湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工工藝

譚千鐘

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，湖南耒陽421800）

湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工工藝

譚千鐘*

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，湖南耒陽421800）

通過湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井施工，總結(jié)在頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井領(lǐng)域采用多級繩索取芯鉆探技術(shù)，利用繩索鉆桿作為套管進行復(fù)雜地層孔內(nèi)隔離施工工藝，在巖溶地層、水敏、水溶性地層順利鉆井，為今后在該領(lǐng)域的同類工程施工提供參考。

頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井；鉆井；繩索取芯鉆具；溶巖地層；水敏、水溶性地層

頁巖氣是蘊藏于頁巖層中的一種天然氣，為國土資源部2012年12月31日公布的非常規(guī)新礦種。以其分布廣、儲量大、便于開采等優(yōu)勢條件，成為現(xiàn)階段具有商業(yè)價值的新能源。武漢地質(zhì)調(diào)查中心、華電集團等在湘中地區(qū)開展頁巖氣資源潛力評價和有利區(qū)塊優(yōu)選工作。我隊承擔了該區(qū)塊頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井施工，通過多井鉆井實踐摸索，形成了一套切實可行的頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工工藝，取得較好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用效果。

1　地層情況及地質(zhì)技術(shù)要求

1.1地層情況

湘中坳陷位于華南褶皺系北部，西鄰雪峰隆起，北靠溈山隆起，南接桂中坳陷，東鄰衡山隆起，是以下古生界變質(zhì)巖系為基底發(fā)展起來的一個晚古生代～中三疊世的碳酸鹽巖為主夾碎屑巖為特征的準地臺型沉積坳陷區(qū)。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育齊全，自元古界板溪群—新生界第三系均有出露。由于區(qū)內(nèi)構(gòu)造運動強烈，巖溶、斷裂發(fā)育，破碎帶、軟硬互層及水敏、水溶地層等情況交替復(fù)雜多變；在進入主要調(diào)查目的層寒武系牛蹄塘組時，可能遇到鉆井液溢流或氣涌，鉆探施工相對復(fù)雜。

1.2地質(zhì)技術(shù)要求

（1）除第四系表土覆蓋層，要求全井取芯率大于75%，目的層取芯率大于90%；（2）平均井徑擴大率不大于15%；（3）終孔直徑不小于77mm；（4）直井完井井斜不大于5°；（5）目的層鉆進取樣，鉆進完成取樣時間不大于30min/次。

2　頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井施工難點

湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆進與常規(guī)固體礦產(chǎn)鉆探施工相比存在幾個難點：（1）巖溶地層厚度較大，溶洞、裂隙發(fā)育，地層破碎，容易發(fā)生井漏；（2）地層傾角較大，一般25°～42°，為易傾斜地層即順層跑地層，井斜難控制；（3）目的層主要為泥頁巖，為水敏、水溶性地層，容易遇水膨脹，造成井壁不穩(wěn)定；（4）目的層巖芯采取率要求高。

3　鉆井施工

3.1鉆井設(shè)備

我隊在頁巖氣鉆井施工中主要選用的配套設(shè)備有YDX-1800型全液壓動力頭鉆機、XY-5型、XY-6型立軸鉆機；WB-18型鉆塔；現(xiàn)場還配備了便攜式H2S報警儀、風向標、泥漿測試儀、測斜儀等專用檢測儀器。

現(xiàn)場主要采用武漢金地探礦機械有限公司生產(chǎn)?122S、S95、S75的NQ系列繩索取芯鉆具。

3.2鉆井工藝

3.2.1鉆井結(jié)構(gòu)

為滿足地質(zhì)技術(shù)要求，頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井選擇如下鉆井結(jié)構(gòu)表（表1）及井身結(jié)構(gòu)圖（圖1）。

3.2.2鉆頭選取

金剛石繩索取芯鉆進選取鉆頭時必須充分考慮所鉆巖層的機械物理性質(zhì)、金剛石品質(zhì)級別、金剛石濃度、胎體硬度、鉆頭的唇面形狀及水口形狀，使所選鉆頭和所鉆巖層巖性相配套。通過對湘中地層多年鉆探實踐對比分析，該區(qū)域內(nèi)頁巖氣地層巖石可鉆性要考慮3個方面；（1）施工主要地層，由泥巖、泥灰?guī)r、頁巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖等，有時軟硬交替頻繁，巖性總體偏軟，平均可鉆性級別小于5；（2）其次是強研磨性硬巖層，主要為硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)灰?guī)r、中細粒石英砂巖等，巖石硬度大，可鉆性級別高，一般6～9；（3）間夾弱研磨性硬巖層，俗稱打滑地層，主要為硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖等，可鉆性級別高，8～12級。經(jīng)區(qū)內(nèi)多井施工比較，所用繩索取芯鉆頭選擇見表2。

表1　頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井結(jié)構(gòu)及套管（鉆桿）尺寸要求

圖1　頁巖氣調(diào)查井井身結(jié)構(gòu)（單位：mm）

3.2.3鉆進參數(shù)選擇及操作注意事項

湘中局部區(qū)域地層傾角較大，一般25°～42°，并且軟硬交替頻繁，為易傾斜地層，因而必須合理選用鉆進參數(shù)，精心操作，確保在控制孔斜的前提下，提高鉆探施工效率，鉆進參數(shù)見表3。

（1）在回次鉆進過程中，鉆壓勻速，發(fā)現(xiàn)鉆進速度明顯加快要及時調(diào)整，減小鉆壓，控制鉆進速度，防止軟硬互層時壓力過大造成鉆頭順層跑，導致井斜偏大。

（2）鉆進軟硬互層地層，特別是鉆進目的層，如果鉆進壓力不當或壓力不均，會使巖芯變細或平時說的“車葫蘆”一節(jié)大一節(jié)細，打撈時卡簧無法卡住巖芯，造成目的層巖芯采取率偏低。鉆進巖性較硬的地層時S95、S75分別選用? 63.5mm/63.7mm、? 45.5mm/ 45.8mm的卡簧；鉆進較軟（或目的）地層S95、S75分別選用?63.2mm、?45.2mm的卡簧。

表3　頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆進參數(shù)表

（3）鉆進破碎地層，適當加大鉆壓，降低轉(zhuǎn)速，盡量減少鉆具震動。

（4）在鉆進過程中，密切關(guān)注井口上返沖冼液，如果發(fā)現(xiàn)鉆井液發(fā)生液流或氣顯，要及時加重鉆井液密度進行處理。

3.2.4套管工藝

（1）前期鉆進時，沿用傳統(tǒng)的套管級配，就是采用小口徑鉆進后，再逐級擴孔，然后下套管，費時費力，嚴重影響了鉆進效率，而且在擴孔過程中極易發(fā)生孔內(nèi)事故。鉆遇破碎垮塌地層時，先用大口徑鉆具鉆穿復(fù)雜地層后，起鉆聯(lián)接套管下入井內(nèi)，如遇垮塌破碎或掉塊則起上套管重新掃孔，或用比套管小一級的鉆具透孔后再下套管，如此反復(fù)，極大地減少了純鉆時間，影響了施工進度，還可能造成卡、埋套管事故。

（2）采用多級金剛石繩索取芯鉆具鉆進，極大地提高了鉆進效率，克服了一些復(fù)雜地層（巖溶地層、破碎垮塌地層）套管隔離問題。采用多級繩索取芯鉆具鉆穿復(fù)雜地層后，起鉆換成薄壁鉆頭，鉆桿涂抹黃甘油后，直接將鉆桿作為技術(shù)套管下入井內(nèi)，下鉆途中如遇掉塊，可以直接開動鉆機掃除掉塊，保證套管一次到位。在繼續(xù)鉆進過程中，再次鉆遇復(fù)雜地層，還可以在不起套管的情況下繼續(xù)追加技術(shù)套管，減少事故發(fā)生。采用多級繩索取芯鉆具鉆進可以按既定的施工方法一次成孔，又可以按照施工的實際情況追加套管，隔離破碎垮塌帶，提高了純鉆時間利用率，為鉆孔順利完成提供了有利的保障，同時提高了巖芯的采取率。

3.2.5鉆井液

湘中地區(qū)頁巖氣地層巖性基本以泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁巖、砂質(zhì)泥頁巖、泥質(zhì)頁巖為主，為水敏、水溶性地層，該地層遇水極易水化膨脹，造成鉆孔坍塌、縮徑。鉆井液不僅要求具有冷卻鉆頭、降低泵壓、潤滑鉆具性能良好、攜帶巖粉能力強，同時要求鉆井液能平衡地層壓力，抑制泥、頁巖水化膨脹保護孔壁，保護油氣層。發(fā)現(xiàn)鉆井液液流或氣顯時，提高鉆井液的密度，防止發(fā)生井噴事故。

通過對湘中地區(qū)采集巖芯樣本進行室內(nèi)鉆井液對比試驗及采集鉆井現(xiàn)場實鉆鉆井液數(shù)據(jù)對比，總結(jié)出3種適宜湘中地區(qū)頁巖氣鉆井液：

（1）無固相鉆井液。適應(yīng)于巖性較完整，水敏、水溶性較弱的地層。鉆井液性能參數(shù)：密度1.01～1.03g/cm3，粘度17～25s，pH值8～9。鉆井液配方：5%PHP+純堿+ 1‰X-1稀釋劑+水。

（2）低固相鉆井液。適應(yīng)于泥巖、頁巖等水敏、水溶性地層。鉆井液性能參數(shù)：密度1.03～1.06g/cm3，粘度23～42s，pH值7～8，失水量3～6mL/30min。鉆井液配方：5%膨潤土+1%SD-1+0.5%KP+0.3%CMC+ 3‰PHP+5%KCl。

（3）高密度鉆井液。適應(yīng)于產(chǎn)生溢流和氣涌的地層。鉆井液性能參數(shù)：密度1.07～1.12g/cm3，粘度35～55s，pH值8～9。

鉆井液配方：3%膨潤土+1‰純堿+3‰CMC+8‰SMC+12‰磺化瀝青+6%重晶石+6%廣譜護壁劑+水。

上述鉆井液的使用，在鉆井液粘度適當，鉆井液固相含量得到有效控制，井底清潔的前提下，有效的抑制氣體釋放，減少了鉆井液密度變小而造成的井內(nèi)垮塌；鉆井液失水量小極大程度地抑制了泥頁巖的水敏、水溶水化膨脹，減少了卡埋鉆等事故；只要鉆井液的密度適中，基本滿足了湘中地區(qū)頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工需要。

4　成果

通過對湘中地區(qū)頁巖氣常頁1井、漣頁1井、漣頁2井、漣頁3井、漣參1井的鉆井施工實踐，極大地縮減了輔助時間，有效地增加了純鉆時間，明顯縮短了施工周期，加快了工程進度。基本形成了一套較為簡單、切合實際的鉆井施工工藝。采用多級金剛石繩索取芯輕壓快轉(zhuǎn)鉆進，選擇合理的鉆進參數(shù)，配以與地層相宜的鉆井液，就能取得了良好的經(jīng)濟效益。在創(chuàng)造經(jīng)濟價值的同時，為湘中地區(qū)頁巖氣進一步勘探、開發(fā)和地質(zhì)研究提供了可靠翔實的資料。為加快頁巖氣資源勘探及同類巖溶地層、水敏、水溶性地層施工提供參考。

5　結(jié)語

表4　湘中地區(qū)巖氣調(diào)查（參數(shù)）井主要指標統(tǒng)計

（1）湘中地區(qū)頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工證明，合理的鉆井結(jié)構(gòu)、優(yōu)質(zhì)的鉆井液、適宜的鉆進參數(shù)加上精心的操作，保證了頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井順利完成，減少了孔內(nèi)事故，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益。

（2）隨著我國頁巖氣勘查的全面展開，各種行業(yè)標準及企業(yè)標準的出臺，在今后頁巖氣鉆井施工中，鉆井施工工藝有待進一步完善和細化。

［1］鄢泰寧.巖土鉆掘工程學［M］.湖北武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2001.

［2］張永生.鉆井施工手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

［3］王扶志，宋小平，張志強.地質(zhì)工程鉆探工藝與技術(shù)［M］.湖南長沙：中南大學出版社，2008.

［4］壽嘉化，陳永立，王殿琦，等.固體礦產(chǎn)鉆探工［M］.北京：地質(zhì)出版社，1999.

［5］龍青輝.鉆井工程［M］.北京：中國石化出版社，2010.

TE2

B

1004-5716（2016）03-0054-04

2015-02-05

2015-02-06

譚千鐘（1963-），男（漢族），湖南湘潭人，工程師，現(xiàn)從事探礦技術(shù)負責工作。