新和地1井復雜地層水泥封孔護壁造斜技術

肖長城， 賈中芳， 高士彬， 李 明

(核工業二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011)

1 概況

1.1 工程概況

新和地1井為中央財政撥款，是準噶爾盆地及周緣油氣基礎地質調查項目——和豐盆地地質調查井鉆探工程。該井位于和布克賽爾縣境內，準噶爾盆地西北部，隸屬于新疆維吾爾自治區塔城地區。和布克賽爾縣地勢北高南低，最高點為北部的賽爾山木斯套峰，海拔3835 m，最低點為南部的瑪納斯湖，海拔249 m。

和豐盆地地質調查井鉆探工程實施單位為中國地質調查局油氣資源調查中心，鉆探施工由核工業二一六大隊負責。新和地1井為直井，設計孔深2000 m，終孔井斜≯12°，終孔直徑≮75 mm，覆蓋層以下連續鉆進取心，巖心采取率≮85%。

到目前為止和豐盆地內尚無鉆井，地層賦存情況不清，新和地1井為該區施工的第一口井，鉆探風險較高。

1.2 地層情況

鉆井所屬構造位置為和豐盆地中部坳陷區，鉆探目的層為二疊系、石炭系。區內勘探程度較低，資料匱乏，對鉆遇地層的預測不明確。

根據周緣盆地已施工的8口鉆井(吉參1井、吉參2井、和頁1井、和頁2井、和頁3井、和地1井、和參1井、和砂1井)的井史資料判斷，和豐盆地及周緣地區共發育以下幾套地層：第四系、新近系上新統、二疊系下二疊統、石炭系中石炭統、泥盆系中泥盆統。

根據周緣盆地物探資料，鉆遇地層巖性以砂巖、泥巖為主，鉆孔易坍塌、掉塊、卡鉆，因此鉆進過程中保證地層穩定性是重點工作。

2015—2017年在臨近地區額敏縣施工的同一項目鉆井塔地1井，在鉆進至900 m左右時遇涌水破碎帶，現場多次采取壓涌、水泥封孔護壁措施皆不成功，挪孔3次重打皆未鉆穿復雜地層，歷時3年，項目失敗。

1.3 施工方法和工藝措施

淺層鉆進采用HXY-6B型鉆機，隨著孔深的增加后期換用XY-8型鉆機，采用繩索取心鉆進工藝。選用NBB-390/15型泥漿泵，額定流量390～52 L/min。

新和地1井井身為三開，第四系外全井段取心。

一開采用?190 mm牙輪鉆頭，?60 mm普鉆鉆進第四系、新近系地層，施工孔段0～302.00 m。下入?146 mm表層套管，穩固第四系風化地層。開孔采用黃土、纖維素攪拌沖洗液，排除巖粉，穩固孔壁，一開結束后更換沖洗液。

二開采用?100 mm金剛石鉆頭，S97金剛石繩索取心鉆進，施工孔段302.00～1314.00 m，裸眼鉆進。采用無固相聚合物沖洗液，排渣、冷卻潤滑和保護孔壁效果良好，該孔段地層較為穩定。

三開采用?80 mm金剛石鉆頭，S75金剛石繩索取心鉆進，施工孔段1314.00～1419.98 m，裸眼鉆進。該孔段地層傾角大、破碎程度高、富含水系，孔內事故多發。采用高密度、高粘度、防水敏沖洗液，以穩定破碎、易水敏坍塌地層。

2 水泥封孔護壁

新和地1井1314.00～1419.98 m孔段地層高度破碎，孔壁掉塊、水敏坍塌[1]現象嚴重，鉆進時孔內阻力大，鉆具放不到底，孔內事故多發。在鉆進至1358.76、1396.46 m時，孔內掉塊、坍塌埋鉆導致2次斷鉆具事故，事故鉆具在破碎段內被掩埋，反復掃孔不到底，無法處理事故鉆具。為繞過已嚴重坍塌、超徑[2]的孔段，鉆穿破碎帶，現場決定采用水泥封孔護壁造斜。

2.1 1314.00～1358.76 m孔段采用經驗法水泥封孔的情況

目的層局部經驗法封孔[3]，以孔徑和計劃封孔的孔段計算封孔所需的水泥漿量，用泥漿泵將水泥漿泵入孔內，根據現場經驗，泥漿泵泵壓升高時則水泥漿泵到目的層位。

新和地1井在1314.00～1358.76 m孔段計劃封孔深度為150 m。以擴孔后的孔徑半徑r1=0.0565 mm計算，需要水泥漿A=πr12h=1.50 m3。水泥漿配方：每方加水0.6 m3、525號水泥23袋、鹽5 kg。封孔情況見表1。

新和地1井在1314.00～1358.76 m孔段共進行了3次目的層局部經驗法封孔，其中2次失敗，1次成功，成功率只有33.33%。在復雜地層中深孔段泥漿泵泵壓[4]不穩定，在實際操作中以泵壓升高來判斷水泥漿是否泵到位的失誤率較高，浪費了現場大量的物資和工期。

2.2 新和地1井1358.76～1396.46 m富含水系孔段采用體積置換法水泥封孔情況

目的層局部經驗法封孔失敗率太高，不適用于新和地1井復雜地層中深孔段中水泥漿封孔。現場經研究決定采取體積置換法封孔，提高水泥漿封到目的層位的成功率。

2.2.1 理論計算

體積置換法以鉆孔孔徑、鉆桿尺寸計算封孔所需水泥漿量、壓水量，現場通過標準尺寸的水泥漿坑、水池精確控制泵入孔內的水泥漿和清水的體積。

現場采用S75繩索鉆桿實施封孔，封孔孔段經擴孔后的孔半徑r1=0.0565 m，S75鉆桿外徑半徑r2=0.0355 m，S75鉆桿內徑半徑r3=0.0305 m，孔深h=1396.46 m，NBB-390/15型泥漿泵采用三擋額定流量Q3=250 L/min。

現場計劃封孔150 m，封孔孔段為1196.46～1346.46 m。

封孔150 m理論上需水泥漿A1=πr12150=1.50 m3。根據現場經驗判斷孔內破碎帶存在超徑現象，在實際封孔中計劃攪拌兩罐水泥漿，每罐水泥漿體積為1 m3，因此A實際=2.00 m3。每罐水泥漿計劃加水0.6 m3、525號水泥21袋、鹽5 kg、三乙醇胺[5](50～100 mL)，孔外靜止狀態下水泥漿初凝時間為2 h。

1396.46 m S75鉆桿內容積V1=πr32h=4.08 m3。

鉆桿與孔壁間150 m高度的環狀容積V150=πr12×150-πr22×150=0.91 m3，破碎帶孔徑有超徑現象，實際容積應大于理論計算值。

150 m S75鉆桿在孔內所占體積為VS75=πr22×150-πr32×150=0.16 m3。

泵入水泥漿前，先下鉆到封孔目的層位，泵入3 m3清水清洗封孔孔段的沖洗液。

封孔150 m應壓入鉆桿和孔壁間的水泥漿體積V2理論=V150+VS75=1.07 m3，因破碎段孔徑有超徑現象，實際攪拌的2 m3水泥漿比理論值1.5 m3多出的0.5 m3應加入V2，因此V2實際=V150+VS75+0.5=1.57 m3。

整個封孔過程中需泵入孔內的液體總體積V=V1+V2實際=5.65 m3。

需要泵入孔內的壓水體積V3=V-A實際=3.65 m3。

由以上計算可知，封孔時先將2.00 m3水泥漿泵入孔內，再泵入3.65 m3的清水，即可將水泥漿泵入到目的層位置。

2.2.2 現場施工情況

封孔情況見表2。

表2 新和地1井1358.76～1396.46 m孔段采用體積置換法水泥封孔的情況

停待36 h后進行封孔檢查，在1236.50 m處取出已凝結的水泥柱，受孔底水系的影響，上部水泥漿被稀釋，水泥柱分層凝結、軟硬交替，硬度達不到造斜要求。下部破碎段內水泥漿被稀釋、沖刷，無凝結。

體積置換法成功將水泥漿泵到目的層，解決了經驗法過度依賴泵壓判斷水泥漿是否到位從而導致失誤率太高的弊端。

新和地1井1383.16～1396.46 m孔段富含水系，對水泥漿的稀釋[6]和沖蝕[7]破壞作用非常大，導致水泥漿無法正常凝結。現場必須進一步探索出一套科學的適用方法，解決這一技術難題。

2.2.3 1358.76～1396.46 m孔段水系對水泥漿稀釋和沖蝕破壞作用的解決辦法

在解決了水泥漿泵到目的層成功率太低的問題之后，新和地1井1383.16～1396.46 m孔段內的水系對水泥漿的稀釋和沖蝕破壞作用就成了影響水泥封孔成敗的決定性因素。

水泥漿密度低、凝結時間過長會導致水泥漿被水系稀釋和沖蝕掉。水泥凝結時間過短則會導致水泥漿在泥漿泵、鉆具內或在封孔后沒來得及提鉆前快速凝結造成封孔事故。

在深孔復雜地層內進行水泥封孔，影響水泥漿凝結的因素很多，特別是對孔內的水泥漿凝結時間的控制，無法直接通過孔外試驗得出水泥漿在孔內的準確初凝時間，只有在實踐中不斷摸索才能得出現場一手數據。

現場決定在水泥漿中逐步增加三乙醇胺、鹽、525號水泥的加量，使水泥漿在封孔完成后在孔內快速初凝[8]、凝結以及增加水泥漿的密度、稠度以抵御地層水對水泥漿的稀釋、沖蝕破壞作用，通過現場試驗逐步摸索出能夠抵御地層水的稀釋和沖蝕破壞作用的水泥漿配方。

2.2.3.1 水泥初凝時間的理論計算方法

理論上泵壓水時間T水=V3×1000/Q3=14.60 min。

2.00 m3水泥漿泵漿的理論時間T泥=2×1000/Q3=8 min。

受泥漿泵的活塞、缸套等的完好度、不同液體的密度、粘度不同等因素的影響，實際泵量要比額定泵量略小。現場泥漿泵實際泵完2.00 m3水泥漿的時間T泥實際=13 min，泵完3.65 m3清水的時間T水實際=15 min。

現場操作泥漿泵、把吸水頭放入不同的水池等的銜接工序需時間T工=2 min。

提鉆200 m鉆桿(提鉆200 m后整個封孔過程中有風險的工序全部完成)需用時T提=12 min。

T總=T水實際+T泥實際+T工+T提=42 min

需用時42 min把整個封孔過程存在風險的工序完成，然后提出孔內剩余鉆桿完成整個封孔過程。

由此得出在孔外靜止狀態下水泥漿初凝時間最小值為13 min，否則水泥漿在泵入孔內過程中還沒泵完就會在孔外初凝。水泥漿在孔內初凝的最小時間為42 min，低于這個時間則會發生封孔事故。

根據現場以往封孔經驗，水泥漿在泵入孔內過程中處在流動狀態，初凝時間變長。泵到孔內后受孔內低溫、潮濕、與孔內其它液體摻雜等因素的影響，泵到孔內的水泥漿實際初凝時間比孔外靜止狀態下的初凝時間要長。

2.2.3.2 現場試驗情況

在實際操作中通過逐步增加水泥、鹽的使用量，孔外靜止狀態下初凝時間分別控制到45、35、25、30 min，在新和地1井1358.76～1396.46 m孔段進行封孔檢驗，現場封孔情況見表3。

表3 新和地1井1358.76～1396.46 m孔段采用體積置換法使用不同水泥漿配方的封孔情況Table 3 Sealing condition in the section of 1358.76m to 1396.46m of well Xinhedi-1 using the volume replacement method with different slurry formulation

在實際操作中30 min孔外初凝時間的水泥漿配方能夠在目的層段封孔后快速初凝，抵御住了水系的稀釋和沖蝕破壞作用，實際封孔效果良好。

水泥漿初凝時間越短，實際操作中發生封孔事故的風險越大。封孔前應認真檢修、試運行設備，嚴格把關各流程的操作，確保封孔期間設備、各工序銜接不出意外狀況，以免影響封孔。

3 造斜

地質巖心小口徑鉆探常用造斜方法主要有水泥封孔造斜[9]、加工偏斜器[10]、下楔子等。

新和地1井選擇使用水泥封孔造斜，避免孔內下入偏斜器、楔子等異物，以免造斜不成功或孔內再次坍塌時偏斜器、楔子等異物遺留在孔內無法處理，影響下一步深孔施工。

現場造斜采取的主要措施有：

(1)造斜用鉆桿不能太硬、口徑應比原孔徑小。新和地1井造斜孔段孔徑為113 mm，選用S75繩索取心鉆桿造斜。

(2)造斜用金剛石鉆頭宜選用平底、同心圓鉆頭，確保鉆進平穩。導正性好的階梯式鉆頭或對鉆進地層穩定性要求較高的齒輪型鉆頭等不適用于水泥封孔造斜。新和地1井采用80 mm口徑同心圓金剛石鉆頭造斜。

(3)硬巖段造斜，鉆壓應小、轉速高；軟巖段造斜，鉆壓應大、轉速適中。新和地1井在軟巖孔段造斜，鉆壓1.5 kN、轉速255 r/min[11-12]。

(4)造斜的位置一般應離需偏離的孔段距離稍大些，以保證造斜角度平順，新孔與老孔的距離不至于太近。新和地1井水泥封孔150 m，造斜距離控制在100 m左右。

(5)校正機臺，調整偏斜的角度。新和地1井根據孔內測斜結果，一般選擇往原孔軌跡的對稱面調整角度造斜，以避免新孔與老孔軌跡重合。待新孔鉆進孔深超過老孔孔深后，應再次校平機臺，避免孔斜超標[13]。

(6)水泥封孔位置的控制、水泥凝結的硬度等是影響水泥封孔造斜成功與否的關鍵因素。現場通過不斷試驗，解決了新和地1井面臨的封孔技術難題，后期水泥封孔的位置、水泥漿凝結的硬度都符合造斜要求，大大提升了水泥封孔護壁造斜的成功率。

1314.00～1358.76 m孔段水泥封孔成功后，造斜成功。

1383.16～1396.46 m孔段第一次水泥封孔造斜成功后未鉆穿破碎帶，第二次水泥封孔造斜成功后，現場更換了新的沖洗液體系[14-15]，成功鉆進到1419.98 m，取得了突破。

4 結語

新和地1井深孔復雜地層水泥封孔護壁造斜技術，克服了中深孔復雜地層水泥封孔護壁造斜的技術難題，積累了一整套寶貴的現場經驗。科學的施工方法和對現場復雜情況的精確把控是確保工藝成功實施缺一不可的關鍵因素。新和地1井深孔復雜地層水泥封孔護壁造斜技術的經驗總結能夠給今后在該地區施工類似工程提供一些借鑒。