套成熟的钻井技术，其最大优势莫过于可以有效应对复杂恶性漏失，实现安全快速钻井，尤其适应于黔西地区上部漏失地层钻进，当遇到地层出水可以转化为雾化空气或空气泡沫钻进。

空气钻进所用钻头一般可以选用常规牙轮钻头、空气潜孔锤。在条件允许的情况下，优先推荐使用空气潜孔锤。可以利用空气潜孔锤对地层岩石的高频冲击获得较高的机械钻速，同时，空气潜孔锤钻进时钻压小，可以有效实现防斜打直，尤其是对地层倾角大的高陡地层。

3.3 清水钻进

清水钻进是用清水作为钻井液进行钻进的一种钻进方法。在黔西地区，当表层钻遇溶洞、暗河或大型裂缝性地层，发生失返性漏失时，在地表水源供给充足的情况下，可以采用清水钻进顶漏快速钻过失返性漏失地层，及时下入套管注水泥封隔。

使用清水钻进要注意泥浆泵的配备，保证表层在发生严重井漏时，可以实现排量60 L/s 的清水强钻。清水强钻以牺牲大量清水为代价，需要有充足的水源，在易出水地层比空气钻进更具有优势［15］。

3.4 空气潜孔锤跟管钻进

空气潜孔锤跟管钻进是将空气钻进与跟管钻进技术相结合，钻进与下套管同步的一种钻进方法。跟管钻进至预定井深后跟管钻具从套管中提出，套管则留在井中用于稳定井壁。该技术已广泛应用于水文水井、地质钻孔、抗旱救灾、地质灾害治理、岩土钻掘等工程领域［16］。

将该技术引入到石油天然气井浅表地层的钻进中，可以有效应用于溶洞、大型裂缝发育、易垮塌地层以及漏垮同层的钻进。该技术的基本原理是：中心钻头的花键与冲击器相连接。钻进时，冲击器使空气压缩产生能量，驱动底部的冲击钻头产生高频震动冲击，在冲击器和转盘扭矩的作用下实现对井底岩石的冲击回转钻进。套管通过管靴与钻头上部相连，通过卡槽可以实现钻进过程中钻头转动而套管基本保持不转。在不钻进时，钻头为收拢状态，使整个钻头的直径略小于套管内径。目前国内外跟管钻具主要有偏心和同心2 种，各自的钻进原理示意图如图2 和图3 所示。

图2 偏心钻具跟管钻进原理示意Fig.2 Schematic of casing while drilling with eccentric drilling tool

图3 同心钻具跟管钻进原理示意Fig.3 Schematic of casing while drilling with concentric drilling tool

3.5 空气反循环钻进

黔西地区上部碳酸盐岩地层在使用常规方法钻进时，井漏严重，且伴有井垮发生，给钻井作业造成较大的经济损失。空气反循环钻进是将气体沿着双壁钻具内外管柱的环空注入井底，冷却钻头和携带岩屑后由双壁钻具内管上返至地面的一种钻井技术［17］。该钻井技术具有对施工区域水源依赖小、对井壁冲刷作用小、井垮风险小、能耗低、防漏效果显著等优点。

3.6 主要堵漏方法

针对井漏，除了可以通过钻井液密度控制、提高地层承压能力等预防措施外，当井漏发生时，还需要采取合理的堵漏方法来解决复杂问题。对溶洞性漏失，主要通过改变钻进方法进行处理；对裂缝性漏失，主要采取的堵漏方法有随钻堵漏、桥接堵漏、凝胶堵漏、水泥浆堵漏等。

3.6.1 随钻堵漏

对于微小孔隙或微裂缝导致的较小的漏失，漏失量一般在10 m3/h 以内，在钻入该地层前，可以向钻井液中加入随钻堵漏材料，在钻井液液柱压力与地层压力之间的压差作用下，随钻堵漏剂进入地层，封堵近井筒的漏失通道，起到防漏堵漏和提高地层承压能力的作用。

3.6.2 桥接堵漏

在钻遇漏速较快的天然裂缝或诱导裂缝漏失时，一般利用整个桥浆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层进行挂阻架桥、堵塞嵌入、拉筋、渗滤成厚泥饼填塞，加之整个体系的高粘切阻力在井下漏层通道窄小部位孔喉中吸水膨胀，从而形成具有一定强度的绵密堵塞以实现堵漏。

3.6.3 凝胶堵漏

化学凝胶具有较高的粘弹性，进入裂缝后形成段塞滞留在裂缝中，且启动压力高，不易被钻井液冲走，能够有效封堵裂缝通道。对于漏失量较大的裂缝性地层可以取得较好的堵漏效果。

3.6.4 水泥浆堵漏

由于水泥浆在稠化前呈流动状态，可以适应各种漏失通道堵漏的需要，还可以根据情况添加纤维材料。水泥浆凝固后具有较高的承压能力和抗压强度，堵漏效果较好。水泥浆堵漏应用的漏速范围广，是一种常用的堵漏方法。

4 现场应用

黔水地1 井是中国地质调查局油气资源调查中心部署在贵州六盘水的一口页岩气大口径地质调查井［18］，设计井深 2500 m，于 2019 年 11 月完钻。该井导管段设计井深30 m，设计采用Ø444.5 mm 的钻头钻穿地表土层和上部易漏灰岩，下入Ø339.7 mm导管封隔浅部疏松易垮塌地层及地表水层。在导管段实际钻进过程中，地层垮塌、井漏严重，清水钻进至26.5 m 时，发生钻具放空，钻遇大型溶洞，强钻至30.1 m 时，井壁严重垮塌，导致井眼被完全填埋。

4.1 导管段复杂问题处理过程

（1）清水强钻。针对地层垮塌、井漏严重的问题，首先采取清水强钻，钻至20.1 m 后，因垮塌严重下入Ø820 mm 的钢管来支撑井壁、封隔垮塌地层。

（2）空气钻进和清水强钻。下入Ø820 mm 的钢管后，采用空气潜孔锤钻进至23.6 m，因地层破碎、岩溶裂缝发育等因素，造成井壁垮塌、岩屑失返等各种问题，空气钻进被迫终止。转换清水强钻至30.1 m，泵压、扭矩、悬重等均急速增大，上提钻具后，井壁垮塌致井眼被完全填埋。

（3）水泥浆堵漏。首先对井眼中垮塌岩石进行捞取，发现溶洞上部地层有大面积垮塌迹象。为确保井架基础安全，采用水泥对全井段进行封堵。2次共注入水泥浆48 m3，水泥浆返至井口。候凝后进行扫塞，发生钻具放空、清水失返，水泥浆堵漏失败。

（4）空气潜孔锤跟管钻进。在以上技术均无效后，引入同心滑块跟管钻进技术，所用跟管钻具如图4 所示。钻进参数为：空气流量140 m3/min，钻压20 kN，转速35 r/min，施工历时8 h，进尺13.7 m，进入基岩成功封隔浅部复杂地层后，停止跟管钻进，导管下深33.7 m，完成固井作业。成功钻穿裂隙、溶洞发育及易井垮等复杂地层，空气潜孔锤跟管钻进过程顺利，实现了钻进与地层封隔同步。