湘永地1井鉆進施工及事故處理技術

黃晟輝， 奎 中， 吳金生， 趙遠剛， 房 昕

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

1 工程項目簡況

“中揚子地區古生界頁巖氣基礎地質調查項目”鉆探單列項目由中國地質科學院探礦工藝研究所承擔，以開展雪峰山地區寒武系牛蹄塘組頁巖氣鉆探調查研究為目的，實施地質調查井湘永地1井鉆探工程。湘永地1井位于湖南省湘西土家族苗族自治州永順縣芙蓉鎮孔坪村；在地質上，北以慈利-保靖斷裂為界，南以雪峰隆起為界，主體位于雪峰隆起西側；在大地構造上大致位于雪峰山基底隆起區和保靖-黃平沖撞帶兩個二級構造單元，在構造位置上屬涂乍-松柏復向斜。湘永地1井出露地層為寒武系上統比條組灰巖，地層產狀平緩，為320°∠15°，目的層位為牛蹄塘組和敖溪組，兼顧震旦系燈影組，完井層位為震旦系。

地質人員要求湘永地1井進行全井取心，并完成配套該鉆井的測、錄、固及完井工作，對目的層段的鉆取巖心完成相應的頁巖氣現場解吸(即通過測定現場鉆井巖心的解吸行為獲取實際含氣量)；該井以獲取寒武系敖溪組和牛蹄塘組巖心、采集測試樣品、評價寒武系黑色頁巖含氣性為目的。

湘永地1井完井原則：(1)鉆出燈影組地層、巖性為硅質巖夾白云巖，若見良好油氣顯示層，經中途測試獲高產工業油氣流，報二級項目批準后方可完鉆；(2)若未鉆達設計井深而需提前完鉆時，須報二級項目批準確定，方可完鉆。

湘永地1井實際鉆進2224.69 m，施工周期共歷時188 d。

2 鉆井設計參數

湘永地1井為頁巖氣地質調查井，井型為直井，設計井深1500 m。

設計井徑要求終孔直徑≮96 mm，備用終孔直徑≮76 mm。

井斜控制要求：(1)井深≤500 m，井斜≤2°；(2)500 m<井深<1000 m，井斜≤5°；(3)井深≥1000 m，井斜≤8°；(4)全井全角變化率要求每30 m控制在2.25°以內，終孔水平位移≯150 m[1-2]。

湘永地1井為全井段取心，全井段平均巖心采取率≥85%，在含氣層段取心時應以最大速度提取內管取心，提心速度建議大于100 m/min，以減少取心過程中氣體的損耗；鉆井液不得摻入含油、熒光、與巖石產生化學反應的處理劑和添加劑。

3 鉆井施工工藝

3.1 實鉆地層簡述

本井鉆遇地層自上而下依次為第四系-追屯組-比條組-車夫組-花橋組-敖溪組-清虛洞組-杷榔組(未穿)。所揭示地層層序正常。地層具體分界深度、厚度簡述見表1。

3.2 鉆機選型與配套

表1 湘永地1井地質分層數據

所選鉆機設備的負荷能力及配置[3]需達到設計井深1500 m的需求，綜合考慮鉆井結構設計中終孔?96 mm及開孔?150 mm的要求，最終選用設計鉆深為2000 m(配套鉆桿規格?89 mm×5 mm)的XY-8B型巖心鉆機；實踐證明該鉆機應用效果顯著，湘永地1井三開井段采用?96 mm金剛石繩索取心鉆進至2224.69 m終孔，配?89 mm鉆桿，實際鉆深超過鉆機的設計能力范圍。

其他鉆機配套機具如下：SG24型管子塔；NBB-250/60及3NBB-390/15型泥漿泵； 2SFZ18-35型雙閘板防噴器；SJ-2000型繩索取心絞車；SQ114/8型液壓鉗；25 kW發電機；KXP-2X型數字測斜儀等。

3.3 井身結構及成井工藝

湘永地1井實鉆井深為2224.69 m，實際完井井身結構[4]示意圖見圖1。

(1)一開0～11 m，采用?150 mm普通金剛石取心鉆進，在10.86 m深處鉆井液漏失嚴重，下入?146 mm套管封隔，固井，待水泥凝固后用?130 mm金剛石取心鉆進鉆穿水泥塞至11 m；固井后安裝防噴裝置(2SFZ18-35型雙閘板防噴器等)及相關井控管匯，并按規范要求進行試壓試驗。

(2)二開11～170 m， 采用?114 mm普通金剛石取心鉆進；原鉆井設計將?114mm口徑作為過渡井段使用，至16.98 m時變徑，但換?96 mm金剛石繩索取心鉆進白云巖地層局部井段極其破碎且存在溶蝕孔洞，實鉆過程中發生井漏事故，至202.38 m深時井內泥漿全部漏失，故16.98～170 m井段換回?114 mm普通金剛石鉆頭擴孔，下入?110 mm套管封隔上部漏失層段。

圖1 湘永地1井完井井身結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of well Xiangyongdi-1completion structure

(3)三開170～2224.69 m，采用?96 mm金剛石繩索取心鉆進至終孔，實鉆地層較穩定(白云巖與灰巖、泥頁巖)，以盡可能簡化鉆孔結構為原則，鉆進過程中盡量通過采用優質鉆井液或其他注漿材料進行護壁或堵漏，以達到裸眼終孔。實鉆過程中因泵量較小及鉆桿接頭滲漏等因素造成鉆頭處冷卻不足，在井深1185.77 m處發生燒鉆事故，多次嘗試常規處理方法不成功后，改在孔深1178 m處割斷鉆具、起鉆，用水泥封孔至1078 m，采取螺桿鉆具造斜繞障，之后采用常規?96 mm金剛石繩索取心繼續鉆進。

3.4 鉆進規程參數

(1)一開0～11 m，為第四系松散沉積覆蓋層，且開鉆井段要保證井斜<0.2°，采用低轉速、低壓、中泵量鉆進施工(轉速30～150 r/min，鉆壓12～15 kN，泵量150～250 L/min)。為控制開孔段井斜，遵照“以滿保直、以剛保直”防斜原則[5]，選用粗徑鉆具+擴孔器防斜鉆具組合。

(2)二開11～170 m，實鉆地層為致密白云巖，細粒結晶狀結構，局部井段極其破碎且存在溶蝕孔洞，實鉆過程中發生井漏事故，采用普通金剛石取心擴孔鉆進，以低轉速、中鉆壓、中泵量(轉速50～300 r/min，鉆壓13～18 kN，泵量80～120 L/min)頂漏鉆進施工，盡快通過漏失層段后下入?110 mm套管封隔。

(3)三開170～2224.69 m，實鉆地層主要為厚層灰巖、泥質灰巖，間夾薄-中等厚度泥巖及白云巖，巖性均質，鉆速均勻，施工中采用金剛石繩索取心鉆進，采用中轉速、中鉆壓、中泵量鉆進施工(轉速220～520 r/min，鉆壓12～17 kN，泵量80～120 L/min)；在深孔及低固相泥漿鉆進條件下鉆進時，為保證孔內安全及避免鉆桿內結泥垢，則要限制鉆具轉速和鉆壓。另外，因燒鉆后造斜繞障，鉆頭軌跡偏離鉆井軸線，此時改用中轉速、輕鉆壓、中泵量鉆進，尤其要控制鉆壓，下部鉆具在鐘擺力的作用下實現糾斜鉆進。

4 鉆井事故與復雜問題

鉆探施工孔內事故的處理，是保障鉆探施工工作順利完成的重要環節。在湘永地1井鉆井施工過程中，出現了井漏、燒鉆及鉆桿折斷等孔內事故，這些孔內事故均得到了妥善的處理，確保了鉆井工作的順利完成。

4.1 井漏事故的處理

一開由于表土與巖層界面鉆井液漏失嚴重，鉆進困難，下?146 mm套管固井解決了漏失問題。

二開局部井段極其破碎且存在溶蝕孔洞，實鉆過程中發生井漏事故，鉆至井深202.38 m處泥漿全部漏失，無法鉆進，用水泥封孔堵漏[6]后繼續鉆進。當鉆至井深523.38 m時，鉆井上部堵漏段水泥皮被破壞，泥漿再次漏失，決定用?114 mm金剛石鉆頭擴孔至井深170 m，并下?110 mm套管至井深170 m進行封堵。

4.2 燒鉆事故的處理

湘永地1 井在井深1185.77 m處發生燒鉆事故，鉆進過程中由于泥漿泵流量較小，鉆進時只用二擋泵量，加上部分鉆桿接頭滲漏，鉆頭部位冷卻不夠；且未及時發現初期泵壓升高等異常征兆，未采取有效措施，最終導致燒鉆。前期經多次強拉，沒有效果。預采用S73鉆桿先打撈S89內管總成，然后用S75鉆頭掃過S96鉆頭處，把S96鉆具打松再提取，但經掃、撈、錐等方法處理S89內管總成，都沒有效果。故在孔深1178 m處割斷鉆具、起鉆，用水泥封孔至1078 m，改用螺桿鉆具造斜繞障[7-8]處理。

事故處理：透孔至1140 m，采用螺桿鉆具帶復合片?89 mm無心鉆頭造斜(圖2)，造斜未成功。換用螺桿鉆具+?89 mm平底鉆頭(圖2)，角度調整為1.25°，并在馬達偏斜部位加厚7 mm(圖3)，泥漿流量控制在120～230 L/min，工作壓力降控制在2.4 MPa，泵壓控制在3.5～4 MPa，嚴格按照螺桿鉆具操作規程操作，在1170 m處開始造斜鉆進，施工過程中泵壓穩定，進尺均勻，隨著偏斜進尺增加，泥漿槽內巖屑增多，偏斜繞障進尺7.62 m起鉆。下?96 mm繩索取心鉆具，在偏斜大約3.5 m處遇阻，輕壓慢轉掃至孔底，鉆進1.6 m取心打撈，巖心呈完整狀態，說明偏斜繞障成功，續鉆2.5 m后提鉆換鉆桿接頭，正常鉆進。鉆進至1200 m時，用測斜儀測井斜，頂角為2.78°。湘永地1井采用螺桿鉆具進行造斜繞障后，據圖4湘永地1井井斜位移東西方向投影圖，井身投影曲線在1200 m處出現拐點，正是偏斜繞障之處，由測井成果數據該拐點處頂角為3.7°，故經偏斜繞障后鉆孔彎曲度仍滿足設計要求。

圖2 ?89 mm無心鉆頭及?89 mm平底鉆頭

圖3 馬達偏斜部位加厚7 mm

圖4 湘永地1井井斜位移東西方向投影圖 Fig.4 Eastern and western direction projection map of well Xiangyongdi-1 inclination displacement

4.3 鉆井井斜的處理

如上所述，實鉆過程中因泵量較小及鉆桿接頭滲漏等因素造成鉆頭處冷卻不足，在井深1185.77 m處發生燒鉆事故，用水泥封孔至1078 m，透孔至1140 m，采取螺桿鉆具造斜[9]成功繞障，此時鉆頭軌跡已偏離鉆井軸線，如繼續盲目鉆進將導致鉆孔軌跡不受控制，無法達到預期設計要求，經分析后仍采取常規?96 mm金剛石繩索取心繼續鉆進，控制鉆壓，實現吊打糾斜鉆進。

分析：因實鉆地層穩定，地層傾角較小，軟硬交替現象不明顯，另外鉆深已超過千米，此時施加給鉆頭上的軸心壓力(鉆壓P)是由下部一定長度的鉆桿柱和粗徑鉆具的自重形成的[10]，故鉆壓較小，因此鉆進過程中鉆頭處所受傾倒力矩M1的影響較小(見圖5)；當繼續鉆進時，下部鉆桿柱產生彎曲，鉆桿柱在井壁的切點處受反作用力FN，同時鉆桿柱回轉時產生離心力(見圖6)，因造斜繞障后產生的“狗腿”的彎曲強度越大，下部鉆柱的糾斜力(鐘擺力M2)越大[11]。綜上，因鉆頭處所受傾倒力矩M1不論是有增斜作用或糾斜作用，其作用力矩M1遠小于因鉆柱彎曲產生的下部鐘擺力M2，最終鉆頭軌跡將向鉆井軸線方向實現糾斜鉆進。經測斜及測井數據顯示：湘永地1井最大井斜位于井底2201 m處，井斜為4.3°，方位角為147°，滿足“井深大于1000 m后，井斜≯8°”的設計要求，該井的糾斜工作是有效的。

4.4 鉆桿折斷事故的處理

湘永地1井施工過程中共出現3次鉆桿折斷事故。分別是井深2064.53 m時鉆桿于1173 m處折斷；井深2212.42 m時鉆桿于1180 m處折斷；井深2224.65 m時鉆桿于1173 m處折斷。3次折斷位置都是在鉆桿接頭絲扣處，并且井段1170～1180 m正是處理燒鉆事故時用螺桿造斜繞障的位置。

事故處理：用公錐打撈斷在井底的鉆桿[12-13]。

4.5 經驗教訓

(1)當班班長、副班長必須要集中注意力，隨時觀察泥漿泵的上返泵量、泵壓以及柴油機出現異常聲音的情況，特別是二層平臺施工。

(2)處理湘永地1井燒鉆事故時先采用傳統的拉、掃、撈、錐等方法均未成功，后改用螺桿鉆具造斜繞障方法。處理事故時使用水力割管器，減少了使用反絲鉆桿起繩索鉆桿的次數，節約處理事故的時間和成本。

(3)采用螺桿鉆具進行人工造斜不宜用無心鉆頭，應配用平底鉆頭。

(4)造斜井段是鉆桿受彎曲應力最大的區間，鉆桿絲扣連接處是鉆桿彎曲強度最弱點，極易引發鉆桿折斷事故，采用公錐打撈時因鉆桿折斷位置較深，打撈鉆桿時間長，勞動強度大，安全隱患高[14]。

5 實鉆效果及分析

5.1 鉆井效率

根據湘永地1井全井段擬合鉆時曲線分析：全井鉆速波動不大，鉆時隨井深呈漸增態勢，見圖7，全井平均鉆時為31.89 min/m。分析鉆時曲線：盡管擬合鉆時曲線起伏較小，仍可據鉆進過程中不同階段的平均鉆時將其分為四個井段，第一井段0～600 m平均鉆時為29.95 min/m，實際鉆時曲線波動較為明顯，表明該井段局部地層軟硬交互致鉆進效率不均，結合實鉆地層分析知該井段局部極其破碎且存在溶蝕孔洞的致密白云巖地層及厚層灰巖中的泥巖夾層。第二井段600～1000 m平均鉆時為25.78 min/m，表明鉆遇該井段鉆速相對提高，結合實鉆地層分析該井段為泥質條帶灰巖夾薄層泥灰巖，越往下，泥質條帶越寬，顏色加深，表明該井段地層巖性泥質含量較高，巖石硬度偏軟。同時需注意在三開170～2224.69 m井段(井徑為96 mm)，當鉆深>1000 m，第三、四井段相較第二井段鉆時增長約40%。

圖7湘永地1井鉆時曲線圖

Fig.7DrillingtimecurveofwellXiangyongdi-1

湘永地1井全井施工周期185 d，其中純鉆時間為1182.28 h(即49.26 d)，故純鉆時間利用率僅為26.628%；實鉆井深2224.69 m，機械鉆速1.88 m/h，鉆探效率355 m/臺月。結合鉆時曲線及鉆井效率分析表明湘永地1井鉆遇地層穩定、均質性較好，但實鉆效率不佳。主要原因在于井內事故率較高(相繼發生井漏、燒鉆、鉆桿折斷)，純鉆時間利用率較低(僅占全井施工時間的1/4)。

5.2 巖心采取率

湘永地1井完井井深為2224.69 m, 取心回次共803次，平均每個回次收獲巖心2.77 m，全井巖心采取長度為2197.95 m(設計全井段連續取心)，全井巖心采取率高達98.8%。故湘永地1井全井平均采取率及目的層平均采取率均滿足地質設計要求(全孔平均采取率≥85%，目的層平均采取率≥90%)。

5.3 鉆孔彎曲度

本井是直井，連續測斜井段為0～2201 m，最大井斜位于井底2201 m處，井斜為4.3°，方位為147°，閉合方位為117.45°，閉合位移為24.28 m。井身軌跡水平面投影見圖4(a)，井身軌跡垂直投影見圖8(c)、8(d)。從東西方向投影圖8(c)知：井身軌跡在1200 m左右處出現拐點，結合實鉆分析知湘永地1井在井深1185.77 m處發生燒鉆事故，多次嘗試處理無效后改用螺桿鉆具進行人工造斜繞障，據測井井斜成果表知該拐點處頂角為3.7，故井斜符合設計要求。湘永地1井鉆孔彎曲度滿足設計要求(井深在500 m內最大井斜≯2°，井深>500 m后，井斜≯5°，井深>1000 m后，井斜≯8°)。

圖8湘永地1井0～2201 m井斜位移各向投影圖(測井數據)

Fig.8Anisotropicprojectionmapofinclinationdisplacementoverthesectionfrom0to2201minwellXiangyongdi-1 (loggingdata)

6 結語

中國地質調查局探礦工藝研究所承擔的頁巖氣基礎地質調查井湘永地1井按地質要求順利完成鉆探、錄井及測井工作，完鉆井深2224.69 m，完鉆口徑96 mm，全孔平均巖心采取率98.80%，各項技術指標均滿足地質設計要求。

湘永地1井是目前湖南頁巖氣調查井鉆探施工最深的井，施工中遇到的井漏、燒鉆、鉆桿折斷等孔內事故與復雜問題均得到了很好的解決，形成了一套頁巖氣調查井深井鉆探工藝及孔內事故處理技術體系。