蔣太平， 李果民， 丁紅衛(wèi)

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一三地質(zhì)隊，四川 瀘州 646000)

1 工程概況

鉀鹽為四川省地質(zhì)勘查基金“十二五”末及“十三五”規(guī)劃中重點支持勘查礦種，在勘查規(guī)劃中專門規(guī)劃了宣漢黃金口鉀鹽評價區(qū)。ZK001井是在該區(qū)設置的多口參數(shù)井中的一口。井位布設于四川宣漢縣普光鎮(zhèn)西北方向2 km，交通便利。

2 地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)地層主要包括侏羅系的下沙溪廟組(J2xs)、新田溝組(J2xt)、自流井組(J1zl)、珍珠沖組(J1zh)；三疊系的須家河組(T3xj)、雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)。ZK001井實際揭露地層情況見表1。

3 鉆井設計及技術(shù)要求

(1)ZK001井，設計井深3550.00 m，完鉆口徑150.9 mm。

(2)對雷口坡組一段、嘉陵江組五段取心，取心長度150～160 m。

表1 ZK001井實際揭露地層情況

(3)全孔巖心分層采取率≮70%，礦層不低于80%，礦層的頂、底板采取率≮80%，殘留巖心不得超過0.20 m。

(4)對雷口坡組三段以下至嘉陵江組五段以上井段做抽含鉀鹵水的抽水試驗。

4 施工難點

(1)超長裸眼井段鉆井液護壁及井身質(zhì)量控制。二次開鉆后?215.9 mm口徑的裸眼井段長達2515.71 m，需針對性地選擇鉆井液體系，實時優(yōu)化維護鉆井液性能保持井壁穩(wěn)定性。

(2)井漏。根據(jù)鄰井資料顯示在須家河組(T3xj)頂部裂隙發(fā)育，鉆井存在很大漏失風險。

(3)長段膏鹽層鉆井液維護。雷口坡組長段石膏層，易造成鉆井液鈣侵，影響井壁穩(wěn)定性。

(4)技術(shù)套管固井止水。二開井段存在多個壓力窗口，固井質(zhì)量難予保證。

(5)深部抽水試驗，抽水深度>3000 m。鉆井結(jié)束后需進行抽鹵水試驗，要求在鉆孔中進行一層次三落程(T2l2+T2l1+T1j5)抽水試驗，同時觀測流量和水位。

5 鉆探施工

5.1 鉆井設備

選用了ZJ-40型石油鉆機，施工能力滿足ZK001井設計深度及技術(shù)要求。主要鉆井及附屬設備見表2。

表2 主要鉆井及附屬設備

5.2 井身結(jié)構(gòu)

依據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特點及鄰井資料，ZK001井設計三開成井，實鉆井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井身結(jié)構(gòu)

一開使用?311.2 mm鉆頭開孔，鉆穿下沙溪廟組，下入?244.5 mm套管525.79 m。采用插入法固井工藝，水泥漿返至地面，封隔上部松散地層，為井口控制和后續(xù)安全鉆井創(chuàng)造條件。

二開使用?215.9 mm鉆頭，鉆至雷口坡組三段，下入鋼級TP95S的?177.8 mm套管2637.44 m。為保證固井質(zhì)量達到止水目的，采用正注反擠的固井工藝，正注工序水泥漿返至1400 m，反擠工序水泥封固404.06～1400 m井段。采用聲幅檢測，固井質(zhì)量合格，達到止水要求。

三開使用?150.9 mm鉆頭，全面鉆進至雷口坡組一段，換川6-4取心鉆具+?150.9 mm取心鉆頭，鉆至嘉陵江組五段3227.00 m，裸眼完井。

5.3 鉆具組合及鉆井參數(shù)

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)及地層特征，全面鉆進井段選取防斜塔式鉆具組合，轉(zhuǎn)盤采用133.4 mm方鉆桿傳動；為提高機械鉆速并達到防斜、糾斜目的，二開部分井段采用螺桿+轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)配合MWD設備復合鉆進。鉆具組合見表3。

鉆進參數(shù)原則上在須家河組以上軟地層鉆進，采用高轉(zhuǎn)速、大泵量和適合的鉆壓；在堅硬、強研磨性的須家河組則采用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、適當泵量。各開次鉆進參數(shù)見表4。

表3 鉆具組合

注：1 in=25.4 mm,下同。

在裂隙發(fā)育的易漏失地層，嚴格控制井內(nèi)壓力平衡，起鉆時采取鉆桿3柱一回灌，鉆鋌1柱一回灌的原則，并嚴格控制起下鉆速度，防止井內(nèi)壓力“激動”與抽吸作用，降低井漏與井壁坍塌的風險。

表4 各開次鉆進參數(shù)

5.4 取心技術(shù)措施

(1)優(yōu)選高質(zhì)量鉆頭，加強鉆具管理，組裝取心鉆具后，調(diào)整好內(nèi)外管間隙，做到每回次檢查，不同巖性鉆進及時調(diào)整間隙，原則上軟地層間隙取低值，硬地層間隙取高值。

(2)簡化鉆具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鉆具組合和鉆井參數(shù)，達到降低摩阻和扭矩的目的，加強活動鉆具，井內(nèi)鉆具靜止不超過3.0 min。上下活動鉆具范圍在5.0 m以上。

(3)由于取心鉆具環(huán)空間隙小，鉆井液流動阻力大，嚴格要求司鉆操作，下鉆平穩(wěn)，嚴禁猛剎、猛放，遇阻不得超過30 kN。

(4)加強固控設備的使用和維護，嚴格控制有害固相，保持鉆井液具有良好的流變性、護壁性能。

(5)記錄各種鉆井參數(shù)，尤其是扭矩和懸重，及時對比分析，從現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析判斷井下狀況。每打完一根單根認真進行劃眼修整井壁，縮短停泵時間，避免掉塊卡鉆事故的發(fā)生。

(6)下鉆離井底5.0 m，開泵循環(huán)清洗取心筒，確保循環(huán)無異常后投入取心筒鋼球，緩慢下鉆至井底，取心鉆進30～50 cm后逐漸調(diào)整到取心的最佳參數(shù)；連續(xù)加桿取心時，靜壓力不超過正常取心鉆壓的50%。

(7)下鉆控制游車下放速度，分段頂泵、循環(huán)，由于環(huán)空間隙小，每次下鉆都要分2～3段頂泵，防止對地層產(chǎn)生過大的“激動”壓力，發(fā)生井漏。

(8)取心井段：3074.79～3227.00 m；取心工具為常見的川6-4取心筒(投彈式)，取心鉆具組合為：?150.9 mm取心鉆頭+川6-4取心筒雙節(jié)+5 in鉆鋌9根+3in鉆桿300根+410×311變徑+5 in鉆桿。取心鉆進參數(shù)為：鉆壓20～50 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，樹心鉆壓10 kN，泵量12～16 L/min。

5.5 鉆井液技術(shù)

5.5.1 鉆井液管理原則

(1)固相控制堅持“篩、除、淘、沉、撈、離”六字作業(yè)，最大限度地減少了有害固相的含量，為保持鉆井液性能穩(wěn)定打下了良好的基礎。振動篩和除砂器的使用率100%，使用離心機及時清除鉆井液中的有害固相，保證鉆井液密度無大的變化。

(2)在體系轉(zhuǎn)換時，強化鉆井液的造壁、護壁性能，對井壁的快速封堵，提高鉆井液的抑制防塌性能，有效降低鉆井液轉(zhuǎn)換過程中及后續(xù)的鉆井液鉆進中因井壁失穩(wěn)導致的事故。

(3)處理鉆井液前堅持做小型試驗，針對各種情況制定不同的處理方案，避免盲目處理。小型試驗不僅可以節(jié)約鉆井液材料成本，而且可以避免大幅度改變鉆井液性能對井下安全造成不良影響。

(4)保證攜砂能力的前提下盡量降低固相含量，既保證了高密度鉆井液很好的流動性，又有力地加快了鉆井速度。

(5)確保井控安全以及井壁穩(wěn)定的前提下，易漏地層鉆進采用近平衡鉆進，降低井底與地層間壓差。

(6)堵漏作業(yè)組織合理、迅速，措施得力。將堵漏鉆具上提至距離漏層50.0 m以上打堵漏漿，使鉆具避開漏層，整個堵漏過程中活動好鉆具，保證鉆具連續(xù)活動，避免粘卡。

5.5.2 鉆井液配置及維護管理

鉆井液主要以穩(wěn)定井壁，平衡地層壓力，攜帶、懸浮巖屑的原則進行配置。各開次鉆井液性能見表5。

(1)一開地層膠結(jié)松散，壓實性差、易掉塊、垮塌，采用低固相聚合物泥漿鉆進，配置大分子膠液濃度0.2%～0.5%，鉆進中連續(xù)均勻加入，抑制地層粘土侵，防止自然造漿，控制鉆井液密度上升，同時大分子膠液的補充加入，增強了鉆井液的護壁性。

強化鉆井液凈化工作，加強機械四級凈化，震動篩使用率100%，除砂器、除泥器輪換使用，離心機每天使用2～3 h。同時化學凈化加人工凈化，大分子絮凝沉淀，每天人工清放振動篩錐形罐，確保了鉆井液密度始終控制在1.05～1.08 g/cm3，粘度28～30 s，確保低密度快速鉆進，防止密度上升影響機械鉆速和壓漏地層。

表5 鉆井液性能

(2)二開長段裸眼，鉆穿多個地層，出現(xiàn)地應力掉塊、垮塌阻卡、井漏、氣侵、長段石膏侵、長段泥巖粘土侵等，鉆進過程中通過地層巖性分析及細致觀察井下細小現(xiàn)象，有針對性地多做室內(nèi)小型試驗，以最低的成本投入，以最小的人力投入量完全滿足各種工況的鉆井液性能。二開鉆井開始引入石灰粉提供鈣離子，使其鉆井液體系形成粗分散，能夠容納更多的劣質(zhì)固相并具有良好的流變性。

(3)三開鉆進目的層轉(zhuǎn)換為聚磺欠飽和鹽水體系，鉆井液體系轉(zhuǎn)換非常關鍵。體系轉(zhuǎn)換第一循環(huán)周對鉆井液進行充分護膠處理，第二循環(huán)周開始加鹽，循環(huán)處理轉(zhuǎn)換完后起鉆更換取心鉆具，取心鉆進中繼續(xù)加鹽處理，初始控制氯離子濃度15萬ppm。長段取心鉆進，環(huán)狀間隙小，鉆井液性能穩(wěn)定、潤滑性能好是關鍵。鉆井液性能控制在：密度1.30 g/cm3；粘度44～48 s；pH值10.5。滿足了小井眼取心作業(yè)要求，起下鉆無阻卡現(xiàn)象。

5.6 井斜控制

鉆具結(jié)構(gòu)選用防斜、糾斜鉆具組合，嚴格按設計要求測斜，用測斜數(shù)據(jù)指導鉆井施工，確保鉆井質(zhì)量符合設計要求。

(1)打方鉆桿時，每鉆進2 m用水平尺校正方鉆桿，確保開直井口。

(2)常規(guī)鉆進井段每100 m測井斜1次，并且在井斜變化大和完井時加密對鉆井的測斜工作；復合鉆進井段采用無線隨鉆設備(MWD)時刻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)井斜增大及時糾斜。

(3)更換鉆具結(jié)構(gòu)或鉆頭入井，以小鉆壓吊打鉆進(設計鉆壓下限)，待扶正器進入新井眼后以正常鉆壓鉆進。

ZK001井鉆井施工歷時126.5 d，完鉆井深3227.00 m，最大井斜80 m，井底閉合位移119.00 m，平均井徑擴大率15%。錄井工作中，鉆時錄井3227個、巖屑818件，全井累計鉆井液錄井474次，固井質(zhì)量合格；取心11回次，平均巖心收獲率93.71%。各項指標達到設計要求。

6 主要技術(shù)措施及應用

6.1 長段裸眼施工

二開井段長達2515 m，鉆穿多個地層，各地層特性不盡相同。為滿足多個層位鉆進，鉆井液采用分段處理維護。

(1)上部井段采用聚合物低密度鉆井液，鉆至井深1200 m，密度范圍控制在1.05～1.20 g/cm3，以較低的鉆井液密度保障工程上的快速鉆進。

(2)鉆進至1400 m自流井組段，井下掉塊逐漸增多，返出粒徑1～2.5 cm掉塊增多，下鉆到底開泵有后效現(xiàn)象。緩慢的分3次將鉆井液密度提高至1.23～1.26～1.30 g/cm3，密度穩(wěn)定在1.30 g/cm3井下恢復正常。

(3)自流井組、須家河組井段一直有輕微掉塊現(xiàn)象，緩慢提高鉆井液密度，同時加入瀝青質(zhì)材料對井壁進行封堵，降低慮失量，鉆井液性能控制范圍，密度1.43～1.44 g/cm3，粘度40～44 s，動切力6～6.8 Pa，泥餅厚度0.5 mm以內(nèi)，初切3～4 Pa，終切10～11 Pa，pH值保持在9，井下掉塊一直在可控范圍內(nèi)，起下鉆暢通，接單根上提下放無阻卡現(xiàn)象。

6.2 井漏處理措施

鉆進至須家河組四段井深2493 m，發(fā)生井漏，漏失總量22.6 m3，測得最大漏速13 m3/h。鉆井液性能：密度1.44 g/cm3，粘度44 s；鉆井參數(shù)：鉆壓130 kN，轉(zhuǎn)速65 r/min，泵量25.7 L/min，泵壓7.5 MPa。

井漏發(fā)生時機械鉆速降低，鉆時加長，地層巖性從巖屑上看泥巖逐漸過渡為砂巖，且有輕微跳鉆現(xiàn)象，判斷：(1)泥巖過渡到砂巖的接觸面存在天然裂隙，發(fā)生裂縫性漏失；(2)砂巖鉆開時未形成有效泥餅，發(fā)生滲透性漏失。

發(fā)現(xiàn)井漏后，安排專人測量鉆井液量和鉆井液進出口密度、粘度，并立即將鉆井液泵排量由25.7 L/min降低到20 L/min，鉆井液粘度從44 s提高至60 s，改變鉆井液流態(tài)，減小鉆井液對井壁的機械沖刷以降低漏速，將鉆井液密度由1.44 g/cm3降低至1.40 g/cm3減小液柱壓力降低漏速。循環(huán)觀察漏速減小，采用邊鉆邊堵的方法堵漏。用加重泵緩慢、交替逐漸加入隨鉆堵漏劑Ⅱ型500 kg，復合堵漏劑Ⅰ型125 kg，云母片125 kg。為不影響泥漿泵工況，堵漏材料控制在1 h加完，計算堵漏材料返出井口時間80 min，提前關閉震動篩，使堵漏材料在井內(nèi)循環(huán)充分作用。隨著堵漏劑的逐漸加入漏失速度明顯減小，經(jīng)過4 h的循環(huán)堵漏處理，將泥漿泵排量由20 L/min恢復到25.7 L/min鉆進正常，未發(fā)現(xiàn)漏失，堵漏成功。

6.3 技術(shù)套管固井止水

二開井段鉆穿多個層位，且存在漏失情況，如采用常規(guī)固井方法，水泥漿外環(huán)上返時會漏失，無法返高至技術(shù)套管口，不能滿足技術(shù)套管固井、止水目的。經(jīng)優(yōu)化固井工藝，采用正注反擠的固井方法，正注即插入式固井方法，經(jīng)固井時頂替壓力測算出水泥漿返高；反擠即借助封井器，從技術(shù)套管口與表層套管的環(huán)狀間隙將水泥漿擠入，封固技術(shù)套管外環(huán)。經(jīng)聲幅監(jiān)測固井質(zhì)量滿足設計要求。

6.4 深部抽水試驗

ZK001井抽鹵水試驗要求穩(wěn)定流抽水，面臨的困難主要是深度大(3000 m以下)，口徑小(?150.9 mm)，抽水與水位觀測同時進行。常規(guī)的電泵抽水、提桶抽水無法滿足設計要求。

抽水采用油管連接試油泵，利用鉆機提升系統(tǒng)提放抽油桿的連續(xù)抽水方式，測水位采用物探測井絞車將電纜從油管外環(huán)下入，滿足邊抽水邊測井內(nèi)水位的要求。

管式泵型號規(guī)格及參數(shù)：型號25-225THC型，泵體外徑57.15 mm，泵筒長度10.4 m，柱塞長度0.3～8.0 m，沖程長度1.2～9.0 m，加長接箍長度0.6～1.2 m，油管尺寸?73 mm，抽油桿尺寸CYB25。

兩端未加厚API油管規(guī)格及參數(shù)：外徑73 mm，鋼級N80,壁厚7.82 mm,段質(zhì)量12.8 kg/m，絲扣最小抗拉強度722.6 kN,最小抗擠強度90.83 MPa。

7 對鉀鹽鉆井工程的幾點體會

(1)鉆井液性能要有針對性，鉆進各地層前要有預見性、前瞻性，不能等井內(nèi)出現(xiàn)問題再調(diào)配鉆井液性能。鉆井液以維護為主，處理為輔。鉆井液處理劑都須經(jīng)過充分水化后以循環(huán)周均勻加入，以“細水長流，均勻加入”的原則進行，避免鉆井液性能大幅度變化而造成井下情況復雜。川東地區(qū)的長段石膏層鉆進，鉆遇石膏前對鉆井液進行預處理：①除泥器控制鉆井液內(nèi)的粘土含量，適當降低鉆井液內(nèi)分散相間的結(jié)構(gòu)力，改善泥漿流變性，輔以重晶石粉控制鉆井液密度；②加入含鈣離子的鉆井材料，改善鉆井液體系為粗分散，提高鉆井液抗石膏侵能力，一般選用中鈣(生石灰)為常用材料，加入總量控制到0.25%，加入時不能一次到位，泥漿每循環(huán)一周，生石灰加量增大1倍，第一循環(huán)周加1袋(25 kg)，第二循環(huán)周加2袋(50 kg)，第三循環(huán)周加4袋(100 kg)，依此類推；③適當提高鉆井液pH值到10～11，有效抑制鉆井液內(nèi)鈣離子濃度。

(2)該區(qū)域須家河組上部地層較完整，巖石可鉆性較高，鉆頭使用壽命較長，建議選用螺桿+轉(zhuǎn)盤的復合鉆井工藝。經(jīng)ZK001井時效分析得出，該段平均鉆時為30.41 min/m，而復合鉆井工藝的平均鉆時是14.6 min/m，大大縮短了鉆井周期。