复杂地质构造带套管钻进工艺研究与应用

何宜霏

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司勘探分公司，山西 晋城 048204）

岩层的原生结构由于地质构造运动作用产生较大变化，特别是硬或中硬以上的脆性岩石在构造力作用下受到严重破坏，容易形成复杂地质构造带或者复杂地层。在这种复杂的地层中进行钻探作业，经常会因地层难以护壁而造成漏失、塌孔埋钻等困难问题，甚至造成钻孔报废。这些不仅影响钻进速度和钻井质量，而且会带来时间和经济上的巨大损失。在新元矿复杂地质构造带复杂地层周边井钻进过程中遇到严重漏失、掉块卡钻或难成孔的钻进问题，同时伴随着发生塌孔、漏失、埋钻等钻井事故的风险，套管钻进工艺在钻进过程中的局部应用能有效解决该难题。套管随着钻头跟进地层，实现稳定和保护孔壁的作用，能够有效解决复杂地质构造带复杂地层钻进中护壁困难的问题，使钻井能安全、快速通过复杂构造带复杂地层[1]。套管钻进工艺的研究及应用多见于第四系表层的钻井施工中，本文通过对该矿地质特性和周边井工程实践的分析，在深部地层钻进过程中研究并应用了套管钻进工艺，对推动套管钻进工艺的发展及推广具有较好的促进作用。

1 基本情况

新元矿位于沁水煤田西北部阳泉矿区，受区域地质构造的影响，井田基本构造形态为单斜构造，走向基本为东西向，向南倾斜，倾角为4°～11°，倾角一般不大于9°。该矿主要抽采煤层为3 号煤，煤层厚度0.67～4.75 m，平均2.56 m，属中厚煤层，煤层中通常有2～3 层夹矸，局部区域最多为6 层，煤体结构为简单-较简单。煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、砂岩为主，煤层底板以泥岩、砂质泥岩、细粉砂岩为主。通过三维地震解释（图1），可看出F2 断层初判最大落差为35 m，F3 断层初判最大落差为45 m，其余为落差6 m 内的小断层。可见，该矿地质条件较为复杂，地质构造比较发育。

图1 采掘工程平面图（含三维地震解释）

该矿地质构造复杂，周边钻孔钻进时常会遇到地层漏失严重、进尺慢、成孔难的问题。这种现象主要与二叠系石盒子组裂隙含水层有关。下石盒子组砂岩厚度大但不稳定，岩性主要为中、细粒砂岩，含裂隙水。漏失地层情况详见表1。

表1 漏失地层信息统计表

据20 余个钻孔简易水文观测资料统计，本组漏失量均出现增大或全漏情形。针对该矿这一地层复杂难题，采用套管钻进技术，能够快速通过严重漏失地层。

2 套管钻进工艺

全程套管钻进速度随井深增加，摩阻变大，速度变慢，对套管扭矩、连接螺纹、抗拉强度等材质特性要求较高。为充分发挥套管钻进工艺的优势，减少井内事故的发生概率，通过加强对该矿地层及周边已施工钻孔资料的分析，针对性地选取复杂地质构造带复杂地层进行局部套管钻进，既能实现套管钻进工艺可快速通过复杂地质构造带复杂地层的优势，又可减少全程套管所带来的未知风险。

2.1 工艺发展

20 世纪70 年代开始，国外开始研究并应用套管钻进技术。瑞典阿特拉斯科普柯公司的“ODEX”钻进法，在第四系松散地层以及表层基岩都有一定的应用，有一定的钻进适用范围；芬兰的Symmetrix 套管钻进工艺，利用内、外钻头联合冲击进行钻进，外套管在内钻头冲击钻进过程中实现跟进；德国斯坦威克公司的海王星和土星法具有钻孔直径和深度较大，可形成套管超前式钻进，套管起拔、拧卸容易等优点[2]。国内套管钻进技术的研究始于20 世纪70 年代，主要有成都探矿工艺所的QG 型跟管扩孔钻具、原长春地质学院探矿工程研究所的偏心扩孔跟管钻具等。中国地质科学院探矿工艺研究所最先开展套管钻进技术的研究，90 年代开始推广应用，在国内基础处理工程中得到了广泛应用。套管钻进技术主要分为三类：单偏心式、同心式和三瓣式套管钻进技术。

2.2 工艺类型

单偏心套管钻进系统由中心钻头、偏心扩孔钻头以及导正器等组成。当提钻时，小角度反转钻具，在惯性力和摩擦力的作用下，偏心扩孔钻头收回，便可提出钻具，套管留在孔内护壁[3]。

同心套管钻具钻进系统由中心钻头、环形扩孔钻头以及套管靴等组成。钻孔完成套管跟进后，小角度反转钻具，便可提出钻具，环形扩孔钻头暂留孔内[4]。

三瓣式套管钻进系统由中心钻头、瓣式扩孔钻头以及导正器等组成，兼顾了单偏心与同心特点[5]，需停泵上提冲击器，三瓣式钻头进行回收，便可提出钻具。

2.3 同心套管钻进原理

同心套管钻进工艺相对比较方便，套管跟进护壁效果良好，对该工艺系统进行了研究分析。同心套管钻进工艺是采用潜孔锤带动套管跟入孔内，主要包括内钻头、冲击器、钻杆、外钻头、连接套、套管（图2）。内钻头与冲击器连接，冲击器与钻杆连接，内钻头在其外表面均匀分布三个滑槽，各滑槽中部边侧开一凹槽。外钻头与连接套用卡簧连接，连接套与套管焊接连接，套管间用平扣连接再焊接。外钻头内壁中部均匀分布三个花键，使花键可通过内钻头滑槽，再转动卡入凹槽内，实现内钻头和外钻头连接。内钻头旋转和冲击时，通过花键带动外钻头旋转和冲击，因卡簧的作用，外钻头上部连接套和套管向下跟进护壁而不旋转。

图2 套管钻进工艺示意剖面图

钻进时，潜孔锤连接中心钻头，在回转钻进的基础上通过钻进液驱动，形成带有冲击负荷的回转钻进。潜孔锤强大的冲击力对坚硬而脆的岩石进行冲击和切削，提升了钻进能力和钻进效率。套管组合外钻头随着中心钻头的冲击和切削进尺实现跟进，套管在到达目的层位后进行护壁，实现成孔。在复杂地层局部实现套管钻进后，反扭一个小角度，中心钻头、冲击器、钻铤、钻杆便可起出，减少了起钻后再下套管等环节，节省了施工时间，为快速、安全通过复杂地质构造带复杂地层提供了有力支撑。

3 现场应用

3.1 目的层位确认

通过对该矿周边已完钻3 口井钻井日志整理，详见表2。钻进过程中均出现漏失塌孔问题，大部分钻孔在钻遇下石盒子组时漏失量较大，每小时漏失量约20～40 m³，有的甚至全漏。各井严重漏失点均在K10 以下50 m 以内，所以把K10 层位下的50 m 设定为套管钻进的目的层段。

表2 周边已完钻3 口井漏失情况汇总表

3.2 施工要求

为确保套管钻进工艺在复杂地质构造带复杂地层中的顺利实施，同时确保终孔口径完钻，并顺利下入要求的套管，由原常规二开井身结构优化为三开井身结构，目标位置为3#煤底板以下30 m，套管钻进位置为K10 层位以下50 m。井身结构如图3。

一开：Φ425 mm 钻头，钻入稳定基岩10 m 后（约30 m），下入Φ377 mm 表层套管固井，采用常规密度水泥固井，水泥浆返至地面，建议用潜孔锤施工，提升开孔速度。

二开：Φ311.15 mm 钻头钻至K10，二开钻进至复杂地层后，采用5 根273.1 mm 套管跟管钻进，经固井候凝48 h 后，在确保能满足三开正常施工要求后，进行三开作业。若二开采用空气潜孔锤钻进，根据钻进情况，适时并联三台压风机潜孔锤作业。空气潜孔锤钻进时，要安装好有效的防喷器，并连接导管至远离井口，井口采用特殊装置密封，同时在井口注入小排量水液，有助井内钻进施工安全并有利于返排岩屑。

三开：Φ215.9 mm 钻头，钻至3#煤下30 m，下入Φ139.7 mm 生产套管，生产套管固井使用G级油井水泥，水泥浆密度1.7～1.85 g/cm3。固井候凝48 h 后，进行声幅测井，根据测声幅结果再进行下一步工作。

三开固井候凝48 h 后进行试压。全井使用的钻具组合：

1）一开钻具组合（0.00～30.00 m）

Φ425.00 mm 潜孔锤+双母接头+Φ165 mm 钻铤×2 根+方保接头+方钻杆。

2）二开钻具组合（30.00～550.00 m）

Φ311.15 mm 三 牙 轮+Φ165 mm 钻 铤×3 根+Φ127 mm 钻杆+方保接头+方钻杆。

套管快速钻完井部分：Φ243.1 mm 中心钻头连接Φ311.15 mm 组合外钻头及273.1 mm 套管+潜孔锤+Φ127 mm 钻杆+方保接头+方钻杆。

3）三开钻具组合

Φ215.9 mm 三 牙 轮+Φ159 mm 钻 铤×6 根+Φ127 mm 钻杆+方保接头+方钻杆。

3.3 套管钻进主要工序

钻遇K10 后，立即起钻，套管钻进的主要工序：

1）把外钻头和套管连接，边入井边连接，可以在连接处进行焊接，以确保连接牢靠，防止钻进中扭矩过大时薄弱点脱扣。

2）连接中心钻头、冲击器和钻具，结合外钻头和套管入井深度，缓慢下放。

3）钻具下放过程中遇阻时，顺时针调整位置，调整角度不超过120°，将中心钻头放置外钻头内。

4）顺时针缓慢旋转内钻头，使内钻头通过花键带动外钻头旋转。

5）按正常速度下至既定施工位置，进行正常钻进。完成钻进后，反扭一个小角度，提出中心钻头和钻具等，套管留在井内隔绝复杂地层。

3.4 套管钻进主要参数

为了高效钻进，减少对钻具磨损，科学把控套管钻进工作参数及泥浆配比，从钻压、钻速、泵压和泥浆等方面探索，实现了稳定、高效钻进。套管钻进工作参数详见表3。

表3 套管钻进参数表

3.5 测井检验

通过测井曲线图（图4）对套管钻进效果进行检验，结合井径测线可以明显看出有53.6 m 的平滑段，该段即为套管钻进后所留下的套管部分。

图4 GZ-1 标准测井曲线图

3.6 应用效果

1）针对部分复杂地质构造带复杂地层，运用潜孔锤套管钻进工艺，不仅可有效提高钻进速度，还可以减少起下钻等辅助时间，缩短钻井施工周期，降低钻井综合成本。针对该矿复杂漏失地层，周边井常规堵漏需要3～4 d，而GZ-1 井采用潜孔锤套管钻进技术顺利通过漏失地层仅需7 h，效率方面提升了10 余倍，钻遇复杂漏失地层处理成本降低约50%。

2）潜孔锤套管钻进速度快，用水量少，节水环保方面优于常规钻井工艺。与此同时，在防止孔壁坍塌、埋钻方面起到了积极作用，实现了保护孔壁和隔离漏失地层的目的，在保障钻井施工安全方面优于常规钻井工艺。

3）地层的复杂程度严重影响套管钻进的速度，且随深度增加会逐渐变慢，并增加套管脱扣、折断的风险，对套管扭矩、连接螺纹、抗压强度等材质特性要求较高，需要结合钻进深度和地层特性提前考虑，并结合终孔口径提前优化井身结构，以确保针对性的采用套管钻进工艺快速通过复杂地层。

4）内外钻头通过卡簧进行有效连接，套管在钻进过程中随钻头跟进，但不随钻头旋转，减少了套管钻进需要克服的扭矩，在一定程度上降低了跟管钻进施工安全风险。

5）若使用焊接与切割工艺增加跟管钻进中套管连接的强度，辅助时间相应增加，纯钻时间利用率降低。一旦在煤层气钻孔现场进行电焊作业，必须保持有效的安全距离，若必须在井口处进行电焊作业，务必做好井口气体的引导和安全监测工作。

4 结语

通过对周边钻孔钻遇复杂情况的分析，GZ-1 遇见K10 标志层后，采用局部套管钻进技术工艺，套管钻进了53.6 m，快速通过了严重漏失地层，解决了在复杂地质构造带严重漏失地层条件下，钻孔施工的技术性难题，实现了快速钻完井的目的。

在以后的钻井过程中，要在目前的套管钻进技术水平基础上，对其适应的复杂地层、钻孔深度、套管长度、材质等方面继续探索研究并推广应用。