摘要
沉积地层稳定性较差，易出现缩径、崩塌、掉块、吸附卡钻等事故，在沉积地层中开展取心钻进工作，一直是钻探领域的技术难题。本文介绍了甘肃张掖地热岩心钻探工程（ZC1井）在超厚沉积层岩心钻探施工技术，该项目通过创新应用多种钻进工艺方法，开展了冲洗液体系、深孔取心机具、跨口径绳索取心钻进等的研究应用，解决了超厚沉积层导致的孔壁失稳、吸附卡钻、钻具失效、钻进效率低等难题，形成了针对超厚沉积层连续取心钻进工艺体系，为后续同类型复杂地层钻孔施工提供了借鉴。
沉积地层岩性以泥岩、砂岩等为主，地层稳定性较差，易出现缩径、崩塌、掉块、吸附卡钻等事故，在沉积地层中开展取心钻进工作，一直是钻探领域的技术难题。甘肃张掖三岭湾岩心钻探工程（ZC1井）在施工过程中，钻遇超厚卵砾石覆盖层、巨厚超强水敏性泥岩地层、频繁交替出现的极松散含砾砂层等复杂地层，如何在超厚沉积层中优质高效地取心钻进是ZC1井施工的关键技术。绳索取心钻进环空间隙小，钻具孔内静置时间长，在复杂的沉积地层应用易出现缩径、吸附卡钻事故。因此，在沉积岩地层钻探多采用提钻取心方法，随着钻孔深度的增加，频繁起下钻明显降低钻进效率。针对超厚沉积层施工难点，ZC1井先后采用冲击钻进、全面钻进、绳索取心钻进及提钻取心钻进等工艺方法，开展了冲洗液体系、深孔取心钻具及钻探机具等的研究应用工作，解决了由超厚复杂沉积岩地层导致的孔壁失稳、卡钻、钻具失效、钻进效率低等难题，形成了针对超厚复杂沉积岩地层的连续取心钻进工艺体系，为后续同类型复杂地层钻孔施工提供了借
甘肃张掖三岭湾岩心钻探工程（ZC1井）是甘肃省张掖市甘州区三岭湾一带地热资源预可行性勘查的下设工程，于2022年12月28日正式开钻，至2024年1月10日终孔，终孔孔深为2008.85 m，终孔孔径为Ø110 mm，累计岩心采取率90.60%。工作区地处张掖盆地中部冲洪积戈壁平原上，多数地势平坦，海拔1600 m，自然气候恶
图1 工作区交通位置
Fig.1 Work area traffic location map
ZC1井钻遇地层自上而下为第四系（Q）、新近系疏勒河组（N2S）、新近系白杨河组（N1b）及白垩系新民堡群（K1xn
第四系地层（0~612 m）顶部为风成沙，上部为冲洪积砾石、砂砾石，局部含砾石粘土，砾石成分多样，下部以黄褐色砾岩为主。
新近系疏勒河组地层分为上部牛胳套—胳塘沟段（612~1025 m）及下部弓形山段（1025~1600 m），上部为土黄色泥岩，下部为紫红色粉砂质泥岩。
新近系白杨河组地层（1600~1980 m）上部为棕红色粉砂岩，下部为细砂岩。
白垩系新民堡群地层（1980~2008.85 m）为棕红、紫红色粉砂岩。钻遇岩石以含砾泥砂岩、泥岩、砂岩为主，岩石硬度较小，可钻性等级为3~5级。
ZC1井采用五开钻孔结构。一开孔径Ø450 mm，钻进深度100.34 m，下入Ø273 mm套管；二开孔径Ø244 mm，钻进深度174.06 m，下入Ø203 mm套管；三开孔径Ø187.9 mm，钻进深度633.14 m，下入Ø168 mm套管；四开孔径Ø152.4 mm，钻进深度1375.69 m，下入Ø140 mm套管；五开孔径Ø110 mm，终孔深度2008.85
图2 ZC1井钻孔结构
Fig.2 Drilling structure of Well ZC1
ZC1井施工中使用的主要机械设备见
| 设备名称 | 型 号 | 主 要 技 术 参 数 |
|---|---|---|
| 钻机 | XY-8 | 钻进深度3000 m；转速正转79、137、213、223、366、384、604、1024 r/min；转速反转51、144 r/min；单绳最大提升力130 kN；功率90 kW（变频） |
| 泥浆泵 | BW-1500/12 | 流量1500、1110、820、550、340、220 L/min；最大额定压力12 MPa；功率179 kW |
| BW350/16 | 流量300、235、155、95、52 L/min；最大额定压力16 MPa；功率30 kW | |
| 钻塔 | A29-90t | 塔高29 m；负荷90 t；立根18 m |
| 取心绞车 | S3000 | 绳容量（Ø8 mm）3000 m；功率15 kW |
| 液压钳 | ZQ127/25 | 额定扭矩25 kN·m；应用范围Ø65~127 mm |
| SQ114/8 | 额定扭矩8 kN·m；应用范围Ø57~116.5 mm | |
| 离心机 | TGLW 350-692T |
有效处理量6 |
ZC1井施工过程中，针对施工难点，先后采用了冲击钻进、全面钻进、绳索取心钻进及提钻取心钻进等工艺方
一开，第四系覆盖层，含卵砾石较多，采用冲击钻进，开孔直径Ø450 mm，下入Ø273 mm套管，进行固井作业，下部填砾处理，上部水泥封固。主要技术措施：采用固相冲洗液体系；确保开孔及下入套管的垂直度为本开次施工重点，由于冲击成孔直径较大，套管下部焊接了直径450 mm的扶正器，固井时整个套管处于垂吊状态，保证了套管的垂直度，为后续防斜保直打下了良好基
二开，采用Ø222.2 mm三牙轮钻头全面钻进，后扩孔至244 mm，下入Ø203 mm套管。主要技术措施：采用聚合物固相钻井液体系；采用固控设备，有效控制有害固相含量；采用高钻压、低转速、高泵量，控制“跳钻”，实现快速钻进；严格执行短起下作业，每次加钻杆时对新钻进井段多次划眼。
三开，采用Ø187.9 mm五翼PDC钻头全面钻进至499.94 m，换用Ø152.4 mm PDC绳索取心钻头取心钻进至633.14 m，后扩孔至187.9 mm。主要技术措施：采用聚合物固相冲洗液体系；上部不取心井段遵循快速钻进原则，采用高钻压、低转速、高泵量，提高携屑能力，控制“跳钻”等问题；在二开冲洗液的基础上，加大了降失水剂、泥岩抑制剂的加入量，加入油基润滑剂，适当控制冲洗液密度，控制钻头“泥包”的发生；采用双内管轮换使用，配合快速打捞矛，有效降低每回次取心辅助时长。
四开，采用Ø152.4 mm PDC绳索取心钻头取心钻进至1375.60 m，下入Ø140 mm套管。主要技术措施：采用聚合物固相冲洗液，提高抑制剂、降失水剂加量，加入油基润滑剂、消泡剂等，尽可能抑制造浆，控制钻头“泥包”；用低钻压、适当泵量、高转速，尽可能提高钻进效率，快速钻进，及时下入套管，封隔复杂地层；采用固控设备，清理有害固相，冲洗液性能严重超标时，排掉部分造浆严重的冲洗液，补充部分新浆，排放比例控制在总浆量的1/3以下，避免密度大幅度变化；对钻头的唇面形式进行了设计调整，采用大水口、尖齿复合片等设计，有效提高了钻进效率。
五开，采用Ø110 mm PDC绳索取心钻头取心钻进至1842.82 m，1842.82~2008.85 m井段，采用提钻取心钻进。主要技术措施：预防复杂地层导致孔内失稳、吸附卡钻是本井段的重点，对钻井液进行了多次调整，将冲洗液调整为KCL-聚合物固相冲洗液体系；严格控制钻具孔内静置时间3 mi
采用的钻进参数详见
| 孔段/m | 孔径/mm | 钻压/kN | 转速/(r·mi | 流量/(L·mi | 泵压/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 100.34~174.06 | 222.2 | 30 | 40 | 800 | 2~3 |
| 174.06~499.94 | 187.9 | 35~40 | 35~85 | 800 | 2 |
| 499.94~1375.69 | 152.4 | 15~25 | 85~155 | 300~450 | 3~5.5 |
| 1375.69~2008.88 | 110.0 | 10~15 | 85 | 260 | 2~5 |
ZC1井钻探施工过程中遇到的钻进效率低、事故多发及取心困难等难题，主要是由于复杂的地质条件所引起，总结钻遇各类复杂地层施工难点及采用对策如下。
（1）上部超厚卵砾石覆盖层：第四系覆盖层，主要为松散泥砂、卵砾石，回转钻进效率低，孔壁易垮塌，如
图3 第四系覆盖层
Fig.3 Quaternary covering layer
（2）超强水敏性泥岩地层：施工钻遇巨厚超强水敏性泥岩地层，该地层遇水极易膨胀、软塑变形、剥落坍塌等，对钻进施工造成了极大的困难，钻遇地层的典型岩心见
图4 超强水敏性泥岩地层岩心及吸水失稳情况
Fig.4 Super strong formation core and water absorption instability of water sensitive mudstone
（3）极松散含砾砂层：极松散含砾砂层与超强水敏性泥岩地层互层，交替出现，且大段出现。该地层多数胶结极差，遇水或受外力扰动则松散为砂、卵砾石，钻遇地层的典型岩心见
图5 极松散含砾砂层岩心
Fig.5 Core of extremely loose gravel sand layer
（4）超强造浆地层：钻遇地层大多数均造浆严重，导致钻井液的各项性能极难控制，钻头钻具泥包严重，如
图6 严重泥包的钻头及钻具
Fig.6 Drill bits and drilling tools with severe mud inclusion
针对施工过程遇到的复杂情况，从钻孔结构、冲洗液体系、钻进工艺等方面采取相应的应对措施。
采用五开钻孔结构，开孔孔径Ø450 mm，终孔孔径Ø110 mm。四开及五开采用跨口径施工方法，采用小一级口径的绳索取心钻杆带动大一级口径钻头或钻具钻进。四开孔径152.4 mm，钻具直径140 mm，钻杆直径114.3 mm，环空间隙分别为6.2 mm及19.05 mm；五开孔径110 mm，钻具直径93 mm，钻杆直径91 mm，环空间隙分别为8.5 mm及9.5 mm。通过采用大直径开孔，跨口径施工的钻孔结构设计思路，增大了环空间隙，解决了深孔钻探绳索取心钻进间隙小（常规绳索取心钻探环空间隙为2~5 mm），环空压力大不利于孔壁稳定的问题，降低吸附卡钻风
采用KCL-聚合物冲洗液体系；通过加入氯化钾，提高钻井液抑制性，将改性沥青换成防塌润滑剂，防塌抑制效果更好；增加油基润滑剂加量，加强固相控制，提高防泥包效果。
冲洗液配方：1
冲洗液性能详见
| 表观粘度/（mPa·s） | 塑性粘度/（mPa·s） | 动切力/Pa | 静切力/（Pa·P | API滤失量/mL | pH值 | 泥皮/mm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 13 | 8 | 5 | 3/4 | 7 | 9 | 0.1 |
现场设有泥浆实验室，及时测试调整冲洗液性能，同时配备了振动筛、离心机等固控设备，做好泥浆净化、有害固相控制工作，如
图7 固控设备
Fig.7 Solid control equipment
针对钻进效率低、钻头泥包等问题，对PDC钻头进行了优化设计，钻头外径为152.4 mm，内径85 mm，复合片组数由6组减少为5组，钻头水口面积增大了11%；复合片阶梯状排布，出刃形状由圆弧形优化为尖齿形，增加岩屑引导槽，如
图8 钻头的优化设计
Fig.8 Optimized design of bit
图9 大水口尖齿PDC钻头
Fig.9 Large nozzle sharp‑toothed PDC bit
针对泥岩地层岩心变细，表面软塑，表面湿滑，岩心直径大需要更大拔断力（摩擦力）等取心难题，设计了一种大直径软塑性泥岩地层岩心提断装置，提高岩心采取率。通过增加卡簧座壁厚，以增加内壁锥台状结构的长度，从而增加卡簧上下活动的锥度及长度，增加卡簧收缩幅度，从而提高夹紧岩心的力量，既增加表面压力，从而提高摩擦力，通过多级卡簧组合的结构，增加受力点及受力面积，进一步增加摩擦力提断力，有效解决了取心难题，如
图10 多级卡簧组合提断装置示意
Fig.10 Schematic device of multi‑stage spring clip assembly for cutting off
ZC1井受复杂地层因素影响，在施工过程中发生了两次钻具事故，常规处理方法不能有效解决，综合考虑项目要求、钻遇地层情况及事故处理效率等因素，采用了电磁波无线随钻测量系统配合螺杆钻具，进行了受控定向钻进，有效解决了两次断钻杆事故，取得了良好的应用效
钻进至1525.90 m时发生钻杆断裂，断点在1385.39 m。尝试用公锥打捞未果，后用扩孔套取和反丝钻杆方法处理，但因超径和找不到断头，导致再次断裂在1387.88 m，多次打捞失败。最终使用Ø95 mm螺杆钻具和电磁波无线随钻测量系统成功解决。第二次断钻杆事故发生在1724.26 m，断点在1543.06 m，包含多根钻具。同样先尝试公锥打捞失败，后用Ø95 mm螺杆钻具和电磁波无线随钻测量系统成功处理。
钻具组合：Ø110 mm PDC钻头+Ø95 mm螺杆钻具（1°）+Ø95 mm无磁钻铤+Ø97 mm无磁仓（内部装有电磁波无线随钻测量系统井下仪器）+Ø97 mm绝缘天线+Ø89 mm石油钻杆（31/2 in）。
两次受控定向钻进轨迹参数见
| 施工顺序 | 施 工 参 数 | 测斜孔深/m | 顶角/（°） | 方位角/（°） | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 事故头位置/m | 造斜点/m | 造斜方位角/(°) | 造斜强度/(°) | 造斜孔段/m | ||||
| 第一次 | 1385.69 | 1377 | 125.7 | 0.1 | 50 | 1377 | 9.53 | 36.2 |
| 1437 | 4.57 | 127.3 | ||||||
| 第一次 | 1543.06 | 1523 | 225.7 | 0.1 | 100 | 1525 | 2.63 | 136.3 |
| 1635 | 3.23 | 223.1 | ||||||
（1）通过优化钻孔结构，采用大口径开孔及跨口径施工方法，环空间隙达到了6.2~19.05 mm，有效克服了深孔钻探绳索取心钻进中因间隙小和环空压力高导致的孔壁稳定性问题，降低了吸附卡钻风险。
（2）KCL-聚合物冲洗液体系可以有效提高冲洗液泥岩抑制性，增加油基润滑剂加量及加强固相控制，能够提高防泥包效果。
（3）针对沉积岩地层取心困难的问题，采用了改进PDC取心钻头及多级岩心提断装置，取得良好的应用效果。
（4）电磁波无线随钻测量系统的应用，高效解决了两次严重孔内事故，提高了事故的处理效率，降低了事故处理成本。
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