1 工程概况
我公司在中国地质科学院组织的“云南江城地区油钾兼探钻探工程”招标活动中一举中标。该项目设计四个钻孔，编号分别为ZK-1、ZK-2、ZK-3和ZK-4,井型为垂直井，全孔取心，要求岩矿心直径不小于60mm,最小井径96mm;采取率要求为含盐 段95%以上，非 含 盐 段80% ~90%.主要目标任务是：通过取心钻进，获取“中、新生代”含盐建造完整的地层序列，建立一个可供找钾参照的“标杆地层柱”;利用对全套岩心的综合配套测试分析，获取成盐成钾物质基础和来源等准确可靠的第一性地质、地球化学信息，提供海相-海陆交互相成盐盆地成钾的理论参数，提炼成盐聚钾的地质模型；通过获取盐下层可能的油气基础地质资料，为盐下层可能的油气勘探部署提供科学依据，做到“一孔多用，钾油兼探”;通过钻探所揭露地层，进一步分析验证构造模拟及物探测试结果。
ZK-2井位于云南省普洱市江城县宝藏乡西南约10公 里，该 孔 设 计 孔 深1000m,我 们 配 备 了HXY-5型钻机，BW250型泥浆泵。为有效保护盐层，选用饱和氯化镁钻井液体系；?168表层套管下到了33m.
2 第一层涌水
使用“?95+1金刚石取心钻头+?89岩心管（带扩孔器）+?89绳 索 钻 具”组 合，钻 井 液 比 重 为1.10,黏度为28s,钻进到98m时钻井液消耗严重，钻具静止时钻孔涌水，一小时后返出的全是清水，涌水量达1.70m3/h,井口压力为0.20MPa.分析：钻具旋转的同时带动钻井液旋转，离心力对井壁的侧压力较大，致钻井液压力大于地层压力，造成钻井液漏失。加大钻井液比重到1.50时，可平衡地层压力，但无法正常钻进：固相在内外管间堵塞，泵压太高；钻杆内壁结垢，内管上下通行困难。
钻进中由于地层水的侵扰，钻井液时多时少，我们就用钠土、纤维素、护壁剂等不断调浆，补充黏度和比重更大的新浆，致使钻井液性能不稳定，携粉能力差，孔底有沉沙，而且孔壁很不稳定，有掉块现象，每次打捞内管前都需要把钻具提起20m.
钻进到110m后涌水量不再增大，由 此 判 定98~110m段有裂隙。
2.1水泥封固
（1）强行钻进到120m后，用P.042.5水泥封堵：从井口注水 泥浆0.5m3,加3%工业盐，替浆0.30m3,替浆压力3MPa,停泵后压力瞬间恢复至零。候凝24小时后探水泥面在35m,扫到孔底后，涌水1.20m3/h,略有减小。取出的水泥石上部完整、致密，接近底部时有水槽样孔洞。分析：井口密封不严、替浆量小、钻杆和套管内余留的水泥浆多，挤进裂隙的有效水泥浆太少致下部水窜。
（2）总结上次注浆的经验，实施二次注浆作业：水泥 浆1m3,加3%工 业 盐，替 浆0.45m3,憋 压2.5MPa,停泵后压力瞬间恢复至零。候凝24小时后探 水泥面在35m,扫 到孔底 后，涌 水 量 仍 然 是1.20m3/h.分析：泥浆泵能力小，排量小，注浆和替浆时混浆多。
（3）第三次注浆：先注隔离油塞子（25kg水泥加50kg柴油），作为前置液，再注水泥浆1m3,比重由小到大，最后替水0.60m3,压力忽高忽低，管内余留20m水泥浆。候凝后，水泥面还在35m.扫到孔底后，涌水不减。
2.2顶涌钻进
注浆后涌水都稳定在1.20m3/h不再减小，可见下部水层的活动能力很强，很难彻底封堵，继续注浆已无意义。只有穿过含水层或不能继续顶涌钻进时，再下套管隔离涌水。
由于 含 水 层 太 浅，我 们 把 钻 井 液 比 重 调 至1.50,黏度160s,才能把涌水压制住，但这么高的参数根本无法绳索取心钻进。
只得把钻井液性能调整到正常参数，钻进中一边排浆一边补充新浆。钻进到220m时，涌水增大到3.60m3/h,井 口 静 压0.80MPa.钻 进 到234m时，孔底岩粉太多，加不上尺，用捞砂筒捞砂强行钻进到241m,而且上部还掉块，已无法继续钻进，决定下管。
分析：①以上多次封堵，虽然在水泥浆量、替浆量、注浆工艺等方面都做了不同的尝试，但套管内水泥面每次都定格在35m左右，说明钻孔上部（包括地层）密封不严，有漏/涌层，虽能憋压但保持不住，停泵后地层涌水把水泥浆往回顶，待水泥浆被顶到35m时，井内液柱压力与地层压力平衡，稳定在此处静止、凝固；②涌水层为地下河类，水流活跃，水泥浆不能在裂隙内凝固；③地层多处“漏气”,接近地表有涌水层，致使泥浆虽已加重但液柱压力很小，不能很好地将涌水压制。涌水层越接近地面越难实现平衡钻进。
2.3下管隔水
为了把涌水压住，便于调浆扩孔，再次从井口注水泥浆0.50m3,替浆1m3,候凝后探孔水泥柱面仍在35m.
由于绳索钻具壁薄而且刚性强，脆性大，难以承受大扭矩，只能逐级扩大孔径。
首先扩到?133mm,钻具组合：133PDC全面钻头+?89石油钻杆×38m+?89绳索钻杆+?59立轴，分别在距钻头9m和18m的?89石油钻杆接头上焊肋骨条作扶正器。
用重晶石粉、优质钠土、纤维素、护壁剂等把钻井液调到黏度70s,比重1.50.循环畅通后比重降到1.41.钻进一天后涌水达到1.50m3/h,泥浆基本成清水。
扩到241m后，换?152牙轮扩孔。到230m时，岩粉多加不上尺，换用?114管捞砂到235m,捞不下去：底部有大块。换?152牙轮继续扩孔到底后，用?96钻头+?89岩心管单管取心：钻进1.80m,只拿出几块泥包砾和硬块。经研究：泥包砾属泥岩，是隔水层，可以下管。再次捞岩粉清孔后用20m长的?133管试下顺利。
第一根套管上焊?6mm×250mm钢筋4根呈螺旋状以把套管扶正居中，然后每隔30m焊一组；套管平底不做马蹄；套管丝扣缠生料带密封；底部50m套管丝扣点焊，以防倒扣。
套管下深238m,距孔底3m遇阻，经活动无效。
随后，注水泥浆3t（约3.2m3），替浆2.4m3,整个过程泥浆泵无压力显示。井口返水约0.20m3/h,憋压10h打开井口，微冒水，管外微量返水。
分析：水泥浆跑到了218m处的裂隙中和套管外上部的孔隙。
用PDC钻头扫水泥，扫到套管底脚时换?95+2金刚石钻头绳索钻进。出套管后仍然涌水但涌水量很小0.4m3/h,不影响绳索取心正常钻进。
3 第二层涌水
下管后钻进中又遇到了涌水：252m时，涌水达到1.6m3/h,钻进中边排水边造浆；285m时，涌水达到3m3/h,地层为完整泥岩，沉砂1m.
分析：①套管外水泥环被震松，上下地层裂隙窜通；②下部地层又涌水。289m时，从井口直接顺套管注浆2.5吨，压力2~4MPa,替浆2.2m3,最高压力达到7MPa,后不断补水憋压一小时。然后，从井口往管外注水泥浆0.4m3,压力达到3MPa.管外涌水彻底封堵住。
扫孔时从10多米就开始磕磕绊绊：套管内壁挂有水泥浆，230~310m段全是水泥柱，310m以下放空：①310m处有掉块等架桥；②下部无涌水裂隙，泥浆托住水泥浆；③下部涌水压力大，托住水泥浆不能下行。
后绳索取心正常钻进时涌水0.5m3/h,打捞内管时1~1.5m3/h,井口静压力0.7MPa.
在336m处取出的岩心特别破碎，每回次只能钻进0.5~1.5m就堵心，采取率只有20%,岩性为米粒状白色砂粒。起钻后井口涌水3m3/h,1MPa.钻进到358m时孔底沉砂15m,无法钻进。调配钻井液比重达到1.17,压住涌水，用?96刮刀清理孔底沉砂。
综合分析：涌水裂隙主要集中在310~330m段，涌水造成坍塌、砂卡，已无法正常钻进，决定注浆封堵：管柱组合：50钻杆×100m+?89绳索钻杆×238m=338m.先用 比 重 为1.19的 泥 浆 压 住 涌 水，下 钻 到338m注水泥浆1.2m3,替浆0.7m3.后往井内注泥浆0.12m3才满，密封井口后顶替0.2m3泥浆，泵压2MPa,停泵压力就归0.用113mmPDC全面钻头扫水泥柱。用?96复合片钻进到482m.钻井液比重1.15~1.19,黏度25s,钻进中涌水1m3/h.钻杆接头磨损严重，第一个复合片钻进60m,外径磨损严重，新钻头扫孔50多米。每次换钻头都要扫孔几十米，而且，下钻过程必须分段循环，一次下多了泵压高不能建立循环。
从476m时取心为泥岩，进尺慢，1m/2h,泥浆比重1.18,黏度32s.BW250泵排量小，钻头常泥包。钻到582m时起钻，换钻头。新钻头在部分孔段下不去，到500m开泵困难。下钻时井口所返已全是清水，但钻孔涌水层以下一定深度泥浆稠，钻杆内也是上稀下稠，致使泵压达到5MPa仍然不能建立循环，只得起出几柱先开泵循环。钻进到710m,已进泥岩134m,分析涌水层已过，且泥岩隔水性好，于是测井、扩孔、下管。扩孔钻具组合：100×300mm导向+?116金刚石扩孔钻头+?89绳索钻杆×9m+?115扶正器+?89绳索钻杆×9m+?115扶正器+?89绳索钻杆。扩到710m,接22m?108套管试下顺利，正式下管。
管串：木引鞋+套管（小马蹄，防下部钻进起钻时钻具挂套管脚），套管规格为?108×4.5mm,宝钢DZ40,节 箍：108×5.5mm,内径由?97mm扩 大 到?98mm,便于?95+1金刚石钻头和扩孔器通行。
套管下到孔底后，管外返水，管内静止。后在孔口憋压5MPa,不能建立循环。下?95+1绳索组合钻具，扫除木引鞋，清除孔底沉砂，管外返水，管内返水极少，在孔口能建立循环。下钻：50钻杆×45m+?89绳索钻杆，到630m,密封井口，注水泥浆1m3,替浆3.1m3,水泥随涌水返出井口。随即起钻，起钻过程不断往套管内注浆，钻具起出后，管内仍少量返水，后密封管口。
分析：替浆后应憋压4h再打开井口，效果更好。
处理井口：把?168井口管和?108技术套管之间的返水引流出去（不进泥浆池），钻井液在泥浆池、沉淀池、循环槽和?108套管组合成的循环系统内循环，与涌水隔离，不被破坏。
4 施工效果
憋压72小时后再次打开井口，管内涌水很少，扫除固井水泥柱后，涌水量没有增大。下部钻进中全孔替换成饱和氯化镁钻井液体系，涌水没有对钻井液造成破坏，绳索取心可以正常钻进。平均日进尺20m,半月后钻进到1000m,顺利终孔。
测井时发现套管外的水泥很少，零零散散。说明涌水返回井内时把水泥浆冲散。
5 几点体会
5.1钻孔涌水有两种情况
一是溶洞承压水，钻开的是“湖水”,只顺着钻孔往上涌，在地下没有径向流动。
二是流动承压水，钻开的是地下河，不但顺钻孔上涌而且沿裂隙径向流动。这种情况往往很难彻底封堵，即使用大比重泥浆压住涌水，不开泵循环，地下河水的径向流动也能把大比重泥浆置换、稀释，井口很快又会上返清水。
5.2处理方法
溶洞承压水：①首先要调整泥浆性能，用加重泥浆压住涌水，甚至形成过平衡状态把地层压漏，在泥浆中加入堵漏类材料，循环几个小时即可堵住；②密封井口直接灌注水泥浆，按水泥5%的量加盐，尽可能多地往裂隙中灌注；③先用加重泥浆压住涌水后，把钻具下到涌水层上，注入前置液，然后灌注水泥浆，也能把涌水封堵。这种情况相对比较容易封堵。
流动承压水：水泥浆封堵后，即使井口不返水，靠近底部的水泥柱也会被流水冲蚀成孔洞。钻开水泥柱后，涌水量减小，但钻进过程中，涌水通道很快又被打开，涌水恢复。析：地下河水把进入裂隙的水泥浆稀释、冲走，使其不能深入裂隙胶结、封堵，只能在裂隙口即孔壁把裂隙堵塞。这种情况，用套管隔离、导水、封堵最有效。
5.3实际操作
5.3.1注浆根据情况可选择使用高标号水泥、添加剂等，无论使用什么材料，都要在现场做配伍试验，特别是下钻具注浆，严防把钻具固结；注浆方式可选择从井口、下钻具密封井口、用加重泥浆压制涌水后从裂隙上部注浆等方法。水泥浆把涌水永久性封堵的可能性很小，但注浆后往往能减小涌水，可强行钻进一段。
5.3.2下管下管往往也不能把涌水堵住，而是隔离、引流，使其不与钻井液混合。
下管深度：云南地层很复杂，分层不明显，涌水层连续不断，往往下管钻进不久又涌，很难不断地下管隔离。这就需要采取顶涌、造浆、水泥封堵等措施强行尽可能多地钻进；管脚超过涌水层越深越好，至少100m以上，理论上涌水从管外上返的阻力要小于绕到管底再从管内上返的阻力，但实际上管内往往还会有少量返水。例如：ZK-2井最下部的涌水层在430m,孔径为?116,?108套管下到710m,管内还是有少量涌水。管径：套管和孔壁环状间隙越大越好，确保导水通道畅通、导水阻力最小。
5.3.3固井遇到流动的涌水，即使下管也不能保证把涌水封住。下管后一定要固井，水泥浆返到管外超过涌水层后即被稀释并带出地面，即使进入裂隙也被流水冲走，致使套管底脚也很难彻底密封。遇到这种情况千万不可从井口往管外压注水泥，以免把导水通道堵 塞，迫 使 涌 水 返 入 管 内。例 如：我 们 施 工ZK-1井时，涌水层在590~624m和656~657.50m两处，井径?122mm,井深732m,?114mm套管下深680m.由 于?114mm套 管 加 装 了 橡 胶 伞 与?168mm井口管密封、配合，套管底脚没有封固，致使涌水从管内返出，后采用多种方法多次封堵均无效，最终无奈弃孔。下管后封孔时，下钻具密封井口或直接密封井口注浆。注浆后憋压至水泥初凝后再打开井口。以防涌水回流把水泥稀释冲散。
5.4其他
（1）加重钻井液不适宜于绳索取心钻进。绳索取心工艺钻孔与钻具的间隙只有2~3mm,内外管间隙只有1.5~2mm,卡簧座与钻头的内台阶间隙只有3~5mm;要求使用无固相或低固相钻井液。钻井液加重后，固相含量增多，钻具内壁结垢影响过水，泵压升高，甚至不能建立循环；钻具内壁结垢后内管不能顺利提拉、下放；上下钻具和打捞内管时，钻具相对于井筒、内管相对于钻具如同活塞形成抽吸，裂隙水很快涌出稀释钻井液，破坏泥浆性能，导致孔壁坍塌、孔底沉沙增多等情况。
（2）涌水对井内钻井液的影响。并非只有涌水层以上的泥浆被稀释：理论上停泵后，涌水层以下的泥浆不会被稀释，实际上涌水层以下相当长的一段距离泥浆还会被稀释。
（3）平衡钻进。涌水距离地表越近越难处理，因为即使加重泥浆，由于液柱短，有效压力低，很难实现平衡钻进。
（4）加强对施工细节的认识和操控。在水泥的型号、添加剂的种类、灌注方式和候凝时间等方面都要合理安排，而且每次注浆都要在现场用实际材料做配伍试验。
总之，钻孔涌水情况很复杂，实际施工中要结合具体情况，采取相应的施工工艺，精心组织，认真执行，把钻探这个 “粗活”做细，就能取得良好效果。
参考文献：
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