牛場區塊煤層氣鉆井堵漏技術研究

唐勝利，閆 鴿，徐堪社

(1．西安科技大學地質與環境學院，陜西西安 710054;2．中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣是現階段中國煤層氣的重要產業基地，但是仍然不能滿足我國對煤層氣產量的需求，因此急需尋找一批勘探開發戰略接替區。西南的六盤水煤田被認為是我國煤層氣勘探和試驗開發的三大重點目標區之一［1］。在六盤水煤田中牛場區塊含氣量較高，便于開采，具有開發價值。但是在鉆井過程中容易發生漏失，且易重復，漏失量和堵漏難度較大，因此漏失是牛場區塊鉆井中遇到的首要難題。漏失會延誤工期，增加鉆井成本，堵漏技術是本區塊急需解決的重要難題。

1 概況

1．1 研究區地層概況

牛場區塊地處貴州省六盤水市六枝特區境內，隸屬于貴州織納煤田比德－三塘向斜。煤層氣井深大約在840～970 m之間，鉆孔實際揭露的主要地層自上而下分別為第四系(Q)地層、三疊系下統飛仙關組(T1f)地層、二疊系上統長興組(P3c)地層、二疊系上統龍潭組(P3l)地層、二疊系上統玄武巖組(P3β)地層。其中飛仙關組上部巖性為深灰色泥灰巖、灰巖，底部巖性為灰紫色泥巖、灰色灰巖、綠灰色粉砂質泥巖;龍潭組巖性為灰色細砂巖、泥質細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、深灰色泥巖、灰黑色碳質泥巖、黑色煤不等厚互層。

1．2 勘探開發情況

六枝特區內煤層氣涌出量及抽放量均很高，利用量相對較高(表1)，且位于六枝內的牛場區塊累計施工煤層氣井幾十口，其瓦斯涌出量、抽放量較大，利用率較高，勘探開發程度較高。

表1 六盤水地區煤礦瓦斯利用情況統計表

1．3 井身情況

牛場區塊煤層氣井鉆井完鉆原則是完鉆人工井底距32#煤層底部，垂深不小于50 m，完井方式選擇套管射孔方式。結合地層地質情況，一開用Ф311.15 mm空氣鉆，循環介質為空氣，低鉆壓適中轉速鉆進，鉆至約80 m下Ф215．9 mm表層套管，固井候凝。二開在鉆進過程中選擇Ф215．9 mmPDC鉆頭，鉆至32#煤層底部以下完鉆，下Ф139．7 mm生產套管，固井候凝，水泥返高200 m以上完井;二開鉆井液以防止井下復雜事故發生為主要目的。

2 漏失情況

2．1 漏失地層

牛場區塊累計施工36口井，多數井發生漏失，主要發生在飛仙關組，飛仙關組巖性為灰色～淺灰色泥質粉砂巖或粉砂巖互層(如圖1)，薄層至中厚層狀，波狀層理及水平層理，灰巖一般有3套，全層厚度大于90 m，地層傾角10°［2］。漏失的發生不僅延長了工期，而且增加了鉆井成本，因此確定最佳堵漏方法對本區塊尤為重要。通過牛1-6-1井臺7口井漏失情況如圖2所示，可以看出漏失層位主要集中在垂深340～380 m，7口井失返性漏失后，測量液面均位于80 m左右，可以判斷為同一裂隙性漏失層位，漏層深度變化受地層傾角影響［2］。

圖1 漏失層段地層簡圖

圖2 漏失位置對比圖

2．2 漏失原因

造成漏失的因素有地質因素和鉆井工藝因素兩方面，由于構造運動形成的節理、片理、層理，巖石的各向異性以及巖石本身的結構存在著滲透性，經過風化、剝蝕、搬運而產生的溶洞等都是發生漏失的條件，當孔內鉆井液柱壓力大于孔隙壓力就容易發生漏失現象［3］。研究區飛仙關組與龍潭組中的粉砂巖層受構造變形作用，在構造應力作用下產生破裂，形成構造裂隙，加上粉砂巖互層與地下水長期作用形成范圍較廣的裂隙性漏失帶，其屬于裂隙性漏失地層，因此地質因素是主要的影響因素。影響漏失的工藝因素主要是鉆井的操作過程，鉆頭的鉆壓、轉速、泵壓，鉆井液上返速度、泵量、種類、密度、粘度以及鉆井液的性能。牛場區塊下完套管后可能出現井壁掉塊或坍塌等復雜情況，固井循環時環空不暢通，會造成憋壓后漏失現象;且固井前技術交底不深入，對漏層判斷不準確，未提出針對性的固井施工措施，其下組煤層整體破裂壓力低，正常鉆進時鉆井液密度低(1．08 g/cm3)，因此液柱壓力低于地層破裂壓力，未發現煤系地層漏失情況。但固井施工中，注完水泥漿開始替漿時，環空水泥漿領漿密度達到1．80 g/cm3，領漿垂直高度約300．00 m，液柱壓力預計11．60 MPa，此時液柱壓力大于地層破裂壓力，容易壓漏地層。

3 防漏主要技術對策

3．1 防治措施

在鉆井過程中控制好鉆井速度以及其他鉆井參數，避免起下鉆過猛，降低鉆進工藝對漏失發生的影響，并且在井場內準備好足夠的堵漏材料，能夠及時配制堵漏泥漿，快速有效地堵漏，避免其他事故發生。鉆井液長期漏失會導致巖屑無法排出，孔內垮塌，埋鉆卡鉆等事故，因此會延長鉆井周期以及增加鉆井成本，所以在鉆井過程中應該防漏并且做到隨鉆堵漏［4］。當遇到在溶洞性大裂縫性漏失層，且漏失速度大于泵入排量的情況時，應采用清水強鉆方法來處理漏失，清水強鉆其原理就是漏層之上為鉆井液用以平衡地層壓力，之下用清水鉆井并攜帶巖屑至漏層［5］。遇到其他情況時可采用水泥漿堵漏，其使用方便快捷有效，也可采用橋塞堵漏、復合堵漏、可控膠凝堵漏等常規堵漏方法。

3．2 工程應用

牛1-6-1井設計井深864 m，完鉆于玄武巖組。因地層巖性及地質構造、鉆井工藝等因素預先制定了多項防漏措施。

調控維持鉆井液密度:根據設計的鉆井液密度，并結合實鉆情況，及時合理地調控維持鉆井液密度，使鉆井液密度控制在1．03～1．09 g/cm3，實現近平衡鉆井，從而盡可能地降低鉆井液液柱壓力。

轉速鉆壓控制:針對牛場區塊地層巖性以及漏失的特點，在鉆井過程中使一開鉆進中鉆頭的轉速控制在60 rpm左右，鉆壓在10～20 kN，二開的轉速60 rpm+螺桿，鉆壓在20～40 kN之間，鉆井液的粘度在35～42 s之間。

防止憋漏:下鉆到底開泵時，為防止憋漏地層，先用轉盤活動鉆具以破壞鉆井液結構力，再開泵，開泵后排量逐漸由小到大。

控制起下鉆速度:嚴密監控鉆井液密度，嚴格控制起下鉆速度，避免過高的壓力產生井漏，起鉆嚴格按規程灌滿鉆井液。

避免環空障礙:維持優良的鉆井液防塌性、防卡性、流變性和失水造壁性，以保證井壁的穩定、井眼的凈化和有效的環空水力值，從而避免環空泥環、砂橋、鉆頭泥包等引起的阻卡造成的井漏。

易漏層段的管理:鉆進已知的裂縫發育、破碎地層的易漏層段和預計漏層前，在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料以防井漏。本井在鉆進過程中加強了鉆井液的管理，每班測試鉆井液性能，隨時調整、控制各性能參數，及時調整鉆井液性能。

3．3 堵漏實例

堵漏過程:在鉆遇實際地層時無法有效防漏，在一開空氣鉆進中，鉆至11 m時遇地層出水，巖屑無法排出，更換螺桿使用清水鉆進。換螺桿鉆具開泵后，井口一直未返漿，加堵漏材料打入井內，泥漿依舊失返。抽清水強鉆，分別鉆至15～17 m、23～24 m、26～27 m放空。水量不足，無法滿足強行鉆進，然后選擇采用兩臺空壓機空氣鉆進，共漏失清水300 m3。二開鉆進至飛仙關組359．9 m時泥漿失返，漏失泥漿20 m3，隨后配堵漏泥漿10 m3，配方為復合堵漏劑0．5 t+高粘堵漏劑0．2 t+隨鉆堵漏劑0．2 t，循環鉆井液，恢復正常鉆進，鉆至840 m完鉆。完鉆測井后下鉆通井，進行地層承壓試驗，先后5次配堵漏泥漿打入井內堵漏，一直未能起壓。第一次配堵漏泥漿10 m3，配方為土粉0．5 t+CMC0．2 t+護壁劑0．1 t+隨鉆堵漏劑 8 030．5 t+8 010．2 t+鋸末0．5 m3，注入井內，未起壓;第二次起鉆至井深380 m，配堵漏泥漿 15 m3，配方為土粉 1．5 t+CMC0．2 t+ 護壁劑0．3 t+8 030．5 t+8 010．3 t+ 鋸末 0．5 m3，注入井內，起壓 2 MPa，很快降為零;繼續配堵漏泥漿10 m3，配方為土粉0．5 t+CMC0．1 t+803 0．5 t+護壁劑0．1 t+ 橋塞堵漏劑 0．25 t，第一次注入井內5 m3，靜止堵漏后穩壓15 min，壓力1 MPa，等待4 h后第二次注入井內5 m3，穩壓15 min，壓力 1．7 MPa;第四次配堵漏泥漿 24 m3，配方為土粉1．5 t+CMC0．2 t+護壁劑0．2 t+隨鉆堵漏劑8 031 t+8 010．2 t+復合堵漏劑0．5 t+黃豆0.05 t+鋸末0．5 m3，下鉆至800 m，注入15 m3堵漏泥漿，起鉆至360 m，泵入4 m3，關井憋壓，繼續擠入泥漿，起壓2．5 MPa，停泵后壓力很快回零，靜止堵漏后仍未能憋住壓;第五次配堵漏泥漿14 m3，配方為土粉2 t+CMC0．1 t+復合堵漏劑2．25 t+純堿0．05 t+鋸末0．5 m3，下鉆至 500 m，注入 9 m3堵漏泥漿，關井憋壓，繼續擠入泥漿2 m3，起壓2．5 MPa，開井后繼續注入3 m3;下鉆到底后關井憋壓，起壓3 MPa，停泵后降為 2 MPa，穩壓 15 min。

改進措施:雖然堵漏成功但是地層承壓能力不高，在后續的鉆井過程中易重復漏失。分析前5次失敗的原因，總結經驗教訓并結合現場試驗結果，并且針對飛仙關灰巖地層失返性漏失，堵漏材料無法通過MWD儀器，因此常規堵漏方法已不可行。于是提出如下改進堵漏措施:①鉆進過程中出現漏失，要判斷井內液面是否出現下降，根據漏失大小，及時起鉆，將綜合堵漏劑、復合堵漏劑、隨鉆(植物纖維)堵漏劑、鋸末、絮凝劑、CMC、土粉、水泥等，按比例攪拌均勻，同時為了提高復合堵漏塞的膠凝程度并加入聚丙烯酰胺、高粘羧甲基纖維素鈉、高粘堵漏劑，通過井口漏斗泥漿攜帶灌入井內(灌入堵漏漿濃度達到50%以上);②統計堵漏漿注入量，計算漏點以上井眼容積，關封井器將堵漏漿擠入漏層，確保最優堵漏漿濃度和堵漏漿進入裂隙的最優量;③下定向鉆具，正常鉆進，調整好泥漿性能，減少泥漿對漏層沖刷，同時，泥漿中補充隨鉆(植物纖維)堵漏劑，減少泥漿漏失;④如果漏點裂隙較大，惰性堵漏材料無法滿足堵漏效果時，可注水泥封堵。注水泥前根據漏失情況可先用堵漏材料架橋;⑤根據改進后的堵漏措施第六次在原堵漏泥漿的基礎上，配堵漏泥漿9 m3，配方為土粉 0．6 t+CMC0．05 t+ 復合堵漏劑0．4 t+ 純堿 0．05 t+ 綜合堵漏劑 0．4 t，起鉆至 640 m注入9 m3堵漏泥漿，關井憋壓，起壓4 MPa，停泵后15 min降為2 MPa，30 min穩壓1．5 MPa。試壓合格，然后起鉆下套管、固井;⑥經過先后6次配堵漏泥漿，注漿堵漏，最終堵漏成功且地層承壓能力合格，順利完井。

4 結論

(1)牛場區塊鉆井過程中形成的漏失裂隙帶分布較廣，經過常規堵漏方法無法達到鉆井要求后，綜合失敗原因，勇于創新，結合現場實驗，將綜合堵漏劑、復合堵漏劑、隨鉆(植物纖維)堵漏劑、鋸末、絮凝劑、CMC、土粉、水泥等，按比例攪拌均勻。同時為了提高復合堵漏塞的膠凝程度并加入聚丙烯酰胺、高粘羧甲基纖維素鈉、高粘堵漏劑，通過井口漏斗泥漿攜帶灌入井內，再結合水泥漿堵漏法共同堵漏，取得了良好的效果。

(2)堵漏時應該根據漏失特點，漏失層位特性，并且統計堵漏漿注入量，以及各種數據的準確計算，有針對性地選擇堵漏方法，善于歸納總結找到最優堵漏方法，確保堵漏成功。