復雜地質(zhì)構(gòu)造帶套管鉆進工藝研究與應用

何宜霏

（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司勘探分公司，山西 晉城 048204）

巖層的原生結(jié)構(gòu)由于地質(zhì)構(gòu)造運動作用產(chǎn)生較大變化，特別是硬或中硬以上的脆性巖石在構(gòu)造力作用下受到嚴重破壞，容易形成復雜地質(zhì)構(gòu)造帶或者復雜地層。在這種復雜的地層中進行鉆探作業(yè)，經(jīng)常會因地層難以護壁而造成漏失、塌孔埋鉆等困難問題，甚至造成鉆孔報廢。這些不僅影響鉆進速度和鉆井質(zhì)量，而且會帶來時間和經(jīng)濟上的巨大損失。在新元礦復雜地質(zhì)構(gòu)造帶復雜地層周邊井鉆進過程中遇到嚴重漏失、掉塊卡鉆或難成孔的鉆進問題，同時伴隨著發(fā)生塌孔、漏失、埋鉆等鉆井事故的風險，套管鉆進工藝在鉆進過程中的局部應用能有效解決該難題。套管隨著鉆頭跟進地層，實現(xiàn)穩(wěn)定和保護孔壁的作用，能夠有效解決復雜地質(zhì)構(gòu)造帶復雜地層鉆進中護壁困難的問題，使鉆井能安全、快速通過復雜構(gòu)造帶復雜地層[1]。套管鉆進工藝的研究及應用多見于第四系表層的鉆井施工中，本文通過對該礦地質(zhì)特性和周邊井工程實踐的分析，在深部地層鉆進過程中研究并應用了套管鉆進工藝，對推動套管鉆進工藝的發(fā)展及推廣具有較好的促進作用。

1 基本情況

新元礦位于沁水煤田西北部陽泉礦區(qū)，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，井田基本構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，走向基本為東西向，向南傾斜，傾角為4°～11°，傾角一般不大于9°。該礦主要抽采煤層為3 號煤，煤層厚度0.67～4.75 m，平均2.56 m，屬中厚煤層，煤層中通常有2～3 層夾矸，局部區(qū)域最多為6 層，煤體結(jié)構(gòu)為簡單-較簡單。煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，煤層底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、細粉砂巖為主。通過三維地震解釋（圖1），可看出F2 斷層初判最大落差為35 m，F(xiàn)3 斷層初判最大落差為45 m，其余為落差6 m 內(nèi)的小斷層。可見，該礦地質(zhì)條件較為復雜，地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育。

圖1 采掘工程平面圖（含三維地震解釋）

該礦地質(zhì)構(gòu)造復雜，周邊鉆孔鉆進時常會遇到地層漏失嚴重、進尺慢、成孔難的問題。這種現(xiàn)象主要與二疊系石盒子組裂隙含水層有關(guān)。下石盒子組砂巖厚度大但不穩(wěn)定，巖性主要為中、細粒砂巖，含裂隙水。漏失地層情況詳見表1。

表1 漏失地層信息統(tǒng)計表

據(jù)20 余個鉆孔簡易水文觀測資料統(tǒng)計，本組漏失量均出現(xiàn)增大或全漏情形。針對該礦這一地層復雜難題，采用套管鉆進技術(shù)，能夠快速通過嚴重漏失地層。

2 套管鉆進工藝

全程套管鉆進速度隨井深增加，摩阻變大，速度變慢，對套管扭矩、連接螺紋、抗拉強度等材質(zhì)特性要求較高。為充分發(fā)揮套管鉆進工藝的優(yōu)勢，減少井內(nèi)事故的發(fā)生概率，通過加強對該礦地層及周邊已施工鉆孔資料的分析，針對性地選取復雜地質(zhì)構(gòu)造帶復雜地層進行局部套管鉆進，既能實現(xiàn)套管鉆進工藝可快速通過復雜地質(zhì)構(gòu)造帶復雜地層的優(yōu)勢，又可減少全程套管所帶來的未知風險。

2.1 工藝發(fā)展

20 世紀70 年代開始，國外開始研究并應用套管鉆進技術(shù)。瑞典阿特拉斯科普柯公司的“ODEX”鉆進法，在第四系松散地層以及表層基巖都有一定的應用，有一定的鉆進適用范圍；芬蘭的Symmetrix 套管鉆進工藝，利用內(nèi)、外鉆頭聯(lián)合沖擊進行鉆進，外套管在內(nèi)鉆頭沖擊鉆進過程中實現(xiàn)跟進；德國斯坦威克公司的海王星和土星法具有鉆孔直徑和深度較大，可形成套管超前式鉆進，套管起拔、擰卸容易等優(yōu)點[2]。國內(nèi)套管鉆進技術(shù)的研究始于20 世紀70 年代，主要有成都探礦工藝所的QG 型跟管擴孔鉆具、原長春地質(zhì)學院探礦工程研究所的偏心擴孔跟管鉆具等。中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所最先開展套管鉆進技術(shù)的研究，90 年代開始推廣應用，在國內(nèi)基礎處理工程中得到了廣泛應用。套管鉆進技術(shù)主要分為三類：單偏心式、同心式和三瓣式套管鉆進技術(shù)。

2.2 工藝類型

單偏心套管鉆進系統(tǒng)由中心鉆頭、偏心擴孔鉆頭以及導正器等組成。當提鉆時，小角度反轉(zhuǎn)鉆具，在慣性力和摩擦力的作用下，偏心擴孔鉆頭收回，便可提出鉆具，套管留在孔內(nèi)護壁[3]。

同心套管鉆具鉆進系統(tǒng)由中心鉆頭、環(huán)形擴孔鉆頭以及套管靴等組成。鉆孔完成套管跟進后，小角度反轉(zhuǎn)鉆具，便可提出鉆具，環(huán)形擴孔鉆頭暫留孔內(nèi)[4]。

三瓣式套管鉆進系統(tǒng)由中心鉆頭、瓣式擴孔鉆頭以及導正器等組成，兼顧了單偏心與同心特點[5]，需停泵上提沖擊器，三瓣式鉆頭進行回收，便可提出鉆具。

2.3 同心套管鉆進原理

同心套管鉆進工藝相對比較方便，套管跟進護壁效果良好，對該工藝系統(tǒng)進行了研究分析。同心套管鉆進工藝是采用潛孔錘帶動套管跟入孔內(nèi)，主要包括內(nèi)鉆頭、沖擊器、鉆桿、外鉆頭、連接套、套管（圖2）。內(nèi)鉆頭與沖擊器連接，沖擊器與鉆桿連接，內(nèi)鉆頭在其外表面均勻分布三個滑槽，各滑槽中部邊側(cè)開一凹槽。外鉆頭與連接套用卡簧連接，連接套與套管焊接連接，套管間用平扣連接再焊接。外鉆頭內(nèi)壁中部均勻分布三個花鍵，使花鍵可通過內(nèi)鉆頭滑槽，再轉(zhuǎn)動卡入凹槽內(nèi)，實現(xiàn)內(nèi)鉆頭和外鉆頭連接。內(nèi)鉆頭旋轉(zhuǎn)和沖擊時，通過花鍵帶動外鉆頭旋轉(zhuǎn)和沖擊，因卡簧的作用，外鉆頭上部連接套和套管向下跟進護壁而不旋轉(zhuǎn)。

圖2 套管鉆進工藝示意剖面圖

鉆進時，潛孔錘連接中心鉆頭，在回轉(zhuǎn)鉆進的基礎上通過鉆進液驅(qū)動，形成帶有沖擊負荷的回轉(zhuǎn)鉆進。潛孔錘強大的沖擊力對堅硬而脆的巖石進行沖擊和切削，提升了鉆進能力和鉆進效率。套管組合外鉆頭隨著中心鉆頭的沖擊和切削進尺實現(xiàn)跟進，套管在到達目的層位后進行護壁，實現(xiàn)成孔。在復雜地層局部實現(xiàn)套管鉆進后，反扭一個小角度，中心鉆頭、沖擊器、鉆鋌、鉆桿便可起出，減少了起鉆后再下套管等環(huán)節(jié)，節(jié)省了施工時間，為快速、安全通過復雜地質(zhì)構(gòu)造帶復雜地層提供了有力支撐。

3 現(xiàn)場應用

3.1 目的層位確認

通過對該礦周邊已完鉆3 口井鉆井日志整理，詳見表2。鉆進過程中均出現(xiàn)漏失塌孔問題，大部分鉆孔在鉆遇下石盒子組時漏失量較大，每小時漏失量約20～40 m3，有的甚至全漏。各井嚴重漏失點均在K10 以下50 m 以內(nèi)，所以把K10 層位下的50 m 設定為套管鉆進的目的層段。

表2 周邊已完鉆3 口井漏失情況匯總表

3.2 施工要求

為確保套管鉆進工藝在復雜地質(zhì)構(gòu)造帶復雜地層中的順利實施，同時確保終孔口徑完鉆，并順利下入要求的套管，由原常規(guī)二開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三開井身結(jié)構(gòu)，目標位置為3#煤底板以下30 m，套管鉆進位置為K10 層位以下50 m。井身結(jié)構(gòu)如圖3。

一開：Φ425 mm 鉆頭，鉆入穩(wěn)定基巖10 m 后（約30 m），下入Φ377 mm 表層套管固井，采用常規(guī)密度水泥固井，水泥漿返至地面，建議用潛孔錘施工，提升開孔速度。

二開：Φ311.15 mm 鉆頭鉆至K10，二開鉆進至復雜地層后，采用5 根273.1 mm 套管跟管鉆進，經(jīng)固井候凝48 h 后，在確保能滿足三開正常施工要求后，進行三開作業(yè)。若二開采用空氣潛孔錘鉆進，根據(jù)鉆進情況，適時并聯(lián)三臺壓風機潛孔錘作業(yè)。空氣潛孔錘鉆進時，要安裝好有效的防噴器，并連接導管至遠離井口，井口采用特殊裝置密封，同時在井口注入小排量水液，有助井內(nèi)鉆進施工安全并有利于返排巖屑。

三開：Φ215.9 mm 鉆頭，鉆至3#煤下30 m，下入Φ139.7 mm 生產(chǎn)套管，生產(chǎn)套管固井使用G級油井水泥，水泥漿密度1.7～1.85 g/cm3。固井候凝48 h 后，進行聲幅測井，根據(jù)測聲幅結(jié)果再進行下一步工作。

三開固井候凝48 h 后進行試壓。全井使用的鉆具組合：

1）一開鉆具組合（0.00～30.00 m）

Φ425.00 mm 潛孔錘+雙母接頭+Φ165 mm 鉆鋌×2 根+方保接頭+方鉆桿。

2）二開鉆具組合（30.00～550.00 m）

Φ311.15 mm 三 牙 輪+Φ165 mm 鉆 鋌×3 根+Φ127 mm 鉆桿+方保接頭+方鉆桿。

套管快速鉆完井部分：Φ243.1 mm 中心鉆頭連接Φ311.15 mm 組合外鉆頭及273.1 mm 套管+潛孔錘+Φ127 mm 鉆桿+方保接頭+方鉆桿。

3）三開鉆具組合

Φ215.9 mm 三 牙 輪+Φ159 mm 鉆 鋌×6 根+Φ127 mm 鉆桿+方保接頭+方鉆桿。

3.3 套管鉆進主要工序

鉆遇K10 后，立即起鉆，套管鉆進的主要工序：

1）把外鉆頭和套管連接，邊入井邊連接，可以在連接處進行焊接，以確保連接牢靠，防止鉆進中扭矩過大時薄弱點脫扣。

2）連接中心鉆頭、沖擊器和鉆具，結(jié)合外鉆頭和套管入井深度，緩慢下放。

3）鉆具下放過程中遇阻時，順時針調(diào)整位置，調(diào)整角度不超過120°，將中心鉆頭放置外鉆頭內(nèi)。

4）順時針緩慢旋轉(zhuǎn)內(nèi)鉆頭，使內(nèi)鉆頭通過花鍵帶動外鉆頭旋轉(zhuǎn)。

5）按正常速度下至既定施工位置，進行正常鉆進。完成鉆進后，反扭一個小角度，提出中心鉆頭和鉆具等，套管留在井內(nèi)隔絕復雜地層。

3.4 套管鉆進主要參數(shù)

為了高效鉆進，減少對鉆具磨損，科學把控套管鉆進工作參數(shù)及泥漿配比，從鉆壓、鉆速、泵壓和泥漿等方面探索，實現(xiàn)了穩(wěn)定、高效鉆進。套管鉆進工作參數(shù)詳見表3。

表3 套管鉆進參數(shù)表

3.5 測井檢驗

通過測井曲線圖（圖4）對套管鉆進效果進行檢驗，結(jié)合井徑測線可以明顯看出有53.6 m 的平滑段，該段即為套管鉆進后所留下的套管部分。

圖4 GZ-1 標準測井曲線圖

3.6 應用效果

1）針對部分復雜地質(zhì)構(gòu)造帶復雜地層，運用潛孔錘套管鉆進工藝，不僅可有效提高鉆進速度，還可以減少起下鉆等輔助時間，縮短鉆井施工周期，降低鉆井綜合成本。針對該礦復雜漏失地層，周邊井常規(guī)堵漏需要3～4 d，而GZ-1 井采用潛孔錘套管鉆進技術(shù)順利通過漏失地層僅需7 h，效率方面提升了10 余倍，鉆遇復雜漏失地層處理成本降低約50%。

2）潛孔錘套管鉆進速度快，用水量少，節(jié)水環(huán)保方面優(yōu)于常規(guī)鉆井工藝。與此同時，在防止孔壁坍塌、埋鉆方面起到了積極作用，實現(xiàn)了保護孔壁和隔離漏失地層的目的，在保障鉆井施工安全方面優(yōu)于常規(guī)鉆井工藝。

3）地層的復雜程度嚴重影響套管鉆進的速度，且隨深度增加會逐漸變慢，并增加套管脫扣、折斷的風險，對套管扭矩、連接螺紋、抗壓強度等材質(zhì)特性要求較高，需要結(jié)合鉆進深度和地層特性提前考慮，并結(jié)合終孔口徑提前優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，以確保針對性的采用套管鉆進工藝快速通過復雜地層。

4）內(nèi)外鉆頭通過卡簧進行有效連接，套管在鉆進過程中隨鉆頭跟進，但不隨鉆頭旋轉(zhuǎn)，減少了套管鉆進需要克服的扭矩，在一定程度上降低了跟管鉆進施工安全風險。

5）若使用焊接與切割工藝增加跟管鉆進中套管連接的強度，輔助時間相應增加，純鉆時間利用率降低。一旦在煤層氣鉆孔現(xiàn)場進行電焊作業(yè)，必須保持有效的安全距離，若必須在井口處進行電焊作業(yè)，務必做好井口氣體的引導和安全監(jiān)測工作。

4 結(jié)語

通過對周邊鉆孔鉆遇復雜情況的分析，GZ-1 遇見K10 標志層后，采用局部套管鉆進技術(shù)工藝，套管鉆進了53.6 m，快速通過了嚴重漏失地層，解決了在復雜地質(zhì)構(gòu)造帶嚴重漏失地層條件下，鉆孔施工的技術(shù)性難題，實現(xiàn)了快速鉆完井的目的。

在以后的鉆井過程中，要在目前的套管鉆進技術(shù)水平基礎上，對其適應的復雜地層、鉆孔深度、套管長度、材質(zhì)等方面繼續(xù)探索研究并推廣應用。