麻 坦， 郜曉勇

(1.東北煤田地質(zhì)局一二八勘探隊，遼寧 沈陽 110122； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034)

牛D1井復雜構造帶繩索取心鉆探工藝技術研究

麻 坦1， 郜曉勇2

(1.東北煤田地質(zhì)局一二八勘探隊，遼寧 沈陽 110122； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034)

復雜構造帶的繩索取心鉆探易發(fā)生井漏、井塌以及取心困難等難題，處理不當甚至可導致井眼報廢。結合牛D1井實例，介紹了繩索取心鉆探工藝在復雜地層所遇的施工難點，并分析誘發(fā)井漏、井塌以及取心困難的原因，指出常規(guī)防塌堵漏技術不能滿足復雜構造帶鉆探施工原因，提出優(yōu)選鉆井液、優(yōu)化鉆具組合以及改進堵漏工藝等現(xiàn)場可操作的具體改進措施。總結的施工經(jīng)驗可為今后復雜構造帶繩索取心鉆探施工提供寶貴經(jīng)驗。

復雜構造帶；繩索取心；鉆探工藝；井漏；井塌；堵漏

0 引言

牛D1井是東北煤田地質(zhì)局一二八勘探隊為中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心承鉆的一口地質(zhì)調(diào)查井，位于遼寧省凌源市牛營子鄉(xiāng)北部，鉆探目的是建立凌源盆地地層層序并查明烴源巖特征。該井完鉆井深500.25 m，采用繩索取心鉆探工藝施工，全井段取心，井身結構為：一開?108 mm表層套管下深70.2 m，建立井口；二開?79 mm取心鉆頭鉆至500.25 m，裸眼完井。地層分布自上而下主要為第四系(0～6 m)、大紅峪組(6～183 m)、髫髻山組(183～256 m)、海房溝組(256～340 m)、楊莊組(340～500.25 m)。第四系巖性以黃土為主，大紅峪組以白云巖為主，髫髻山組以紅色、灰綠色角礫以及粗礫巖夾粗砂巖為主，海房溝組以灰色砂礫巖夾泥巖、煤層為主，楊莊組以灰質(zhì)白云巖夾泥巖、砂巖薄層為主。

工作區(qū)地處復雜構造帶，井位位于推覆體之上(即逆斷層上盤)，斷裂發(fā)育，且地處煤礦采空區(qū)，所鉆遇砂礫巖層段膠結差、泥頁巖段水敏性強以及碳酸鹽巖層段裂隙發(fā)育并有溶洞存在。施工過程中發(fā)生大小井漏63次，井壁坍塌1次，漏失鉆井液1031 m3，損失臺時653 h。最終通過優(yōu)選鉆井液、優(yōu)化鉆具組合以及改進堵漏工藝，得以順利完鉆，可為今后復雜構造帶繩索取心鉆探施工提供寶貴經(jīng)驗。

1 牛D1井復雜構造帶繩索取心鉆探施工難點

牛D1井復雜構造帶繩索取心鉆探主要施工難點為井漏、井塌(井壁失穩(wěn))以及取心困難，詳見表1。

表1 牛D1井復雜情況統(tǒng)計

1.1 井漏及原因分析

牛D1井12～500.25 m井段基本均為漏失段，主要漏失井段為17～59 m、209～253 m以及447～500.25 m。其中17～59 m為碳酸鹽巖溶洞井段，209～253 m為灰綠色膠結差粗礫巖井段，447～500.25 m為灰質(zhì)白云巖裂縫極發(fā)育井段。

由于工作區(qū)地處復雜構造帶，構造推覆作用致使地層中斷層以及裂縫普遍存在，而且采空區(qū)上部地層自然塌陷的牽拉作用也會增加周圍地層的裂隙，導致牛D1井全井段鉆井液漏失量均高于正常濾失量。特別在碳酸鹽巖井段(17～59 m)由于溶洞存在而發(fā)生失返性漏失，常規(guī)堵漏效果不明顯?；揖G色粗礫巖井段(209～253 m)由于膠結差、滲透性好發(fā)生滲透型漏失，單純通過降低鉆井液密度可減緩或抑制漏失，但無法兼顧井壁穩(wěn)定性問題?；屹|(zhì)白云巖井段(447～500.25 m)因為裂縫極發(fā)育發(fā)生裂縫型漏失，通過在鉆井液中加入細粒度堵漏材料(如核桃殼、鋸末)的常規(guī)橋塞堵漏方法效果差，后續(xù)施工中多次發(fā)生重復性漏失，且由于煤礦采空區(qū)積水層致使水泥漿堵漏效果差。

1.2 井塌及原因分析

牛D1井施工過程中發(fā)生過1次井壁坍塌，進而導致埋鉆。井壁失穩(wěn)主要為209～253 m和261～296 m井段。其中209～253 m為灰綠色粗礫巖井段，發(fā)生粗礫石掉塊現(xiàn)象。261～296 m為水敏性泥頁巖井段，終孔前該層段發(fā)生井壁坍塌而埋鉆，最終導致井眼報廢。

灰綠色粗礫巖井段(209～253 m)由于膠結差，不但發(fā)生滲透性漏失而且造成井壁失穩(wěn)發(fā)生粗礫石掉塊現(xiàn)象，初始施工階段只單純通過降低鉆井液密度防止?jié)B透性漏失，加劇了井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。水敏性泥頁巖井段(261～296 m)中的水敏粘土礦物水化失穩(wěn)是造成該井段井壁坍塌的主要因素[1]，而鉆井液化學配方不合理是造成泥頁巖段坍塌的主要原因；而且泥頁巖段坍塌時間是相對滯后的(坍塌在若干天后才發(fā)生)，原因是泥頁巖水化失穩(wěn)至圍巖壓力達到臨界坍塌壓力是一個漸變過程，滯后時間段是該泥頁巖的臨界坍塌時間[2]。

1.3 取心困難及原因分析

全井段繩索取心鉆進過程中取心故障時有發(fā)生，特別在209～296 m井段，出現(xiàn)巖心無法進入內(nèi)管、上提內(nèi)管時巖心滑脫以及無法上提內(nèi)管現(xiàn)象，造成巖心采取率低、上提鉆具頻繁以及進尺緩慢，繩索取心鉆進優(yōu)勢無法體現(xiàn)。

由于工作區(qū)地處復雜構造帶，劇烈構造作用使地層裂隙增多且降低巖體強度，特別209～296 m井段處在斷層面上下，構造作用最為強烈，地層整體破碎，容易造成憋鉆、巖心自卡或滑脫現(xiàn)象。而且該井段同時出現(xiàn)井漏、井塌現(xiàn)象，也增加了取心難度。

2 技術改進措施

2.1 優(yōu)選鉆井液

一開使用高膨潤土鉆井液，二開使用聚合物低固相鉆井液，配方詳見表2。

表2 優(yōu)選鉆井液基本配方

一開適當增加膨潤土含量，保持鉆井液粘度，增強鉆井液護壁能力，盡快使新鉆開井壁形成泥餅[3]。

二開采用低固相鉆井液體系以配合復雜地層中繩索取心工藝，可降低繩索取心故障率。而聚合物鉆井液具有優(yōu)良的流變性、抑制性、穩(wěn)定井壁能力等性能，因此二開以下復雜地層采用聚合物低固相鉆井液。

在復雜層段將鉆井液粘度提高4 s左右，提高膠結差粗礫巖井段以及斷層面周圍破碎層井段的護壁能力。由于泥頁巖井段水化失穩(wěn)易導致井塌，采用低濾失、高濾液粘度、強抑制性、適當漏斗粘度的鉆井液，可抑制鉆井液中自由水向地層滲透[4]，因此鉆井液配方中加入強抑制性KCl，通過KCl化學抑制劑和聚合物穩(wěn)定泥頁巖。聚合物鉆井液中的降濾失劑(PHP等)能形成有效降低濾失的高質(zhì)量泥餅[5]。此外，其他消耗材料包括純堿、防塌堵漏劑、單項壓力封閉劑以及潤滑劑等。

2.2 優(yōu)化鉆具組合

采用多階梯形金剛石取心鉆頭，可有效適應結構松散破碎、膠結性差的復雜構造帶地層[6]。

采用增大口徑的取心鉆頭，增大環(huán)狀空間。標準規(guī)格S75繩索取心鉆頭，其鉆頭外徑為?75 mm，擴孔器外徑為?75.5 mm，外管為?73 mm，擴孔器與外管間的間隙只有1.25 mm，在復雜孔段易導致循環(huán)壓耗過高，出現(xiàn)憋鉆、巖心自卡現(xiàn)象[7]。牛D1井采用特制增大口徑的?79 mm取心鉆頭，通過增大環(huán)狀空間降低循環(huán)壓耗，即可減輕井內(nèi)正壓差減少鉆井液漏失，又利于提高巖心采取率。

2.3 改進堵漏工藝

本次施工過程中所鉆遇的井漏大體分為孔洞型漏失(17～59 m)、滲透型漏失(209～253 m)以及裂縫型漏失(447～500.25 m)。針對3種不同的井漏，牛D1井分別針對性的采用不同堵漏措施。

碳酸鹽巖孔洞型漏失，首先利用惰性堵漏材料(尼龍袋、稻草等)堵漏，不必試圖將漏層完全堵好，至鉆井液恢復循環(huán)后邊漏邊鉆，迅速通過溶洞層段，然后下套管封隔漏層。

膠結差粗礫巖滲透型漏失，應利用減少井內(nèi)正壓差以及降低漏層滲透性的堵漏原理，即通過減小鉆井液密度使鉆井液液柱壓力小于地層漏失壓力以減緩或抑制漏失，并通過在鉆井液中添加防塌堵漏劑以及單向壓力封閉劑等措施降低漏層滲透性，同時通過采用聚合物鉆井液有利于形成有效降低濾失的高質(zhì)量泥餅，既能降低漏層滲透性，又可有效護壁防止井壁失穩(wěn)。應注意的是，該特殊層段鉆井液性能要保持低密度高粘高切性。

灰質(zhì)白云巖裂縫型漏失，因裂隙極發(fā)育，采用常規(guī)高濾失量、高粘度、高切力的堵漏鉆井液時，易發(fā)生重復性漏失，且由于煤礦采空區(qū)積水原因亦會導致水泥漿堵漏效果差。牛D1井最后采用膠質(zhì)水泥漿堵漏工藝，即將堵漏鉆井液與水泥漿按一定比例調(diào)配成膠質(zhì)水泥漿[8](配方見表3)，泵至漏層，候凝。膠質(zhì)水泥漿可較好適應含水性的裂縫型地層漏失情況[9]。配置膠質(zhì)水泥漿時加入氯化鈣，以調(diào)節(jié)膠質(zhì)水泥漿的稠化時間[10]。

表3 膠質(zhì)水泥漿配方

采用膠質(zhì)水泥漿堵漏一般要求確定漏失層位置，能否準確確定井漏層位是該工藝堵漏成功的關鍵之一[11]?？刹捎幂o助方法判斷井漏層位，比如現(xiàn)場采用示蹤法[12]確定漏層深度，以及通過巖心錄井觀察碳酸鹽巖井段裂隙發(fā)育情況來間接判斷所鉆地層的漏失可能性[13]。

此外，人工操作時要適當控制鉆進速度并降低循環(huán)排量，嚴格控制提、下鉆速度；并注意膠質(zhì)水泥漿的稠化時間以確保施工安全。

3 應用效果

復雜構造帶的井漏、井塌以及取心困難等鉆探施工難點不是相互割裂的問題，通過綜合采用以上技術措施，在有效防塌堵漏的同時，也可化解繩索取心鉆具取心困難的難題。通過改進施工工藝，牛D1井重鉆并順利完鉆，與采取改進措施前相比施工費用減少73%、工作效率提高84%(詳見表4)，復雜構造段巖心采取率達89.6%，全井段巖心采取率97.4%。

4 結論與建議

復雜構造帶井漏應先判斷其漏失類型，再針對不同的井漏方式采取有針對性的堵漏工藝。

淺層孔洞型漏失首先不必試圖將漏層完全堵好，盡量控制漏失速度并維持連續(xù)施工，迅速鉆過漏層并下套管封隔，為深部施工打好基礎，是相對節(jié)約時間和費用的堵漏措施。

碳酸鹽巖裂縫的張開度以及裂縫的延伸程度直接關系到裂縫型漏失堵漏的難易程度[14]，在橋塞堵漏方法以及水泥漿堵漏失敗的情況下，再嘗試使用膠質(zhì)水泥漿堵漏。

表4 采取改進措施前后情況對比

井塌應分析導致泥頁巖水化失穩(wěn)的主因是鉆井液密度過低還是鉆井液配置不合理，并注意泥頁巖臨界坍塌時間對施工的影響。

取心困難是由于斷層面周圍構造作用強烈致使地層破碎造成的，應通過優(yōu)選鉆井液以及優(yōu)化鉆具組合等綜合措施解決。

復雜構造帶與常規(guī)地層相比對井內(nèi)壓力波動更敏感，要求更精細的現(xiàn)場操作，更應該注意開泵方式、適當減緩鉆速、降低循環(huán)排量并嚴格控制提、下鉆速度，以避免造成過高的激動壓力。

堵漏工作的成功不僅僅取決于堵漏技術，很大程度上取決于人對地層的了解程度、對漏層的準確判斷以及對堵漏技術的準確應用[15]；應加強前期井漏診斷預測以及井漏層位的快速判斷等工作，復雜構造帶防塌堵漏應以預防為主，減少被動性防塌堵漏。

本文內(nèi)容主要分析解決的是復雜構造帶繩索取心鉆探的客觀問題，而其他諸如設計合理的井身結構、高效規(guī)范的現(xiàn)場操作等主觀因素同樣必不可少。

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Research on Wire-line Core Drilling Technology for Niu D1 Well in Complex Structural Belt/

MATan1，GAOXiao-yong2

(1.Exploration Team 128 of China Northeastern Coalfield Geological Bureau, Shenyang Liaoning 110122, China; 2.Shenyang Center of Geological Survey, China Geological Survey, Shenyang Liaoning 110034, China)

Wire-line core drilling is prone to the problems such as lost circulation, borehole collapse and coring difficulty in complex structural belt, some improper handling or even leads to hole being abandoned. This paper introduces the construction difficulties of wire-line core drilling in complicated area with the example of Niu D1 well, and analyzes the inducing factors of lost circulation and borehole collapse, as well as the reasons for coring difficulties; then points out the reasons why the conventional anti-collapse and plugging technologies can not meet the needs of drilling construction in complex structural belt, and puts forward some operational specific improvement measures to optimize drilling fluid, optimize drilling assembly and improve plugging process. The experience summary of Niu D1 well construction could be the reference for the future construction of wire-line core drilling in complex structural belt.

complex structural belt; wire-line coring; drilling technology; well leakage; borehole collapse; plugging process

2016-10-18；

2017-02-09

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“松遼外圍西部盆地群油氣基礎地質(zhì)調(diào)查項目”之“牛營子地區(qū)地質(zhì)調(diào)查井鉆探和測井”(編號：12120115001001-04)

麻坦，男，漢族，1988年生，鉆井副經(jīng)理，碩士，從事非常規(guī)油氣勘探開發(fā)工作，遼寧省沈陽市大東區(qū)大古城街11號，iammatan@foxmail.com。

P634

A

1672-7428(2017)04-0019-04