青德地1井優快鉆進技術實踐與認識

張少林 衣風龍 鮑海山

摘要：根據孔內事故復雜程度，在滿足地質設計要求的前提下，針對一些在短時間內難以處理或者處理難度較大的卡鉆、埋鉆、燒鉆等鉆探事故，結合實際情況側鉆繞障開展全面無芯鉆進，是提高鉆進效率、節約鉆探成本、縮短鉆探施工周期的重要技術方法。

關鍵詞：天然氣水合物鉆探、復雜地層鉆進、常規無芯鉆進技術

青德地1井是中國地質調查局油氣資源調查中心部署在青海省祁連山哈拉湖地區的1口天然氣水合物地質調查井，設計井深700m，該井先后采用了JS135大口徑繩索取心工藝、JS95繩索取芯工藝、成膜泥漿護壁體系、全面無芯鉆進工藝、鋁酸鹽水泥定段定點封閉，側鉆繞障鉆進技術等不同的鉆進方法和技術工藝，最終順利完成了該井的鉆探工作任務，取準取全了各項地層資料及參數，達到了地質設計要求。尤其在實施事故井段采用側鉆繞障無心鉆進技術和成膜泥漿工藝，取得了良好的鉆進效率，為今后類似事故的處理和開展無芯鉆探施工積累了一定的實鉆經驗，因此具有一定的借鑒和參考意義。

1工程概況

青德地1井于2016年9月21日開鉆之后，0-300m井段使用JS135大口徑繩索取心工藝鉆進，300-722m井段使用JS95金剛石繩索取芯工藝鉆進，2016年12月13日鉆進至井深722.08m時發生了較為嚴重的卡鉆事故，通過采取提、拉、頂、轉、反等方法處理，至12月26日處理上來井內鉆具14組、殘留26組，2016年12月27日至2017年4月25日冬季寒冷停工保孔，2017年3月28日復工采用了擴、套、反的方法繼續處理井內事故，但是由于季節變化凍土層解凍、井內發生多次垮塌，井壁穩定性急劇變差、井徑也逐漸擴大，由一起簡單卡鉆事故變為多方面綜合的復雜事故，事故井深逐漸變淺至121m，科學的分析之后及時調整該井鉆進方案，決定先采用鋁酸鹽水泥定段定點封閉，然后側鉆繞障鉆進技術繞過事故井段，再使用全面無芯鉆進方法鉆進至原井深，最后再換JS95繩索取芯鉆具鉆進至完井深度。

2鉆遇地層及施工難點

2.1鉆遇地層

青德地1井鉆遇地層主要為第四系、新近系、古近系、侏羅系，其中第三系地層為主要目的層，鉆遇深度為120m-720m，巖性主要為灰色細砂、粉砂夾薄層灰色粘土、粉砂質粘土、泥質粉砂，灰色、灰黑色砂泥、砂礫互層逐漸變為雜色砂泥互層，泥質膠結，較疏松，泥質膠結，較疏松、較為典型的水敏性、水化分散地層，下部侏羅系地層為完鉆層位，鉆遇深度為718m-731m，巖性主要以粉砂巖、細粒砂巖為主，砂泥互層，軟硬交錯，巖層較為破碎、斷層裂隙發育，弱研磨性，可鉆性1-4級。

2.2施工難點

根據青德地1井巖層特征和實鉆情況，該井的鉆探施工主要面臨上部卵石層巨厚、凍土層解凍、目的層井壁穩定性差、下部侏羅系地層巖層破碎、膠結性、固結性差等工程難題。

2.2.1永凍層解凍

祁連山哈拉湖地區屬高寒缺氧無人區，從地表至井深120m深度范圍內廣泛存在季節性凍土和永久凍土層，在凍土層鉆進時導致凍土解凍、融化，井壁的穩定性差，易出現井壁垮塌、井徑擴大等現象。

2.2.2卵石層巨厚

青德地1井第四系砂、卵、礫石覆蓋層巨厚，平均厚度大于130m，該層結構松散、無棱角、磨圓度號、又特別堅硬，井壁極易坍塌掉塊，在鉆進取芯過程中，井內事故多，鉆探效率低。

2.2.3井壁穩定性差

主要目標層段固結程度較為松散、地層穩定性差，在鉆進取芯過程中井壁極不穩定，其中細砂、細礫巖層膠結性能較差，透水性好，松散、脫落，而部分泥巖和粘土巖層遇水膨脹，易發生縮徑、卡鉆等現象，對泥漿性能要求高。

3設備設施投入

青德地1井滿足井控要求，其投入的設備主要有：HXY-6型全液壓立軸式巖心鉆機1臺套，NBB-250/6型泥漿泵1臺，康明斯200KW柴油發電機組1臺，YAS22.5-70A型鉆塔1套（底座高度2.2m），2FZ28-21型液控雙閘板防噴器組及壓井節流管匯1套，陸地凍土區天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統1套。

4優快鉆進技術

4.1鉆進方法優選

根據地質設計要求和井內復雜情況及事故特征，青德地1井事故井段采用側鉆繞障鉆進工藝和全面無芯鉆進工藝，保證了鉆孔的順利完工。

4.1.1側鉆繞障鉆進技術

在青德地1井鉆探施工過程中，前期采用JS95金剛石繩索取芯工藝鉆進井深722.08m時發生卡鉆事故，經過處理部分鉆具遺落井內，之后因季節變化凍土解凍井壁失穩，井內發生多次嚴重垮塌，事故井深變淺至121m處，為了節約成本、縮短工期、如期完成工作任務，采用了鋁酸鹽水泥定段定點封閉技術和側鉆繞障鉆進技術，具體實施過程如下：

（1）經過查看現場巖芯實物和分析前期獲取的地層資料，選擇可鉆性好的新近系暗紅色泥巖層為導斜目標井段，采用異徑自然造斜的方法側鉆。

（2）使用封固效果比較好的鋁酸鹽水泥（圖4-1）將井深115m-121m進行定點定段封閉，水泥漿按照0.5-0.6水灰比標準配置，配置比例為鋁酸鹽水泥 + 0.05%速凝劑 + 水，采用泵入法將配置好的水泥漿連續均勻的輸送到封閉井段。

（3）現場小型試驗表明，鋁酸鹽水泥的初凝時間為5-6小時，因此水泥漿注入完6小時之后，下鉆具進行探孔，以便進一步驗證定段封固效果。

（4）待水泥漿凝固3天以后，配異徑導斜鉆具（導斜鉆頭 + 常規Φ50地質鉆桿 + 異徑接手 + 常規Φ60mm地質鉆桿 + 主動鉆桿）下入井內進行掃孔、鉆進偏斜。

（5）在掃孔、偏斜鉆進過程中必須做到“一輕、二慢、大泵量”即鉆壓要輕（1-3KN足夠）、轉速要慢（80-175r/min）、盡量開低轉速。

（6）當導斜鉆具接觸和鉆入到水泥封閉井段之后，在事故井深上下2m左右井段，必須反復串動鉆具修復井壁，修正因異徑偏斜造成的狗腿井段，避免影響無芯鉆具的順利下入。

圖4-1 鋁酸鹽水泥和高效液體潤滑劑

4.1.2全面無芯鉆進技術

當異徑偏斜鉆具鉆進超過水泥封固井段底部5m以后，使用全面無芯鉆具鉆進施工，（Φ112mm全面無芯鉆頭 + Φ89mm導正巖芯管（1根6m）+ 變徑腦袋 + 常規Φ60地質鉆桿 + 主動鉆桿），鉆進全程采用常規地質6m長巖心管進行導正“防斜打直”，根據巖層特征，優先了三翼合金刮刀鉆頭和高強度PDC一體式鉆頭兩種類型的全面高效無芯鉆頭，同時對鉆進參數也進行優化，選用低鉆壓、中小轉速、大泵量實施鉆進（鉆進壓力5-8KN、機械轉速80-217r/min、泵量140-164 L/min，），通過采取以上方法措施，順利鉆至原井深722.08m，之后再換JS95繩索取芯鉆具鉆進至設計井深731.24m測井終孔。

在開展事故井段全面無芯鉆進過程中實現最高日進尺64.82m，全井段平均日進尺40.11m，平均每小時鉆進速度1.67m/h，取得了不錯的效果。

（1）開展全面無芯鉆進，鉆具結構的設計和優化至關重要，鉆具結構是否合理關系到采用什么樣的鉆進規程，并且直接影響鉆進效率和成本問題。

（2）開展全面無芯鉆進，鉆進壓力不易過大，如果鉆壓過大，局部鉆桿容易彎曲、鉆具不穩定，不利于防斜打直，現場實踐表明，鉆壓范圍選擇5 - 8 KN為比較合適。

（3）開展全面無芯鉆進，鉆頭切削研磨的巖屑和巖粉顆粒較多，為了保持井底干凈、避免重復破碎，泥漿泵量要比繩索取芯鉆進適當大一些，一般控制在140-164 L/min為宜，在較大泵量下可實現較好的鉆進速度。

圖4-2 三翼合金刮刀鉆頭和三翼PDC一體式鉆頭

4.2泥漿體系優選

根據青德地1井巖層特征，前期繩索取芯階段主要使用了成膜泥漿體系護壁，基本配方為：5%成膜A劑 + 0.2%燒堿 + 0.2%高效包被劑 + 0.6%抗鹽共聚物 + 0.5%降失水劑 + 2%GFD-1 + 5%液體潤滑劑，在鉆進過程中雖然該泥漿體系具有一定的護壁、潤滑、攜帶巖粉能力，但是隨著井深的逐漸延伸，巖粉粘土顆粒不斷入侵、泥漿體系的流變性較難以控制，井壁濾失量也較高，泥漿整體抑制能力較差，這也是該井發生卡鉆事故直接原因。由于前期鉆探施工選配泥漿體系主要依據是地質方面提供的地層資料，該地區又屬于鉆探盲區、沒有可參考借鑒的鄰井資料，因此泥漿體系的選配上也存在一定的盲目性。

針對青德地1井存在的第四系卵礫石層巨厚、凍土層易解凍垮塌或易凍鉆具，上部第三系井壁穩定性差、易坍塌、掉塊，下部目的層縮徑嚴重、易卡鉆、易脫落和全面無芯鉆進巖屑多攜帶困難等施工難點，在全面無芯鉆進過程主要選擇和應用了具有較強抑制能力、低濾失量、低密度、潤滑性好的高性能聚合物陽離子無固相泥漿體系，基本配比為：廣譜護壁劑8kg + 高粘防塌劑3-4kg + 磺化褐煤樹脂8kg + 腐殖酸鉀8kg + 聚丙烯酸鉀1.5kg + 0.5kg液體潤滑劑，性能指標：比重：1.04-1.06g/cm3、粘度：28-36s、失水量：5-6mL/30min、PH：7-9、泥皮厚度：0.5-0.8mm。該泥漿體系中由于鉀離子、褐煤陽離子、正點膠等陽離子抑制能力較強，可有效抑制井壁失穩、降低濾失量和泥漿密度，有利于提高鉆進效率、維護井壁穩定。

在全面無芯鉆進過程中，根據不同巖層的護壁需求，制定和采取了有針對性的泥漿維護與處理方案，使得該泥漿體系在青德地1井整個無芯鉆進階段和后期繩索取芯、完井測井等各個環節泥漿性能參數相對穩定、抑制能力強、井壁穩定、潤滑性良好，全井未再出現任何井內復雜事故。

（1）全面無芯鉆進泥漿泵量保持在140L/min以上、粘度控制在25-30秒，比較有利于攜帶巖屑巖粉、保持井底干凈。

（2）合適的泥漿密度對提高無芯鉆進效率至關重要，現場實踐表明，只要將泥漿密度嚴格控制在1.08g/cm3以下，就能實現高效率優快鉆進。

（3）通過實踐應用與地層匹配，強抑制性能、低濾失量、低密度聚合物陽離子無固相泥漿，制定合理的維護方案，保證了青德地1井的順利完井。

5成果與認識

青德地1井在鉆探施工過程中，雖然發生了較為嚴重的井內事故、延長了施工周期、增加了施工成本。通過采用高強度鋁酸鹽水泥定段定點封閉、側鉆繞障技術繞過事故井段，實現了事故井段全面無芯鉆進施工，在較短的時間內完成了全面無芯鉆進任務，最終達到了地質設計要求，在事故井段歷時18天實現無芯鉆探進尺722.08m，取得了較好的鉆進效益，也為我單位今后在無芯鉆探施工領域實現優快鉆進積累了一定的經驗教訓和鉆探基礎資料。

（作者單位：青海煤炭地質一0五勘探隊）