YS139H1平台井上部复杂地层优快钻井关键技术

黄志安，吴 波，王 委，于 瑞，魏 由，寇显富

（1.中国石化华东石油工程有限公司江苏钻井公司，江苏 扬州 225000；2.中国石化华东石油工程有限公司，江苏 南京 210019；3.中国石油浙江油田分公司天然气勘探开发事业部，四川 泸州 646400）

太阳-大寨构造位于四川省泸州市叙永县境内，所属的浅层页岩气有利区超过100 km2，预计可动用地质储量近500×108m3。2018 年2 月22 日，首口浅层页岩气井Y102H1-1 水平井返排试气，日产量达到5.6×104m3［1-2］。至2020 年底，相继部署了143口井，已投产72口井，实现年产4.8×108m3，已成为推动我国浅层页岩气高效开发、工业化建产的重点区块。

YS139H1 平台位于太阳-大寨构造川南低陡褶带叙永复向斜云山坝向斜南西翼，所钻井垂深1 000～1 200 m，斜深1 700～3 000 m，水平段长900～1 500 m。针对该区块上部地层存在的漏失、垮塌严重，造成施工周期长等问题，通过空气钻、穿心跟管钻进、常规钻头+空气钻井和充气雾化钻井等技术的综合应用［3-10］，逐步探索出一套适合叙永工区上部浅表层的安全快速施工技术。经过YS139H1-2、YS139H1-3、YS139H1-4 三口井不断实践和完善，该平台的上部地层施工速度明显提高。

1 已钻井复杂情况简析

YS139 平台所钻井一开井深为650 m 左右，所钻地层从上而下依次为第四系、飞仙关组、乐平组、茅口组、栖霞组、梁山组和韩家店组，各层段深度及岩性见表1。

已钻完成的YS139井，钻至41.00 m发生垮塌卡钻，套铣解卡，损失时间4.38 d；在96.51～514.52 m之间井段发生9 次失返性漏失，先后5 次注水泥、4 次桥堵浆堵漏加清水强钻等，钻至650 m 一开结束，共用时71 d。

YS139H1-1 井钻至井深40.35 m 起发生沉砂卡钻，采用小钻杆环空吹砂解卡，钻至84 m，一直有掉块，并伴有出水；钻至186.51 m，发生失返性漏失2次，采用凝胶堵漏、清水强钻，共漏失凝胶60 m3、清水230 m3，钻至626.6 m一开结束，用时33.63 d。

造成一开周期长的主要原因:一是裂缝、溶洞发育，漏失严重，高浓度堵漏浆、凝胶及水泥浆等堵漏效果差，缺乏水源，不能清水强钻，处理井漏时间长；二是地层破碎严重，采用空气钻，遇上部垮塌掉块时，无法倒划眼，为防止掉块卡钻，只能控制钻速；三是发生复杂后处理手段单一，如发生掉块卡钻后，由于井浅，没有足够的钻具缓冲，使用随钻震击器风险很大，无法发挥作用。

YS139H1 平台及邻井上部浅表层复杂情况见表2。

续表2 YS139H1平台及邻井上部浅表层复杂情况统计

2 浅表层提速关键技术

2.1 井身结构优化

（1）原井身结构设计:Ø473 mm 导管下深50 m左右，防止表层钻遇溶洞或暗河，封隔地表疏松地层。一开Ø406.40 mm 钻头钻至韩家店组顶部，约650 m，封固茅口组、栖霞组等可能存在的漏失层、含水层以及上部低压层，下Ø244.47 mm 套管，固井水泥返至地面。主要存在的问题是:①导管施工困难，难以下到位，导管施工周期长容易发生井架底座基础塌陷。②导管下至50 m，也难以封固易漏易垮地层，不能保证一开正常进行。从表2可以看出，YS139 和YS139H1-1 两口井均在井深41 m 左右发生卡钻故障，在井深69 m仍有垮塌、漏失现象。

（2）井身结构优化设计后:地表下Ø640 mm 护管10～20 m，Ø473.00 mm 引管下深70 m 左右，封飞仙关易垮地层；下Ø339.73 mm 导管至170 m 左右，封乐平组易漏地层；一开用Ø311.15 mm 钻头钻至650 m 左右韩家店组顶部，用Ø244.47 mm 套管封固茅口组、栖霞组等可能存在的漏失层、含水层以及上部低压层。本设计的优点在于:①增加一层护管进入基石5 m 以上，确保井架底座基础不塌陷，保持施工连续性；②增加一层引管，用跟管技术下入引管，封隔飞仙关组漏失层、破碎带地层；③导管下深由50 m 调整到170 m，完全封固了乐平组以上的易漏地层，为下部使用螺杆，调整井斜、方位及防碰争取了主动。优化前后井身结构见图1，各井上部井身结构见表3。

图1 YS139H1平台井身结构原设计与优化设计

表3 YS139H1平台实际井身结构

2.2 空气锤跟管钻进技术

空气锤跟管钻井实际上是一种简易套管钻井技术，能有效解决常规钻井方法无法解决的井壁垮塌卡钻、掉块卡钻等难题，成为应对上部不稳定地层的有效方法［11］。主要工作原理:在卷管串下端焊接管鞋（如图2所示），跟管钻头为专用钻头，当常规钻进无法进行时，下入卷管串至遇阻位置或井底；带专用钻头的钻具以“穿心”的方式从卷管串内下入。跟管钻头设有台阶（如图3 所示），最下端设有四个滑块，滑块上镶有复合球型齿，且滑块的一部分嵌在钻头本体设置的斜面槽中。下钻至管鞋时，钻头台阶抵达管鞋台阶，滑块出管鞋，在钻压的作用下，滑块沿斜坡向外伸出管鞋，确保所钻井眼大于卷管外径。由于钻头台阶压在管鞋台阶上，当钻头有新进尺后下行时，卷管串便被钻头带着同步下行，即时封住垮塌掉块等易失稳地层。上提钻具时，钻头滑块在自重的作用下沿斜面下移回缩，钻具顺利起出，把卷管串留在井内。

图2 在卷管上焊接管鞋

图3 跟管钻头及工作原理

YS139H1平台井施工中，引管开钻选用了型号TSK14H-D478 mm 空气锤跟管钻头，下部4 个滑动块完全收回后外径Ø435.00 mm、伸出后钻头最大外径Ø495.00 mm。卷管采用材质为Q235B 钢材制成，外径Ø478.00 mm、内径Ø462.00 mm、壁厚8.00 mm，每根长度12.0 m。管鞋采用钢级42CrMo钢管加工，外径Ø480.00 mm、内径Ø435.00 mm、厚度22.50 mm、长度90.00 mm。

2.2.1 卷管与管鞋现场焊接

卷管与管鞋的钢级不同，焊接质量直接关系到跟管施工的成败。在YS139H1 平台井，经过对材质分析和焊接工艺研究，采取的焊接工艺如下:

（1）手工电弧焊，使用Ø3.2 mmJ507 焊条，焊前经350℃烘焙1 h，放入保温筒备用。焊接电流:90～130 A。

（2）焊接前，先对待焊部位加热，保证焊接层间温度不得低于200℃，可用红外线检测仪实时监测温度。

（3）焊接时，先把管鞋直径小的一段与卷管对接、找正，在外侧每隔120°点焊初步固定，确认对正的情况下，再逐步焊完全部对接面，内侧对接面也同样焊接。为提高焊接强度，可提前在卷管与管鞋重合面处适当开槽，以增大焊接面，如图2所示。

（4）焊后进行去应力退火，退火温度580℃，保温2 h。

2.2.2 跟管钻进钻具组合

TSK14H-D478 mm 跟管钻头+Ø328.00 mm 冲击器+Ø228.60 mm 减震器+Ø228.60 mm 钻铤×2 根+Ø 203.20 mm钻铤×1根+Ø127.00 mmHWDP+顶驱。

2.2.3 跟管钻进参数

钻压:10～20 kN；转速:10～15 r/min；气排量:70～120 m3/min（根据钻时、携砂情况适时调整）；气压1.30～1.50 MPa。循环吹扫气排量160～200 m3/min。

2.2.4 跟管钻进步骤

（1）把焊好管鞋的卷管从井口下入，由于卷管两端均未设计链接螺纹扣，因此，每两根之间仍采用现场焊接方式连接。每根卷管下入后，均在地面或钻台面预留1 m 左右，便于与下一根卷管焊接，依次边焊边下，直至中途遇阻井段或到达井底。

（2）从坐入井筒的卷管内下入钻具，钻头到达管鞋时，钻头台阶面抵达管鞋台阶面，钻头滑块部分出管鞋。

（3）刚开始钻进时采用小钻压、低转速，有进尺且观察到卷管同步下行时，适当提高钻压、转速。跟管钻进中一旦扭矩波动较大或每跟进2 m 时，用160～200 m3/min大排量气循环带砂。

（4）注意钻时变化，若钻时较慢，可起出跟管钻头，下Ø406.40 mm 牙轮钻头穿心钻进，再下入跟管钻头继续跟管钻进，以提高施工效率。

（5）若发现钻具下行而卷管未下行或钻头无进尺，立即停止作业，起钻检查，若无异常后，再下钻继续跟管施工作业，直至钻至预定井深。

2.3 常规钻头空气钻井防斜防卡技术

空气锤钻井技术在不出水、井壁稳定的浅表地层中应用，具有较好的防斜提速效果［12-13］，但遇到破碎带地层，易发生沉砂、掉块卡钻，上提倒划眼效果差，故障处理困难，使用常规空气钻井技术效果更好。YS139H1-1 井在用空气锤钻进至井深40.35 m 卡钻后，改用清水和凝胶强钻的常规钻井技术，但在井深268.92 m 井斜增大至2.62°，水平位移达到4.38 m，增加了丛式井组相碰几率。随即采用常规空气钻井技术，使用Ø228.60 mm 钻铤、小钻压高转速，同时采取“进一退三”（在破碎带或断层钻进过程中，每次钻进进尺不超过1 m，倒划3 m 以上至正常井段，再下划至井底，如果扭矩等井下正常，可钻进，不正常则反复倒划、正划直到正常为止）钻进方式，有效解决了井斜控制难及卡钻风险高的难题。

YS139H1 平台在导管施工中应用常规空气钻，钻具组合Ø406.40 mm 牙轮钻头+Ø228.60 mm 减震器+Ø228.60 mm 钻铤×2根+Ø203.20 mm 无磁钻铤×1根+Ø127.00 mmHWDP+顶驱。施工参数:钻压20～40 kN；转速110～120 r/min，气量75～220 m3/min。为润滑冷却钻头，在注入空气中适当加水，加水量2 m3/h。循环吹扫气排量180～220 m3/min。

施工时通过观察钻进返气情况，适时采用大气量带砂，遇到井下出现蹩跳、扭矩增大时，立即倒划眼提出钻具，既防止了卡钻，又确了保井眼打直。

2.4 充气雾化钻井技术

充气雾化钻井主要用于上部松软地层，解决井漏问题。在采用钻井液钻进的同时，从立管充气，以降低井内当量密度［14-15］。

YS139H1 平台充气雾化钻进主要用于一开Ø 311.15 mm 井眼下部施工，主要解决因携砂用气量大、压缩空气成本高的问题。同时还避免了井下掉块卡钻，实现顺利下套管的目的。

充气雾化钻井钻具组合:Ø311.15 mmPDC+双母 接 头+浮 阀+Ø228.6.0 mm 减 震 器+Ø228.60 mmSDC×2 根+Ø203.20 mmNDC+Ø203.20 mmSDC×2根+Ø177.80 mmSDC×3根+Ø127 mmHWDP。

充气雾化钻井主要施工参数:钻压40～60 kN；转速90 r/min；泵压3～5 MPa；气压3.5 MPa；排量:空气40 m³/min+清水20 L/s。

3 应用效果

（1）YS139H1-1 井:Ø550.00 mm 空气锤钻进在井深40.35 m 发生蹩钻，随后发生垮塌卡钻。小钻杆吹砂解卡后，采用空气锤跟管扩眼钻进，下Ø 478.00 mm 卷管封隔上部易垮塌地层，用Ø406.00 mm 钻头穿心钻进，每次钻进至漏、垮井段，倒划眼起出Ø406.00 mm 钻头，再用Ø478.00 mm 空气锤跟管钻头扩眼并下入Ø478.00 mm 卷管。共下入Ø 478.00 mm 卷管84 m。用Ø339.7 mm 套管钻进，钻至105 m 卡套管，被迫终止导管作业，提前一开施工。Ø311.1 mm 井眼一开施工中，由于钻遇失返性漏失，先后使用凝胶强钻、土粉+堵漏材料强钻、清水强钻及水泥浆堵漏，都无法达到施工目的。改用常规空气钻井钻至262 m，发生堵水眼，返砂困难。再使用充气雾化钻井技术，从井深262 m 钻至一开中完井深626.6 m。

（2）YS139H1-2 井:Ø609 mm 井眼使用空气锤钻进，井深25.00 m 遇卡立即倒划起出，根据YS139H1-1 井施工经验，采用卷管跟管钻进和穿心钻进相结合方式施工，因管鞋脱裂终止，卷管只下到71 m。Ø406 mm 井眼采用牙轮钻头+空气钻进技术，并采用Ø228.60 mm 钻铤和“进一退三”钻进方式，钻进至173 m，下入Ø339.7 mm 导管171 m。Ø 311 mm 井眼使用空气锤钻井技术和充气雾化钻井技术钻至井深631 m一开中完。

（3）YS139H1-3 井:Ø609 mm 井眼使用空气锤钻进至井深22 m，用跟管钻进技术，下入卷管63.50 m，因跟管鞋脱开而终止。Ø406 mm 井眼采用常规钻头+空气钻进，并采用Ø228.60 mm 大钻铤和“进一退三”钻进方式，钻至井深175 m，下入Ø339.7 mm导管174 m。Ø311 mm 井眼使用空气锤钻井技术和充气雾化钻井技术钻至井深646 m一开中完。

（4）YS139H1-4 井:Ø609 mm 井眼使用空气锤钻进至井深19 m，用跟管钻进技术，下入卷管37 m，因管鞋脱开而终止。Ø406 mm 井眼采用常规钻头+空气钻进，并采用Ø228.60 mm大钻铤和“进一退三”钻进方式，钻至井深169 m，下入Ø339.7 mm 导管168 m。Ø311 mm 井眼使用空气锤钻井技术和充气钻井技术钻至井深633 m一开中完。

YS139H1 平台井上部井段各套管层次及最大井斜情况见表4，各井施工情况见表5。

表4 YS139H1平台井上部井眼井身质量 m

表5 YS139H1平台井施工情况及施工周期 m

4 结论与认识

（1）对于疏松、破碎，易垮、易漏浅表地层，合理的井身结构设计是安全施工、提高效率的前提条件。在一开施工前增加1～2 层护管或引管能有效阻挡地表疏松、破碎层导致的坍塌，使一开施工顺利进行。

（2）空气锤跟管钻进技术、常规钻头空气钻井技术及充气雾化钻井技术交替使用，可以有效解决水源不足地区浅表地层恶性漏失、垮塌的难题。

（3）采用牙轮钻头+空气钻进技术，结合大尺寸钻铤和“进一退三”钻进方式，在复杂地层施工中能有效地防斜打直，同时也具备防卡功能。

（4）从3口井使用跟管钻进情况看，均在中途发生管鞋脱落，被迫中止跟管钻进。因此，需加强管鞋与卷管连接的牢固性和可靠性，以保障钻进施工按设计方案正常进行。