郭軍 ，陳相霖 ，趙訓林 ，王文彬 ，李巖 ，韓菲

（1.湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410000；2.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083）

0 引言

隨著世界能源消費的不斷攀升，頁巖氣作為非常規(guī)能源越來越受到重視。在志留系、寒武系、震旦系和二疊系等頁巖層系相繼實現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)或取得重要突破的同時，我國南方的石炭系同樣被認為是一套重要的頁巖層系，特別是桂中-南盤江地區(qū)的打屋壩組地層被認為具有較大勘探潛力，并取得了一定的勘探成果［1-4］。但是，由于溶洞、地下暗河、地層坍塌、井漏及構造發(fā)育等各種地質復雜情況，部署在該區(qū)為數(shù)不多的頁巖氣井大都未能鉆遇目的層或未能完成設計任務，嚴重阻礙了該區(qū)的勘探步伐。因此，探尋適合該區(qū)的鉆探施工方法，降低施工成本，對于探明打屋壩組泥頁巖地層的含氣性、評估該套層系頁巖氣資源潛力、加快勘探步伐，具有重要意義。

黔水地1井在未經儲層壓裂改造的情況下獲得穩(wěn)定頁巖氣流，該井的成功施工，既開辟了打屋壩組頁巖氣勘查新區(qū)，拓展了滇黔桂地區(qū)頁巖氣的勘查邊界，又為該區(qū)及類似工程的鉆探施工提供了寶貴的施工經驗。施工過程中，該井鉆遇了泥礫層、破碎帶、溶洞，以及厚度大、水敏性強、承壓能力弱的泥頁巖地層等，發(fā)生了井壁垮塌、下鉆遇阻、卡鉆、井漏、井涌等各種復雜情況。

為此，從實際鉆探施工情況出發(fā)，為應對井下復雜情況，現(xiàn)場創(chuàng)新性地應用了跟管鉆進、頂漏鉆進、近平衡鉆進、聚磺鉆井液體系、雙凝雙密度固井等多項關鍵技術，建立了適合該區(qū)的鉆探施工方法體系，為后續(xù)的勘探施工提供了指導。

1 工程概況

桂中-南盤江頁巖氣調查井黔水地1井位于貴州省六盤水市埡紫羅裂陷槽西北緣的玉皇洞向斜，鉆探目的是探索石炭系打屋壩組頁巖氣地質形成條件及含氣性，獲取資源評價的關鍵參數(shù)。設計井深為2 500.00 m，實際完鉆井深為2 500.00 m，完鉆層位為睦化組；完井方式為下入φ139.7 mm生產套管，固井完井。

1.1 地質概況

具體地層劃分及特征見表1。

表1 黔水地1井地層劃分及特征

1.2 鉆探施工情況

桂中-南盤江地區(qū)黔水地1井采用二開井身結構。導管采用φ480.0 mm跟管鉆頭鉆至井深33.70 m，進入基巖后，進行固井，封隔地表第四系松散軟弱層南丹組頂部破碎帶和溶洞發(fā)育層；一開采用φ311.2 mm PDC鉆頭鉆至井深1 004.00 m，改用φ215.9 mm PDC鉆頭鉆引導眼至井深1 057.74 m，下入φ244.5 mm技術套管進行固井，套管下深1 001.34 m，封固南丹組巖溶發(fā)育層；二開采用φ215.9 mm PDC鉆頭鉆至井深2 500.00 m，下入φ139.7 mm生產套管進行固井，套管下深到2 390.25 m，固井質量能夠滿足大型水力壓裂要求。

由于井下復雜，全井鉆遇1個溶洞，發(fā)生1次卡鉆、多次遇阻，多次井漏，并進行了1次側鉆，故工期較長，全井鉆井周期145 d，完井周期166 d，臺月效率513.35 m。

2 井下復雜及技術難題

2.1 導管段成孔困難

導管段設計井深30.00 m，為第四系的覆蓋層和南丹組頂部的風化殼部分，地層松散，破碎嚴重，落水洞、溶洞發(fā)育。開孔后，采用φ311.2 mm鉆頭進行先導孔鉆進，鉆至井深17.10 m處發(fā)生惡性漏失，井口失返；23.60 m發(fā)生垮孔；26.50～28.00 m鉆遇溶洞；32.10 m，因出現(xiàn)埋鉆征兆，上提鉆具，再下放鉆具至井深28.00 m處，多次探原井眼失敗，現(xiàn)場判斷為溶洞上部地層發(fā)生垮塌所致。經撈巖屑、商砼封堵等多種處理措施，均無果，施工作業(yè)被迫中止。

2.2 石灰?guī)r地層惡性漏失頻發(fā)

一開后，鉆至井深217.00 m處，鉆速驟然加快、鉆壓驟然下降，鉆具呈現(xiàn)放空現(xiàn)象，鉆井液完全失返；鉆至井深229.00 m處，鉆井液再次完全失返。鄰井資料顯示，井區(qū)范圍之內的南丹組地層為裂隙、溶洞、地下暗河等巖溶極其發(fā)育的厚—巨厚層狀石灰?guī)r地層，施工過程中均多次發(fā)生惡性漏失，若進行封堵，工期會被無限拉長，同時施工成本和施工周期也會急劇增加。

2.3 井壁易失穩(wěn)

根據(jù)實鉆情況和巖心分析結果，目的層打屋壩組鉆厚1 218.00 m，泥頁巖鉆厚947.35 m，單層最大厚度73.00 m；泥頁巖礦物組分主要為石英和黏土。黏土以伊利石和伊/蒙混層為主。施工過程中，井壁吸水膨脹嚴重，易垮塌，發(fā)生了一次埋鉆事故，多次起下鉆遇阻。

2.4 漏涌并存

填井側鉆前，自井深1 271.00 m至井深2 168.30 m，共發(fā)現(xiàn)氣顯示異常層57層，多處漏涌并存。其中，井深1 886.00 m處的氣測全烴最大值76.27%（質量分數(shù)，下同），甲烷75.12%，槽面上漲明顯，氣泡約占80.0%，鉆井液密度由1.20 g/cm3提高至1.30 g/cm3，同時伴隨井漏的發(fā)生，漏速約30.0 m3/h。

2.5 固井難度大

一是目的層氣測顯示好，氣測值高，固井時易發(fā)生氣竄；二是目的層段施工過程中，多處發(fā)生井漏，最大漏速180.0 m3/h；三是目的層段地層承壓能力弱。施工過程中，所用鉆井液密度最大為1.33 g/cm3，固井用水泥漿極易使井漏情況變得更加復雜。

3 關鍵技術及應用效果

3.1 轉盤帶動的跟管鉆進技術

針對導管段溶洞上部地層垮塌嚴重，致使下部井眼和鉆具極易被埋，不能成孔的難題，現(xiàn)場創(chuàng)新性地引入了跟管鉆進技術。該技術是將潛孔錘技術和跟管技術融合在一起的一種鉆進新技術?，F(xiàn)場所使用的同心滑塊跟管鉆進，其中心鉆頭的花鍵與沖擊器相連，管靴與套管相連。不工作時，鉆頭的滑塊呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，其直徑小于套管直徑；工作時，滑塊在地面向上壓力的作用下呈現(xiàn)張開狀態(tài)，其直徑大于套管直徑。跟管鉆頭在沖擊器和鉆機扭矩的共同作用下，進行沖擊、回轉、鉆進。同時，將部分沖擊力通過管靴傳遞給套管，使得套管與鉆具同步跟進，從而實現(xiàn)復雜地層的封隔和井壁的穩(wěn)固［5-6］。

跟管鉆進的鉆具和套管是同步進行、同步加尺，常規(guī)使用時，均是配置在全液壓動力頭鉆機上。加單根時，先把加接的鉆桿與井內鉆桿相連，后從鉆桿頂部套入套管，再把加接的鉆桿與動力頭相連。黔水地1井所用鉆機為轉盤帶動動力輸出，轉盤口小于跟管套管的直徑，跟管鉆具和套管不能正常加尺。針對該種情況，現(xiàn)場根據(jù)鉆臺面的高度，對鉆桿和套管進行切割改造，使其長度小于鉆臺面的高度。每次加接鉆桿前，先在井口處加接套管，后把加接的鉆桿通過轉盤面插入套管內，與井內鉆桿進行對接。

現(xiàn)場引入跟管鉆進技術后，根據(jù)實際需要選擇了具體參數(shù)：鉆頭直徑480.0 mm、鉆壓20.0 kN、轉速35 r/min、空氣壓力1.8 MPa、供風總量140.0 m3/min。施工歷時 8.0 h，鉆進井段 20.00～33.70 m，進尺 13.70 m，鉆遇地層發(fā)育泥礫層、破碎帶、溶洞等各種復雜情況，施工過程順利。鉆入基巖層后停止鉆進，進行固井作業(yè)，導管段施工圓滿結束。

3.2 頂漏鉆進技術

以往鉆探資料表明：井內發(fā)生惡性漏失時，采用清水頂漏鉆進，對于井內無坍塌層或有輕微坍塌層是可行的，甚至比處理漏失更為有效。但對于井壁極不穩(wěn)定地層的井眼，如果只采用簡單的清水頂漏鉆進，輕則發(fā)生井下事故，重則造成井眼報廢［7-8］。針對工作區(qū)內的南丹組石灰?guī)r地層，惡性漏失頻發(fā)，但井壁相對穩(wěn)定，淺層氣不發(fā)育，基本為常壓等特點，現(xiàn)場采用頂漏鉆進技術進行一開鉆進。具體技術措施如下：

1）現(xiàn)場利用市政供水管網(wǎng)，引入2個φ100.0 mm的水管，并在現(xiàn)場配備了1個可以蓄水400.0 m3的清水池，保證充足的水源。

2）配制稠漿，利用鉆井液將其泵入已鉆裸眼井段，作為環(huán)空的墊漿，預防淺層氣的發(fā)生。

3）每鉆進30.00～50.00 m和起鉆之前，均泵入高黏度鉆井液攜砂、懸砂，以封堵較小裂隙和增加泵入井壁巖屑的黏度，提高井壁的穩(wěn)定性。

4）起鉆之前進行2個及以上循環(huán)周期的鉆井液循環(huán)，且嚴格進行短起下作業(yè)，用以光滑井壁和循環(huán)排砂。循環(huán)周的次數(shù)隨著井深的增加會相應增加，具體以起下鉆具順暢程度為準。

5）下鉆時，鉆頭出了導管之后，嚴格遵循“分段循環(huán)下鉆”和“劃眼下鉆”方式下鉆。順暢井段采用“分段循環(huán)下鉆”方式下鉆，遇阻井段采用“劃眼下鉆”方式下鉆。距井底30.00～50.00 m，探沉砂面后劃眼至井底。劃眼參數(shù)為鉆壓20.0～40.0 kN，轉速40～60 r/min，排量35.0 L/s。隨著井深的增加，劃眼速度應相應減慢，并加大排砂力度，杜絕因為激動壓力過大而導致井壁垮塌現(xiàn)象的發(fā)生。

自井深423.21 m處開始采用頂漏強行鉆進，井段464.00～479.00，624.00～632.00，648.00～653.00 m 等多處均出現(xiàn)鉆速驟然加快、鉆壓驟然下降等放空現(xiàn)象；至井深1057.74 m一開完鉆，純鉆進時間190.0 h，合計7.9 d，平均機械鉆速5.6 m/h，鉆井液完全失返，但鉆進順利，未發(fā)生井壁垮塌、卡埋鉆等工程事故。

3.3 主動節(jié)流循環(huán)的近平衡鉆井技術

為了預防因鉆井液密度過高而造成井漏的發(fā)生，針對頁巖氣多以吸附氣為主，泥頁巖儲層物性多屬于超低孔、超低滲儲層［9-11］，鉆進過程中，鉆井液所攜帶氣體多為鉆頭破碎巖石所含氣體，泥頁巖地層中的氣體進入井筒速度相對較慢且量少［12-13］。埋鉆之前，井內氣顯示全烴值最大76.27%等特點，現(xiàn)場創(chuàng)新性地采用主動節(jié)流循環(huán)的近平衡鉆進技術，即當氣測值升至較高值時，通過井控系統(tǒng)主動進行節(jié)流循環(huán)、放噴點火2個鉆井液循環(huán)周，后視開井后的具體情況確定是否增大鉆井液密度及其增值大小。此技術使得鉆井液中容易引起井涌的大氣泡能夠被液氣分離器大量、及時、迅速地排出，同時使得除氣量有限的除氣器能夠充分發(fā)揮清除氣體更徹底的優(yōu)勢，更好地清除掉鉆井液中不易分離的小氣泡，從而快速降低井內壓力，避免鉆井液密度增長過快。

同時，儲備2倍以上的井筒容積的重漿和足夠提高現(xiàn)有鉆井液密度至1.45 g/cm3的重晶石，并確保井控系統(tǒng)設備運轉正常和二十四小時井控坐崗制度，保證鉆井液密度盡可能走低限，最大可能地實現(xiàn)近平衡鉆進。現(xiàn)場進行壓井時，每次均以0.02 g/cm3的速度提高鉆井液密度；每次起鉆前，在充分循環(huán)鉆井液之后，泵入高于正常鉆進0.03 g/cm3的加重鉆井液，再進行起鉆；每鉆進200.00 m或純鉆進時間超過24.0 h，進行1次短程起下鉆。每次短程起下鉆均需起至φ244.5 mm技術套管的管鞋內，且充分循環(huán)鉆井液，保證井眼清潔。

根據(jù)以往施工經驗，現(xiàn)場決定當全烴值大于60.00%時，即進行“主動節(jié)流循環(huán)”。自側鉆開始至完鉆，全井共進行了4次主動節(jié)流循環(huán)式的放噴點火，對應全烴值分別為62.04%，64.67%，63.41%，63.09%。此方法的應用，有效地緩解了井內壓力，控制了鉆井液密度的快速增長。至完鉆，鉆井液密度最大值為1.23 g/cm3，與埋鉆之前相比，降低了0.10 g/cm3。

3.4 鉆井液性能優(yōu)化

最初設計的普通低固相聚合物鉆井液體系，尤其是針對局部破碎、水敏性強、厚度大、承壓能力差的目的層——打屋壩組泥頁巖地層，因其防塌抑制能力較差，根本不能滿足實際施工的需要［14-15］，導致鉆至井深2 163.30 m起鉆更換鉆頭時發(fā)生埋鉆事故；事故處理過程中，又在井深1 903.35 m發(fā)生嚴重漏失，漏速180.0 m3/h。

事故后，選用了聚磺鉆井液體系。該體系對水敏性泥頁巖、破碎帶等地層具有較強的防塌抑制能力，也優(yōu)化了鉆井液的流變性能［16-17］，具體配方為：（10.0%～15.0%）膨潤土+（0.3%～0.5%）PAM+（0.2%～0.3%）CMC+0.5%防塌防卡劑+0.3%磺化褐煤樹脂+0.3%廣譜護壁劑+0.2%磺化酚醛樹脂+0.5%消泡劑+4.0%NaOH+（1.0%～2.0%)地層壓力增強劑，其各項性能控制范圍見表2。

表2 聚磺鉆井液體系各項性能參數(shù)

該體系在常規(guī)聚合物鉆井液體系的基礎上，通過加入防塌防卡劑和磺化酚醛樹脂等材料，大大提高了對水敏性泥頁巖的防塌抑制能力，地層壓力增強劑則提高了地層承壓能力；同時，磺化褐煤樹脂和磺化酚醛樹脂降低了失水量［18］。在后續(xù)的施工中，自側鉆點1656.00 m至完鉆井深2 500.00 m，共計用時12.0 d，進尺844.00 m，未再發(fā)生井漏、井壁坍塌等井下復雜情況，施工順利。

3.5 雙凝雙密度固井技術

針對目的層段氣顯示好、漏失嚴重、承壓能力弱等特點，為了滿足后期壓裂作業(yè)的要求，同時防止固井施工中漏失和氣竄現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)場采用彈韌性雙凝雙密度水泥漿，領漿采用彈韌性低密度水泥漿，尾漿采用彈韌性防氣竄常規(guī)密度水泥漿，雙凝分界點位于700.00 m左右。領漿配方為嘉華G級油井水泥+20.0%漂珠+8.0%穩(wěn)定劑+3.0%早強劑+4.0%降失水劑+1.6%分散劑+3.0%緩凝劑+4.0%彈塑性材料+1.0%增韌材料+4.0%膨脹劑+0.1%纖維+0.3%消泡劑+58.0%水，密度 1.60 g/cm3，API失水量 41.0 mL，稠化時間 240.0 min，72.0 h頂部抗壓強度23.5 MPa。尾漿配方為G級油井水泥+3.5%彈塑性材料+3.5%降失水劑+1.5%分散劑+2.0%緩凝劑+1.0%增韌材料+3.0%膨脹劑+0.1%纖維+0.4%消泡劑+40.0%水，密度1.88 g/cm3，API濾失量46.0 mL，稠化時間148.0 min，48.0 h頂部抗壓強度18.7 MPa。

水泥漿注入前，先采用清洗液充分清洗界面，進一步提高界面的水泥膠結力，同時下入剛性和彈性套管扶正器保證套管居中度大于67%，并采用紊流、塞流替漿技術，一方面降低環(huán)空流動阻力，防止井漏，另一方面提高環(huán)空頂替效率，以保證固井質量。

雙凝雙密度固井技術能夠保證較小的液柱壓力，防止在固井過程中水泥漿漏失，解決了因水泥漿體積收縮和脫水失重所造成的流體竄流和膠結不好的微間隙，具有很強的膠結能力和防氣竄能力。固井質量測井解釋結果表明：套管與水泥的膠結面以膠結良好為主，水泥與地層的膠結面以膠結良好—中等為主，該井固井質量較好，能夠滿足后期壓裂試氣的要求。

4 結論

1）針對近地表的浮土層、破碎帶、裂隙、溶洞等所引起的惡性漏失、井壁垮塌等各種井下復雜情況，跟管鉆進技術成功地解決了黔水地1井的導管段成孔問題，避免了井位移動，節(jié)省了施工工期和施工成本，并創(chuàng)新了轉盤帶動的跟管鉆進技術，擴展了該技術的應用領域。

2）針對惡性漏失頻發(fā)的南丹組石灰?guī)r地層，頂漏強行鉆深1 057.74 m，實現(xiàn)了巖溶發(fā)育地層的一次性封隔，極大地節(jié)省了施工成本，為后續(xù)該區(qū)南丹組石灰?guī)r地層的鉆探工藝選擇、頂漏鉆進技術的應用及鉆進深度提供了重要參考。

3）主動節(jié)流循環(huán)的近平衡鉆進避免了鉆井液密度過大所造成的井漏；聚磺鉆井液體系提高了鉆井液的防塌擬制性能和流變性能；彈韌性雙凝雙密度固井技術保證了固井質量：三者的有機結合，實現(xiàn)了側鉆井段的快速、順利施工。