YS139H1平臺井上部復雜地層優快鉆井關鍵技術

黃志安，吳 波，王 委，于 瑞，魏 由，寇顯富

（1.中國石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司，江蘇 揚州 225000；2.中國石化華東石油工程有限公司，江蘇 南京 210019；3.中國石油浙江油田分公司天然氣勘探開發事業部，四川 瀘州 646400）

太陽-大寨構造位于四川省瀘州市敘永縣境內，所屬的淺層頁巖氣有利區超過100 km2，預計可動用地質儲量近500×108m3。2018 年2 月22 日，首口淺層頁巖氣井Y102H1-1 水平井返排試氣，日產量達到5.6×104m3［1-2］。至2020 年底，相繼部署了143口井，已投產72口井，實現年產4.8×108m3，已成為推動我國淺層頁巖氣高效開發、工業化建產的重點區塊。

YS139H1 平臺位于太陽-大寨構造川南低陡褶帶敘永復向斜云山壩向斜南西翼，所鉆井垂深1 000～1 200 m，斜深1 700～3 000 m，水平段長900～1 500 m。針對該區塊上部地層存在的漏失、垮塌嚴重，造成施工周期長等問題，通過空氣鉆、穿心跟管鉆進、常規鉆頭+空氣鉆井和充氣霧化鉆井等技術的綜合應用［3-10］，逐步探索出一套適合敘永工區上部淺表層的安全快速施工技術。經過YS139H1-2、YS139H1-3、YS139H1-4 三口井不斷實踐和完善，該平臺的上部地層施工速度明顯提高。

1 已鉆井復雜情況簡析

YS139 平臺所鉆井一開井深為650 m 左右，所鉆地層從上而下依次為第四系、飛仙關組、樂平組、茅口組、棲霞組、梁山組和韓家店組，各層段深度及巖性見表1。

已鉆完成的YS139井，鉆至41.00 m發生垮塌卡鉆，套銑解卡，損失時間4.38 d；在96.51～514.52 m之間井段發生9 次失返性漏失，先后5 次注水泥、4 次橋堵漿堵漏加清水強鉆等，鉆至650 m 一開結束，共用時71 d。

YS139H1-1 井鉆至井深40.35 m 起發生沉砂卡鉆，采用小鉆桿環空吹砂解卡，鉆至84 m，一直有掉塊，并伴有出水；鉆至186.51 m，發生失返性漏失2次，采用凝膠堵漏、清水強鉆，共漏失凝膠60 m3、清水230 m3，鉆至626.6 m一開結束，用時33.63 d。

造成一開周期長的主要原因:一是裂縫、溶洞發育，漏失嚴重，高濃度堵漏漿、凝膠及水泥漿等堵漏效果差，缺乏水源，不能清水強鉆，處理井漏時間長；二是地層破碎嚴重，采用空氣鉆，遇上部垮塌掉塊時，無法倒劃眼，為防止掉塊卡鉆，只能控制鉆速；三是發生復雜后處理手段單一，如發生掉塊卡鉆后，由于井淺，沒有足夠的鉆具緩沖，使用隨鉆震擊器風險很大，無法發揮作用。

YS139H1 平臺及鄰井上部淺表層復雜情況見表2。

續表2 YS139H1平臺及鄰井上部淺表層復雜情況統計

2 淺表層提速關鍵技術

2.1 井身結構優化

（1）原井身結構設計:?473 mm 導管下深50 m左右，防止表層鉆遇溶洞或暗河，封隔地表疏松地層。一開?406.40 mm 鉆頭鉆至韓家店組頂部，約650 m，封固茅口組、棲霞組等可能存在的漏失層、含水層以及上部低壓層，下?244.47 mm 套管，固井水泥返至地面。主要存在的問題是:①導管施工困難，難以下到位，導管施工周期長容易發生井架底座基礎塌陷。②導管下至50 m，也難以封固易漏易垮地層，不能保證一開正常進行。從表2可以看出，YS139 和YS139H1-1 兩口井均在井深41 m 左右發生卡鉆故障，在井深69 m仍有垮塌、漏失現象。

（2）井身結構優化設計后:地表下?640 mm 護管10～20 m，?473.00 mm 引管下深70 m 左右，封飛仙關易垮地層；下?339.73 mm 導管至170 m 左右，封樂平組易漏地層；一開用?311.15 mm 鉆頭鉆至650 m 左右韓家店組頂部，用?244.47 mm 套管封固茅口組、棲霞組等可能存在的漏失層、含水層以及上部低壓層。本設計的優點在于:①增加一層護管進入基石5 m 以上，確保井架底座基礎不塌陷，保持施工連續性；②增加一層引管，用跟管技術下入引管，封隔飛仙關組漏失層、破碎帶地層；③導管下深由50 m 調整到170 m，完全封固了樂平組以上的易漏地層，為下部使用螺桿，調整井斜、方位及防碰爭取了主動。優化前后井身結構見圖1，各井上部井身結構見表3。

圖1 YS139H1平臺井身結構原設計與優化設計

表3 YS139H1平臺實際井身結構

2.2 空氣錘跟管鉆進技術

空氣錘跟管鉆井實際上是一種簡易套管鉆井技術，能有效解決常規鉆井方法無法解決的井壁垮塌卡鉆、掉塊卡鉆等難題，成為應對上部不穩定地層的有效方法［11］。主要工作原理:在卷管串下端焊接管鞋（如圖2所示），跟管鉆頭為專用鉆頭，當常規鉆進無法進行時，下入卷管串至遇阻位置或井底；帶專用鉆頭的鉆具以“穿心”的方式從卷管串內下入。跟管鉆頭設有臺階（如圖3 所示），最下端設有四個滑塊，滑塊上鑲有復合球型齒，且滑塊的一部分嵌在鉆頭本體設置的斜面槽中。下鉆至管鞋時，鉆頭臺階抵達管鞋臺階，滑塊出管鞋，在鉆壓的作用下，滑塊沿斜坡向外伸出管鞋，確保所鉆井眼大于卷管外徑。由于鉆頭臺階壓在管鞋臺階上，當鉆頭有新進尺后下行時，卷管串便被鉆頭帶著同步下行，即時封住垮塌掉塊等易失穩地層。上提鉆具時，鉆頭滑塊在自重的作用下沿斜面下移回縮，鉆具順利起出，把卷管串留在井內。

圖2 在卷管上焊接管鞋

圖3 跟管鉆頭及工作原理

YS139H1平臺井施工中，引管開鉆選用了型號TSK14H-D478 mm 空氣錘跟管鉆頭，下部4 個滑動塊完全收回后外徑?435.00 mm、伸出后鉆頭最大外徑?495.00 mm。卷管采用材質為Q235B 鋼材制成，外徑?478.00 mm、內徑?462.00 mm、壁厚8.00 mm，每根長度12.0 m。管鞋采用鋼級42CrMo鋼管加工，外徑?480.00 mm、內徑?435.00 mm、厚度22.50 mm、長度90.00 mm。

2.2.1 卷管與管鞋現場焊接

卷管與管鞋的鋼級不同，焊接質量直接關系到跟管施工的成敗。在YS139H1 平臺井，經過對材質分析和焊接工藝研究，采取的焊接工藝如下:

（1）手工電弧焊，使用?3.2 mmJ507 焊條，焊前經350℃烘焙1 h，放入保溫筒備用。焊接電流:90～130 A。

（2）焊接前，先對待焊部位加熱，保證焊接層間溫度不得低于200℃，可用紅外線檢測儀實時監測溫度。

（3）焊接時，先把管鞋直徑小的一段與卷管對接、找正，在外側每隔120°點焊初步固定，確認對正的情況下，再逐步焊完全部對接面，內側對接面也同樣焊接。為提高焊接強度，可提前在卷管與管鞋重合面處適當開槽，以增大焊接面，如圖2所示。

（4）焊后進行去應力退火，退火溫度580℃，保溫2 h。

2.2.2 跟管鉆進鉆具組合

TSK14H-D478 mm 跟管鉆頭+?328.00 mm 沖擊器+?228.60 mm 減震器+?228.60 mm 鉆鋌×2 根+? 203.20 mm鉆鋌×1根+?127.00 mmHWDP+頂驅。

2.2.3 跟管鉆進參數

鉆壓:10～20 kN；轉速:10～15 r/min；氣排量:70～120 m3/min（根據鉆時、攜砂情況適時調整）；氣壓1.30～1.50 MPa。循環吹掃氣排量160～200 m3/min。

2.2.4 跟管鉆進步驟

（1）把焊好管鞋的卷管從井口下入，由于卷管兩端均未設計鏈接螺紋扣，因此，每兩根之間仍采用現場焊接方式連接。每根卷管下入后，均在地面或鉆臺面預留1 m 左右，便于與下一根卷管焊接，依次邊焊邊下，直至中途遇阻井段或到達井底。

（2）從坐入井筒的卷管內下入鉆具，鉆頭到達管鞋時，鉆頭臺階面抵達管鞋臺階面，鉆頭滑塊部分出管鞋。

（3）剛開始鉆進時采用小鉆壓、低轉速，有進尺且觀察到卷管同步下行時，適當提高鉆壓、轉速。跟管鉆進中一旦扭矩波動較大或每跟進2 m 時，用160～200 m3/min大排量氣循環帶砂。

（4）注意鉆時變化，若鉆時較慢，可起出跟管鉆頭，下?406.40 mm 牙輪鉆頭穿心鉆進，再下入跟管鉆頭繼續跟管鉆進，以提高施工效率。

（5）若發現鉆具下行而卷管未下行或鉆頭無進尺，立即停止作業，起鉆檢查，若無異常后，再下鉆繼續跟管施工作業，直至鉆至預定井深。

2.3 常規鉆頭空氣鉆井防斜防卡技術

空氣錘鉆井技術在不出水、井壁穩定的淺表地層中應用，具有較好的防斜提速效果［12-13］，但遇到破碎帶地層，易發生沉砂、掉塊卡鉆，上提倒劃眼效果差，故障處理困難，使用常規空氣鉆井技術效果更好。YS139H1-1 井在用空氣錘鉆進至井深40.35 m 卡鉆后，改用清水和凝膠強鉆的常規鉆井技術，但在井深268.92 m 井斜增大至2.62°，水平位移達到4.38 m，增加了叢式井組相碰幾率。隨即采用常規空氣鉆井技術，使用?228.60 mm 鉆鋌、小鉆壓高轉速，同時采取“進一退三”（在破碎帶或斷層鉆進過程中，每次鉆進進尺不超過1 m，倒劃3 m 以上至正常井段，再下劃至井底，如果扭矩等井下正常，可鉆進，不正常則反復倒劃、正劃直到正常為止）鉆進方式，有效解決了井斜控制難及卡鉆風險高的難題。

YS139H1 平臺在導管施工中應用常規空氣鉆，鉆具組合?406.40 mm 牙輪鉆頭+?228.60 mm 減震器+?228.60 mm 鉆鋌×2根+?203.20 mm 無磁鉆鋌×1根+?127.00 mmHWDP+頂驅。施工參數:鉆壓20～40 kN；轉速110～120 r/min，氣量75～220 m3/min。為潤滑冷卻鉆頭，在注入空氣中適當加水，加水量2 m3/h。循環吹掃氣排量180～220 m3/min。

施工時通過觀察鉆進返氣情況，適時采用大氣量帶砂，遇到井下出現蹩跳、扭矩增大時，立即倒劃眼提出鉆具，既防止了卡鉆，又確了保井眼打直。

2.4 充氣霧化鉆井技術

充氣霧化鉆井主要用于上部松軟地層，解決井漏問題。在采用鉆井液鉆進的同時，從立管充氣，以降低井內當量密度［14-15］。

YS139H1 平臺充氣霧化鉆進主要用于一開? 311.15 mm 井眼下部施工，主要解決因攜砂用氣量大、壓縮空氣成本高的問題。同時還避免了井下掉塊卡鉆，實現順利下套管的目的。

充氣霧化鉆井鉆具組合:?311.15 mmPDC+雙母 接 頭+浮 閥+?228.6.0 mm 減 震 器+?228.60 mmSDC×2 根+?203.20 mmNDC+?203.20 mmSDC×2根+?177.80 mmSDC×3根+?127 mmHWDP。

充氣霧化鉆井主要施工參數:鉆壓40～60 kN；轉速90 r/min；泵壓3～5 MPa；氣壓3.5 MPa；排量:空氣40 m3/min+清水20 L/s。

3 應用效果

（1）YS139H1-1 井:?550.00 mm 空氣錘鉆進在井深40.35 m 發生蹩鉆，隨后發生垮塌卡鉆。小鉆桿吹砂解卡后，采用空氣錘跟管擴眼鉆進，下? 478.00 mm 卷管封隔上部易垮塌地層，用?406.00 mm 鉆頭穿心鉆進，每次鉆進至漏、垮井段，倒劃眼起出?406.00 mm 鉆頭，再用?478.00 mm 空氣錘跟管鉆頭擴眼并下入?478.00 mm 卷管。共下入? 478.00 mm 卷管84 m。用?339.7 mm 套管鉆進，鉆至105 m 卡套管，被迫終止導管作業，提前一開施工。?311.1 mm 井眼一開施工中，由于鉆遇失返性漏失，先后使用凝膠強鉆、土粉+堵漏材料強鉆、清水強鉆及水泥漿堵漏，都無法達到施工目的。改用常規空氣鉆井鉆至262 m，發生堵水眼，返砂困難。再使用充氣霧化鉆井技術，從井深262 m 鉆至一開中完井深626.6 m。

（2）YS139H1-2 井:?609 mm 井眼使用空氣錘鉆進，井深25.00 m 遇卡立即倒劃起出，根據YS139H1-1 井施工經驗，采用卷管跟管鉆進和穿心鉆進相結合方式施工，因管鞋脫裂終止，卷管只下到71 m。?406 mm 井眼采用牙輪鉆頭+空氣鉆進技術，并采用?228.60 mm 鉆鋌和“進一退三”鉆進方式，鉆進至173 m，下入?339.7 mm 導管171 m。? 311 mm 井眼使用空氣錘鉆井技術和充氣霧化鉆井技術鉆至井深631 m一開中完。

（3）YS139H1-3 井:?609 mm 井眼使用空氣錘鉆進至井深22 m，用跟管鉆進技術，下入卷管63.50 m，因跟管鞋脫開而終止。?406 mm 井眼采用常規鉆頭+空氣鉆進，并采用?228.60 mm 大鉆鋌和“進一退三”鉆進方式，鉆至井深175 m，下入?339.7 mm導管174 m。?311 mm 井眼使用空氣錘鉆井技術和充氣霧化鉆井技術鉆至井深646 m一開中完。

（4）YS139H1-4 井:?609 mm 井眼使用空氣錘鉆進至井深19 m，用跟管鉆進技術，下入卷管37 m，因管鞋脫開而終止。?406 mm 井眼采用常規鉆頭+空氣鉆進，并采用?228.60 mm大鉆鋌和“進一退三”鉆進方式，鉆至井深169 m，下入?339.7 mm 導管168 m。?311 mm 井眼使用空氣錘鉆井技術和充氣鉆井技術鉆至井深633 m一開中完。

YS139H1 平臺井上部井段各套管層次及最大井斜情況見表4，各井施工情況見表5。

表4 YS139H1平臺井上部井眼井身質量 m

表5 YS139H1平臺井施工情況及施工周期 m

4 結論與認識

（1）對于疏松、破碎，易垮、易漏淺表地層，合理的井身結構設計是安全施工、提高效率的前提條件。在一開施工前增加1～2 層護管或引管能有效阻擋地表疏松、破碎層導致的坍塌，使一開施工順利進行。

（2）空氣錘跟管鉆進技術、常規鉆頭空氣鉆井技術及充氣霧化鉆井技術交替使用，可以有效解決水源不足地區淺表地層惡性漏失、垮塌的難題。

（3）采用牙輪鉆頭+空氣鉆進技術，結合大尺寸鉆鋌和“進一退三”鉆進方式，在復雜地層施工中能有效地防斜打直，同時也具備防卡功能。

（4）從3口井使用跟管鉆進情況看，均在中途發生管鞋脫落，被迫中止跟管鉆進。因此，需加強管鞋與卷管連接的牢固性和可靠性，以保障鉆進施工按設計方案正常進行。