贵州煤层气井中上部地层钻井防漏堵漏技术

第47卷 增刊1 煤田地质与勘探
Vol. 47 Supp.1
2019年9月 COAL GEOLOGY & EXPLORA TION Sep . 2019
收稿日期: 2019-07-15
第一作者简介: 赵永哲，1975年生，男，陕西周至人，博士，研究员，从事地面及煤矿井下定向钻进技术研究及推广应用工作. E-mail ：zhaoyongzhe@
引用格式: 赵永哲，徐堪社，杨哲，等. 贵州煤层气井中上部地层钻井防漏堵漏技术[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(增刊1)：113–116. ZHAO Yongzhe ，XU Kanshe ，YANG Zhe ，et al. Preventing and plugging lost circulation technique for drilling CBM wells in Guizhou[J]. Coal Geology & Exploration ，2019，47(S1)：113–116.
文章编号: 1001-1986(2019)S1-0113-04
贵州煤层气井中上部地层钻井防漏堵漏技术
赵永哲，徐堪社，杨 哲，王林杰 张 晶
(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
摘要: 防漏堵漏是贵州煤层气井优快钻井和节约成本的关键措施。

针对贵州岩溶地层漏失和中部地层恶性漏失问题，结合煤层气钻井现场防漏堵漏实践及经验，首先，在井位布置时避开漏失；其次，采用潜孔锤空气钻进和表层套管暂封溶洞技术有效解决表层漏失问题。

应用结果表明，通过地层承压堵漏方法有效解决了中部恶性漏失问题。

该防漏堵漏技术提高了钻进效率，实现优快钻井的目的，为贵州煤层气井上中部地层防漏堵漏提供了新思路，具有很好的推广应用价值。

关 键 词：优快钻井；煤层气井；防漏堵漏；承压堵漏
中图分类号：TE254 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2019.S1.021
Preventing and plugging lost circulation technique for drilling
CBM wells in Guizhou
ZHAO Yongzhe, XU Kanshe, Y ANG Zhe, W ANG Linjie, ZHANG Jing
(Xi ’an Research Institute Co. Ltd ., China Coal Technology and Engineering Group Corp ., Xi ’an 710077, China ) Abstract: Lost circulation control and plugging is the key technology of optimal and fast drilling and cost saving for CBM wells in Guizhou. For karst leakage strata and vicious leakage strata, combining the practice and applica-tion of leakage protection and sealing technology in CBM wells, first, attention was paid to well site selection to avoid leakage; Secondly, drilling with DTH hammer and temporary sealing of surface casing can effectively solve the problem of surface leakage; the method of leakage plugging under pressure solves effectively the central ma-lignant leakage problem. This technology improves drilling efficiency, achieves optimal drilling effect, and pro-vides a new way for CBM well drilling in Guizhou to prevent and plug leakage, which has significant application and promotion value.
Keywords: optimal and fast drilling; CBM wells; preventing and plugging lost circulation; leakage plugging under pres-sure
贵州省煤层气资源丰富，储量居全国第2位，是我国南方最大的煤层气富集区，其中上二叠统可采煤层的煤层气预测资源量约3.06×1012 m 3，可采约1.38×1012 m 3，占总地质资源量的45.13%[1]。

截至目前贵州已累计施工煤层气井232口，仍处于煤层气勘探开发探索阶段。

贵州煤层气井钻井施工过程中，存在十井九漏的现象，主要由于上部地层碳酸岩分布广泛，占全省面积的73%[2]，经长期丰富的雨水和地下水的溶蚀作用，形成了连通性好的孔隙型、裂隙型和溶洞型岩溶地层。

同时，由于强烈的地质运动，中部地层褶皱、断层发育，形成了纵横交错的漏失通道，
给煤层气钻井施工带来了极大困难，也制约着贵州煤层气的开发利用。

前人对钻井防漏堵漏技术做了大量的研究，主要集中在两个方面，一方面是防漏研究，主要使用空气钻，重点研究了空气钻井环空流动模型、循环介质、井眼清洁、井眼稳定、井斜控制等方面[3-6]。

另一方面是堵漏研究，重点研究了各种堵漏材料、堵漏方法工艺等方面[7-9]，且集中在石油钻井方面，堵漏成本较高，不能直接应用于低成本煤层气钻井，本文从贵州煤层气钻井低成本施工的特点出发，重点研究漏失规避、漏失预防、低成本高效堵漏方法工艺，并与实践相结合。

·114 ·煤田地质与勘探第47卷
1 上部岩溶地层防漏堵漏方法
上部岩溶地层漏失通道多为洞、缝，形态尺寸变化大，连通性好，水平、垂向分布广泛，在灰岩地层中可能存在多套漏失层。

由于良好的漏失通道，各种堵漏材料难以在漏层中有效架桥，同时水泥浆也易受地下水的干扰，不能在近井壁周围凝固，导致上部岩溶漏失处理起来十分困难，堵漏成功率低[10]。

因此，针对岩溶地层应以防漏为主，堵漏为辅。

1.1 井位布置
贵州煤层气井在布置井位时，应兼顾井场地形地貌、区域水文地质和溶洞露头情况，岩溶漏失地层的形成和发育程度与地表雨水及地下水长期作用密不可分，山沟、古河道和低洼地带多为岩溶漏失密集区，尽量避免在此区域布置井位。

1.2 一开钻深及表层套管下入
考虑到煤层气开发钻井成本问题，贵州煤层气井一般采用二开井身结构。

针对岩溶漏失地层，一开表层钻深及套管下入深度将至关重要，直接影响二开施工周期及堵漏成本，甚至影响到能否完井。

若一开表层套管设计过浅，当遇到串珠状岩溶漏失地层时，将增加二开钻进难度；若一开表层套管设计下入过深，又增加了煤层气井开发成本。

利用电法近地表岩溶探测技术，可勘测岩溶分布及发育深度情况，同时测量井口与区域内地势最低处落差距离，为一开表层设计深度提供依据。

利用空气钻将表层钻进至设计井深时，若无法确定已全部钻穿岩溶漏失地层，或上部地层有岩溶水无法继续施工时，可运用表层套管暂封溶洞技术[11]。

实施过程中，用海带、麻绳等暂封Ф244.5 mm表层套管的最下部一根外环空，下至钻进井深，采用Ф215.9 mm PDC钻头并配合Ф172 mm螺杆钻具复合钻进探测下部井段地层情况。

若无裂隙或溶洞，起出暂封套管。

表层套管下入时，在最下部一根套管底部加工软木塞，同时套管本体靠近软木塞位置上部开孔，第一软木塞坐封于Ф311.5 mm井眼变Ф215.9 mm井眼处，防止固井过程中水泥浆进入下部Ф215.9mm井眼；第二套管开孔作为新水泥浆的上返通道。

若钻遇裂隙或溶洞，采用空气钻继续加深一开实钻深度。

表层套管暂封溶洞现场实物图如图1所示。

1.3 岩溶漏失地层空气钻进
针对贵州岩溶漏失地层，采用空气潜孔锤钻进是最有效的防漏方法。

Ф311.5 mm潜孔锤配合两台空压机(工作压力2.5 MPa，工作流量35 m3/min)可满足约200 m深度表层的施工，采用高强度钻具、
图1 表层套管暂封溶洞现场实物图
Fig.1 Photo of surface casing for temporarily
sealing karst cave
轻压慢转的钻进工艺可有效控制空气钻进时的井斜[12]。

如若钻遇溶洞，注意溶洞底部的井眼开孔，防止井眼轨迹错位。

岩溶漏失地层空气钻进过程中，极易遇到地层出水。

当地层出水量过大，空气携带水和岩粉能正常返出，井壁冲刷干净；若地层出水量较小，岩粉与水粘糊成块，附着在井壁和钻具上易形成泥环造成缩径，或附着在溶洞腔体上下，造成井眼处岩屑堆积，上返风速逐渐降低，也易形成泥环造成缩径，由于潜孔锤本身不具备倒划眼功能，极易造成卡钻事故。

针对此类情况，可使用图2所示的潜孔锤倒划器装置[13]。

钻具采用“单2结构”，空气钻进过程中倒划器可对井壁进行修复，破坏附着在井壁的泥饼环。

起钻过程倒划器起到倒划眼作用，以消除卡钻事故。

图2 潜孔锤倒划器装置实物图
Fig.2 Picture of back reaming device for
DTH hammer
2 中部恶性漏失地层承压堵漏方法
中部恶性漏失地层多为薄层灰岩或砂泥岩，受构造运动和地下水双重作用，多发育洞、缝、裂隙等，漏失通道在水平和垂向上形态尺寸变化较大、延伸广、连通性好[14]。

常规堵漏方法材料消耗大，
增刊1赵永哲等: 贵州煤层气井上中部地层钻井防漏堵漏技术·115 ·
耗时长，堵漏成功率低。

2.1 投入式复合堵漏塞
针对恶性漏失地层，钻井现场利用混浆漏斗配置的高浓度堵漏浆，极易被地层水稀释或流入漏层深处，不能起到有效的架桥堵漏效果。

为提高复合堵漏塞的浓度，可将土粉、随钻堵漏剂、锯末、纯棉籽壳、复合堵漏剂和综合堵漏剂按1∶1∶3∶3∶2∶2的体积比在地面干拌混合(比例可依据裂隙大小进行调整)[15]。

为加大复合堵漏塞的胶凝程度，可加入聚丙烯酰胺、高黏羧甲基纤维素钠和高黏堵漏剂，利用泥浆泵小流量冲刷携带，从井口灌入式漏斗均匀投入井内，当其体积分数达到60%以上，下一柱钻具关封井器，采用间歇挤压法将复合堵漏塞挤入漏层，实现在裂隙中堆积、桥接，阻挡和隔离裂隙水的目的，为后续注水泥浆做前期准备。

2.2 聚丙烯纤维水泥浆固化
根据投入式复合堵漏塞挤入漏层压力分析数据确定漏失通道大小，从而确定聚丙烯纤维的尺寸和比例。

选取配置比为1.8的聚丙烯纤维水泥浆，下光钻杆至漏层位置。

加入聚丙烯纤维可在漏层内架桥结网，让水泥颗粒充填网孔，水泥水化胶凝后与裂缝固结，起到堵漏承压作用。

注浆完成后及时替浆，起钻至设计位置(按照注入水泥浆在井筒内上升高度计算)，关井挤压2/3水泥浆，等候凝结48 h再正常钻进。

2.3 承压堵漏
承压堵漏工艺流程：首先利用封井器将复合堵漏材料投入井内，而后关井将堵漏材料整体挤入漏层，形成有效的架桥，起到隔离、阻挡作用；然后再将聚丙烯纤维水泥浆憋压挤入漏层，形成耐压、抗冲刷的水泥堵漏墙，达到堵漏目的。

承压堵漏需精确测量和计算以下主要相关参数：漏失后井内泥浆液面高度、复合堵漏材料投入体积、冲刷携带所需的泥浆量、挤入漏层量、挤入压力、聚丙烯纤维水泥浆的配制量、关井挤压前水泥浆进入漏层量、钻具内容积中剩余水泥量、光钻杆起至水泥塞面以上的高度等，并应考虑起出钻具的体积，防止混浆，从而做到精准关井挤压，最大限度地提高堵漏效果。

对于存在多套漏层的钻井，无法判断是新地层漏失还是上部堵漏后的漏层反复漏失时，可采用投入式复合堵漏塞进行判断。

当复合堵漏材料投入井内后，会形成一段高浓度隔离塞，继续灌入泥浆时，在重力和上部液体压力的共同作用下，高浓度隔离塞会逐渐向漏失通道靠近。

当到达漏层后，高浓度隔离塞将阻止上部液体进入漏层，致使井筒内液面上涨至井口，通过计算高浓度隔离塞体积和灌入泥浆体积，可计算出漏层的具体深度。

3 现场应用效果
截至2018年5月，针对贵州地区岩溶地层已累计施工煤层气井36口，采用潜孔锤钻进和表层套管暂封溶洞技术有效解决和规避了表层漏失问题，同时通过地层承压堵漏方法有效解决了中部地层恶性漏失问题，从而提高了钻进效率，达到优快钻井的效果。

研究区典型的防漏堵漏成功案例如下。

a. 财1井一开采用Φ311.5 mm潜孔锤配合3台空压机(工作压力2.5 MPa，工作流量35 m3/min)，在井深109 m地层中出水量达10 m3/h的情况下，实现表层钻深452.75 m。

b. 钟1-4-1井台一开空气钻进至42 m、67 m 遇串珠状含水溶洞，强钻至190 m，在水压的作用下潜孔锤无法正常工作。

灰岩深度320 m左右，为了探明下部地层是否存在裂隙、岩溶，采用表层套管暂封溶洞技术下套管80 m封隔上部含水溶洞，利用Ф215.9 mm PDC钻头配合Ф172 mm螺杆复合钻进探明了下部井段情况，起出暂封套管，一开下套管至190 m，表层固井完钻，有效预防了下部地层存在岩溶的风险。

c. 钟1-8-6井台针对深度42 m、80 m处地层出水量少，导致岩粉与水粘糊成块并附着在井壁和钻具上，形成泥环造成缩径，导致起钻困难和卡钻问题。

使用潜孔锤倒划器装置，有效预防了卡钻，缩短了施工周期。

d. 牛1-6-1井台在垂深220 m、350~380 m 处存在地下水活动的区域性裂隙漏失带，采用清水强钻–桥塞堵漏–水泥堵漏–可控胶凝堵漏–复合堵漏收效甚微，存在反复漏失。

使用承压堵漏后，堵漏成功率达到100%，有效解决了此类恶性漏失地层的漏失问题。

4 结论
a. 通过上部岩溶地层防漏堵漏方法和中部恶性漏失地层承压堵漏方法的研究，在贵州36口煤层气井钻井防漏堵漏实践，有效提高了煤层气井钻井效率，降低了堵漏成本，为其他地区钻井防漏堵漏提供参考依据，具有重要应用意义和推广价值。

b.岩溶地层防漏堵漏方法重点在预防和规避漏失，井位选择和一开套管下入深度尤为重要，采
·116 ·煤田地质与勘探第47卷
用空气钻能有效规避漏失问题。

但当岩溶漏层中含有动态水，且与水库或饮用水源连通时，空气钻也无法正常施工，亟待研究更好的解决方法。

c. 承压堵漏工艺技术虽然能有效解决桥塞堵漏、水泥浆堵漏等常规堵漏方法的弊端，堵漏过程中，各种数据计算正确，精准施工，是保证堵漏成功率的关键。

d.随着石油钻井防漏堵漏技术的不断发展，堵漏材料、堵漏工具将逐步大众化，可将其低成本化后引用至煤层气井防漏堵漏中来。

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