湘西北复杂构造区破碎地层绳索取心钻进技术难点及优化

孔祥旺，张绍和，王文彬，孙平贺，吴冬宇，肖金成，何红生

(1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)，湖南 长沙 410083；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；3.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014；4.湖南省地质新能源勘探开发工程技术研究中心，湖南 长沙 410014)

湖南省是一个“缺煤、无油、少气”的省份，自2011年开始，湘西北地区作为页岩气重点勘探区，在该区域已部署了几十口页岩气调查井[1]。但由于该地区地质构造复杂，在页岩气勘探过程中常钻遇裂隙发育、岩性多变、产状变化大的地层，极易发生卡钻、埋钻、井壁坍塌、岩心采取率较低等问题[2-4]，严重影响了钻进效率，阻碍了该地区页岩气勘探开发的进度。

大量研究人员已经对此类破碎地层的取心技术进行了广泛的研究，如万旭文等[5]研制了一种强力反循环钻具，该钻具独特的水路结构可以使钻井液在卡簧座底端部位产生分流，一定程度上可缓解岩心堵塞的问题；卢春华等[6]研发了绳索强制取心钻具，相比传统S-75绳索取心钻具，取心效果得到了一定的改善。但相关钻具都无法有效地提高岩心采取率，主要是由于无法避免冲洗液对破碎岩心的冲蚀作用，造成岩心的破坏以及流失。针对此类问题，本文以湘西北复杂构造区湘慈地1井钻井工程为例，通过分析该井在钻进过程中实际遇到的一些钻进难点，提出了钻井技术优化方案，并在工程实际中取得了良好应用效果。

1 区域地质背景

研究区位于湘西北复杂构造区(图1)，该地区的地壳构造运动经历了武陵期、雪峰至加里东期、海西期、印支至燕山期等发展阶段。区内发育有桑植–石门复向斜以及保靖–慈利断裂带，桑植–石门复向斜位于中扬子台地的东南部，向斜较宽缓，背斜窄陡，断裂发生在褶皱南翼。保靖–慈利断裂带位于江南隆起的北缘、桑植–石门复向斜的南缘，构成二者的分界线。并且它以大庸所为界可分为北东、南西两段，南西段又可分为两支，西支主要由抚字坪–大如田和老寨–保靖两条压扭性断层组成。由于该断裂带穿过了本次研究区，区内地质条件受该断层的影响较大。

2 钻井概况及地层特点

湘慈地1井位于桑植–石门复向斜与保靖–慈利断裂过渡带，是一口页岩气地质调查井，井型为直井。本井设计井深2 000 m，实际完钻井深2 001.20 m。图2为井身结构图。

本井自上而下依次钻遇了第四系、寒武系上统娄山关组、寒武系中统孔王溪组及高台组、寒武系下统清虚洞组及石牌组地层。

第四系：厚度为15.40 m，主要为松散黏土、白云岩碎块混合物，其土质不均，结构较为松散。

娄山关组：厚度为866.80 m，主要为白云岩以及深色含泥灰岩。其中深灰色含泥灰岩呈厚层状，岩石表面发育较多裂隙以及缝合线，岩性脆，具隐晶质结构以及参差状断口。

图1 湘西北地区构造纲要图Fig.1 Outline tectonic map of northwest Hunan

孔王溪组：厚度为144.70 m，主要以白云岩为主，多为粒屑结构，块状构造，由于断裂构造穿越本套地层，岩层破碎严重，溶沟、溶洞以及裂隙较为发育。

高台组：厚度为29.3 m，主要为炭质灰岩、含砾炭质灰岩、含炭泥岩、泥岩灰绿色–黑灰色炭质灰岩，主要矿物成分以方解石为主，炭质次之，具有泥晶结构。

清虚洞组：厚度为29.3 m，主要为硅质白云岩、泥岩，绿灰色泥岩，主要矿物成分以黏土矿物为主，细腻，具有滑感，节理裂隙发育。

石牌组：厚度为914.41 m，主要由粉砂岩、细砂岩以及泥岩等组成。

3 钻进技术难点

1) 岩心采取率低

井区范围内分布较多的灰白色厚层白云岩，主要集中娄山关组和孔王溪组地层。该段地层构造较为发育、地层古老、岩性变化大，溶沟、裂隙及溶洞发育，在钻进时遇多处岩层破碎带，岩心破碎严重(图3)。因此，在该段极易出现岩心采取率低的现象。

图3 湘慈地1井严重破碎岩心Fig.3 Severely broken core of the Xiangcidi well 1

2) 卡钻、埋钻、井壁失稳

二开井段为上寒武统娄山关组大套厚层白云岩地层，此段使用金刚石绳索取心钻头钻进。在钻进过程中，由于前期钻具悬重过轻，无法提供足够的钻压，导致机械钻速较低。此外，由于本井主要钻遇娄山关组和下寒武统石牌组，两套地层多为泥质、硅质及灰质孔隙充填胶结，构造复杂，岩性多变，当钻进该地层时，极易发生孔壁坍塌、掉块等井壁失稳问题[7]，且在本段钻进过程中依旧使用一开钻进时的钻井液，护壁能力无法达到要求，钻渣不能被完全携带出孔，致使大量钻渣和掉块滞留孔内，引发卡钻、埋钻事故。

4 钻探技术优化

4.1 优化钻具选择

由于湘慈地1井临近慈利–保靖大断裂，故所钻遇的部分地层较为破碎，钻进难度较大。此类地层采用普通的金刚石绳索取心钻具钻进时，常出现岩心采取率低、岩心管堵塞等问题[8-10]。为解决这一问题，提出采用无泵反循环超前侧喷绳索取心钻具[11]。

4.1.1 钻具组成及特点

此钻具由钻具总成、无泵钻具、调节接头以及超前侧喷钻头等部分组成(图4)。

图4 无泵反循环超前侧喷绳索取心钻具结构Fig.4 Structure of the advanced lateral jet wire-line coring tool

其中无泵钻具主要由防堵锥网、单向阀、接头和内管组成。在极破碎岩层中存在大量直径较小的颗粒物，容易进入内外管的间隙之中。如果不能采取有效措施将这些颗粒物隔绝，当大量的颗粒物涌入内外管的间隙之中，便会增大内外管的机械摩擦，极易导致内管卡死，造成钻具无法打捞，最终发生卡钻事故。故此钻具的优势在于设计了防堵锥网，可以很好地将细小的颗粒物隔离开，使内外管的间隙保持通畅，从而可以有效地降低内外管的摩擦磨损，提高钻具的使用寿命。在内管下部设有卡簧座，并在该部位安装了爪簧，爪簧在自然状态下是闭合的，当岩心进入时，爪簧会被岩心挤开，而提钻时，爪簧在弹性和岩心自重下收拢，从而能够防止岩心脱落，保证岩心只进不出。

在此类破碎地层中钻进，由于岩心破碎易被冲蚀，为保证岩心采取率，一般回次进尺不能超过1 m。而普通的绳索取心钻具内管长一般为3 m，若孔内存有水体时，会导致在岩心内管中岩心形成水柱，而打捞岩心时水柱容易将岩心压出内管造成空管。故本新型钻具缩短了内管的长度，并采用无泵接手隔离上部的水体，大大减小了岩心上部的水压，能有效提高取心率。无泵接手使下内管处于密封状态，当岩心下滑时上部即形成负压对岩心产生吸力，阻止其下滑，可有效提高岩心采取率。

除此之外，超前侧喷钻头(图5)的设计能够改变钻井液的流动方向，钻井液沿着内外管的间隙流动，到达该钻头后便从其侧方水口流出，可有效防止钻头内破碎的岩心被冲洗液冲蚀而产生破坏。且该钻头还设计了超前齿，能够避免从水口喷出的冲洗液与尚未进入钻头的岩石直接接触，降低了冲刷作用对岩石造成破坏的风险，以保证钻头前部岩石的完整性。

图5 超前侧喷钻头结构Fig.5 Structure of advanced lateral jet bit

4.1.2 钻具的使用在钻遇严重破碎的地层时，及时打捞钻具的内管总成，用本钻具的内管总成进行替换。在钻进过程中，无须使用水泵冲洗钻孔，而是利用孔内的静水压力和上下提动钻具在孔底形成局部反循环而实现冲洗孔底的钻进。在钻进结束后，及时用打捞器打捞内管进行取心。此外，在破碎地层中使用该钻具取心时，送钻时需保持其均匀性，防止发生溜钻。且在钻进中需及时观察泵压以及钻进时间的变化情况，并分析井内状况，防止发生卡心以及磨心等不良现象，当同种岩性的钻进时间与正常钻进时间相差悬殊时，应立即割断岩心并起钻[12]。在无泵钻进时，钻压不宜过大，一般钻压值控制在2～4 kN，防止岩心管发生堵塞现象。在钻进过程中还需合理控制钻头转速，一般控制在100～200 r/min。

4.1.3 钻具的应用效果

本孔钻遇了多处地层破碎带，尤其是在685.05～1 100 m井段，该处地层严重破碎，取心难度大。该段岩心采取率见表1。在井深685.05～910.9 m处，使用金刚石取心钻头与普通绳索钻具组合进行取心钻进，该段平均岩心采取率仅为76.3%，岩心采取率较低。在910.9～1 100 m段，钻进过程中采用无泵反循环超前侧喷绳索取心钻具，岩心采取率达到了94.4%，相比普通绳索取心钻具而言，取心率得到了大幅度的提升。

表1 湘慈地1井685.05～1 100 m岩心采取率Table 1 Core recovery rate of 685.05-1 100 m depth in well 1 of Xiangcidi

根据以上钻井数据可知，此钻具能够实现在复杂破碎地层正常钻进，有效提高此类地层的岩心采取率。由图6可知，通过本钻具所取出的岩心完整性较好，基本能够保持其原生结构。

图6 无泵反循环超前侧喷绳索取心钻具所取岩心Fig.6 Core drilled by the advanced lateral jet wire-line coring tool

4.2 优选钻井液体系

钻井液对钻井的重要程度不言而喻，是保证钻孔质量的关键因素[13-14]。钻进过程中，由于钻孔的实施，会引起地层应力的释放，若钻井液选择不当，在护壁能力不足的条件下，极易造成孔壁破碎、垮落的现象，严重时可能导致钻具卡钻、被埋等工程事故的发生。因此，在钻进时，应根据不同的地层条件以及施工设计要求合理地选择钻井液体系，以降低钻进风险并维持井身的稳定性[15-16]。针对此钻井的实际情况，采用了以下钻井液体系：

①针对一开上部地层比较疏松的特点，主要是以提高护壁能力、降低漏失风险为目的，所以在该段使用优质的膨润土配置泥浆，设计的钻井液密度为1.06 g/cm3，漏斗黏度为40 s，能够达到快速、彻底携带井底沉砂的效果。在一开段施工过程中无垮塌、无漏失现象发生，有效地保证了钻井进度以及现场施工的安全性。

②由于二开段前期未更换钻井液，导致在此段发生了卡钻、埋钻事故。故在后期优化了钻井液体系，采用低固相钾基聚合物钻井液，加入2%降失水剂(CMC、PAC-141)以及2%护壁剂(FT-1、广谱护壁剂)。用该钻井液替换掉一开钻井液，钻井液密度维持在1.06 g/cm3，漏斗黏度为30 s，既能达到稳定井壁的效果，又能防止其发生垮塌，同时还保证了钻井液的携砂能力。为确保正常钻进，在钻进过程中要求保持各种处理剂的有效含量并定期补充，使钻井液性能符合相应的要求，从而达到提高钻井液的悬浮、携带岩屑能力的目的。此外，由于绳索取心钻进环状间隙小，而钻头底唇面积大、岩粉多，为了充分冷却钻头并及时排除岩粉，选用了较大的泵量(90～150 L/min)，并在钻进过程中适当地增大了冲洗液量。在该破碎段地层采用此钻井液体系后，应用效果较好，在后续的钻进过程中未发生卡钻以及孔壁垮塌等钻井事故。

5 结论

a.对湘西北复杂构造区内湘慈地1井绳索取心钻进过程中存在的技术难题进行了分析，包括岩心采取率低、卡钻、埋钻以及井壁失稳等问题。为解决此类复杂地层中存在的岩心采取率低、岩心管堵塞等问题，提出采用无泵反循环超前侧喷绳索取心钻具。该钻具将无泵钻具和绳索取心钻具合二为一，增加了防堵锥网以及爪簧的设计，并搭配超前钻头的使用。实际应用结果表明，该钻具的取心效果良好，岩心采取率达到了94.4%。

b.为保证复杂地层深孔钻进中孔壁的稳定性，应根据不同的地层条件以及工程质量要求合理选择钻井液的类型，以适应井下复杂地质情况。在一开使用膨润土配浆开钻，由于二开、三开段地层严重破碎，故采用低固相钾基聚合物钻井液体系，以增强井壁的稳定性和泥浆的携砂能力。