趙志濤，蔣 睿，3，盧 彤，朱迪斯，徐軍軍，歐陽(yáng)志勇，朱文鑒*

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

在奧陶系的灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽地層中發(fā)育著大量的巖溶洞穴，易發(fā)生惡性井漏，引發(fā)卡鉆、井塌埋鉆等鉆井事故，甚至造成井眼報(bào)廢，對(duì)鉆探成本和工期都帶來(lái)極大影響，因此，在該類(lèi)地層鉆進(jìn)中溶洞的識(shí)別與處理具有重要意義。目前，很多學(xué)者從地震、測(cè)井、鉆進(jìn)參數(shù)等單角度出發(fā)研究過(guò)溶洞識(shí)別，但未將地質(zhì)、地震、鉆進(jìn)、錄井和測(cè)井等地質(zhì)工程資料進(jìn)行綜合研究判斷溶洞發(fā)育情況［1-8］。例如，2006年胡中平等學(xué)者發(fā)表了以地震資料識(shí)別溶洞的研究成果，溶洞在地震剖面中有彎月?tīng)顝?qiáng)反射等特征；2012年馬暉研究了利用測(cè)井資料識(shí)別塔河油田巖溶溶洞。鉆遇溶洞后，常規(guī)采用橋接堵漏、水泥堵漏等處理方法［9-12］，近幾年也出現(xiàn)了波紋管堵漏、智慧凝膠堵漏等新技術(shù)［13-15］，取得了良好的溶洞堵漏效果。溶洞堵漏方法繁多，適用性不盡相同，須根據(jù)溶洞發(fā)育情況采取合理的堵漏措施。本文結(jié)合下?lián)P子頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查皖南地1井的溶洞識(shí)別和處理，綜合研究地震、鉆井、錄井和測(cè)井等資料的溶洞識(shí)別特征，并對(duì)比分析不同溶洞處理方法的特點(diǎn)，旨在更加準(zhǔn)確判斷溶洞發(fā)育情況，采取恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，縮短處理周期，降低成本。

1 工程概況

皖南地1井是一口部署于下?lián)P子地區(qū)南陵盆地南緣的小口徑頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查井，直井，設(shè)計(jì)深度1500 m，終孔直徑≮75 mm，全井取心，主探五峰-高家邊組，兼探牯牛潭組-侖山組。該井采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，開(kāi)展了錄井和測(cè)井，完鉆深度1506.91 m，完鉆層位奧陶系紅花園組。該工程實(shí)現(xiàn)了鉆探目的，梳理了安徽皖南地區(qū)地層層序，特別摸清了五峰-高家邊組發(fā)育情況；在高家邊組發(fā)現(xiàn)2層 氣 測(cè) 異 常 井 段（886.60～900.00 m和965.40～971.00 m），為二級(jí)項(xiàng)目對(duì)頁(yè)巖氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的理論推測(cè)提供了有力的實(shí)物數(shù)據(jù)支撐和驗(yàn)證［16］。

1.1 地質(zhì)條件

本井鉆遇地層自上而下依次為：第四系蕪湖組、下蜀組、戚家嘰組，志留系高家邊組，奧陶系五峰組、湯頭組、寶塔組、牯牛潭組、紫臺(tái)組、紅花園組（未穿），詳見(jiàn)表1。

表1 皖南地1井鉆遇地層Table 1 Formation encountered in Well WND1

1.2 井身結(jié)構(gòu)

皖南地1井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。一開(kāi)采用?165 mm鉆頭鉆至233.49 m，下入?146 mm套管，固井，水泥返至井口，坐防噴器；為了減小環(huán)空，保證上返速度，一開(kāi)井段又下入?127 mm繩索取心鉆桿作為活動(dòng)套管。二開(kāi)采用?98 mm鉆頭鉆至1230.84 m，下入?89 mm活動(dòng)套管，不固井。三開(kāi)采用?77 mm鉆頭鉆至1506.91 m，裸眼完鉆。

圖1 皖南地1井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Well structure of WND1

1.3 施工工藝

該井采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，以便于全井取心。選用了XY-8型巖心鉆機(jī)，SG24型鉆塔，NBB-390/15型泥漿泵，并配備了2SFZ18-35型防噴器。采用中等硬度細(xì)顆粒孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC30～40，水口適當(dāng)加寬以便排渣，直徑適當(dāng)加大以減小泥頁(yè)巖地層卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。其中二開(kāi)和三開(kāi)鉆頭分別加大至?98 mm和?77 mm，鉆頭內(nèi)徑加大金剛石濃度，防止鉆頭內(nèi)徑磨損過(guò)快。鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)詳見(jiàn)表2。針對(duì)各開(kāi)次地層選用了合理的鉆井液體系，其中二開(kāi)針對(duì)水敏性的泥頁(yè)巖、泥質(zhì)含量高的砂巖且大傾角地層，改用防塌性好、排粉能力強(qiáng)、流變性好、抑制性強(qiáng)的低固相防塌聚合物鉆井液體系，詳見(jiàn)表3。

表2 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)Table 2 Drilling parameters

表3 各開(kāi)次鉆井液體系Table 3 Drilling fluid system for each well section

1.4 鉆遇溶洞情況

二開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆至1223.54 m遇2.8 m溶洞，鉆井液失返，鑒于上部井壁較為穩(wěn)定以及表層套管固井質(zhì)量好且安裝防噴器，因此先頂漏鉆穿溶洞進(jìn)入完整地層3.5 m，嘗試多次橋接堵漏無(wú)效，采用套管封隔，變徑鉆進(jìn)至完鉆。

2 溶洞識(shí)別技術(shù)

溶洞在地質(zhì)、地震、鉆井、錄井、巖心、測(cè)井曲線等資料中具有不同的表現(xiàn)特征［1-12］，據(jù)此可以識(shí)別溶洞的發(fā)育情況，為溶洞的堵漏處理提供依據(jù)。常規(guī)的溶洞識(shí)別一般通過(guò)鉆井工程參數(shù)變化來(lái)識(shí)別，難以準(zhǔn)確的判斷溶洞發(fā)育情況，綜合分析地質(zhì)資料、物探資料、鉆井、錄井以及測(cè)井資料可較準(zhǔn)確判斷溶洞的發(fā)育情況。

2.1 鉆前識(shí)別特征

溶洞的形成具有一些地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，并在地震中有響應(yīng)特征。如果在進(jìn)行鉆井工程設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造和地震資料有溶洞特征，須做好溶洞處理預(yù)案，準(zhǔn)備充分的技術(shù)措施。溶洞的主要地質(zhì)和地震特征有［1-5］：

（1）溶洞主要受到溶蝕作用而產(chǎn)生，古侵蝕面是

溶洞理想的發(fā)育平臺(tái)，存在長(zhǎng)期的沉積間斷，在古侵蝕面都普遍發(fā)育著鋁土礦、鋁土質(zhì)泥質(zhì)巖、褐鐵礦層或黃鐵礦等風(fēng)化殘積物；

（2）存在與侵蝕面伴生的崩塌的角礫巖、覆蓋角礫灰、填隙角礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖等；

（3）地震剖面中表現(xiàn)出彎月?tīng)顝?qiáng)反射特征，與溶道的河道狀特征對(duì)應(yīng)，強(qiáng)振幅變化率呈帶狀或點(diǎn)狀分布，地震測(cè)井約束反演中低波阻抗呈帶狀分布［4］。

皖南地1井無(wú)地震詳實(shí)資料，因此鉆前沒(méi)能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但有防漏提示，因此設(shè)計(jì)階段做了技術(shù)準(zhǔn)備。

2.2 鉆進(jìn)識(shí)別特征

鉆遇溶洞時(shí)，鉆壓、鉆井液漏失、鉆時(shí)、巖心等鉆井和錄井方面會(huì)有異常表現(xiàn)，主要有：

（1）泵壓驟降，鉆井液漏失且漏速較快，甚至失返，一般無(wú)井涌現(xiàn)象；

（2）鉆速增快，甚至鉆具放空，鉆時(shí)大幅下降，甚至降至0，鉆穿溶洞后恢復(fù)到正常鉆時(shí)。

（3）巖心破碎或無(wú)心，溶洞下部能發(fā)現(xiàn)角礫巖富含帶，溶洞周邊巖心溶孔、裂隙發(fā)育等。繩索取心鉆進(jìn)中，可根據(jù)巖心缺失長(zhǎng)度確定溶洞在井身方向的尺寸。

皖南地1井在井深1223.54～1224.14 m鉆具放空，失鉆壓，鉆時(shí)為0；1224.14～1226.34 m處鉆速陡升，鉆時(shí)由同類(lèi)地層平均約39 min/m降為5～20 min/m；鉆井液嚴(yán)重漏失，失返，無(wú)井涌現(xiàn)象。據(jù)此判斷鉆遇了溶洞，溶洞沿井身方向2.8 m，半充填，溶洞上部0.6 m無(wú)充填，下部2.2 m有充填。巖心特征：該井采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，在1223.54 m上部巖心多裂隙，有泥質(zhì)充填，1223.54～1226.34 m巖心缺失，下部為2.50 m的角礫巖富含帶，如圖2所示。據(jù)此判斷溶洞沿井身方向2.8 m，因巖心缺失結(jié)合鉆錄井特征推測(cè)泥質(zhì)充填，溶洞周邊裂隙和溶孔發(fā)育。

圖2 鉆穿溶洞后獲取的巖心Fig.2 Cores after drilling through the cave

2.3 鉆后識(shí)別特征

溶洞或未壓實(shí)的充填物的各項(xiàng)物理特性與正常沉積地層會(huì)有一定的差異，因此未經(jīng)處理的溶洞在測(cè)井曲線中具有明顯的響應(yīng)特征［8］，主要有以下3個(gè)方面：

（1）井徑出現(xiàn)跨徑；

（2）三孔隙度表現(xiàn)出異常大孔隙特征，聲波時(shí)差和中子曲線增大，密度變化與填充物有關(guān)，無(wú)填充密度值減??；

（3）電阻率降低明顯，深淺側(cè)向幅值差增大；溶洞較大時(shí)，淺側(cè)向測(cè)量到的是泥漿電阻率，近似常數(shù)。

另外，工程條件允許，也可利用成像測(cè)井直觀準(zhǔn)確地判斷出溶洞情況［9］。皖南地1井的測(cè)井曲線中的溶洞特征明顯，如圖3所示。自然伽馬數(shù)平均值為9 API，電阻率曲線明顯降低呈漏斗狀，平均值為910.4 Ω·m，三孔隙度曲線顯示密度明顯減小，聲波、中子數(shù)值明顯增大，井徑異常增大，測(cè)井計(jì)算平均孔隙度為6.2%，滲透率為6.891×10-3μm2。

圖3 皖南地1井溶洞局部測(cè)井曲線Fig.3 Local logging curves of the cave in Well WND1

3 溶洞處理技術(shù)

3.1 溶洞處理方法

3.1.1 常見(jiàn)方法對(duì)比分析

鉆遇溶洞后，首先應(yīng)采用無(wú)固相鉆井液或清水頂漏強(qiáng)行鉆穿溶洞進(jìn)入完整地層，根據(jù)識(shí)別特征判斷出溶洞發(fā)育情況，再結(jié)合實(shí)際工況，制定合理適宜的處理技術(shù)措施。常見(jiàn)的溶洞處理方法有橋接堵漏、水泥堵漏、頂漏鉆進(jìn)與套管封隔、波紋管堵漏、凝膠堵漏和移井位等。對(duì)于淺層大型溶洞或者難以處理的深層溶洞且不具備頂漏鉆進(jìn)條件的井，可考慮直接終孔或移井位。

3.1.1.1 橋接堵漏

常用橋接堵漏材料有3種：核桃殼等顆粒狀材料，云母、塑料片等薄片材料，鋸末、草繩等纖維狀材料［10-15］。橋接堵漏是機(jī)械堵塞漏失通道，關(guān)鍵是根據(jù)不同的漏層性質(zhì)選擇材料的級(jí)配和濃度。該方法價(jià)格低廉，施工簡(jiǎn)單，安全，但是堵漏地層的承壓能力較弱。橋接材料堵漏對(duì)于裂隙性和溶孔等小尺寸漏失效果較好［16-20］，但不適用大尺寸的溶洞性，難以在大尺寸漏失通道中堆積架橋形成有效堵塞。

3.1.1.2 水泥堵漏

水泥堵漏關(guān)鍵是初凝時(shí)間控制和能否在初凝時(shí)間內(nèi)將水泥漿壓入漏失層［11］。常規(guī)水泥封堵溶洞的機(jī)理是通過(guò)堵漏管串將水泥漿多次推注一定量即將達(dá)到初凝的高稠度水泥漿進(jìn)入溶洞，并快速凝固，實(shí)現(xiàn)逐步堆積，逐步減小漏失通道，從而堵漏。水泥封堵漏層后，地層具很高的承壓能力和抗壓強(qiáng)度，但是施工風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)施工組織者要求高。針對(duì)溶洞水泥堵漏，中石化中原石油工程有限公司固井公司研制了攔截袋式堵漏工具，可實(shí)現(xiàn)一次堵漏，不用多次推注逐步封堵。其工作原理如圖4所示。

圖4 攔截袋式堵漏工具工作原理Fig.4 Working principle of the intercepting bag plugging tool

3.1.1.3 頂漏鉆進(jìn)和下套管堵漏

鉆遇中大尺寸的溶洞，堵漏無(wú)果，且上部井壁較穩(wěn)定時(shí)，可選擇清水強(qiáng)鉆，下套管封隔。這種方法快捷，有效，但投入較大且須變徑鉆進(jìn)［21-26］。

3.1.1.4 波紋管堵漏

波紋管堵漏是在漏層下入一定壁厚的波紋管，通過(guò)液壓或機(jī)械方式脹管使波紋管直徑變大脹圓，貼合在井壁上，以達(dá)到封堵漏層的目的。該技術(shù)對(duì)處理溶洞等惡性井漏效果顯著，不會(huì)出現(xiàn)二次復(fù)漏，且無(wú)須變徑鉆進(jìn)，但是該技術(shù)成本較高，如果惡性漏失地層溶洞較多時(shí)處理起來(lái)十分復(fù)雜［13］。

3.1.1.5 凝膠堵漏

目前，凝膠已發(fā)展有化學(xué)凝膠和智能凝膠。

化學(xué)凝膠是通過(guò)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物合成交聯(lián)劑和成膠劑，交聯(lián)劑和成膠劑反應(yīng)后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)堵漏劑進(jìn)行填充網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的空隙，形成一種高強(qiáng)度的化學(xué)凝膠堵漏劑。其成膠時(shí)間可控，強(qiáng)度可調(diào)［27-30］。

智能凝膠以天然大分子纖維素為骨架，接枝共聚水溶性丙烯酰胺單體的凝膠，通過(guò)加入交聯(lián)劑、催化劑控制合理的成膠時(shí)間，以達(dá)到便于施工注入的目的。凝膠在施工結(jié)束后破膠為流體，可通過(guò)泥漿循環(huán)出井筒。它具有流變性好、成膠時(shí)間可控、成膠強(qiáng)度可調(diào)、抗原油和復(fù)合鹽水的污染、抗溫可達(dá)150℃等特點(diǎn)［30］。

3.1.2 溶洞處理方案選擇

根據(jù)以上對(duì)比分析，考慮溶洞大小、填充情況、工期、經(jīng)費(fèi)和實(shí)際工程條件等因素，特別是工程設(shè)計(jì)預(yù)留了?75 mm口徑的井身結(jié)構(gòu)，經(jīng)優(yōu)選論證，首先采用清水強(qiáng)鉆穿過(guò)溶洞進(jìn)入完整地層，然后試用橋接堵漏方式進(jìn)行處理，處理無(wú)效后采用下套管封隔方案進(jìn)行處理。經(jīng)多次驗(yàn)證橋接堵漏無(wú)效，因此采用下套管封隔堵漏。

3.2 溶洞處理過(guò)程

3.2.1 頂漏鉆進(jìn)

鉆遇溶洞，堵漏無(wú)果，且無(wú)重大影響時(shí)，在一定條件下可選擇清水強(qiáng)鉆。當(dāng)嚴(yán)重井漏但有返漿時(shí)，強(qiáng)行鉆進(jìn)作業(yè)易發(fā)沉渣卡鉆和井壁失穩(wěn)，應(yīng)維持足夠的泵排量以?xún)艋郏?4，26，31］。在接單根和起鉆前注入高粘洗井液清潔井底沉砂，也須防止裸眼井壁易因鉆井液液柱壓力降低而出現(xiàn)垮塌，并且減少無(wú)固相鉆井液浸泡時(shí)間，防止造成泥頁(yè)巖、煤層等易塌層和易水化層出現(xiàn)縮徑和垮塌；發(fā)生惡性井漏且鉆井液失返時(shí)，強(qiáng)行鉆進(jìn)有3個(gè)前提條件［28］：（1）裸眼段井壁穩(wěn)定；（2）巖屑能隨清水流入地層中；（3）已鉆地層和待鉆地層段無(wú)油氣水進(jìn)入井內(nèi)。

皖南地1井鉆遇溶洞后失返，經(jīng)判斷滿(mǎn)足以上3個(gè)條件，因此清水強(qiáng)鉆至1230.84 m，進(jìn)入完整地層3.5 m。鉆進(jìn)時(shí)，要特別注意防止斷鉆脫扣、卡鉆、燒鉆、坍塌和岔孔等。清水強(qiáng)鉆穿過(guò)漏層進(jìn)入完整巖層一定深度后，可下套管固井封堵溶洞。下套管前應(yīng)反復(fù)劃眼，有意識(shí)地在溶洞與下部地層交接處形成一個(gè)人工漏斗，以便使套管順利通過(guò)。

3.2.2 下套管

利用繩索取心鉆桿的級(jí)配優(yōu)勢(shì)，將二開(kāi)鉆進(jìn)正在使用的?89 mm繩索取心鉆桿作為活動(dòng)套管封隔，不固井，鉆桿接頭避開(kāi)溶洞的位置。鉆桿底部帶?98 mm取心鉆頭，一是有利于居中，二是下套管過(guò)程中遇阻或不能下到底時(shí)便于處理，三是若下部仍有溶洞，可以繼續(xù)?98 mm口徑擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

3.2.3 后續(xù)處理

下套管后，采用?77 mm鉆頭三開(kāi)鉆進(jìn)，三開(kāi)鉆進(jìn)前利用?77 mm鉆頭將?98 mm取心鉆頭內(nèi)側(cè)擴(kuò)眼通過(guò)后，利用堵漏材料將套管環(huán)空封堵，至此溶洞處理完成。

如果后續(xù)再鉆遇溶洞，該處理方式可繼續(xù)使用作為套管的?89 mm鉆桿直接擴(kuò)孔鉆進(jìn)和封隔。

3.3 溶洞處理效果

后期變徑鉆進(jìn)過(guò)程中，有短暫堵漏效果，后再次井漏，失返。分析原因是采用活動(dòng)套管未固井的方式封隔，且下部奧陶系灰?guī)r地層裂隙發(fā)育，小溶孔發(fā)育。鑒于有活動(dòng)套管護(hù)壁，且?guī)r心鉆探巖粉較細(xì)可以隨鉆井液流入地層，采用頂漏鉆進(jìn)至1506.91 m，順利完鉆，且全孔取心，實(shí)現(xiàn)了鉆探目的。

4 結(jié)論

（1）皖南地1井施工過(guò)程中，利用巖心出現(xiàn)缺失和角礫巖富集帶、鉆具放空、嚴(yán)重漏失、跨徑、異常大孔隙等地質(zhì)、鉆井、錄井、測(cè)井資料特征判斷在1223.54～1226.34 m井段鉆遇了溶洞，溶洞沿井身方向尺寸2.8 m，半充填，溶洞上部0.6 m無(wú)充填，下部2.2 m有充填。

（2）皖南地1井多次橋接堵漏無(wú)效后，清水強(qiáng)鉆穿溶洞至完整巖層，利用繩索取心鉆桿級(jí)配優(yōu)勢(shì)將二開(kāi)使用的?89 mm繩索取心鉆桿作為套管進(jìn)行護(hù)壁封堵溶洞，保證了處于復(fù)雜地層中的二開(kāi)900多米井壁安全，順利實(shí)現(xiàn)鉆探目的，并大幅縮短工期，降低成本，可為類(lèi)似鉆探工程提供借鑒。