牛场区块煤层气钻井堵漏技术研究

唐胜利，闫 鸽，徐堪社

(1．西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054;2．中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘是现阶段中国煤层气的重要产业基地，但是仍然不能满足我国对煤层气产量的需求，因此急需寻找一批勘探开发战略接替区。西南的六盘水煤田被认为是我国煤层气勘探和试验开发的三大重点目标区之一［1］。在六盘水煤田中牛场区块含气量较高，便于开采，具有开发价值。但是在钻井过程中容易发生漏失，且易重复，漏失量和堵漏难度较大，因此漏失是牛场区块钻井中遇到的首要难题。漏失会延误工期，增加钻井成本，堵漏技术是本区块急需解决的重要难题。

1 概况

1．1 研究区地层概况

牛场区块地处贵州省六盘水市六枝特区境内，隶属于贵州织纳煤田比德－三塘向斜。煤层气井深大约在840～970 m之间，钻孔实际揭露的主要地层自上而下分别为第四系(Q)地层、三叠系下统飞仙关组(T1f)地层、二叠系上统长兴组(P3c)地层、二叠系上统龙潭组(P3l)地层、二叠系上统玄武岩组(P3β)地层。其中飞仙关组上部岩性为深灰色泥灰岩、灰岩，底部岩性为灰紫色泥岩、灰色灰岩、绿灰色粉砂质泥岩;龙潭组岩性为灰色细砂岩、泥质细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、深灰色泥岩、灰黑色碳质泥岩、黑色煤不等厚互层。

1．2 勘探开发情况

六枝特区内煤层气涌出量及抽放量均很高，利用量相对较高(表1)，且位于六枝内的牛场区块累计施工煤层气井几十口，其瓦斯涌出量、抽放量较大，利用率较高，勘探开发程度较高。

表1 六盘水地区煤矿瓦斯利用情况统计表

1．3 井身情况

牛场区块煤层气井钻井完钻原则是完钻人工井底距32#煤层底部，垂深不小于50 m，完井方式选择套管射孔方式。结合地层地质情况，一开用Ф311.15 mm空气钻，循环介质为空气，低钻压适中转速钻进，钻至约80 m下Ф215．9 mm表层套管，固井候凝。二开在钻进过程中选择Ф215．9 mmPDC钻头，钻至32#煤层底部以下完钻，下Ф139．7 mm生产套管，固井候凝，水泥返高200 m以上完井;二开钻井液以防止井下复杂事故发生为主要目的。

2 漏失情况

2．1 漏失地层

牛场区块累计施工36口井，多数井发生漏失，主要发生在飞仙关组，飞仙关组岩性为灰色～浅灰色泥质粉砂岩或粉砂岩互层(如图1)，薄层至中厚层状，波状层理及水平层理，灰岩一般有3套，全层厚度大于90 m，地层倾角10°［2］。漏失的发生不仅延长了工期，而且增加了钻井成本，因此确定最佳堵漏方法对本区块尤为重要。通过牛1-6-1井台7口井漏失情况如图2所示，可以看出漏失层位主要集中在垂深340～380 m，7口井失返性漏失后，测量液面均位于80 m左右，可以判断为同一裂隙性漏失层位，漏层深度变化受地层倾角影响［2］。

图1 漏失层段地层简图

图2 漏失位置对比图

2．2 漏失原因

造成漏失的因素有地质因素和钻井工艺因素两方面，由于构造运动形成的节理、片理、层理，岩石的各向异性以及岩石本身的结构存在着渗透性，经过风化、剥蚀、搬运而产生的溶洞等都是发生漏失的条件，当孔内钻井液柱压力大于孔隙压力就容易发生漏失现象［3］。研究区飞仙关组与龙潭组中的粉砂岩层受构造变形作用，在构造应力作用下产生破裂，形成构造裂隙，加上粉砂岩互层与地下水长期作用形成范围较广的裂隙性漏失带，其属于裂隙性漏失地层，因此地质因素是主要的影响因素。影响漏失的工艺因素主要是钻井的操作过程，钻头的钻压、转速、泵压，钻井液上返速度、泵量、种类、密度、粘度以及钻井液的性能。牛场区块下完套管后可能出现井壁掉块或坍塌等复杂情况，固井循环时环空不畅通，会造成憋压后漏失现象;且固井前技术交底不深入，对漏层判断不准确，未提出针对性的固井施工措施，其下组煤层整体破裂压力低，正常钻进时钻井液密度低(1．08 g/cm3)，因此液柱压力低于地层破裂压力，未发现煤系地层漏失情况。但固井施工中，注完水泥浆开始替浆时，环空水泥浆领浆密度达到1．80 g/cm3，领浆垂直高度约300．00 m，液柱压力预计11．60 MPa，此时液柱压力大于地层破裂压力，容易压漏地层。

3 防漏主要技术对策

3．1 防治措施

在钻井过程中控制好钻井速度以及其他钻井参数，避免起下钻过猛，降低钻进工艺对漏失发生的影响，并且在井场内准备好足够的堵漏材料，能够及时配制堵漏泥浆，快速有效地堵漏，避免其他事故发生。钻井液长期漏失会导致岩屑无法排出，孔内垮塌，埋钻卡钻等事故，因此会延长钻井周期以及增加钻井成本，所以在钻井过程中应该防漏并且做到随钻堵漏［4］。当遇到在溶洞性大裂缝性漏失层，且漏失速度大于泵入排量的情况时，应采用清水强钻方法来处理漏失，清水强钻其原理就是漏层之上为钻井液用以平衡地层压力，之下用清水钻井并携带岩屑至漏层［5］。遇到其他情况时可采用水泥浆堵漏，其使用方便快捷有效，也可采用桥塞堵漏、复合堵漏、可控胶凝堵漏等常规堵漏方法。

3．2 工程应用

牛1-6-1井设计井深864 m，完钻于玄武岩组。因地层岩性及地质构造、钻井工艺等因素预先制定了多项防漏措施。

调控维持钻井液密度:根据设计的钻井液密度，并结合实钻情况，及时合理地调控维持钻井液密度，使钻井液密度控制在1．03～1．09 g/cm3，实现近平衡钻井，从而尽可能地降低钻井液液柱压力。

转速钻压控制:针对牛场区块地层岩性以及漏失的特点，在钻井过程中使一开钻进中钻头的转速控制在60 rpm左右，钻压在10～20 kN，二开的转速60 rpm+螺杆，钻压在20～40 kN之间，钻井液的粘度在35～42 s之间。

防止憋漏:下钻到底开泵时，为防止憋漏地层，先用转盘活动钻具以破坏钻井液结构力，再开泵，开泵后排量逐渐由小到大。

控制起下钻速度:严密监控钻井液密度，严格控制起下钻速度，避免过高的压力产生井漏，起钻严格按规程灌满钻井液。

避免环空障碍:维持优良的钻井液防塌性、防卡性、流变性和失水造壁性，以保证井壁的稳定、井眼的净化和有效的环空水力值，从而避免环空泥环、砂桥、钻头泥包等引起的阻卡造成的井漏。

易漏层段的管理:钻进已知的裂缝发育、破碎地层的易漏层段和预计漏层前，在钻井液中加入随钻堵漏材料以防井漏。本井在钻进过程中加强了钻井液的管理，每班测试钻井液性能，随时调整、控制各性能参数，及时调整钻井液性能。

3．3 堵漏实例

堵漏过程:在钻遇实际地层时无法有效防漏，在一开空气钻进中，钻至11 m时遇地层出水，岩屑无法排出，更换螺杆使用清水钻进。换螺杆钻具开泵后，井口一直未返浆，加堵漏材料打入井内，泥浆依旧失返。抽清水强钻，分别钻至15～17 m、23～24 m、26～27 m放空。水量不足，无法满足强行钻进，然后选择采用两台空压机空气钻进，共漏失清水300 m3。二开钻进至飞仙关组359．9 m时泥浆失返，漏失泥浆20 m3，随后配堵漏泥浆10 m3，配方为复合堵漏剂0．5 t+高粘堵漏剂0．2 t+随钻堵漏剂0．2 t，循环钻井液，恢复正常钻进，钻至840 m完钻。完钻测井后下钻通井，进行地层承压试验，先后5次配堵漏泥浆打入井内堵漏，一直未能起压。第一次配堵漏泥浆10 m3，配方为土粉0．5 t+CMC0．2 t+护壁剂0．1 t+随钻堵漏剂 8 030．5 t+8 010．2 t+锯末0．5 m3，注入井内，未起压;第二次起钻至井深380 m，配堵漏泥浆 15 m3，配方为土粉 1．5 t+CMC0．2 t+ 护壁剂0．3 t+8 030．5 t+8 010．3 t+ 锯末 0．5 m3，注入井内，起压 2 MPa，很快降为零;继续配堵漏泥浆10 m3，配方为土粉0．5 t+CMC0．1 t+803 0．5 t+护壁剂0．1 t+ 桥塞堵漏剂 0．25 t，第一次注入井内5 m3，静止堵漏后稳压15 min，压力1 MPa，等待4 h后第二次注入井内5 m3，稳压15 min，压力 1．7 MPa;第四次配堵漏泥浆 24 m3，配方为土粉1．5 t+CMC0．2 t+护壁剂0．2 t+随钻堵漏剂8 031 t+8 010．2 t+复合堵漏剂0．5 t+黄豆0.05 t+锯末0．5 m3，下钻至800 m，注入15 m3堵漏泥浆，起钻至360 m，泵入4 m3，关井憋压，继续挤入泥浆，起压2．5 MPa，停泵后压力很快回零，静止堵漏后仍未能憋住压;第五次配堵漏泥浆14 m3，配方为土粉2 t+CMC0．1 t+复合堵漏剂2．25 t+纯碱0．05 t+锯末0．5 m3，下钻至 500 m，注入 9 m3堵漏泥浆，关井憋压，继续挤入泥浆2 m3，起压2．5 MPa，开井后继续注入3 m3;下钻到底后关井憋压，起压3 MPa，停泵后降为 2 MPa，稳压 15 min。

改进措施:虽然堵漏成功但是地层承压能力不高，在后续的钻井过程中易重复漏失。分析前5次失败的原因，总结经验教训并结合现场试验结果，并且针对飞仙关灰岩地层失返性漏失，堵漏材料无法通过MWD仪器，因此常规堵漏方法已不可行。于是提出如下改进堵漏措施:①钻进过程中出现漏失，要判断井内液面是否出现下降，根据漏失大小，及时起钻，将综合堵漏剂、复合堵漏剂、随钻(植物纤维)堵漏剂、锯末、絮凝剂、CMC、土粉、水泥等，按比例搅拌均匀，同时为了提高复合堵漏塞的胶凝程度并加入聚丙烯酰胺、高粘羧甲基纤维素钠、高粘堵漏剂，通过井口漏斗泥浆携带灌入井内(灌入堵漏浆浓度达到50%以上);②统计堵漏浆注入量，计算漏点以上井眼容积，关封井器将堵漏浆挤入漏层，确保最优堵漏浆浓度和堵漏浆进入裂隙的最优量;③下定向钻具，正常钻进，调整好泥浆性能，减少泥浆对漏层冲刷，同时，泥浆中补充随钻(植物纤维)堵漏剂，减少泥浆漏失;④如果漏点裂隙较大，惰性堵漏材料无法满足堵漏效果时，可注水泥封堵。注水泥前根据漏失情况可先用堵漏材料架桥;⑤根据改进后的堵漏措施第六次在原堵漏泥浆的基础上，配堵漏泥浆9 m3，配方为土粉 0．6 t+CMC0．05 t+ 复合堵漏剂0．4 t+ 纯碱 0．05 t+ 综合堵漏剂 0．4 t，起钻至 640 m注入9 m3堵漏泥浆，关井憋压，起压4 MPa，停泵后15 min降为2 MPa，30 min稳压1．5 MPa。试压合格，然后起钻下套管、固井;⑥经过先后6次配堵漏泥浆，注浆堵漏，最终堵漏成功且地层承压能力合格，顺利完井。

4 结论

(1)牛场区块钻井过程中形成的漏失裂隙带分布较广，经过常规堵漏方法无法达到钻井要求后，综合失败原因，勇于创新，结合现场实验，将综合堵漏剂、复合堵漏剂、随钻(植物纤维)堵漏剂、锯末、絮凝剂、CMC、土粉、水泥等，按比例搅拌均匀。同时为了提高复合堵漏塞的胶凝程度并加入聚丙烯酰胺、高粘羧甲基纤维素钠、高粘堵漏剂，通过井口漏斗泥浆携带灌入井内，再结合水泥浆堵漏法共同堵漏，取得了良好的效果。

(2)堵漏时应该根据漏失特点，漏失层位特性，并且统计堵漏浆注入量，以及各种数据的准确计算，有针对性地选择堵漏方法，善于归纳总结找到最优堵漏方法，确保堵漏成功。