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摘要：根据孔内事故复杂程度，在满足地质设计要求的前提下，针对一些在短时间内难以处理或者处理难度较大的卡钻、埋钻、烧钻等钻探事故，结合实际情况侧钻绕障开展全面无芯钻进，是提高钻进效率、节约钻探成本、缩短钻探施工周期的重要技术方法。
关键词：天然气水合物钻探、复杂地层钻进、常规无芯钻进技术
青德地1井是中国地质调查局油气资源调查中心部署在青海省祁连山哈拉湖地区的1口天然气水合物地质调查井，设计井深700m，该井先后采用了JS135大口径绳索取心工艺、JS95绳索取芯工艺、成膜泥浆护壁体系、全面无芯钻进工艺、铝酸盐水泥定段定点封闭，侧钻绕障钻进技术等不同的钻进方法和技术工艺，最终顺利完成了该井的钻探工作任务，取准取全了各项地层资料及参数，达到了地质设计要求。尤其在实施事故井段采用侧钻绕障无心钻进技术和成膜泥浆工艺，取得了良好的钻进效率，为今后类似事故的处理和开展无芯钻探施工积累了一定的实钻经验，因此具有一定的借鉴和参考意义。
1工程概况
青德地1井于2016年9月21日开钻之后，0-300m井段使用JS135大口径绳索取心工艺钻进，300-722m井段使用JS95金刚石绳索取芯工艺钻进，2016年12月13日钻进至井深722.08m时发生了较为严重的卡钻事故，通过采取提、拉、顶、转、反等方法处理，至12月26日处理上来井内钻具14组、残留26组，2016年12月27日至2017年4月25日冬季寒冷停工保孔，2017年3月28日复工采用了扩、套、反的方法继续处理井内事故，但是由于季节变化冻土层解冻、井内发生多次垮塌，井壁稳定性急剧变差、井径也逐渐扩大，由一起简单卡钻事故变为多方面综合的复杂事故，事故井深逐渐变浅至121m，科学的分析之后及时调整该井钻进方案，决定先采用铝酸盐水泥定段定点封闭，然后侧钻绕障钻进技术绕过事故井段，再使用全面无芯钻进方法钻进至原井深，最后再换JS95绳索取芯钻具钻进至完井深度。
2钻遇地层及施工难点
2.1钻遇地层
青德地1井钻遇地层主要为第四系、新近系、古近系、侏罗系，其中第三系地层为主要目的层，钻遇深度为120m-720m，岩性主要为灰色细砂、粉砂夹薄层灰色粘土、粉砂质粘土、泥质粉砂，灰色、灰黑色砂泥、砂砾互层逐渐变为杂色砂泥互层，泥质胶结，较疏松，泥质胶结，较疏松、较为典型的水敏性、水化分散地层，下部侏罗系地层为完钻层位，钻遇深度为718m-731m，岩性主要以粉砂岩、细粒砂岩为主，砂泥互层，软硬交错，岩层较为破碎、断层裂隙发育，弱研磨性，可钻性1-4级。
2.2施工难点
根据青德地1井岩层特征和实钻情况，该井的钻探施工主要面临上部卵石层巨厚、冻土层解冻、目的层井壁稳定性差、下部侏罗系地层岩层破碎、胶结性、固结性差等工程难题。
2.2.1永冻层解冻
祁连山哈拉湖地区属高寒缺氧无人区，从地表至井深120m深度范围内广泛存在季节性冻土和永久冻土层，在冻土层钻进时导致冻土解冻、融化，井壁的稳定性差，易出现井壁垮塌、井径扩大等现象。
2.2.2卵石层巨厚
青德地1井第四系砂、卵、砾石覆盖层巨厚，平均厚度大于130m，该层结构松散、无棱角、磨圆度号、又特别坚硬，井壁极易坍塌掉块，在钻进取芯过程中，井内事故多，钻探效率低。
2.2.3井壁稳定性差
主要目标层段固结程度较为松散、地层稳定性差，在钻进取芯过程中井壁极不稳定，其中细砂、细砾岩层胶结性能较差，透水性好，松散、脱落，而部分泥岩和粘土岩层遇水膨胀，易发生缩径、卡钻等现象，对泥浆性能要求高。
3设备设施投入
青德地1井满足井控要求，其投入的设备主要有：HXY-6型全液压立轴式岩心钻机1台套，NBB-250/6型泥浆泵1台，康明斯200KW柴油发电机组1台，YAS22.5-70A型钻塔1套（底座高度2.2m），2FZ28-21型液控双闸板防喷器组及压井节流管汇1套，陆地冻土区天然气水合物钻井泥浆冷却系统1套。
4优快钻进技术
4.1钻进方法优选
根据地质设计要求和井内复杂情况及事故特征，青德地1井事故井段采用侧钻绕障钻进工艺和全面无芯钻进工艺，保证了钻孔的顺利完工。
4.1.1侧钻绕障钻进技术
在青德地1井钻探施工过程中，前期采用JS95金刚石绳索取芯工艺钻进井深722.08m时发生卡钻事故，经过处理部分钻具遗落井内，之后因季节变化冻土解冻井壁失稳，井内发生多次严重垮塌，事故井深变浅至121m处，为了节约成本、缩短工期、如期完成工作任务，采用了铝酸盐水泥定段定点封闭技术和侧钻绕障钻进技术，具体实施过程如下：
（1）经过查看现场岩芯实物和分析前期获取的地层资料，选择可钻性好的新近系暗红色泥岩层为导斜目标井段，采用异径自然造斜的方法侧钻。
（2）使用封固效果比较好的铝酸盐水泥（图4-1）将井深115m-121m进行定点定段封闭，水泥浆按照0.5-0.6水灰比标准配置，配置比例为铝酸盐水泥 + 0.05%速凝剂 + 水，采用泵入法将配置好的水泥浆连续均匀的输送到封闭井段。
（3）现场小型试验表明，铝酸盐水泥的初凝时间为5-6小时，因此水泥浆注入完6小时之后，下钻具进行探孔，以便进一步验证定段封固效果。
（4）待水泥浆凝固3天以后，配异径导斜钻具（导斜钻头 + 常规Φ50地质钻杆 + 异径接手 + 常规Φ60mm地质钻杆 + 主动钻杆）下入井内进行扫孔、钻进偏斜。
（5）在掃孔、偏斜钻进过程中必须做到“一轻、二慢、大泵量”即钻压要轻（1-3KN足够）、转速要慢（80-175r/min）、尽量开低转速。
（6）当导斜钻具接触和钻入到水泥封闭井段之后，在事故井深上下2m左右井段，必须反复串动钻具修复井壁，修正因异径偏斜造成的狗腿井段，避免影响无芯钻具的顺利下入。 图4-1 铝酸盐水泥和高效液体润滑剂
4.1.2全面无芯钻进技术
当异径偏斜钻具钻进超过水泥封固井段底部5m以后，使用全面无芯钻具钻进施工，（Φ112mm全面无芯钻头 + Φ89mm导正岩芯管（1根6m）+ 变径脑袋 + 常规Φ60地质钻杆 + 主动钻杆），钻进全程采用常规地质6m长岩心管进行导正“防斜打直”，根据岩层特征，优先了三翼合金刮刀钻头和高强度PDC一体式钻头两种类型的全面高效无芯钻头，同时对钻进参数也进行优化，选用低钻压、中小转速、大泵量实施钻进（钻进压力5-8KN、机械转速80-217r/min、泵量140-164 L/min，），通过采取以上方法措施，顺利钻至原井深722.08m，之后再换JS95绳索取芯钻具钻进至设计井深731.24m测井终孔。
在开展事故井段全面无芯钻进过程中实现最高日进尺64.82m，全井段平均日进尺40.11m，平均每小时钻进速度1.67m/h，取得了不错的效果。
（1）开展全面无芯钻进，钻具结构的设计和优化至关重要，钻具结构是否合理关系到采用什么样的钻进规程，并且直接影响钻进效率和成本问题。
（2）开展全面无芯钻进，钻进压力不易过大，如果钻压过大，局部钻杆容易弯曲、钻具不稳定，不利于防斜打直，现场实践表明，钻压范围选择5 - 8 KN为比较合适。
（3）开展全面无芯钻进，钻头切削研磨的岩屑和岩粉颗粒较多，为了保持井底干净、避免重复破碎，泥浆泵量要比绳索取芯钻进适当大一些，一般控制在140-164 L/min为宜，在较大泵量下可实现较好的钻进速度。
图4-2 三翼合金刮刀钻头和三翼PDC一体式钻头
4.2泥浆体系优选
根据青德地1井岩层特征，前期绳索取芯阶段主要使用了成膜泥浆体系护壁，基本配方为：5%成膜A剂 + 0.2%烧碱 + 0.2%高效包被剂 + 0.6%抗盐共聚物 + 0.5%降失水剂 + 2%GFD-1 + 5%液体润滑剂，在钻进过程中虽然该泥浆体系具有一定的护壁、润滑、携带岩粉能力，但是随着井深的逐渐延伸，岩粉粘土颗粒不断入侵、泥浆体系的流变性较难以控制，井壁滤失量也较高，泥浆整体抑制能力较差，这也是该井发生卡钻事故直接原因。由于前期钻探施工选配泥浆体系主要依据是地質方面提供的地层资料，该地区又属于钻探盲区、没有可参考借鉴的邻井资料，因此泥浆体系的选配上也存在一定的盲目性。
针对青德地1井存在的第四系卵砾石层巨厚、冻土层易解冻垮塌或易冻钻具，上部第三系井壁稳定性差、易坍塌、掉块，下部目的层缩径严重、易卡钻、易脱落和全面无芯钻进岩屑多携带困难等施工难点，在全面无芯钻进过程主要选择和应用了具有较强抑制能力、低滤失量、低密度、润滑性好的高性能聚合物阳离子无固相泥浆体系，基本配比为：广谱护壁剂8kg + 高粘防塌剂3-4kg + 磺化褐煤树脂8kg + 腐殖酸钾8kg + 聚丙烯酸钾1.5kg + 0.5kg液体润滑剂，性能指标：比重：1.04-1.06g/cm3、粘度：28-36s、失水量：5-6mL/30min、PH：7-9、泥皮厚度：0.5-0.8mm。该泥浆体系中由于钾离子、褐煤阳离子、正点胶等阳离子抑制能力较强，可有效抑制井壁失稳、降低滤失量和泥浆密度，有利于提高钻进效率、维护井壁稳定。
在全面无芯钻进过程中，根据不同岩层的护壁需求，制定和采取了有针对性的泥浆维护与处理方案，使得该泥浆体系在青德地1井整个无芯钻进阶段和后期绳索取芯、完井测井等各个环节泥浆性能参数相对稳定、抑制能力强、井壁稳定、润滑性良好，全井未再出现任何井内复杂事故。
（1）全面无芯钻进泥浆泵量保持在140L/min以上、粘度控制在25-30秒，比较有利于携带岩屑岩粉、保持井底干净。
（2）合适的泥浆密度对提高无芯钻进效率至关重要，现场实践表明，只要将泥浆密度严格控制在1.08g/cm3以下，就能实现高效率优快钻进。
（3）通过实践应用与地层匹配，强抑制性能、低滤失量、低密度聚合物阳离子无固相泥浆，制定合理的维护方案，保证了青德地1井的顺利完井。
5成果与认识
青德地1井在钻探施工过程中，虽然发生了较为严重的井内事故、延长了施工周期、增加了施工成本。通过采用高强度铝酸盐水泥定段定点封闭、侧钻绕障技术绕过事故井段，实现了事故井段全面无芯钻进施工，在较短的时间内完成了全面无芯钻进任务，最终达到了地质设计要求，在事故井段历时18天实现无芯钻探进尺722.08m，取得了较好的钻进效益，也为我单位今后在无芯钻探施工领域实现优快钻进积累了一定的经验教训和钻探基础资料。
（作者单位：青海煤炭地质一0五勘探队）
关键词：天然气水合物钻探、复杂地层钻进、常规无芯钻进技术
青德地1井是中国地质调查局油气资源调查中心部署在青海省祁连山哈拉湖地区的1口天然气水合物地质调查井，设计井深700m，该井先后采用了JS135大口径绳索取心工艺、JS95绳索取芯工艺、成膜泥浆护壁体系、全面无芯钻进工艺、铝酸盐水泥定段定点封闭，侧钻绕障钻进技术等不同的钻进方法和技术工艺，最终顺利完成了该井的钻探工作任务，取准取全了各项地层资料及参数，达到了地质设计要求。尤其在实施事故井段采用侧钻绕障无心钻进技术和成膜泥浆工艺，取得了良好的钻进效率，为今后类似事故的处理和开展无芯钻探施工积累了一定的实钻经验，因此具有一定的借鉴和参考意义。
1工程概况
青德地1井于2016年9月21日开钻之后，0-300m井段使用JS135大口径绳索取心工艺钻进，300-722m井段使用JS95金刚石绳索取芯工艺钻进，2016年12月13日钻进至井深722.08m时发生了较为严重的卡钻事故，通过采取提、拉、顶、转、反等方法处理，至12月26日处理上来井内钻具14组、残留26组，2016年12月27日至2017年4月25日冬季寒冷停工保孔，2017年3月28日复工采用了扩、套、反的方法继续处理井内事故，但是由于季节变化冻土层解冻、井内发生多次垮塌，井壁稳定性急剧变差、井径也逐渐扩大，由一起简单卡钻事故变为多方面综合的复杂事故，事故井深逐渐变浅至121m，科学的分析之后及时调整该井钻进方案，决定先采用铝酸盐水泥定段定点封闭，然后侧钻绕障钻进技术绕过事故井段，再使用全面无芯钻进方法钻进至原井深，最后再换JS95绳索取芯钻具钻进至完井深度。
2钻遇地层及施工难点
2.1钻遇地层
青德地1井钻遇地层主要为第四系、新近系、古近系、侏罗系，其中第三系地层为主要目的层，钻遇深度为120m-720m，岩性主要为灰色细砂、粉砂夹薄层灰色粘土、粉砂质粘土、泥质粉砂，灰色、灰黑色砂泥、砂砾互层逐渐变为杂色砂泥互层，泥质胶结，较疏松，泥质胶结，较疏松、较为典型的水敏性、水化分散地层，下部侏罗系地层为完钻层位，钻遇深度为718m-731m，岩性主要以粉砂岩、细粒砂岩为主，砂泥互层，软硬交错，岩层较为破碎、断层裂隙发育，弱研磨性，可钻性1-4级。
2.2施工难点
根据青德地1井岩层特征和实钻情况，该井的钻探施工主要面临上部卵石层巨厚、冻土层解冻、目的层井壁稳定性差、下部侏罗系地层岩层破碎、胶结性、固结性差等工程难题。
2.2.1永冻层解冻
祁连山哈拉湖地区属高寒缺氧无人区，从地表至井深120m深度范围内广泛存在季节性冻土和永久冻土层，在冻土层钻进时导致冻土解冻、融化，井壁的稳定性差，易出现井壁垮塌、井径扩大等现象。
2.2.2卵石层巨厚
青德地1井第四系砂、卵、砾石覆盖层巨厚，平均厚度大于130m，该层结构松散、无棱角、磨圆度号、又特别坚硬，井壁极易坍塌掉块，在钻进取芯过程中，井内事故多，钻探效率低。
2.2.3井壁稳定性差
主要目标层段固结程度较为松散、地层稳定性差，在钻进取芯过程中井壁极不稳定，其中细砂、细砾岩层胶结性能较差，透水性好，松散、脱落，而部分泥岩和粘土岩层遇水膨胀，易发生缩径、卡钻等现象，对泥浆性能要求高。
3设备设施投入
青德地1井满足井控要求，其投入的设备主要有：HXY-6型全液压立轴式岩心钻机1台套，NBB-250/6型泥浆泵1台，康明斯200KW柴油发电机组1台，YAS22.5-70A型钻塔1套（底座高度2.2m），2FZ28-21型液控双闸板防喷器组及压井节流管汇1套，陆地冻土区天然气水合物钻井泥浆冷却系统1套。
4优快钻进技术
4.1钻进方法优选
根据地质设计要求和井内复杂情况及事故特征，青德地1井事故井段采用侧钻绕障钻进工艺和全面无芯钻进工艺，保证了钻孔的顺利完工。
4.1.1侧钻绕障钻进技术
在青德地1井钻探施工过程中，前期采用JS95金刚石绳索取芯工艺钻进井深722.08m时发生卡钻事故，经过处理部分钻具遗落井内，之后因季节变化冻土解冻井壁失稳，井内发生多次严重垮塌，事故井深变浅至121m处，为了节约成本、缩短工期、如期完成工作任务，采用了铝酸盐水泥定段定点封闭技术和侧钻绕障钻进技术，具体实施过程如下：
（1）经过查看现场岩芯实物和分析前期获取的地层资料，选择可钻性好的新近系暗红色泥岩层为导斜目标井段，采用异径自然造斜的方法侧钻。
（2）使用封固效果比较好的铝酸盐水泥（图4-1）将井深115m-121m进行定点定段封闭，水泥浆按照0.5-0.6水灰比标准配置，配置比例为铝酸盐水泥 + 0.05%速凝剂 + 水，采用泵入法将配置好的水泥浆连续均匀的输送到封闭井段。
（3）现场小型试验表明，铝酸盐水泥的初凝时间为5-6小时，因此水泥浆注入完6小时之后，下钻具进行探孔，以便进一步验证定段封固效果。
（4）待水泥浆凝固3天以后，配异径导斜钻具（导斜钻头 + 常规Φ50地质钻杆 + 异径接手 + 常规Φ60mm地质钻杆 + 主动钻杆）下入井内进行扫孔、钻进偏斜。
（5）在掃孔、偏斜钻进过程中必须做到“一轻、二慢、大泵量”即钻压要轻（1-3KN足够）、转速要慢（80-175r/min）、尽量开低转速。
（6）当导斜钻具接触和钻入到水泥封闭井段之后，在事故井深上下2m左右井段，必须反复串动钻具修复井壁，修正因异径偏斜造成的狗腿井段，避免影响无芯钻具的顺利下入。 图4-1 铝酸盐水泥和高效液体润滑剂
4.1.2全面无芯钻进技术
当异径偏斜钻具钻进超过水泥封固井段底部5m以后，使用全面无芯钻具钻进施工，（Φ112mm全面无芯钻头 + Φ89mm导正岩芯管（1根6m）+ 变径脑袋 + 常规Φ60地质钻杆 + 主动钻杆），钻进全程采用常规地质6m长岩心管进行导正“防斜打直”，根据岩层特征，优先了三翼合金刮刀钻头和高强度PDC一体式钻头两种类型的全面高效无芯钻头，同时对钻进参数也进行优化，选用低钻压、中小转速、大泵量实施钻进（钻进压力5-8KN、机械转速80-217r/min、泵量140-164 L/min，），通过采取以上方法措施，顺利钻至原井深722.08m，之后再换JS95绳索取芯钻具钻进至设计井深731.24m测井终孔。
在开展事故井段全面无芯钻进过程中实现最高日进尺64.82m，全井段平均日进尺40.11m，平均每小时钻进速度1.67m/h，取得了不错的效果。
（1）开展全面无芯钻进，钻具结构的设计和优化至关重要，钻具结构是否合理关系到采用什么样的钻进规程，并且直接影响钻进效率和成本问题。
（2）开展全面无芯钻进，钻进压力不易过大，如果钻压过大，局部钻杆容易弯曲、钻具不稳定，不利于防斜打直，现场实践表明，钻压范围选择5 - 8 KN为比较合适。
（3）开展全面无芯钻进，钻头切削研磨的岩屑和岩粉颗粒较多，为了保持井底干净、避免重复破碎，泥浆泵量要比绳索取芯钻进适当大一些，一般控制在140-164 L/min为宜，在较大泵量下可实现较好的钻进速度。
图4-2 三翼合金刮刀钻头和三翼PDC一体式钻头
4.2泥浆体系优选
根据青德地1井岩层特征，前期绳索取芯阶段主要使用了成膜泥浆体系护壁，基本配方为：5%成膜A剂 + 0.2%烧碱 + 0.2%高效包被剂 + 0.6%抗盐共聚物 + 0.5%降失水剂 + 2%GFD-1 + 5%液体润滑剂，在钻进过程中虽然该泥浆体系具有一定的护壁、润滑、携带岩粉能力，但是随着井深的逐渐延伸，岩粉粘土颗粒不断入侵、泥浆体系的流变性较难以控制，井壁滤失量也较高，泥浆整体抑制能力较差，这也是该井发生卡钻事故直接原因。由于前期钻探施工选配泥浆体系主要依据是地質方面提供的地层资料，该地区又属于钻探盲区、没有可参考借鉴的邻井资料，因此泥浆体系的选配上也存在一定的盲目性。
针对青德地1井存在的第四系卵砾石层巨厚、冻土层易解冻垮塌或易冻钻具，上部第三系井壁稳定性差、易坍塌、掉块，下部目的层缩径严重、易卡钻、易脱落和全面无芯钻进岩屑多携带困难等施工难点，在全面无芯钻进过程主要选择和应用了具有较强抑制能力、低滤失量、低密度、润滑性好的高性能聚合物阳离子无固相泥浆体系，基本配比为：广谱护壁剂8kg + 高粘防塌剂3-4kg + 磺化褐煤树脂8kg + 腐殖酸钾8kg + 聚丙烯酸钾1.5kg + 0.5kg液体润滑剂，性能指标：比重：1.04-1.06g/cm3、粘度：28-36s、失水量：5-6mL/30min、PH：7-9、泥皮厚度：0.5-0.8mm。该泥浆体系中由于钾离子、褐煤阳离子、正点胶等阳离子抑制能力较强，可有效抑制井壁失稳、降低滤失量和泥浆密度，有利于提高钻进效率、维护井壁稳定。
在全面无芯钻进过程中，根据不同岩层的护壁需求，制定和采取了有针对性的泥浆维护与处理方案，使得该泥浆体系在青德地1井整个无芯钻进阶段和后期绳索取芯、完井测井等各个环节泥浆性能参数相对稳定、抑制能力强、井壁稳定、润滑性良好，全井未再出现任何井内复杂事故。
（1）全面无芯钻进泥浆泵量保持在140L/min以上、粘度控制在25-30秒，比较有利于携带岩屑岩粉、保持井底干净。
（2）合适的泥浆密度对提高无芯钻进效率至关重要，现场实践表明，只要将泥浆密度严格控制在1.08g/cm3以下，就能实现高效率优快钻进。
（3）通过实践应用与地层匹配，强抑制性能、低滤失量、低密度聚合物阳离子无固相泥浆，制定合理的维护方案，保证了青德地1井的顺利完井。
5成果与认识
青德地1井在钻探施工过程中，虽然发生了较为严重的井内事故、延长了施工周期、增加了施工成本。通过采用高强度铝酸盐水泥定段定点封闭、侧钻绕障技术绕过事故井段，实现了事故井段全面无芯钻进施工，在较短的时间内完成了全面无芯钻进任务，最终达到了地质设计要求，在事故井段历时18天实现无芯钻探进尺722.08m，取得了较好的钻进效益，也为我单位今后在无芯钻探施工领域实现优快钻进积累了一定的经验教训和钻探基础资料。
（作者单位：青海煤炭地质一0五勘探队）