謝色新，馬俊強(qiáng)，崔 駿，姜瑞辰

(中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣東 廣州 510440)

1 前言

復(fù)雜地層鉆探中如何處理好鉆孔漏失是最普遍的一個難題[1-3]。由于鉆孔漏失，造成鉆進(jìn)施工的困難，鉆孔漏、涌水進(jìn)而引起鉆孔垮塌、卡埋鉆具，被迫停鉆處理等。鉆孔漏失處理不當(dāng)會引發(fā)其他孔內(nèi)事故，影響鉆孔質(zhì)量及施工效率，甚至報廢鉆孔[4-5]。

煤系氣泛指以煤層作為烴源巖的非常規(guī)天然氣，主要成分為甲烷，主要包括煤層氣、煤系砂巖氣及頁巖氣[6-7]。煤系氣探井較一般煤炭和煤層氣探井深，為探測含氣層段和指導(dǎo)取樣工作，鉆井施工過程中都會進(jìn)行氣測錄井，要求井口鉆井液返出量達(dá)到70%以上，因此煤系氣探井堵漏工作顯得尤為重要[8-10]。本文就山西平遙區(qū)塊煤系氣探井鉆進(jìn)過程中遇到的井漏問題和采取的堵漏措施進(jìn)行闡述和分析，提出了幾點(diǎn)認(rèn)識和建議。

2 概況

2.1 地理位置

平遙南區(qū)塊山西省平遙縣南部，該項(xiàng)屬于山西省國土資源廳在2017年8月17日公告的山西省煤層氣勘查區(qū)塊招標(biāo)出讓項(xiàng)目，共由12個拐點(diǎn)坐標(biāo)圈定，東西長22.64km，南北寬16.83km，面積為181.025km2，具體平面示意圖如圖1所示。

勘查區(qū)南部與果子溝煤炭普查區(qū)部分重疊，西部地區(qū)與介平普查區(qū)和下梁普查區(qū)小部分重疊，西南地區(qū)與溫家溝煤礦、明子煤礦、王鳳煤礦緊鄰，基于這些資料，判斷區(qū)內(nèi)煤層氣具有一定資源潛力[11-12]，但限于以往工作程度，區(qū)內(nèi)煤層氣含量及分布規(guī)律尚不清楚?？辈閰^(qū)大部分地區(qū)被第四系覆蓋，未有鉆孔對深部煤層進(jìn)行揭露，整體勘探程度和研究程度較低。

圖1 平遙南區(qū)塊位置示意圖

2.2 地層

區(qū)內(nèi)基巖在南部和東部山區(qū)出露，在西部、中部和北部地表被第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3)及中更新統(tǒng)(Q2)覆蓋，區(qū)內(nèi)地層情況見表1。

2.3 構(gòu)造

沁水盆地形成于華北晩古生代成煤期之后，總體呈長軸狀沿NNE向延伸，是華北地區(qū)中生代左行剪切擠壓背景下于燕山中晚期形成的復(fù)式向斜型構(gòu)造盆地。盆地周緣由廣泛出露的古生界所環(huán)繞，并呈環(huán)狀單斜帶向盆地腹部傾伏，盆地腹部被三疊系覆蓋，是向斜構(gòu)造最穩(wěn)定和保存最完整的部分[13]。

表1 鉆遇地層

勘查區(qū)區(qū)域上與盆地的構(gòu)造基本一致，總體構(gòu)造形態(tài)為走向北東傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般10°～19°。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較復(fù)雜，褶被、斷裂非常發(fā)育。

3 堵漏情況及漏失原因分析

3.1 施工情況

本井于2018年10月3日開工，設(shè)計(jì)井深1 880m。施工設(shè)備XY- 8C鉆機(jī)基巖段全孔繩索取芯。鉆井采用三開結(jié)構(gòu)，一開0～220m井徑為150mm，下入φ127mm套管底深220m；二開220～457m井徑為φ110mm，下入φ108mm套管底深457m；三開457～1 231.33m井徑為φ98mm。

2018年11月27日早班，鉆進(jìn)至孔深1 176.48～1 177.48m時，沖洗液消耗增大為0.5m3/h。提芯后繼續(xù)鉆進(jìn)至孔深1 178.48m時，沖洗液消耗增大為0.8m3/h。提芯后用鋸末和高黏堵漏劑調(diào)成糊狀順鉆桿倒入0.1m3，用泵送入孔底泵壓升高，通過掃孔降下泵壓繼續(xù)鉆進(jìn)至1 180.52m，出現(xiàn)無泵壓、無返漿情況。

3.2 惰性膨脹材料堵漏

2018年11月27日白班接班后進(jìn)行調(diào)漿，利用黃豆、鋸末、黃土、142材料、高黏堵漏劑，調(diào)成糊狀用泥漿泵送至孔底，泵壓0.5MPa，鉆進(jìn)1m后取芯，內(nèi)管中無黃豆等堵漏材料。同時，測量水位為70m。調(diào)整堵漏材料，在原有的材料中加入棉絮、鉸成條狀的編制袋，繼續(xù)堵漏，有泵壓0.8MPa，鉆進(jìn)至1 183.44m孔口仍無返漿。

2018年11月28日白班在堵漏材料中加入膨脹物，等待膨脹物膨脹24h。29日白班開始鉆進(jìn)孔口有沖洗液輕微返出。分析認(rèn)為，地層裂隙較大，惰性膨脹材料已進(jìn)入裂隙流走，之后繼續(xù)用惰性材料封堵兩個班效果不明顯，經(jīng)研究決定用水泥封孔法進(jìn)行堵漏。

3.3 水泥加鋸末封堵

12月3日開始封孔，鉆桿下到1 183m，注入水泥前先進(jìn)行了隔水材料注入(0.5m3清水+75kg黃土+40kg刨花)。水灰比為0.5，用量2m3，泥漿泵注入。鉆桿容積為5.79m3，注入替漿4m3，整個注入過程中泵壓0.5MPa左右。用慢檔提鉆桿，提鉆時及時回灌漿。12月5號開始透孔，在944m處遇阻，鉆進(jìn)提芯為水泥柱(理論計(jì)算水泥柱位置917m)。12月10號夜班透孔至1 180.70m時，泵壓突然下降至1.5MPa，孔口返漿量約正常的1/4。停止鉆進(jìn)，加入100kg棉籽進(jìn)行堵漏，繼續(xù)鉆進(jìn)，堵漏效果不明顯，堵漏失敗。為了查明漏失巖層段底深，頂漏強(qiáng)行鉆進(jìn)至1 214m，見完整巖芯后停止鉆進(jìn)。

3.4 水泥加棉籽殼封堵

12月13號，用水泥加棉籽封孔堵漏，鉆桿位置1 186m。在0.2m3水泥漿中摻入60kg棉籽，攪拌均勻后從鉆桿中倒入，然后用泥漿泵注入0.5m3水泥漿，替漿量至1m3時，泵壓升至4.5MPa。上提鉆桿90m后，關(guān)閉井口閘板用泵壓入0.5m3替漿，泵壓在3MPa，提鉆候凝。12月15日白班開始透孔，1 091m處遇見水泥。1 100～1 175m水泥柱芯膠結(jié)完好，1 175～1 181m水泥柱芯內(nèi)可見掉塊較多。透孔至1 182.39m處，沖洗液消耗增加，同時孔內(nèi)阻力較大，提鉆后發(fā)現(xiàn)鉆具磨損嚴(yán)重，堵漏失敗。

3.5 純水泥封堵

12月18日注入水泥0.6m3，上提鉆具50m，將多余水泥沖出，候凝。12月20日開始掃水泥，1150m3處見水泥，正常返漿，鉆到1 186m處，孔口返漿逐漸降為1/3泵量，鉆進(jìn)到1 231m返漿量只剩下1/5，堵漏失敗。

3.6 水泥加壓封堵

12月28日將鉆具下到1 205m處，關(guān)防噴器閘板，封閉孔口，注入1m3清水進(jìn)行洗井；注入0.5m3水泥漿(水灰比0.5，水泥標(biāo)號42.5R)，隨后注入替漿清水1.6m3；提鉆到1 170m，再次關(guān)閉防噴器閘板，用1m3黃土漿沖孔；隨后注入0.5m3有機(jī)凝膠，完后再注入0.2m3隔離液；上述完后注入0.8m3加速凝劑的水泥漿；此后注入1.6m3替漿，將鉆桿內(nèi)水泥漿替出；最后，等待泵壓消失，松開閘板，提鉆，候凝。12月30日在1 186m處遇水泥塞，返漿量二分之一，堵漏失敗。

3.7 水泥加有機(jī)凝聚加壓封堵

2018年12月31日，根據(jù)前次封堵經(jīng)驗(yàn)，φ50mm鉆桿下至1 170m處，注清水1m3洗井，稠泥漿1m3，有機(jī)凝膠2m3，隔離液0.2m3，加速凝劑的水泥2m3，替漿1.4m3(不完全替漿，防止替空)。2019年1月1日開始下鉆探水泥面，1 080.55m處遇水泥塞，1 080.55～1 177m處水泥塞較完整，1 177～1 189m段沒有水泥塞，漏失情況依然存在，堵漏失敗。

3.8 漏失原因分析

1)構(gòu)造影響

鉆孔位于山前構(gòu)造帶，斷裂十分發(fā)育，特別是南北向斷層，落差較大，地震剖面圖如圖2所示。受張性正斷層影響，次生構(gòu)造多，導(dǎo)致裂隙發(fā)育，連通性好。

圖2 地震剖面圖

圖3 巖芯實(shí)物圖

2)巖芯和地下水影響

漏失段主要巖性為細(xì)粒砂巖，巖芯嚴(yán)重破碎，裂隙發(fā)育。觀察巖芯裂隙面，可見明顯水痕，具體實(shí)物如圖3所示，說明該漏失段含水，水泥封堵無效即由流動地下水帶走水泥漿導(dǎo)致。

3)鉆井液影響

為維持井壁穩(wěn)定，本井施工鉆井液比重調(diào)至1.15～1.20g/mL，出現(xiàn)漏失前，現(xiàn)場取芯停泵后，鉆井液均在井口出現(xiàn)溢流，分析認(rèn)為，鉆井液比重大，加之泥漿泵壓力，會壓裂井筒周邊地層，導(dǎo)致鉆井液進(jìn)入地層。停泵后井筒周圍鉆井液回流至井筒，出現(xiàn)井口溢流。

4 處理結(jié)果

4.1 方案制定

為了解漏失段孔壁情況，對漏失段進(jìn)行了井徑測井，測井結(jié)果顯示1 176～1 195m井段平均孔徑129.22mm，孔徑最大位置為1 194.1m，孔徑達(dá)到221.50mm，漏失段情況如圖4所示。

圖4 漏失段井徑情況

現(xiàn)場研究認(rèn)為鉆井過程中遇到的惡性鉆井液漏失、掉塊、擴(kuò)徑嚴(yán)重、反復(fù)堵漏效果不佳等情況，因處理耗時長，漏失段地層“大肚子”情況更為嚴(yán)重，導(dǎo)致下步堵漏難度更大。

遂決定用高標(biāo)號水泥，封閉1 000m以下鉆孔。從1 000m井深處側(cè)鉆，使原孔斜3°左右降低至2°左右，經(jīng)計(jì)算，至漏失層段，新井眼距原井眼距離大于3m，不會受原井眼影響。同時破碎地層局部傾角大，近直立，側(cè)鉆后有可能避開該漏失處。即便仍會遇到漏失段，也可提前準(zhǔn)備，降低井眼“大肚子”情況，利于堵漏工作開展。

4.2 側(cè)鉆加承壓堵漏方案實(shí)施

1月15日下入φ91mm鉆桿下短接自制偏心工具下入孔內(nèi)，利用φ73mm取芯鉆具進(jìn)行側(cè)鉆，側(cè)鉆開始深度966m，側(cè)鉆出10m后，起出φ73mm取芯鉆具和造斜工具，利用帶導(dǎo)向鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。之后恢復(fù)正常三開取芯鉆進(jìn)，正常鉆進(jìn)至1 180m位置開始出現(xiàn)鉆井液漏失情況，之后鉆進(jìn)過程中間夾調(diào)泥漿、加惰性材料堵漏工作，頂漏鉆進(jìn)至1 210m后進(jìn)行注水泥封堵。

本次封堵主要程序：下鉆桿至1 208m處，距孔底2m，注1m3清水洗井，泵注1.5m3水泥漿，替漿1.4m3，泄壓五分鐘提鉆。候凝36h，透孔至1 210m后，鉆井液消耗小于0.5m3/小時，堵漏成功。

5 結(jié)論

(1)鉆進(jìn)時，注意控制鉆井液比重，盡量采用平衡壓力鉆進(jìn)，防止鉆井液壓裂地層，導(dǎo)致出現(xiàn)漏失情況。

(2)出現(xiàn)漏失后，及時分析漏失出現(xiàn)的原因，針對性的采用堵漏辦法，做到節(jié)省時間和經(jīng)濟(jì)性兼顧，防止盲目堵漏。

(3)封堵前進(jìn)行測井，準(zhǔn)確掌握井徑數(shù)據(jù)。

(4)水泥封堵時需精確計(jì)算水泥用量，并添加一定附加值，防止出現(xiàn)水泥返高不足。

(5)煤系氣探井深度大，在設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況，增加設(shè)計(jì)開次。

(6)在出現(xiàn)惡性漏失，井壁坍塌嚴(yán)重情況下，側(cè)鉆加承壓堵漏的方法 具有重要應(yīng)用意義和推廣價值。