蔣太平， 李果民， 丁紅衛(wèi)

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一三地質(zhì)隊(duì)，四川 瀘州 646000)

1 工程概況

鉀鹽為四川省地質(zhì)勘查基金“十二五”末及“十三五”規(guī)劃中重點(diǎn)支持勘查礦種，在勘查規(guī)劃中專門規(guī)劃了宣漢黃金口鉀鹽評(píng)價(jià)區(qū)。ZK001井是在該區(qū)設(shè)置的多口參數(shù)井中的一口。井位布設(shè)于四川宣漢縣普光鎮(zhèn)西北方向2 km，交通便利。

2 地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)地層主要包括侏羅系的下沙溪廟組(J2xs)、新田溝組(J2xt)、自流井組(J1zl)、珍珠沖組(J1zh)；三疊系的須家河組(T3xj)、雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)。ZK001井實(shí)際揭露地層情況見(jiàn)表1。

3 鉆井設(shè)計(jì)及技術(shù)要求

(1)ZK001井，設(shè)計(jì)井深3550.00 m，完鉆口徑150.9 mm。

(2)對(duì)雷口坡組一段、嘉陵江組五段取心，取心長(zhǎng)度150～160 m。

表1 ZK001井實(shí)際揭露地層情況

(3)全孔巖心分層采取率≮70%，礦層不低于80%，礦層的頂、底板采取率≮80%，殘留巖心不得超過(guò)0.20 m。

(4)對(duì)雷口坡組三段以下至嘉陵江組五段以上井段做抽含鉀鹵水的抽水試驗(yàn)。

4 施工難點(diǎn)

(1)超長(zhǎng)裸眼井段鉆井液護(hù)壁及井身質(zhì)量控制。二次開鉆后?215.9 mm口徑的裸眼井段長(zhǎng)達(dá)2515.71 m，需針對(duì)性地選擇鉆井液體系，實(shí)時(shí)優(yōu)化維護(hù)鉆井液性能保持井壁穩(wěn)定性。

(2)井漏。根據(jù)鄰井資料顯示在須家河組(T3xj)頂部裂隙發(fā)育，鉆井存在很大漏失風(fēng)險(xiǎn)。

(3)長(zhǎng)段膏鹽層鉆井液維護(hù)。雷口坡組長(zhǎng)段石膏層，易造成鉆井液鈣侵，影響井壁穩(wěn)定性。

(4)技術(shù)套管固井止水。二開井段存在多個(gè)壓力窗口，固井質(zhì)量難予保證。

(5)深部抽水試驗(yàn)，抽水深度>3000 m。鉆井結(jié)束后需進(jìn)行抽鹵水試驗(yàn)，要求在鉆孔中進(jìn)行一層次三落程(T2l2+T2l1+T1j5)抽水試驗(yàn)，同時(shí)觀測(cè)流量和水位。

5 鉆探施工

5.1 鉆井設(shè)備

選用了ZJ-40型石油鉆機(jī)，施工能力滿足ZK001井設(shè)計(jì)深度及技術(shù)要求。主要鉆井及附屬設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 主要鉆井及附屬設(shè)備

5.2 井身結(jié)構(gòu)

依據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)及鄰井資料，ZK001井設(shè)計(jì)三開成井，實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井身結(jié)構(gòu)

一開使用?311.2 mm鉆頭開孔，鉆穿下沙溪廟組，下入?244.5 mm套管525.79 m。采用插入法固井工藝，水泥漿返至地面，封隔上部松散地層，為井口控制和后續(xù)安全鉆井創(chuàng)造條件。

二開使用?215.9 mm鉆頭，鉆至雷口坡組三段，下入鋼級(jí)TP95S的?177.8 mm套管2637.44 m。為保證固井質(zhì)量達(dá)到止水目的，采用正注反擠的固井工藝，正注工序水泥漿返至1400 m，反擠工序水泥封固404.06～1400 m井段。采用聲幅檢測(cè)，固井質(zhì)量合格，達(dá)到止水要求。

三開使用?150.9 mm鉆頭，全面鉆進(jìn)至雷口坡組一段，換川6-4取心鉆具+?150.9 mm取心鉆頭，鉆至嘉陵江組五段3227.00 m，裸眼完井。

5.3 鉆具組合及鉆井參數(shù)

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)及地層特征，全面鉆進(jìn)井段選取防斜塔式鉆具組合，轉(zhuǎn)盤采用133.4 mm方鉆桿傳動(dòng)；為提高機(jī)械鉆速并達(dá)到防斜、糾斜目的，二開部分井段采用螺桿+轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)配合MWD設(shè)備復(fù)合鉆進(jìn)。鉆具組合見(jiàn)表3。

鉆進(jìn)參數(shù)原則上在須家河組以上軟地層鉆進(jìn)，采用高轉(zhuǎn)速、大泵量和適合的鉆壓；在堅(jiān)硬、強(qiáng)研磨性的須家河組則采用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、適當(dāng)泵量。各開次鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 鉆具組合

注：1 in=25.4 mm,下同。

在裂隙發(fā)育的易漏失地層，嚴(yán)格控制井內(nèi)壓力平衡，起鉆時(shí)采取鉆桿3柱一回灌，鉆鋌1柱一回灌的原則，并嚴(yán)格控制起下鉆速度，防止井內(nèi)壓力“激動(dòng)”與抽吸作用，降低井漏與井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 各開次鉆進(jìn)參數(shù)

5.4 取心技術(shù)措施

(1)優(yōu)選高質(zhì)量鉆頭，加強(qiáng)鉆具管理，組裝取心鉆具后，調(diào)整好內(nèi)外管間隙，做到每回次檢查，不同巖性鉆進(jìn)及時(shí)調(diào)整間隙，原則上軟地層間隙取低值，硬地層間隙取高值。

(2)簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鉆具組合和鉆井參數(shù)，達(dá)到降低摩阻和扭矩的目的，加強(qiáng)活動(dòng)鉆具，井內(nèi)鉆具靜止不超過(guò)3.0 min。上下活動(dòng)鉆具范圍在5.0 m以上。

(3)由于取心鉆具環(huán)空間隙小，鉆井液流動(dòng)阻力大，嚴(yán)格要求司鉆操作，下鉆平穩(wěn)，嚴(yán)禁猛剎、猛放，遇阻不得超過(guò)30 kN。

(4)加強(qiáng)固控設(shè)備的使用和維護(hù)，嚴(yán)格控制有害固相，保持鉆井液具有良好的流變性、護(hù)壁性能。

(5)記錄各種鉆井參數(shù)，尤其是扭矩和懸重，及時(shí)對(duì)比分析，從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析判斷井下狀況。每打完一根單根認(rèn)真進(jìn)行劃眼修整井壁，縮短停泵時(shí)間，避免掉塊卡鉆事故的發(fā)生。

(6)下鉆離井底5.0 m，開泵循環(huán)清洗取心筒，確保循環(huán)無(wú)異常后投入取心筒鋼球，緩慢下鉆至井底，取心鉆進(jìn)30～50 cm后逐漸調(diào)整到取心的最佳參數(shù)；連續(xù)加桿取心時(shí)，靜壓力不超過(guò)正常取心鉆壓的50%。

(7)下鉆控制游車下放速度，分段頂泵、循環(huán)，由于環(huán)空間隙小，每次下鉆都要分2～3段頂泵，防止對(duì)地層產(chǎn)生過(guò)大的“激動(dòng)”壓力，發(fā)生井漏。

(8)取心井段：3074.79～3227.00 m；取心工具為常見(jiàn)的川6-4取心筒(投彈式)，取心鉆具組合為：?150.9 mm取心鉆頭+川6-4取心筒雙節(jié)+5 in鉆鋌9根+3in鉆桿300根+410×311變徑+5 in鉆桿。取心鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓20～50 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，樹心鉆壓10 kN，泵量12～16 L/min。

5.5 鉆井液技術(shù)

5.5.1 鉆井液管理原則

(1)固相控制堅(jiān)持“篩、除、淘、沉、撈、離”六字作業(yè)，最大限度地減少了有害固相的含量，為保持鉆井液性能穩(wěn)定打下了良好的基礎(chǔ)。振動(dòng)篩和除砂器的使用率100%，使用離心機(jī)及時(shí)清除鉆井液中的有害固相，保證鉆井液密度無(wú)大的變化。

(2)在體系轉(zhuǎn)換時(shí)，強(qiáng)化鉆井液的造壁、護(hù)壁性能，對(duì)井壁的快速封堵，提高鉆井液的抑制防塌性能，有效降低鉆井液轉(zhuǎn)換過(guò)程中及后續(xù)的鉆井液鉆進(jìn)中因井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的事故。

(3)處理鉆井液前堅(jiān)持做小型試驗(yàn)，針對(duì)各種情況制定不同的處理方案，避免盲目處理。小型試驗(yàn)不僅可以節(jié)約鉆井液材料成本，而且可以避免大幅度改變鉆井液性能對(duì)井下安全造成不良影響。

(4)保證攜砂能力的前提下盡量降低固相含量，既保證了高密度鉆井液很好的流動(dòng)性，又有力地加快了鉆井速度。

(5)確保井控安全以及井壁穩(wěn)定的前提下，易漏地層鉆進(jìn)采用近平衡鉆進(jìn)，降低井底與地層間壓差。

(6)堵漏作業(yè)組織合理、迅速，措施得力。將堵漏鉆具上提至距離漏層50.0 m以上打堵漏漿，使鉆具避開漏層，整個(gè)堵漏過(guò)程中活動(dòng)好鉆具，保證鉆具連續(xù)活動(dòng)，避免粘卡。

5.5.2 鉆井液配置及維護(hù)管理

鉆井液主要以穩(wěn)定井壁，平衡地層壓力，攜帶、懸浮巖屑的原則進(jìn)行配置。各開次鉆井液性能見(jiàn)表5。

(1)一開地層膠結(jié)松散，壓實(shí)性差、易掉塊、垮塌，采用低固相聚合物泥漿鉆進(jìn)，配置大分子膠液濃度0.2%～0.5%，鉆進(jìn)中連續(xù)均勻加入，抑制地層粘土侵，防止自然造漿，控制鉆井液密度上升，同時(shí)大分子膠液的補(bǔ)充加入，增強(qiáng)了鉆井液的護(hù)壁性。

強(qiáng)化鉆井液凈化工作，加強(qiáng)機(jī)械四級(jí)凈化，震動(dòng)篩使用率100%，除砂器、除泥器輪換使用，離心機(jī)每天使用2～3 h。同時(shí)化學(xué)凈化加人工凈化，大分子絮凝沉淀，每天人工清放振動(dòng)篩錐形罐，確保了鉆井液密度始終控制在1.05～1.08 g/cm3，粘度28～30 s，確保低密度快速鉆進(jìn)，防止密度上升影響機(jī)械鉆速和壓漏地層。

表5 鉆井液性能

(2)二開長(zhǎng)段裸眼，鉆穿多個(gè)地層，出現(xiàn)地應(yīng)力掉塊、垮塌阻卡、井漏、氣侵、長(zhǎng)段石膏侵、長(zhǎng)段泥巖粘土侵等，鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)地層巖性分析及細(xì)致觀察井下細(xì)小現(xiàn)象，有針對(duì)性地多做室內(nèi)小型試驗(yàn)，以最低的成本投入，以最小的人力投入量完全滿足各種工況的鉆井液性能。二開鉆井開始引入石灰粉提供鈣離子，使其鉆井液體系形成粗分散，能夠容納更多的劣質(zhì)固相并具有良好的流變性。

(3)三開鉆進(jìn)目的層轉(zhuǎn)換為聚磺欠飽和鹽水體系，鉆井液體系轉(zhuǎn)換非常關(guān)鍵。體系轉(zhuǎn)換第一循環(huán)周對(duì)鉆井液進(jìn)行充分護(hù)膠處理，第二循環(huán)周開始加鹽，循環(huán)處理轉(zhuǎn)換完后起鉆更換取心鉆具，取心鉆進(jìn)中繼續(xù)加鹽處理，初始控制氯離子濃度15萬(wàn)ppm。長(zhǎng)段取心鉆進(jìn)，環(huán)狀間隙小，鉆井液性能穩(wěn)定、潤(rùn)滑性能好是關(guān)鍵。鉆井液性能控制在：密度1.30 g/cm3；粘度44～48 s；pH值10.5。滿足了小井眼取心作業(yè)要求，起下鉆無(wú)阻卡現(xiàn)象。

5.6 井斜控制

鉆具結(jié)構(gòu)選用防斜、糾斜鉆具組合，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求測(cè)斜，用測(cè)斜數(shù)據(jù)指導(dǎo)鉆井施工，確保鉆井質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

(1)打方鉆桿時(shí)，每鉆進(jìn)2 m用水平尺校正方鉆桿，確保開直井口。

(2)常規(guī)鉆進(jìn)井段每100 m測(cè)井斜1次，并且在井斜變化大和完井時(shí)加密對(duì)鉆井的測(cè)斜工作；復(fù)合鉆進(jìn)井段采用無(wú)線隨鉆設(shè)備(MWD)時(shí)刻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)井斜增大及時(shí)糾斜。

(3)更換鉆具結(jié)構(gòu)或鉆頭入井，以小鉆壓吊打鉆進(jìn)(設(shè)計(jì)鉆壓下限)，待扶正器進(jìn)入新井眼后以正常鉆壓鉆進(jìn)。

ZK001井鉆井施工歷時(shí)126.5 d，完鉆井深3227.00 m，最大井斜80 m，井底閉合位移119.00 m，平均井徑擴(kuò)大率15%。錄井工作中，鉆時(shí)錄井3227個(gè)、巖屑818件，全井累計(jì)鉆井液錄井474次，固井質(zhì)量合格；取心11回次，平均巖心收獲率93.71%。各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 主要技術(shù)措施及應(yīng)用

6.1 長(zhǎng)段裸眼施工

二開井段長(zhǎng)達(dá)2515 m，鉆穿多個(gè)地層，各地層特性不盡相同。為滿足多個(gè)層位鉆進(jìn)，鉆井液采用分段處理維護(hù)。

(1)上部井段采用聚合物低密度鉆井液，鉆至井深1200 m，密度范圍控制在1.05～1.20 g/cm3，以較低的鉆井液密度保障工程上的快速鉆進(jìn)。

(2)鉆進(jìn)至1400 m自流井組段，井下掉塊逐漸增多，返出粒徑1～2.5 cm掉塊增多，下鉆到底開泵有后效現(xiàn)象。緩慢的分3次將鉆井液密度提高至1.23～1.26～1.30 g/cm3，密度穩(wěn)定在1.30 g/cm3井下恢復(fù)正常。

(3)自流井組、須家河組井段一直有輕微掉塊現(xiàn)象，緩慢提高鉆井液密度，同時(shí)加入瀝青質(zhì)材料對(duì)井壁進(jìn)行封堵，降低慮失量，鉆井液性能控制范圍，密度1.43～1.44 g/cm3，粘度40～44 s，動(dòng)切力6～6.8 Pa，泥餅厚度0.5 mm以內(nèi)，初切3～4 Pa，終切10～11 Pa，pH值保持在9，井下掉塊一直在可控范圍內(nèi)，起下鉆暢通，接單根上提下放無(wú)阻卡現(xiàn)象。

6.2 井漏處理措施

鉆進(jìn)至須家河組四段井深2493 m，發(fā)生井漏，漏失總量22.6 m3，測(cè)得最大漏速13 m3/h。鉆井液性能：密度1.44 g/cm3，粘度44 s；鉆井參數(shù)：鉆壓130 kN，轉(zhuǎn)速65 r/min，泵量25.7 L/min，泵壓7.5 MPa。

井漏發(fā)生時(shí)機(jī)械鉆速降低，鉆時(shí)加長(zhǎng)，地層巖性從巖屑上看泥巖逐漸過(guò)渡為砂巖，且有輕微跳鉆現(xiàn)象，判斷：(1)泥巖過(guò)渡到砂巖的接觸面存在天然裂隙，發(fā)生裂縫性漏失；(2)砂巖鉆開時(shí)未形成有效泥餅，發(fā)生滲透性漏失。

發(fā)現(xiàn)井漏后，安排專人測(cè)量鉆井液量和鉆井液進(jìn)出口密度、粘度，并立即將鉆井液泵排量由25.7 L/min降低到20 L/min，鉆井液粘度從44 s提高至60 s，改變鉆井液流態(tài)，減小鉆井液對(duì)井壁的機(jī)械沖刷以降低漏速，將鉆井液密度由1.44 g/cm3降低至1.40 g/cm3減小液柱壓力降低漏速。循環(huán)觀察漏速減小，采用邊鉆邊堵的方法堵漏。用加重泵緩慢、交替逐漸加入隨鉆堵漏劑Ⅱ型500 kg，復(fù)合堵漏劑Ⅰ型125 kg，云母片125 kg。為不影響泥漿泵工況，堵漏材料控制在1 h加完，計(jì)算堵漏材料返出井口時(shí)間80 min，提前關(guān)閉震動(dòng)篩，使堵漏材料在井內(nèi)循環(huán)充分作用。隨著堵漏劑的逐漸加入漏失速度明顯減小，經(jīng)過(guò)4 h的循環(huán)堵漏處理，將泥漿泵排量由20 L/min恢復(fù)到25.7 L/min鉆進(jìn)正常，未發(fā)現(xiàn)漏失，堵漏成功。

6.3 技術(shù)套管固井止水

二開井段鉆穿多個(gè)層位，且存在漏失情況，如采用常規(guī)固井方法，水泥漿外環(huán)上返時(shí)會(huì)漏失，無(wú)法返高至技術(shù)套管口，不能滿足技術(shù)套管固井、止水目的。經(jīng)優(yōu)化固井工藝，采用正注反擠的固井方法，正注即插入式固井方法，經(jīng)固井時(shí)頂替壓力測(cè)算出水泥漿返高；反擠即借助封井器，從技術(shù)套管口與表層套管的環(huán)狀間隙將水泥漿擠入，封固技術(shù)套管外環(huán)。經(jīng)聲幅監(jiān)測(cè)固井質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

6.4 深部抽水試驗(yàn)

ZK001井抽鹵水試驗(yàn)要求穩(wěn)定流抽水，面臨的困難主要是深度大(3000 m以下)，口徑小(?150.9 mm)，抽水與水位觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行。常規(guī)的電泵抽水、提桶抽水無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

抽水采用油管連接試油泵，利用鉆機(jī)提升系統(tǒng)提放抽油桿的連續(xù)抽水方式，測(cè)水位采用物探測(cè)井絞車將電纜從油管外環(huán)下入，滿足邊抽水邊測(cè)井內(nèi)水位的要求。

管式泵型號(hào)規(guī)格及參數(shù)：型號(hào)25-225THC型，泵體外徑57.15 mm，泵筒長(zhǎng)度10.4 m，柱塞長(zhǎng)度0.3～8.0 m，沖程長(zhǎng)度1.2～9.0 m，加長(zhǎng)接箍長(zhǎng)度0.6～1.2 m，油管尺寸?73 mm，抽油桿尺寸CYB25。

兩端未加厚API油管規(guī)格及參數(shù)：外徑73 mm，鋼級(jí)N80,壁厚7.82 mm,段質(zhì)量12.8 kg/m，絲扣最小抗拉強(qiáng)度722.6 kN,最小抗擠強(qiáng)度90.83 MPa。

7 對(duì)鉀鹽鉆井工程的幾點(diǎn)體會(huì)

(1)鉆井液性能要有針對(duì)性，鉆進(jìn)各地層前要有預(yù)見(jiàn)性、前瞻性，不能等井內(nèi)出現(xiàn)問(wèn)題再調(diào)配鉆井液性能。鉆井液以維護(hù)為主，處理為輔。鉆井液處理劑都須經(jīng)過(guò)充分水化后以循環(huán)周均勻加入，以“細(xì)水長(zhǎng)流，均勻加入”的原則進(jìn)行，避免鉆井液性能大幅度變化而造成井下情況復(fù)雜。川東地區(qū)的長(zhǎng)段石膏層鉆進(jìn)，鉆遇石膏前對(duì)鉆井液進(jìn)行預(yù)處理：①除泥器控制鉆井液內(nèi)的粘土含量，適當(dāng)降低鉆井液內(nèi)分散相間的結(jié)構(gòu)力，改善泥漿流變性，輔以重晶石粉控制鉆井液密度；②加入含鈣離子的鉆井材料，改善鉆井液體系為粗分散，提高鉆井液抗石膏侵能力，一般選用中鈣(生石灰)為常用材料，加入總量控制到0.25%，加入時(shí)不能一次到位，泥漿每循環(huán)一周，生石灰加量增大1倍，第一循環(huán)周加1袋(25 kg)，第二循環(huán)周加2袋(50 kg)，第三循環(huán)周加4袋(100 kg)，依此類推；③適當(dāng)提高鉆井液pH值到10～11，有效抑制鉆井液內(nèi)鈣離子濃度。

(2)該區(qū)域須家河組上部地層較完整，巖石可鉆性較高，鉆頭使用壽命較長(zhǎng)，建議選用螺桿+轉(zhuǎn)盤的復(fù)合鉆井工藝。經(jīng)ZK001井時(shí)效分析得出，該段平均鉆時(shí)為30.41 min/m，而復(fù)合鉆井工藝的平均鉆時(shí)是14.6 min/m，大大縮短了鉆井周期。