萬夫磊

(1國家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心 2川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

長寧頁巖氣區(qū)塊地表地形復(fù)雜，屬于典型的喀斯特地貌，表層鉆井常遇到：井位臨近水源區(qū)、地表易漏、表層裂縫和巖溶發(fā)育、鉆遇地下暗河等問題，表層鉆井作業(yè)井漏復(fù)雜普遍發(fā)生，一定程度上制約了頁巖氣鉆井成本，且易污染周邊環(huán)境[1-3]。因此有必要開展該區(qū)表層鉆井井漏研究，分析評價(jià)井漏情況及治漏效果，以針對性的提出防漏治漏措施。

一、表層井漏情況統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析了2011～2017年的長寧區(qū)塊頁巖氣86口井表層(飛仙關(guān)組及以上地層)發(fā)生的井漏。86口井中，共有56井發(fā)生明顯井漏，占比65.1%，累計(jì)井漏156次。其中73口采用過清水或鉆井液鉆井，發(fā)生明顯井漏的有48口，占比例65.8%，發(fā)生井漏120次；36口井實(shí)施了氣體鉆井，有29口井氣體鉆井中發(fā)現(xiàn)明顯井漏，占比78.4%，發(fā)生井漏36次。

1.漏失地層分析

發(fā)生井漏的井中，出露層為須家河、嘉陵江、自流井為主。出露層為須家河組的井占比41.1%，嘉陵江組占比32.1%，自流井組占比21.4%，雷口坡組占比3.6%。

井漏主要發(fā)生在須家河、嘉陵江組。其中須家河組漏失75次，占比48.1%，嘉陵江組51次，占比32.7%，雷口坡組16次，占比10.3%。須家河組井漏發(fā)生的平均井深為82.8 m，雷口坡組井漏發(fā)生平均井深為196.7 m，嘉陵江組發(fā)生井漏平均井深為311 m，飛仙關(guān)組發(fā)生井漏平均井深為794 m。按井深統(tǒng)計(jì)漏失，0～200 m發(fā)生井漏的次數(shù)最多，占比60.9%，其次為200～500 m，占比23.7%，500～1 000 m占比15.4%。并且0～200 m的平均漏失量最多，平均漏失清水863 m3，平均漏失鉆井液362 m3，500～1 000 m的漏失量清水量也較多，平均漏失清水765 m3，平均漏失鉆井液156 m3。

2.漏失類型分析

按漏速劃分，156次井漏中，有漏速數(shù)據(jù)的井漏有132次。漏失以中漏、大漏和嚴(yán)重漏失為主。中漏及以上漏失占比82.6%，其中嚴(yán)重漏失占比57.6%。

按漏失通道劃分，漏失類型分為滲透性漏失、裂縫性漏失、溶洞性漏失，漏速<10 m3/h的為滲透性漏失，10～100 m3/h的為裂縫性漏失，100 m3/h以上的為溶洞性漏失。統(tǒng)計(jì)漏速發(fā)現(xiàn)，該區(qū)滲透性漏失10次，裂縫性漏失49次，溶洞性漏失75次。長寧頁巖氣表層井漏主要以溶洞和裂縫漏失為主。溶洞性漏失占比57.6%，裂縫性漏失占比34.8%，滲透性漏失8.3%。由此可見，須家河組、嘉陵江組、雷口坡組和飛仙關(guān)組各層漏失均主要為裂縫性漏失和溶洞性漏失，須家河組溶洞性漏失占比60.7%，裂縫性漏失占比32.8%；嘉陵江組溶洞性漏失占比51.9%，裂縫性漏失占比38.5%；雷口坡組溶洞性漏失占比53.8%，裂縫性漏失占比38.5%；飛仙關(guān)組裂縫性漏失和溶洞性漏失各占50%。

二、現(xiàn)有防漏治漏技術(shù)評價(jià)分析

長寧區(qū)塊井漏后主要的處理方式有：注水泥、隨鉆堵漏、填充物+水泥、凝膠+水泥、橋漿+水泥、氣體鉆井等。

(1)注水泥堵漏方式是長寧區(qū)塊最常用、使用次數(shù)最多的堵漏方式，其總體一次治漏成功率平均為63.5%，在裂縫性漏失中的一次治漏成功率為66.7%，而在溶洞性漏失的一次治漏成功率僅為59.5%。分析發(fā)現(xiàn)，利用注水泥堵漏的方式存在效率低，耗時(shí)較長的問題。

例如：NH4-3井嘉陵江組井漏6次，注水泥堵漏6次，耗時(shí)17 d；NH11-3鉆進(jìn)至井深514.89 m出口失返，反復(fù)注水泥漿堵漏、候凝、鉆塞、用清水強(qiáng)鉆至542.48 m暫堵使用橋塞堵漏漿堵漏3次，注水泥堵漏13次(快干水泥6次)，注智能凝膠堵漏1次，注3H高橋堵漏漿1次均未堵漏成功，水泥封井暫堵，耗費(fèi)周期64 d。

(2)隨鉆堵漏應(yīng)對滲透性漏失效果較好，一次治漏成功率83.3%，但在裂縫性漏失和溶洞性漏失中效果較差，該堵漏方式在滲透性漏失的成功率僅為37.5%，在溶洞性漏失中實(shí)施堵漏1次未成功。因此，隨鉆堵漏主要適用于漏速較小的井漏，當(dāng)漏速>20 m3/h，使用隨鉆堵漏效果差。

(3)在漏速較大的井漏中，使用核桃殼、砂石、磚塊、蛇皮袋、棉被、棕墊等固體填充物配合注水泥的方式，將裂縫或溶洞等漏失通道堵塞，阻止或降低鉆井液漏失，在裂縫性井漏中使用成功率為80%，成功率較高；在溶洞性漏失中治漏成功率為66.7%。綜合治漏成功率為71.43%。但在一些井使用固體填充物堵漏過程中，堵漏效率較低，堵漏周期長，例如在H11-3井鉆至542.89 m(嘉陵江組)發(fā)生井漏，注水泥堵漏無效，改用投棕墊、編織袋、碎石等填充物堵漏仍然無效，后采用清水強(qiáng)鉆至612.45 m再轉(zhuǎn)氣體鉆，耗時(shí)15 d。

(4)溶膠或溶液中的膠體粒子或高分子在一定條件下互相連接，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的液體，這樣一種特殊的分散體系稱作凝膠。凝膠堵漏的作用機(jī)理有：架橋堵塞作用、膨脹堵塞作用、化學(xué)膠結(jié)作用。膠結(jié)劑能將橋堵材料同地層膠結(jié)成整體，增強(qiáng)井壁的抗破能力[2-4]。

在長寧區(qū)塊使用凝膠堵漏主要應(yīng)對裂縫性漏失和溶洞性漏失，在裂縫性漏失中，凝膠堵漏治漏成功率為80%，但在溶洞性井漏的治漏成功率僅為37.5%，成功率較低。凝膠堵漏綜合治漏成功率為53.8%。凝膠堵漏主要應(yīng)用于裂縫性漏失和溶洞性漏失，在裂縫性漏失中，凝膠堵漏治漏成功率為80%，但在溶洞性井漏的治漏成功率僅為37.5%，成功率較低，綜合治漏成功率為53.8%。

(5)橋漿堵漏在長寧區(qū)塊使用較少，主要出現(xiàn)在裂縫性漏失中，但成功率僅為57.1%。

(6)氣體鉆井技術(shù)是目前該區(qū)塊表層井漏治漏的最有效技術(shù)，不僅能較好應(yīng)對井漏，避免環(huán)境污染，還能提高鉆速。

但是由于氣體鉆井本身的特點(diǎn)，在易垮、產(chǎn)水量大等地層實(shí)施存在一定困難。在本區(qū)易垮、產(chǎn)水量大等地層實(shí)施氣體鉆井主要存在易阻卡、攜砂困難等難題。部分井在使用氣體/霧化鉆井時(shí)，存在蹩卡嚴(yán)重、劃眼困難等問題，被迫轉(zhuǎn)為清水鉆進(jìn)或充氣鉆進(jìn)，多次注水泥補(bǔ)壁，多下套管封固垮層；NH7-X井空氣霧化鉆進(jìn)至井深650 m，短起下，探得沉砂70 m，霧化鉆進(jìn)至井深737 m，起鉆至井深507 m，反復(fù)震擊、泡酸、活動鉆具解卡。

三、高效防漏治漏技術(shù)

1.巖溶勘查效果評價(jià)

采用電法勘探監(jiān)測地下暗河、巖溶，可以盡量避開易漏失的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，也可為鉆井確定表層套管下深、鉆井方式等提供參考，從源頭上減少上部井段井漏及可能造成的環(huán)保影響[5]。

電法勘探是根據(jù)地殼中巖石的電磁學(xué)性質(zhì)(如導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性)和電化學(xué)特性的差異，通過對人工或天然電場、電磁場或電化學(xué)場的空間分布規(guī)律和時(shí)間特性的觀測和研究，查明地質(zhì)構(gòu)造及解決地質(zhì)問題的地球物理勘探方法?？墒褂酶呙芏入姺?、可控源音頻大地電磁法兩種電法勘探方法探明獲取長寧區(qū)塊1 000 m以淺的地層視電阻率剖面圖，并以此來預(yù)測斷層破碎帶、巖溶及暗河發(fā)育情況，為表層鉆井提供地質(zhì)依據(jù)。

圖1為某平臺的電法視電阻率反演剖面，部署多個(gè)勘探線，綜合多個(gè)視電阻率反演剖面，可完整顯示平臺四周地層情況。如圖1所示的高密度電法測線圈定出2處低阻異常，異常編號分別為G12及G13，推測為淺部裂隙發(fā)育、巖層較為破碎、含水引起；同時(shí)，音頻大地電磁法視電阻率反演剖面顯示，在埋深約100 m以淺視電阻率等值線變化急劇，不是完整基巖的電性反映；100～1 000 m深部地層整體視電阻率等值線分布均勻，無明顯電性異常存在。綜合兩種電法勘探成果，可推測：平臺下覆1 000 m以淺地層中，平臺淺部巖層較為破碎，影響埋深約100 m以淺，鉆井至此區(qū)域時(shí)，須做好防范措施，埋深100～1 000 m以淺地層視電阻率等值線較為均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯電性異常存在，鉆遇巖溶可能性小。

圖1 某平臺高密度電法視電阻率反演剖面

2017年以來，長寧區(qū)塊為預(yù)防和治理地表井漏問題，在多個(gè)平臺開展了巖溶地質(zhì)勘查工作，通過地質(zhì)勘查預(yù)測出地表1 000 m內(nèi)潛在的地下巖溶發(fā)育情況，為優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)選鉆井施工工藝提供依據(jù)，指導(dǎo)了鉆井防漏工作。

根據(jù)巖溶勘查，某X井預(yù)測在井深260～300 m附近巖溶發(fā)育；某Y井預(yù)測在井深200 m以內(nèi)巖溶發(fā)育，并在實(shí)鉆中得到驗(yàn)證：實(shí)鉆中，X井265～314 m多處井漏，最大漏速60 m3/h；750 m漏速6.9 m3/h；Y井73.8～178 m附近實(shí)施霧化鉆井鉆遇溶洞，出現(xiàn)失返。由此可見，巖溶勘查將為后期的井位部署、表層鉆井預(yù)防井漏提供有效指導(dǎo)。但是，在多個(gè)巖溶勘查報(bào)告中提到，因井場已經(jīng)水泥硬化，音頻大地電磁法測量時(shí)無法進(jìn)行電極罐的埋深，且水泥硬化路面有電性絕緣作用，因此井場區(qū)域無法進(jìn)行音頻大地電磁法的測量，將測線進(jìn)行了向外調(diào)整(50 m左右)，多個(gè)音頻大地電磁法測線并未通過井口，僅從井場周邊進(jìn)行測量，因此多次音頻大地電磁法成果只是間接的對井口下方巖溶進(jìn)行控制。此外，井場建設(shè)施工所用的鋼筋會對瞬變電磁產(chǎn)生影響，也影響了巖溶勘查結(jié)果。因此，巖溶勘查工作在井位部署或井場建設(shè)之前開展，以進(jìn)一步提高巖溶勘查準(zhǔn)確率。

2.井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2017年前，長寧地區(qū)主要采用2套井身結(jié)構(gòu)。對于出露地層為非堆結(jié)體的普通山地井區(qū)，一開應(yīng)下?508 mm套管至50～80 m,封固上部疏松易垮層，為氣體鉆井創(chuàng)造條件，二開?444.5 mm套管應(yīng)下至嘉二1段，封固嘉陵江上部易漏層，?244.5 mm下入韓家店頂部，?139.7 mm套管完鉆；對如長寧H13平臺這樣出露層為堆結(jié)體地層的井區(qū)，根據(jù)實(shí)鉆垮、漏等必封點(diǎn)位置，在0～160 m上部井段，采用三層套管進(jìn)行封固，?244.5 mm、?139.7 mm套管下入原則與普通山地井區(qū)相同[1,5]。

隨著開發(fā)區(qū)域的不斷擴(kuò)大，井身結(jié)構(gòu)在表層防漏治漏方面又面臨了新的挑戰(zhàn)。如某井井場為填方井場，上部地層疏松，且井場臨近地表河流，根據(jù)井漏統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合巖溶勘查報(bào)告，優(yōu)化將表層套管下入飛仙關(guān)頂，以封隔最易漏失的須家河組和嘉陵江組等上部地層。井身結(jié)構(gòu)方案具體如下：一開鉆進(jìn)硬地層2～3 m，下?720 mm卷管，二開用?660.4 mm鉆頭鉆至150～200 m，下?508 mm套管，封隔上部以上的嚴(yán)重漏失層，減少損害地表水的幾率，三開用?406.4 mm鉆頭鉆進(jìn)飛仙關(guān)，將?339.7 mm套管下入飛仙關(guān)頂50 m，將嘉陵江組易漏地層完全封隔。設(shè)計(jì)開眼使用清水鉆進(jìn)，進(jìn)入穩(wěn)定地層后下?720 mm卷管，二開、三開實(shí)施空氣/霧化鉆井、清水鉆井，并在飛仙關(guān)組采用清水鉆井，以有效治理井漏，預(yù)防鉆井液漏失造成環(huán)境污染。

因此，目前長寧區(qū)塊針對普通山地、堆結(jié)體山地和極易損害地表水源山地三種不同地形優(yōu)化形成了三套不同的井身結(jié)構(gòu)方案。

然而，由于環(huán)境敏感帶來的巨大環(huán)保壓力，在新設(shè)計(jì)的井區(qū)大量使用極易損害地表水源的井身結(jié)構(gòu)，將?508 mm套管下入較深，易造成鉆井效率低和一定的成本增加。

因此，建議在平臺的第一口井可將表層套管下入飛仙關(guān)頂部，若地質(zhì)條件良好，可將?508 mm套管下如50～60 m，并將?339.7 mm表層套管下至嘉二1段。

3.清水強(qiáng)鉆方式

清水強(qiáng)鉆是以犧牲大量清水為代價(jià)，在井漏發(fā)生后保持清水循環(huán)并強(qiáng)行鉆至固井井深下套管固井。使用清水鉆井液鉆進(jìn)能強(qiáng)化循環(huán)液體攜巖能力，確保井下安全。這種方式在易出水地層比氣體鉆井更具優(yōu)勢。實(shí)鉆中采用大排量，提高大尺寸井眼的攜砂能力，減少井下復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、通井一趟鉆，大大減少起下鉆時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了快防漏的快速鉆進(jìn)過程。嘉陵江、飛仙關(guān)地層含水，常規(guī)鉆井需預(yù)防與處理出水情況，而用清水代替鉆井液時(shí)，出現(xiàn)地層出水現(xiàn)象時(shí)，只需保持清水循環(huán)順暢就能夠繼續(xù)鉆進(jìn)。在出水地層比氣體鉆井具有優(yōu)勢。當(dāng)發(fā)生惡性漏失情況，需要用清水強(qiáng)鉆，迅速下套管封固而后繼續(xù)鉆進(jìn)[5-6]。

涪陵地區(qū)使用清水鉆井技術(shù)，平均機(jī)械鉆速、鉆井周期等指標(biāo)均比常規(guī)鉆井和泡沫鉆井優(yōu)秀[5]。因此，清水強(qiáng)鉆方式被認(rèn)為是應(yīng)對涪陵頁巖氣田表層漏失有效的手段。

但是，清水鉆進(jìn)也伴隨著攜屑攜砂能力不強(qiáng)，沉砂沉屑較多容易造成卡鉆等問題，針對這一問題制定了以下措施：

(1)盡可能増大泥漿泵的排量；加快接單根的速度；振動篩篩布使用160目，除砂器使用200目，有效地降低清水中的固相含量。

(2)清水鉆進(jìn)時(shí)向清水內(nèi)加入一定量的聚丙烯酰胺鉀鹽和高黏來提高其懸浮攜砂能力和包被能力。

(3)鉆完進(jìn)尺下套管前，配稠漿(加入少量土粉、高黏、大鉀)洗井將井眼內(nèi)巖屑清洗干凈，保證下套管的順利。

利用清水強(qiáng)鉆需要滿足水源充足、泵排量大于60 L/s的條件，確保巖屑流入縫洞中，防止沉砂卡鉆，需要消耗大量水資源。因此，建議每個(gè)井區(qū)接通供水管線，以保障清水強(qiáng)鉆作業(yè)用水。

4.表層套管鉆井技術(shù)

套管鉆井技術(shù)是指在鉆進(jìn)過程中，直接采用套管(取代傳統(tǒng)的鉆桿)向井下傳遞機(jī)械能量和水力能量，井下鉆具組合接在套管柱下面，邊鉆進(jìn)邊下套管，完鉆后作鉆柱用的套管留在井內(nèi)作完井用。套管鉆井技術(shù)將鉆進(jìn)和下套管合并成一個(gè)作業(yè)過程，鉆頭和井下工具的起下在套管內(nèi)進(jìn)行，不再需要常規(guī)的起下鉆作業(yè)。

表層套管鉆井方式可改善大尺寸井眼段環(huán)空上返速度和井筒清洗狀況；實(shí)現(xiàn)下套管與鉆進(jìn)同步進(jìn)行，保證能把套管下入、實(shí)現(xiàn)封隔漏層，縮短完井周期，最大程度減少鉆井液漏失對水源損害；表層套管鉆井還可以采用氣體鉆井鉆進(jìn)，一旦出水轉(zhuǎn)清水或鉆井液鉆進(jìn)。結(jié)合氣體鉆井工藝提高機(jī)械鉆速，若地層出水則采用清水鉆進(jìn)，對地層水不會產(chǎn)生損害。

因此，建議可在本區(qū)開展?339.7 mm表層套管鉆井適用性試驗(yàn)。

四、結(jié)論及建議

(1)長寧區(qū)塊表層井漏普遍存在且漏失嚴(yán)重，主要以溶洞和裂縫漏失為主，漏失主要發(fā)生在須家河、嘉陵江組。采用氣體鉆井方式可有效治理表層井漏，機(jī)械鉆速較高，也存在攜砂困難、易阻卡等問題；注水泥、隨鉆堵漏、固體填充物、凝膠、橋漿等表層堵漏技術(shù)在長寧表層裂縫型漏失和溶洞型漏失治理成功率不高。

(2)長寧區(qū)塊開展巖溶勘查預(yù)測地下暗河、巖溶，并在實(shí)鉆中得到驗(yàn)證。采用電法勘探監(jiān)測地下暗河、巖溶，可以盡量避開易漏失的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，也可為鉆井確定表層套管下深、鉆井方式等提供參考，從源頭上減少上部井段井漏及可能造成的環(huán)保影響，可為后期的井位部署、表層鉆井預(yù)防井漏提供有效指導(dǎo)。

(3)目前已形成適合于極易損害地表水源山地、一般山地、堆積體山地地形3套井身結(jié)構(gòu)，滿足了長寧區(qū)塊表層防漏治漏的需求。但新設(shè)計(jì)井大量使用極易損害地表水源的井身結(jié)構(gòu)，?508 mm套管深下造成一些井表層鉆井效率低、鉆井周期長；建議根據(jù)巖溶勘查結(jié)果和井區(qū)第一口井實(shí)鉆情況合理確定表層套管下深，以提高鉆井效率，減少不必要的浪費(fèi)。