南方頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查黔普地1井鉆井施工技術(shù)

郝海洋， 宋繼偉， 蔣國盛， 杜勝江， 李 勇， 班金彭， 黃明勇， 暢利民

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊(duì)，貴州 清鎮(zhèn) 551400；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一二地質(zhì)大隊(duì)，貴州 安順 561000；3.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 4.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550005)

我國南方地區(qū)發(fā)育了多套海相富有機(jī)質(zhì)頁巖，頁巖氣資源儲量豐富[1-2]。國內(nèi)涪陵、威遠(yuǎn)-長寧、昭通等地頁巖氣勘探開發(fā)正如火如荼的開展[3-7]，大有掀起中國“頁巖氣革命”之勢。貴州省南方海相頁巖氣勘探已取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[8-12]。國內(nèi)海陸交互相和中新生代陸相炭質(zhì)頁巖，上揚(yáng)子及滇黔桂地區(qū)單層厚度較大[13-14]；貴州省內(nèi)二疊系龍?zhí)督M地層分布廣泛，具有形成煤系氣資源的良好物質(zhì)基礎(chǔ)[15-17]。中國地質(zhì)調(diào)查局油氣中心南方頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工程黔普地1井的實(shí)施，對揭露黔西南地區(qū)海陸交互相煤系地層龍?zhí)督M頁巖氣、煤層氣及致密砂巖氣的儲層物性、含氣性具有重要意義。本文總結(jié)了黔普地1井的鉆井施工技術(shù)，并評價(jià)了鉆井質(zhì)量，以期為同類型頁巖氣調(diào)查井的鉆井施工提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

黔普地1井位于黔西南普安縣南部上獨(dú)村上桃子灣，是中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源中心在黔西南地區(qū)實(shí)施的一口頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，該項(xiàng)目由貴州省地質(zhì)調(diào)查院承擔(dān)，貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊(duì)負(fù)責(zé)鉆探施工(見圖1)。黔普地1井部署在黔西南凹陷青山向斜南翼，目的層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M。

該井設(shè)計(jì)井深1500m，完鉆井深1402.68m，達(dá)到地質(zhì)勘查目的；鉆井周期為106 d，純鉆時(shí)間53 d；鉆穿“三氣”(煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣)儲層277.21 m，獲得巖心長度270.30 m，儲層段巖心采取率97.5%；820 m以淺井斜角在1.3°以內(nèi)，820 m以深井斜控制在3.28°以內(nèi)。

圖1 黔普地1井施工現(xiàn)場

1.2 地層

黔普地1井鉆遇地層包括第四系、三疊系永寧鎮(zhèn)組和飛仙關(guān)組、二疊系龍?zhí)督M和峨眉山玄武巖組[16]，具體鉆遇地層分層、巖心特征及鉆進(jìn)時(shí)注意事項(xiàng)見表1。

表1 黔普地1井地層分層

2 鉆井質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求

2.1 巖心采取率

全井段巖心采取率≥85%，不得出現(xiàn)零回次，每任意5 m段巖心采取率>75%，鉆至目的層以后，以副絞車最大提升速度提取內(nèi)管，以減少巖心氣體損失。

2.2 鉆孔彎曲度

500 m以淺，最大井斜≯2°；500 m<井深<1000 m，井斜≯3°；井深>1000 m，井斜≯5°。

2.3 井深校正

用鋼尺校正井深，每100 m必須校正一次，終孔時(shí)測一次，誤差≯1‰。根據(jù)地質(zhì)工作需要可隨機(jī)進(jìn)行井深校正。

2.4 鉆井液要求

鉆進(jìn)目的層后，鉆井液中不得添加含熒光性物質(zhì)。

3 鉆井工程技術(shù)

3.1 鉆井設(shè)備

選擇鉆井設(shè)備時(shí)，應(yīng)充分考慮鉆機(jī)處理卡、埋鉆事故的能力。黔普地1井選用HXY-8型立軸鉆機(jī)，最大起重力300 kN、最大加壓力141 kN，基本滿足黔普地1井鉆井工程的施工要求。選用的具體設(shè)備詳見表2。

表2 黔普地1井鉆井設(shè)備配置

3.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)基于鉆井質(zhì)量指標(biāo)和技術(shù)要求，滿足頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的研究目的，既要考慮到事故預(yù)防和處理的合理化安排，又要考慮到后續(xù)測錄井的有效開展。同時(shí)，由于地層壓力剖面資料缺乏，難以把握“必封點(diǎn)”的準(zhǔn)確位置。因此，在實(shí)際鉆進(jìn)施工中，應(yīng)基于井內(nèi)實(shí)時(shí)情況，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整井身結(jié)構(gòu)。黔普地1井的實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見表3。

表3 黔普地1井井身結(jié)構(gòu)

3.3 鉆頭選型

根據(jù)黔普地1井鉆遇地層巖石的可鉆性、研磨性和破碎程度等情況的預(yù)判，參照有關(guān)規(guī)程推薦的鉆頭選用標(biāo)準(zhǔn)及施工經(jīng)驗(yàn)，確定開孔時(shí)選擇硬質(zhì)合金鉆頭，二開至終孔使用電鍍、復(fù)合片和孕鑲金剛石鉆頭，其主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合如下要求：

鉆頭直徑(外徑)：根據(jù)井身結(jié)構(gòu)確定，一開采用?172 mm硬質(zhì)合金鉆頭；二開采用?150 mm電鍍金剛石鉆頭取心；三開采用?122 mm金剛石鉆頭；四開采用?96 mm金剛石或復(fù)合片鉆頭。

鉆頭內(nèi)徑：?150 mm提鉆取心鉆頭內(nèi)徑確定為108 mm。?122 mm繩索取心鉆頭內(nèi)徑為85 mm；?96 mm繩索取心鉆頭內(nèi)徑為64 mm。鉆頭水口、水槽的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮沖洗鉆屑和保護(hù)巖心的作用，適當(dāng)加大水口、水槽斷面，增加水口、水槽數(shù)量，以減少流通阻力，保證鉆頭得到充分的冷卻，同時(shí)要避免沖洗液直接沖刷巖心和地層，可采用底噴式和側(cè)噴式。

金剛石單晶強(qiáng)度：選擇的金剛石單晶強(qiáng)度應(yīng)大于343 N，即單晶強(qiáng)度應(yīng)相當(dāng)于SMD35以上的人造金剛石。胎體硬度：軟巖HRC15～40，硬巖HRC5～8。

3.4 鉆具組合

除了上部大口徑段采用普通取心鉆具外，三開四開鉆具一般采用繩索取心鉆具。黔普地1井的鉆具組合見表4。

表4 黔普地1井各開次鉆具組合

3.5 鉆進(jìn)參數(shù)

選用合理的鉆進(jìn)參數(shù)，才能使鉆進(jìn)過程達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。應(yīng)根據(jù)地層變化和井內(nèi)的實(shí)際情況，結(jié)合金剛石鉆頭(尤其是繩索取心金剛石鉆頭)的破巖機(jī)理，及時(shí)控制鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量。基于黔普地1井鉆遇地層的實(shí)際情況，推薦鉆進(jìn)參數(shù)見表5。

表5 黔普地1井鉆進(jìn)參數(shù)推薦

值得注意的是，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝后，應(yīng)控制好內(nèi)管下放和上提的速度，以免由此產(chǎn)生的“激動”壓力和抽吸壓力誘發(fā)易漏、易垮、易噴段的孔內(nèi)事故發(fā)生。

3.6 鉆井液

頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查黔普地1井采用欠平衡鉆進(jìn)，鉆井液的性能設(shè)計(jì)主要從泥漿護(hù)壁、攜巖和冷卻鉆頭方面考慮。一開鉆遇的第四系主要是浮土，采用清水+3%～5%膨潤土即可滿足鉆進(jìn)目的。二開、三開、四開永寧鎮(zhèn)組和飛仙關(guān)組以灰?guī)r和砂巖為主，鉆井施工所用鉆井液為清水+4%膨潤土+0.25%CMC。四開鉆進(jìn)至1072.41 m后，到達(dá)龍?zhí)督M，龍?zhí)督M包含易水敏膨脹縮徑的泥頁巖以及易垮塌的煤巖；為確保該井井壁穩(wěn)定，保證鉆探取心的正常進(jìn)行，確定的無固相鉆井液配方為：清水+0.3%NH4-HPAN+0.15%CMC+0.02%燒堿+3%～5%KCl。

圖2是采用現(xiàn)場巖心所做的浸泡實(shí)驗(yàn)，從圖中可以清晰看出，浸泡在清水中的泥頁巖在45 min后由于水化膨脹，出現(xiàn)松軟、分散的狀態(tài)；而采用無固相泥頁巖抑制鉆井液具有相對較好的泥頁巖抑制效果。現(xiàn)場實(shí)測的鉆井液參數(shù)見表6。

圖2 浸泡45 min后無固相鉆井液對泥頁巖抑制性效果

表6 各開次鉆井液體系及性能參數(shù)

4 鉆井質(zhì)量結(jié)果分析

4.1 井斜控制與井深校正

圖3給出了黔普地1井的井斜角測量結(jié)果，820 m以淺井斜角在1.3°以內(nèi)、820 m以深井斜控制在3.28°內(nèi)，說明黔普地1井的井眼軌跡滿足設(shè)計(jì)要求。黔普地1井共校正井深14次，井深校正符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 井徑及井徑擴(kuò)大率

基于測井資料，圖4給出了目的層段的井徑隨井深變化的曲線。從圖中可以看出目的層段有一定的井徑擴(kuò)大率，尤其是煤層段，出現(xiàn)井徑擴(kuò)大率激增現(xiàn)象。說明無固相鉆井液雖然能夠起到抑制泥頁巖水化的作用，卻無法有效防止井壁坍塌。欠平衡鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液的液柱壓力小于目的層段的坍塌壓力可能是煤層段垮塌的原因之一[18-19]。煤巖本身節(jié)理裂隙發(fā)育、機(jī)械強(qiáng)度低的性質(zhì)和泥頁巖水化膨脹后的推擠作用也可能是煤層段井徑擴(kuò)大的原因[20-21]。當(dāng)然，在泥頁巖垮塌周期以外進(jìn)行測井，也是井徑擴(kuò)大率較大的客觀原因之一。

圖3 黔普地1井井斜角測定結(jié)果

圖4 黔普地1井目的層段井徑變化情況

4.3 巖心采取率

黔普地1井完鉆井深1402.68 m，記錄巖心長度1351.15 m，平均巖心采取率為96.4%；目的層277.21 m，獲得巖心長度270.30 m，平均巖心采取率97.5%；巖心采取率滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

為充分研究黔普地1井各層段的巖心采取率，統(tǒng)計(jì)分析了全井段巖心采取率的情況，如圖5所示。從圖中可以看出，一開、二開大口徑鉆井時(shí)由于采用普通取心工藝，巖心采取率無法有效保證；三開以后采用繩索取心工藝，巖心采取率基本保持在95%以上。鉆至目的層龍?zhí)督M后，地層中出現(xiàn)煤泥交互地層，煤層臨近井段的采取率略有降低，最低也基本在90%以上；由于砂巖和大部分泥頁巖的巖心較為完整，目的層整體巖心采取率高達(dá)97.5%。由此可見，進(jìn)入目的層后采用無固相泥頁巖抑制性鉆井液，配合小口徑繩索取心工藝進(jìn)行頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查，完全能夠滿足巖心采取率的設(shè)計(jì)要求。

圖5 黔普地1井全井段巖心采取率分布圖

5 鉆效分析

5.1 機(jī)械鉆速

機(jī)械鉆速受鉆井施工中不可控因素(地層巖性、儲層埋深和地層壓力等)和可控因素的(鉆井設(shè)備、鉆頭類型、鉆井液性能和鉆進(jìn)參數(shù)等)兩大方面的影響和制約。黔普地1井一開、二開采用普通繩索取心鉆進(jìn)工藝，平均機(jī)械鉆速分別為3.12、3.86 m/h；三開以后選用繩索取心鉆進(jìn)工藝，三開平均機(jī)械鉆速為4.26 m/h，四開目的層以淺平均機(jī)械鉆速為2.95 m/h，四開目的層平均機(jī)械鉆速為1.56 m/h，四開玄武巖段平均機(jī)械鉆速為1.95m/h，全井段平均機(jī)械鉆速2.69 m/h。黔普地1井全井段機(jī)械鉆速分布如圖6所示。

圖6 黔普地1井全井段機(jī)械鉆速分布圖

從圖6中可以看出，隨著井深的增加，機(jī)械鉆速呈下降趨勢，目的層段最低。機(jī)械鉆速呈現(xiàn)出這種狀態(tài)的原因是多方面因素綜合作用的結(jié)果。就選定了鉆機(jī)設(shè)備的黔普地1井而言，鉆進(jìn)效率的大小與地層因素和人為可控因素關(guān)系密切。三開主要為砂巖、灰?guī)r地層，鉆進(jìn)時(shí)提高轉(zhuǎn)速、適當(dāng)增大鉆壓(大于該區(qū)地層的“門限鉆壓”)，根據(jù)不同地層的可鉆性等級選用了不同胎體硬度的金剛石取心鉆頭。鉆進(jìn)速度快時(shí)，產(chǎn)生的巖屑就會增多，此時(shí)的排量應(yīng)適當(dāng)增大以確保清洗孔底和及時(shí)上返巖屑。對于目的層的泥頁巖地層，由于地層相對較軟，鉆壓應(yīng)減小，排量適當(dāng)降低。黔普地1井全井段平均機(jī)械鉆速2.69 m/h，不低于相同設(shè)計(jì)類型的頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查井。

5.2 鉆井周期與時(shí)效分析

黔普地1井自2017年1月14日建井、2017年1月16日開鉆，至2017年4月29日完鉆，2017年4月30日撤場，建井周期106 d，鉆井周期103 d。

圖7給出了黔普地1井的建井周期分布柱狀圖，其中純鉆時(shí)間占建井周期50%，事故處理占16%，全井生產(chǎn)時(shí)間占71%。純鉆時(shí)間為521.23 h，平均機(jī)械鉆速2.69 m/h；鉆機(jī)臺月數(shù)為3.53個(gè)，綜合臺月效率397.36 m，平均鉆時(shí)22.31 min/m。與相同設(shè)計(jì)類型的頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查井相比，黔普地1井的建井周期略長，除了事故處理17 d外，還有21 d的停待和春節(jié)放假時(shí)間，影響了機(jī)臺的臺月效率。

6 結(jié)語

黔普地1井是南方頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工程在黔西南地區(qū)所實(shí)施的一口頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，為揭示南方海陸過渡相頁巖的發(fā)育特征和煤系地層含“三氣”性特點(diǎn)，和進(jìn)一步深入研究黔西南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣資源潛力提供了重要的參數(shù)依據(jù)。通過合理的鉆探設(shè)備選型、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆進(jìn)取心工藝配合、鉆井液體系優(yōu)化和鉆進(jìn)參數(shù)的合理搭配，成功實(shí)施了黔普地1井。黔普地1井完鉆井深1402.68 m，揭穿了二疊系龍?zhí)督M；全井最大井斜角為3.28°；平均巖心采取率為96.4%，目的層巖心采取率達(dá)97.5%。鉆井各項(xiàng)指標(biāo)滿足業(yè)主方地質(zhì)設(shè)計(jì)的要求。

圖7 黔普地1井建井周期

與石油鉆井工藝相比，黔普地1井采用的機(jī)械巖心鉆探工藝，具有鉆井成本低、鉆進(jìn)效率高、巖心采取率高等突出優(yōu)勢，然而其在安全方面(井控、HSE、儲備加重鉆井液等)還存在諸多亟須解決的問題[22-23]。此外，包含黔普地1井在內(nèi)的同類型的頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查井中，均未有采用密閉取心技術(shù)的報(bào)道。黔普地1井鉆遇目的層后，盡管采用無固相泥頁巖抑制性鉆井液，獲得較高的巖心采取率，然而并沒有很好地解決井壁穩(wěn)定性問題。