王文剛，胡大梁，歐 彪，房 舟，劉 磊

（1.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司,北京 100020；2.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院,四川德陽(yáng) 618000）

四川盆地天然氣資源豐富，是國(guó)內(nèi)天然氣最富集的地區(qū)之一，其中井研-犍為地區(qū)位于該盆地西南部，地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)千億方，具有多層位立體勘探開(kāi)發(fā)的巨大潛力[1-3]。該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，鉆井過(guò)程中易發(fā)生井漏、井眼失穩(wěn)、卡鉆等井下故障。例如，JS1 井鉆遇飛仙關(guān)組、沙灣組和峨眉山組玄武巖地層時(shí)井壁掉塊嚴(yán)重，造成起下鉆阻卡，需頻繁劃眼，浪費(fèi)鉆井時(shí)間13 d；茅口組發(fā)生6 次井漏，累計(jì)漏失鉆井液545.68 m3，橋漿堵漏效果不佳。筆者在調(diào)研國(guó)內(nèi)解決井眼失穩(wěn)和漏失問(wèn)題技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)井研-犍為地區(qū)的地質(zhì)特征和地層三壓力剖面優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)[4-8]，設(shè)計(jì)采用鉀基聚合物防塌鉆井液，針對(duì)不同漏失類型制定了相應(yīng)的防漏堵漏技術(shù)措施[9-14]，形成了適用于井研-犍為地區(qū)縫洞型復(fù)雜地層的鉆井關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)在PR1 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，PR1 井鉆進(jìn)中未出現(xiàn)井眼失穩(wěn)問(wèn)題，解決了漏失問(wèn)題，鉆至井深4 285.00 m 完鉆，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 地質(zhì)特征及鉆井難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特征

井研-犍為地區(qū)地表出露層位一般為蓬萊鎮(zhèn)組，主要目的層為筇竹寺組和燈影組，自上而下鉆遇侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、涼高山組和自流井組，三疊系須家河組、雷口坡組、嘉陵江組和飛仙關(guān)組，二疊系沙灣組、峨眉山組玄武巖、茅口組、棲霞組和梁山組，寒武系滄浪鋪組、筇竹寺組和麥地坪組，震旦系燈影組。蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、涼高山組、自流井組和須家河組屬于陸相地層，巖性以砂巖、粉砂巖、泥頁(yè)巖為主，部分層位含煤；雷口坡組及以下地層屬于海相地層，其中雷口坡組和嘉陵江組以灰?guī)r、白云巖夾硬石膏巖為主，峨眉山組頂部為紫灰色蝕變玄武巖，下部為灰黑色和黑色玄武巖[3]；茅口組和棲霞組為灰?guī)r、白云巖夾頁(yè)巖；燈影組巖性為藻丘相沉積的藻凝塊、藻疊層、藻粘結(jié)格架云巖，儲(chǔ)層厚度60.00～250.00 m。

沙溪廟組、自流井組和須家河組可能鉆遇油氣顯示層，雷口坡組、嘉陵江組、茅口組、棲霞組和燈影組可能鉆遇孔隙型、裂縫性及溶洞型氣層。根據(jù)鄰井實(shí)測(cè)地層溫度預(yù)測(cè)燈影組地溫梯度為3.21～3.26 ℃/100m，燈影組地層溫度為146～160 ℃。

1.2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

井研-犍為地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層發(fā)育溶洞、裂縫和斷層等，海相地層普遍含硫化氫，鉆井面臨“漏、塌、卡、噴、毒”等技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）陸相上部蓬萊鎮(zhèn)組地層疏松、承壓能力低，易發(fā)生漏失；須家河組煤層發(fā)育，局部存在煤礦開(kāi)采區(qū)；雷口坡組三段發(fā)育小斷層；峨眉山組玄武巖、茅口組、棲霞組和燈影組可能發(fā)育溶蝕縫洞[15]。對(duì)于斷層和縫洞發(fā)育井段，發(fā)生惡性漏失的風(fēng)險(xiǎn)較高。

2）陸相沙溪廟組和自流井組為砂巖和泥頁(yè)巖互層，泥頁(yè)巖在鉆井液中長(zhǎng)時(shí)間浸泡易水化膨脹；雷口坡組、嘉陵江組發(fā)育大段膏鹽巖，膏鹽巖蠕變可能導(dǎo)致井眼縮徑；沙灣組為灰黑色泥巖、灰色凝灰質(zhì)粉砂巖。此井段存在多個(gè)不穩(wěn)定地層，易發(fā)生卡鉆等井下故障。

3）嘉陵江組裂縫發(fā)育，可能鉆遇裂縫性氣層。目的層燈影組溶蝕縫洞發(fā)育，鉆遇高產(chǎn)氣層后由于地層承壓能力低，存在“漏轉(zhuǎn)噴”的可能性，而且海相地層普遍含硫化氫氣體，井控風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 復(fù)雜地層鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 前期井身結(jié)構(gòu)

井研-犍為地區(qū)前期已完鉆井主要采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：一開(kāi)封隔須家河組或雷口坡組，二開(kāi)封隔茅口組、筇竹寺組等，三開(kāi)鉆至目的層完鉆。由已完鉆井的井身結(jié)構(gòu)可以看出，二開(kāi)各井封隔的地層各不相同（見(jiàn)表1），說(shuō)明該地區(qū)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處于探索階段。該地區(qū)發(fā)生的井下故障主要為漏失和卡鉆，其中漏失主要發(fā)生在燈影組，其次是茅口組，主要原因是燈影組地層裂縫、溶蝕縫洞發(fā)育；卡鉆主要發(fā)生在飛仙關(guān)組、茅口組等地層，原因是這些地層巖性復(fù)雜，易發(fā)生掉塊。

表1 前期完鉆井井身結(jié)構(gòu)Table 1 Casing programs of wells completed in the early phase

2.1.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及方案

因?yàn)殛懴嗟貙涌紫秹毫ο禂?shù)基本一致（見(jiàn)表2），為有效封隔上部易塌、易漏地層，同時(shí)確保下部井段鉆進(jìn)安全和井身結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性[16-17]，要在二開(kāi)施工前建立井控條件?？紤]盡量縮短大直徑井段，必封點(diǎn)1 設(shè)置在下沙溪廟組頂部，封隔上沙溪廟組以淺地層。麥地坪組及以淺地層孔隙壓力系數(shù)為1.45，燈影組地層孔隙壓力系數(shù)最高1.20，同時(shí)預(yù)測(cè)麥地坪組與燈影組地層呈角度不整合接觸，考慮燈影組存在井漏風(fēng)險(xiǎn)，必封點(diǎn)2 設(shè)置在麥地坪組底部，不鉆開(kāi)燈影組。據(jù)此將井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：導(dǎo)管，φ406.4 mm 鉆頭×52.00 m，φ339.7 mm 導(dǎo)管×50.00 m；一開(kāi)，φ316.5 mm 鉆頭×810.00 m，φ273.1 mm 套管×808.00 m，封隔上沙溪廟組以淺地層；二開(kāi)，φ241.3 mm鉆頭×3990.00 m，φ193.7 mm 套管×3988.00 m，封隔麥地坪組以淺地層；三開(kāi)，φ165.1 mm 鉆頭×4430.00 m，φ139.7 mm 尾管×3 838.00～4 428.00 m，射孔完井。

表2 地層三壓力剖面預(yù)測(cè)Table 2 Prediction of formation three-pressure profiles

2.1.3 溶蝕縫洞發(fā)育區(qū)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

井研-犍為地區(qū)可溶巖分布廣泛，海相茅口組、棲霞組等主要為灰?guī)r和白云巖，受巖性與地質(zhì)構(gòu)造作用，巖溶發(fā)育程度不均勻，易發(fā)生惡性漏失，鉆井施工風(fēng)險(xiǎn)高，根據(jù)溶洞發(fā)育區(qū)的地質(zhì)特征，形成2 個(gè)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。1）必封點(diǎn)1 設(shè)置在雷口坡組頂部，封隔陸相地層，保障下開(kāi)次鉆遇漏層時(shí)的安全；必封點(diǎn)2 設(shè)置在麥地坪組底部，封隔上部溶蝕縫洞發(fā)育地層，不進(jìn)入燈影組低壓層，避免井漏，并保證目的層專打。2）必封點(diǎn)1 設(shè)置在須家河組頂部，封隔自流井組易垮塌地層；必封點(diǎn)2 設(shè)置在棲霞組頂部，不揭開(kāi)溶洞型易漏層；三開(kāi)合理控制鉆井液密度，鉆穿棲霞組漏層，并鉆至設(shè)計(jì)完鉆井深。根據(jù)原則1 設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)：導(dǎo)管，φ406.4 mm 鉆頭×102.00 m，φ339.7 mm 導(dǎo)管×102.00 m；一開(kāi)，φ316.5 mm鉆頭×1 670.00 m，φ273.1 mm 套管×1 670.00 m，封隔雷口坡組以上陸相地層；二開(kāi)，φ241.3 mm 鉆頭×3 990.00 m，φ193.7 mm 套管×3 988.00 m，封隔麥地坪組以上地層；三開(kāi)，φ165.1 mm 鉆頭×4 500.00 m，下入φ139.7 mm 尾管，射孔完井。根據(jù)原則2 設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)：導(dǎo)管，φ406.4 mm 鉆頭×102.00 m，φ339.7 mm 導(dǎo)管×102.00 m；一開(kāi)，φ316.5 mm 鉆頭×1 150.00 m，φ273.1 mm 套管×1 150.00 m，封隔易垮塌的自流井組；二開(kāi)，φ241.3 mm 鉆頭×3 440.00 m，φ193.7 mm 套管×3 440.00 m，封隔棲霞組以上地層；三開(kāi)，φ165.1 mm 鉆頭×4 500.00 m，下入φ139.7 mm 尾管，射孔完井。

2.2 鉀基聚合物防塌鉆井液

陸相沙溪廟組、自流井組和須家河組巖性主要為砂巖、泥巖和頁(yè)巖，泥巖段黏土礦物含量高，鉆井過(guò)程中泥巖和頁(yè)巖易水化膨脹，從而導(dǎo)致縮徑、剝落掉塊甚至大面積失穩(wěn)坍塌。因此，鉆井液以穩(wěn)定井壁為主，同時(shí)有利于安全快速鉆進(jìn)，設(shè)計(jì)采用鉀基聚合物防塌鉆井液。鉀離子與黏土六方晶格的尺寸剛好相符，且鉀離子的水化能力弱，嵌入黏土六方晶格可以使黏土不易水化膨脹和分散，從而保持泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定。鉀基聚合物防塌鉆井液配方為：3.0%～4.0%膨潤(rùn)土+0.3%～0.5%復(fù)合金屬離子聚合物+0.1%～0.2%黃原膠+0.2%～0.3%兩性離子聚合物包被劑+0.2%～0.3% 兩性離子聚合物降黏劑+0.5%～1.0%水解聚丙烯腈銨鹽+0.5%～1.0%水解聚丙烯腈鉀鹽+0.5%～1.0% 水解聚丙烯酰胺+1.0%～2.0%改性瀝青+1.0%～2.0%改性石蠟封堵防塌劑+3.0%～5.0% 氯化鉀+0.4%～0.6% 生石灰。要求K+含量不低于25 000 mg/L，高分子聚合物含量達(dá)到2%。該鉆井液密度1.10～1.25 kg/L，漏斗黏度40～50 s。鉆井過(guò)程中要及時(shí)補(bǔ)充氯化鉀、生石灰和聚合物包被劑，同時(shí)加入井壁封固劑、成膜封堵劑等，以保障二開(kāi)上部井段井壁穩(wěn)定，為下一開(kāi)次鉆進(jìn)創(chuàng)造有利條件。

2.3 防漏堵漏技術(shù)措施

2.3.1 常規(guī)橋接堵漏漿堵漏

針對(duì)鉆井過(guò)程中的裂縫性漏失，首先考慮建立循環(huán)，持續(xù)從環(huán)空泵注鉆井液。加入大量的大顆粒堵漏材料配制堵漏漿，再加入粗、中粗顆粒堵漏架橋材料，增強(qiáng)堵漏漿的架橋能力[18-19]。橋接堵漏漿配方為：20.0%橋接堵漏劑+6.0%核桃殼（粒徑1～3 mm）+4.0%核桃殼（粒徑3～5 mm）+2.0%核桃殼（粒徑5～7 mm）+3.0%快速堵漏劑+0.4%成膜堵漏劑+3.0%高強(qiáng)度纖維+7.0%隨鉆堵漏劑。

2.3.2 多功能固結(jié)承壓堵漏技術(shù)

針對(duì)漏失嚴(yán)重、環(huán)空未見(jiàn)液面的惡性井漏，為了盡快建立液面、避免井眼在井筒無(wú)井漿情況下失穩(wěn)，采用多功能固結(jié)承壓堵漏技術(shù)。該技術(shù)將鉆井液固結(jié)堵漏和高濾失固化堵漏技術(shù)合二為一[20-22]，固結(jié)材料正常工作溫度30～160 ℃，堵漏漿擠入漏層后能像水泥漿一樣固化（見(jiàn)圖1），且稠化時(shí)間可控；固結(jié)材料具有微膨脹性，固結(jié)后膨脹系數(shù)0.6%，擠入地層后有利于封堵裂縫和溶洞，酸溶率大于80%，有利于保護(hù)儲(chǔ)層，適用于任何密度的水基鉆井液，能夠進(jìn)行隨鉆作業(yè)，提高堵漏效率。固結(jié)承壓堵漏漿具有直角稠化性能，駐留性好；高強(qiáng)度固結(jié)使封堵更加牢固，微膨脹特性能夠進(jìn)一步提高地層承壓能力，有利于解決溶洞型等失返性惡性漏失問(wèn)題。

圖1 固結(jié)材料凝固前后的狀態(tài)Fig.1 States of the consolidation material before and after solidification

2.3.3 新型隨鉆封隔器封堵漏層

對(duì)于長(zhǎng)裸眼井段漏層多、上噴下漏等復(fù)雜情況，若采用常規(guī)堵漏鉆具組合，存在封堵井段長(zhǎng)、針對(duì)性不強(qiáng)等問(wèn)題，堵漏成功率不高，于是采用隨鉆封隔器封堵漏層?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，φ165.1 mm 牙輪鉆頭鉆至距漏層頂部10.00 m 左右，充分循環(huán)后起鉆；下入隨鉆封隔器鉆具組合（見(jiàn)圖2），封隔器坐封后，環(huán)空泵注鉆井液保證環(huán)空液面高度，高壓泵車從鉆具內(nèi)注入高強(qiáng)度固結(jié)性封堵漿，替漿到位后關(guān)閉自封滑套，保證封堵漿以井筒為中心在近井筒地層形成高強(qiáng)度封堵層；封堵作業(yè)完成后，倒開(kāi)安全接頭起鉆。

圖2 隨鉆封隔器鉆具組合示意Fig.2 Bottom hole assembly with packer while drilling

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

縫洞型復(fù)雜地層鉆井關(guān)鍵技術(shù)在PR1 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)可以解決井研-犍為地區(qū)存在的鉆井技術(shù)難點(diǎn)。

PR1 設(shè)計(jì)完鉆井深4 430.00 m，主要目的層為燈影組。根據(jù)地震預(yù)測(cè)，PR1 井區(qū)棲霞組發(fā)育3 個(gè)溶洞，分別位于待鉆井眼北側(cè)、西側(cè)及南側(cè)（見(jiàn)圖3）；滄浪鋪組巖屑石英砂巖、頁(yè)巖發(fā)育，筇竹寺組和麥地坪組泥頁(yè)巖發(fā)育，地質(zhì)預(yù)測(cè)該段地層最高坍塌壓力系數(shù)達(dá)到1.40。為此，按照溶洞發(fā)育區(qū)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，對(duì)PR1 井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，二開(kāi)不揭開(kāi)棲霞組溶洞易漏層，三開(kāi)使用低密度鉆井液揭開(kāi)棲霞組，鉆至設(shè)計(jì)井深完鉆。

圖3 棲霞組溶洞分布示意Fig.3 Distribution of karst caves in Qixia Formation

一開(kāi)使用密度1.10 kg/L 鉀基聚合物防塌鉆井液開(kāi)鉆，隨后通過(guò)混重漿的方式逐步將其密度提高至1.25 kg/L，鉆至一開(kāi)完鉆。隨鉆補(bǔ)充由FA-367 和LV-CMC 等復(fù)配的膠液，高分子聚合物含量要高于2.0%，根據(jù)鉆井液表觀黏度調(diào)整膠液加量；控制鉀離子質(zhì)量濃度在25 000 mg/L 左右、鉆井液漏斗黏度45～60 s、API 濾失量不大于5 mL。鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)觀察井口返漿及振動(dòng)篩處的巖屑，分析井眼凈化情況，發(fā)現(xiàn)異常后及時(shí)用高黏切稠漿段塞清掃，以滿足大井眼條件下巖屑懸浮和井眼清潔。一開(kāi)陸相地層的平均井徑擴(kuò)大率從早期的10%左右降至7%～8%，有效維護(hù)了井壁穩(wěn)定性。

二開(kāi)鉆至井深3 179.94 m（峨眉山組玄武巖）發(fā)生漏失，此時(shí)鉆井液密度1.68 kg/L，漏失量35.15 m3，采用橋漿堵漏成功。鉆至井深3 300.00 m 掉塊增多，將鉆井液密度提至1.75 kg/L，鉆至井深3 523.52 m時(shí)發(fā)生失返性漏失，利用橋接堵漏漿堵漏5 次，累計(jì)注入橋接堵漏漿270 m3，靜止3～4 h，觀察堵漏效果，發(fā)現(xiàn)鉆井液持續(xù)漏失，累計(jì)漏失930 m3，橋接堵漏漿未能有效封堵漏層。鑒于漏失通道大，堵漏材料難以架橋封堵，決定采用多功能固結(jié)承壓堵漏技術(shù)。采用井漿配制固結(jié)堵漏漿，堵漏漿密度1.70 kg/L，采用平衡堵漏原理將堵漏漿推入漏層，以8 L/s 排量注入21 m3堵漏漿，泵壓為0；以10 L/s 排量替入22 m3密度1.50 kg/L 的鉆井液，泵壓為0；停泵，環(huán)空液面無(wú)明顯變化，候凝后憋壓至7 MPa 環(huán)空未通，環(huán)空液面無(wú)變化，表明懸空橋塞承壓成功。

三開(kāi)采用密度1.45 kg/L 的鉆井液開(kāi)鉆，進(jìn)入棲霞組22.78 m（井深3 532.78 m）處發(fā)生漏失，之后3 556.82～4 006.00 m 井段多次發(fā)生漏失，累計(jì)漏失鉆井液262.98 m3?？紤]要保證棲霞組漏層和下部筇竹寺頁(yè)巖層井壁穩(wěn)定，確定以強(qiáng)化抑制防塌性能為主，調(diào)整密度為輔的思路優(yōu)化鉆井液配方，并將其密度逐步降至1.40 kg/L。優(yōu)化后鉆井液的配方為5% 承壓堵漏劑+5% 超細(xì)碳酸鈣+3% 隨鉆堵漏劑+6%核桃殼（粒徑0.5～1.0 mm）+3%核桃殼（粒徑1.0～3.0 mm）+復(fù)合堵漏劑3%。采用邊漏邊鉆的方式鉆穿低壓漏層，保障了低密度條件下筇竹寺組頁(yè)巖地層井壁的穩(wěn)定性，安全鉆至井深4 285.00 m（燈影組）完鉆。利用該井的鉆井資料、測(cè)錄井資料基本弄清了井研-犍為地區(qū)燈影組二段、四段的成藏條件和儲(chǔ)層特征，且該井的成功完鉆為該地區(qū)后續(xù)探井鉆井及川南溶洞發(fā)育區(qū)鉆井提供了經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)井研-犍為地區(qū)溶蝕縫洞發(fā)育的特點(diǎn)，根據(jù)地層三壓力剖面，優(yōu)化形成了2 種井身結(jié)構(gòu)：一種是利用技術(shù)套管封隔棲霞組漏層，保障目的層專封專打；另一種是不揭開(kāi)漏層，將漏層與目的層置于同一裸眼段，通過(guò)優(yōu)化鉆井液密度兼顧防漏防塌。

2）使用鉀基防塌聚合物鉆井液鉆進(jìn)陸相易塌地層，鉆進(jìn)時(shí)要保證高分子聚合物含量大于2%、K+質(zhì)量濃度不低于25 000 mg/L 和API 濾失量不大于5 mL，以確保鉆井液具有足夠的抑制防塌性能。海相易漏地層要合理控制鉆井液密度，配合隨鉆堵漏工藝鉆穿漏層。

3）裂縫性漏失采用橋漿堵漏；溶洞性嚴(yán)重漏失采用多功能固結(jié)型材料封堵漏失通道，或嘗試隨鉆封隔器+高強(qiáng)度固結(jié)封堵漿封堵漏層。

4）對(duì)于區(qū)域性風(fēng)險(xiǎn)探井，建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)地層壓力、地下裂縫、斷層和溶洞等情況的研究，為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井液體系和密度的合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程一體化。