紀(jì)衛(wèi)軍，張輝，李曉東，付帆，熊正強(qiáng)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.北京探礦工程研究所，北京 100083；3.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826)

1 項目概況

本項目為新疆自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項目管理中心的頁巖氣項目，主要任務(wù)為確定頁巖氣賦存層段、含氣性以及儲層特征和影響頁巖氣富集的主要因素；探索頁巖氣形成條件與富集規(guī)律，優(yōu)選有利區(qū)，預(yù)測頁巖氣資源量。

2 地質(zhì)概況

工區(qū)處于新疆東疆無植被荒漠戈壁，位于沙爾湖北部卡拉塔格一帶，出露烴源巖地層為中二疊統(tǒng)塔爾郎組，出露的主要巖性為一套碎屑巖，主要巖性為灰綠色凝灰質(zhì)粉砂巖、灰黑色～黑色含碳質(zhì)粉砂巖、灰綠色凝灰質(zhì)砂礫巖夾灰綠色～紫褐色安山巖、紫紅色凝灰礫巖等。巖石風(fēng)化強(qiáng)，凝灰質(zhì)砂巖片理化發(fā)育。安山巖為斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀或杏仁狀構(gòu)造，斑晶為灰白色板狀斜長石，基質(zhì)為隱晶質(zhì)，杏仁體多為綠泥石、方解石等，氣孔較發(fā)育。該孔0～450 m主要為淺灰色火山角礫巖、綠色灰綠色凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、安山巖；450～2000 m主要為灰綠色、灰白色凝灰?guī)r和灰黑色炭質(zhì)泥巖、含炭質(zhì)泥巖夾少量礫巖、粗砂巖、中細(xì)粒砂巖。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)工藝

鉆孔結(jié)構(gòu)(見圖1)與鉆進(jìn)工藝的選擇，要充分考慮礦區(qū)的巖石性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、終孔口徑、鉆孔深度、鉆進(jìn)方法、鉆孔用途等因素。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

該孔設(shè)計孔深2000 m，根據(jù)設(shè)計及終孔直徑(≥75 mm)要求，鉆孔采用四級孔徑。一開采用?150 mm孕鑲金剛石單管鉆頭開孔，鉆進(jìn)至7.2 m后，下入?146 mm套管，孔壁間隙水泥密封；二開采用S122 mm孕鑲金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆至1064.25 m后，下入?114 mm套管；三開采用S95 mm 孕鑲金剛石繩索取心工藝鉆進(jìn)，盡最大可能鉆進(jìn)，如無特殊情況將鉆進(jìn)至設(shè)計孔深，截至完稿已經(jīng)鉆進(jìn)至1883 m；四開為備用口徑，采用S76 mm孕鑲金剛石繩索取心工藝鉆進(jìn)至設(shè)計孔深，穿過巖氣層。

4 施工中存在的主要問題

4.1 部分地層水敏性較強(qiáng)，容易水化分散

凝灰?guī)r和炭質(zhì)泥巖等部分地層有綠泥石化現(xiàn)象(見圖2)，長度從幾厘米到幾十厘米不等，水敏性較強(qiáng)，遇水容易分散，從而容易造成孔壁發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象。

圖2 凝灰?guī)r綠泥石化現(xiàn)象

4.2 部分地層破碎嚴(yán)重，容易發(fā)生掉塊現(xiàn)象

孔深600～800 m段，巖石風(fēng)化強(qiáng)，炭質(zhì)泥巖、礫巖、粗砂巖非常破碎(見圖3)，鉆進(jìn)中極易發(fā)生掉塊現(xiàn)象。

圖3 破碎砂巖地層

4.3 地層裂隙發(fā)育明顯，漏失嚴(yán)重

鉆進(jìn)至孔深1680 m后，沖洗液失返，從取上的巖心看(見圖4)，裂隙與鉆進(jìn)方向平行，隨打隨漏。

圖4 巖心裂隙圖

5 護(hù)壁堵漏技術(shù)

鑒于以上問題，項目組在鉆孔施工中采用套管護(hù)壁與沖洗液護(hù)壁相結(jié)合的方式來維持孔壁穩(wěn)定，本文主要介紹沖洗液護(hù)壁技術(shù)的實施；堵漏技術(shù)方面主要采用惰性材料堵漏與無機(jī)凝膠堵漏兩種方式。

5.1 沖洗液護(hù)壁技術(shù)

5.1.1 沖洗液配方

由于周邊地區(qū)沒有詳細(xì)的地層資料及臨孔資料供參考，所以項目組根據(jù)油氣二維地震獲得的地層資料設(shè)計了兩種沖洗液體系，即雙聚防塌沖洗液體系及成膜防塌沖洗液體系。雙聚防塌沖洗液體系主要由造漿材料、聚合物包被劑、降失水劑、防塌劑等幾種材料組成，成本相對較低，對一般水敏性地層、破碎地層具有很好的防塌效果。成膜防塌沖洗液體系主要由成膜體系A(chǔ)劑、聚合物包被劑、增黏劑、封堵劑等材料組成，可在雙聚防塌沖洗液體系基礎(chǔ)上添加成膜A劑等處理劑轉(zhuǎn)化而來；相比前者，具有更好的抑制性和防塌性能，能夠抑制遇水即散的強(qiáng)水敏地層(如綠泥石化泥巖)。分段沖洗液配方見表1。

表1 沖洗液配方

5.1.2 沖洗液性能

配方對應(yīng)的沖洗液性能如下：1#沖洗液，密度1.05～1.10 g/cm3，漏斗黏度20～30 s；API濾失量≤15 mL/30 min，pH值8～9；2#沖洗液，密度1.08～1.15 g/cm3，漏斗黏度22～35 s；API濾失量≤8 mL/30 min；pH 10～12。

0～450 m采用了雙聚防塌沖洗液體系，450 m之后在原漿基礎(chǔ)上添加成膜A劑、增黏劑GTQ等材料，將體系轉(zhuǎn)化為成膜防塌沖洗液體系。

5.1.3 沖洗液維護(hù)方法

(1)正常情況下，維護(hù)補(bǔ)充的沖洗液參考配方中給定的范圍配制，遇孔內(nèi)異常如孔塌、孔漏時，則需根據(jù)工程需求調(diào)整配方；

(2)由于現(xiàn)場只有振動篩一種固控設(shè)備，所以需要組織工人及時清理沉淀坑中的巖粉，如果清理不及時，巖粉混入沖洗液中易造成鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，這時就需要通過排漿的方式清除劣質(zhì)固相；

(3)在沖洗液循環(huán)使用中，需要經(jīng)常測試沖洗液性能，根據(jù)性能及時調(diào)整沖洗液配方。由于成膜防塌沖洗液體系要求pH 10～12，所以當(dāng)pH低于10時要及時補(bǔ)充燒堿；沖洗液聚合物消耗速度較快，所以需要定期補(bǔ)充聚合物膠液，維持沖洗液的優(yōu)良性能。

5.1.4 沖洗液使用效果

截至發(fā)稿，該孔已施工1883 m，其中使用雙聚防塌沖洗液體系施工450 m，使用成膜防塌沖洗液施工1433 m，取得了很好的效果，具體如下：

(1)具有較好的抑制性能。500 m以下經(jīng)常鉆遇綠泥石化地層，長度從幾厘米到幾十厘米不等，取出的巖心比較完整，用清水做浸泡實驗，2 min內(nèi)全部分散，速度非?？欤纱丝梢哉f明沖洗液很好地抑制了此種地層的分散。

(2)具有較好的防塌性能。該體系的API濾失量較小，并且體系中含有瀝青，能夠有效封堵地層裂隙，所以施工時孔壁穩(wěn)定性好。當(dāng)鉆進(jìn)至孔深980 m處時，鉆機(jī)電流不穩(wěn)，判斷孔內(nèi)有掉塊現(xiàn)象，鉆進(jìn)至986 m后提鉆，上提至905 m時遇卡，上提下放、活動鉆具后解卡，經(jīng)過比對返出的掉塊顆粒，判斷是600～800 m處的破碎帶掉塊，下鉆后調(diào)整沖洗液，提高沖洗液黏度至30 s(之前23～25 s)，加大防塌劑、封堵劑等材料的加量，掉塊現(xiàn)象逐漸消除。

5.2 堵漏技術(shù)

5.2.1 堵漏方法選擇

該孔上部地層沒有明顯漏失層，只是局部破碎帶消耗比較大，能達(dá)到10～15 m3/d，但通過加大隨鉆堵漏劑和封堵劑加量，就可以恢復(fù)正常。鉆進(jìn)至1680 m后，出現(xiàn)失返漏失現(xiàn)象，從取出的巖心看有明顯裂隙，之后下部不斷有新裂隙和破碎帶出現(xiàn)，針對裂隙型漏失，僅使用隨鉆堵漏劑這樣的細(xì)顆粒材料封堵，效果不好，項目組主要采用惰性材料堵漏與無機(jī)凝膠堵漏兩種方式來進(jìn)行封堵。由于漏失層較多，隨打隨漏，惰性材料堵漏具有操作簡單、風(fēng)險小、掃孔快的優(yōu)點，所以發(fā)生漏失后首先采用惰性材料堵漏，如果能達(dá)到孔口返漿的效果則繼續(xù)頂漏鉆進(jìn)并堅持提鉆前采用惰性材料堵漏以降低消耗量，如果堵漏失效，沖洗液一直失返則采用無機(jī)凝膠堵漏。

5.2.2 惰性材料堵漏

(1)配方

原漿+5%膨潤土+3%～6%海帶+3%～5%黃豆+2%～3%鋸末+3%隨鉆堵漏劑。

(2)堵漏工藝

堵漏漿一次一般配制0.2～0.3 m3，打撈完巖心后直接從鉆桿灌入，然后泵入沖洗液把堵漏漿壓至孔底后靜置4 h，投入巖心管，到位后正常鉆進(jìn)。

(3)堵漏效果

對于漏失通道不大的裂隙性漏失能夠明顯降低消耗量，但對于漏失通道較大的失返性漏失作用不明顯。

5.2.3 無機(jī)凝膠堵漏

鉆進(jìn)至1770 m時，沖洗液失返，100 m長測繩測不到水位，采用惰性材料堵漏無效；頂漏鉆進(jìn)至1776 m，提鉆，準(zhǔn)備采用無機(jī)凝膠進(jìn)行堵漏。

(1)漏失孔段裸眼體積

1776～1680 m孔段，孔徑95 mm，擴(kuò)徑系數(shù)1.1，則漏失孔段裸眼體積為0.75 m3。

(2)無機(jī)凝膠堵漏漿與頂替漿配方及用量

①無機(jī)凝膠堵漏漿(1#漿)：按“水泥漿(水灰比0.5～0.6)+3%速凝劑”配方配制2.5 m3；②頂替漿(2#漿)：使用泥漿池中沖洗液，用量為孔內(nèi)鉆具及管匯內(nèi)容積之和減去50 m鉆具容積，共7.7 m3。

(3)灌注工藝

①光鉆桿鉆具下至孔深1653 m；②泵入1#漿至全部泵送完畢，接著泵入100 L清水作為隔離液，再依次泵入2#漿頂替漿；③提鉆，清洗鉆具，候凝。

(4)堵漏效果

候凝8 h后放在地表的水泥漿樣品已固結(jié)，下鉆探水泥塞，孔深1672 m處見水泥，掃至孔底，用時12 h，返漿正常，堵漏成功。

6 結(jié)論

(1)沙爾湖北部卡拉塔格一帶地層較為復(fù)雜，存在水敏性較強(qiáng)的綠泥石化地層、破碎地層及漏失地層；

(2)雙聚防塌沖洗液體系及成膜防塌沖洗液體系具有很好的抑制性能和防塌性能，能夠解決該地區(qū)地層水敏分散、破碎掉塊等問題，滿足孔壁安全的需要；

(3)該地區(qū)漏失地層屬于裂隙型漏失，裂隙較長且平行于鉆孔方向，施工中隨打隨漏，采用惰性材料和無機(jī)凝膠相結(jié)合的方式堵漏，效果較好，能夠滿足鉆探施工的需要。