小口徑油氣地質調查井的問題與工程實踐

伍曉龍， 朱芝同， 董向宇， 李文秀

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

油氣資源是國家戰略資源，目前我國尚缺乏長期穩定的油氣基礎性、公益性地質調查保障機制。油氣企業一般是在已經取得探礦權的區塊范圍內進行勘探開發活動，對于新區塊、新層系的油氣勘探研究裹足不前。黨中央、國務院多次要求加強油氣資源調查工作，促進油氣勘探開發，解決快速發展中的能源“瓶頸”問題。“十二五”以來，中國地質調查局將油氣資源調查作為重要工作之一，先后在重點中小盆地的勘探有了油氣發現突破。中國地質科學院勘探技術研究所承擔了多項能源礦產地質調查項目，其中與中國地質調查局沈陽地質調查中心合作，分別在遼寧省朝陽地區和黑龍江省齊齊哈爾地區完成了羊D1井、黑富地1井、黑富地2井三口小口徑油氣地質調查井工程。實施3口井的目的為針對新地區、新層系開展的油氣地質調查工作。

1 油氣地質調查井特點及施工要求

油氣地質調查井不同于石油探井和固體礦產勘查孔。該類鉆井以獲取地層層序、烴源巖特征并為油氣儲藏發現提供地質資料和測試數據為目的，調查井主要布置在油氣勘探開發企業礦權區域以外，基本未進行地球物理勘探工作。通常以直井為主，設計深度在2000～2500 m，一般要求全孔取心。

油氣地質調查井以機械巖心鉆探施工為主，長孔段取心，并對巖心進行編錄分析。結合錄井工作對鉆井液中氣相組分和含量進行分析，對地層油、氣、水等情況進行監測，初步判斷鉆遇地層油氣儲藏情況。每一開次鉆進完成后進行裸孔小口徑地球物理測井，根據測井數據分析計算，印證地層層序和巖性特征，以及油、氣、水分層情況。測井完成后實施下套管固井作業，保護上部孔壁，封隔油、氣、水層。鉆探施工過程中為防止鉆遇局部高壓油氣層而引發井涌、井噴等事故發生，需安裝井控裝置，為正常施工提供安全保障[1-2]。

2 油氣地質調查井施工面臨的問題

2.1 地層壓力確定困難

油氣地質調查井主要分布在鄰井資料缺乏的新區塊、新層系，無準確的Dc指數或鉆錄井資料，不能對地層壓力有一個準確的預判，井控設備的選擇較困難。鉆井過程中，需要隨時觀注鉆井液池槽面變化及鉆井液中油花、氣泡等情況，鉆井液密度大小需要及時的進行調整，確保鉆井液性能的壓力較大。

2.2 區域地質情況問題

油氣地質調查井鉆遇地層主要以沉積巖中的泥巖、砂巖為主，一般含油層泥頁巖水敏性強，油、氣、水層上覆蓋層和底板中砂礫巖層、粉砂巖層沉積后變質較輕，巖層膠結差、破碎，極易產生掉塊、坍塌等現象。由于地殼相對運動形成的區域斷裂帶導致巖層中裂隙極度發育，局部還含有斷層泥，地層穩定性差。另外鉆孔中的構造裂縫還會引起孔內鉆井液漏失[1]。

2.3 鉆孔口徑問題

油氣地質調查井鉆孔口徑通常在77～122 mm，采用金剛石繩索取心鉆進技術，由于機械巖心鉆探為滿眼鉆進，鉆桿與孔壁環狀間隙小，對鉆井液的流變性能要求高[2]。由于泥頁巖極易吸水膨脹，孔內鉆井液流動的沿程阻力加大，泥漿泵壓力增高，對于抗壓能力差的地層，地層壓力平衡遭到破壞，地層被壓漏導致鉆井液循環短路，也極易產生抱鉆和粘附卡鉆的事故。

2.4 鉆井液體系問題

鉆井液作為鉆探的血液，在鉆進過程中起到保護孔壁穩定性、潤滑、減阻、降溫、攜粉等作用。機械巖心鉆探之前主要用于固體礦產勘查中，所鉆遇的地層以火山巖、侵入巖、變質巖為主，此類巖石堅硬、致密，對鉆井液各性能的要求是滿足減阻潤滑、鉆頭降溫、護壁、攜粉等需求。油氣地質調查井鉆探以沉積巖為主，對孔壁穩定性的要求較高，其中對鉆井液失水性能的要求尤為關鍵。鉆井液體系要確保低密度，低失水量，良好的流變性，因此對鉆井液各性能參數要求高。另外還要注意鉆井液對鉆頭的清潔性能，不能產生泥包現象[3-5]。

2.5 設備及器具問題

2.5.1 鉆機

目前施工油氣地質調查井主要采用巖心鉆探設備，該類設備安裝防噴器時需對鉆機底座進行改裝，或者重新定制底座，無配套提升設備，防噴器安裝難度較大。

2.5.2 泥漿泵

油氣地質調查井施工一般選用地質鉆探用泥漿泵，地質巖心鉆探所使用的泥漿泵[6]壓力、流量較小，施工2000 m的固體礦產鉆孔隨孔深加大，泵壓升高，地質用泥漿泵耐高壓效果差，泵的維修頻率大，石油泵壓力、排量、體積又太大，使用成本高，不適合小口徑巖心鉆探。油氣地質調查井以泥沙巖地層為主，施工過程中常會因泵排量小，產生糊鉆現象，長時間鉆進引起泥巖水化導致孔壁失穩，增加施工風險。目前市場上選用合適的泥漿泵比較困難。

2.5.3 固控系統

石油鉆井除有成套的鉆井液體系和匹配的泥漿泵外，還有一整套鉆井液固控系統，也叫鉆井液凈化系統，用于分離處理鉆井液中巖屑、泥砂等顆粒，維持鉆井液性能以及儲存循環鉆井液。配有加重混合裝置、灌注裝置和化學藥劑加注裝置。用于改善鉆井液的物理和化學性能，以滿足鉆井工作的需要[7-8]。油氣地質調查井由于經費、施工場地等問題，均未配備鉆井液固控系統，鉆井液的處理只能沉淀為主，通過循環槽、沉淀池，對鉆井液進行沉淀，人工清理循環槽內的巖粉，通過沉淀處理后的鉆井液又與鉆孔時要求鉆井液有好的懸浮效果相矛盾，常在施工過程發現鉆井液體系性能差，人工無法處理時只能徹底更換鉆井液，增加施工成本和工程風險。

2.5.4 井控設備

在固體礦產勘查中，從礦區選擇、施工經驗等來看，未發現有井噴、井涌和有毒氣體發生，施工過程中未曾安裝過井控設備，油氣地質調查井與石油探井類似，以勘探發現油氣儲藏情況為主，施工過程中為確保人員、設備安全，要求加裝井控設備[9-15]。目前地質勘探井井控裝置只能借用石油鉆井常用設備，為滿足小口徑鉆探鉆具的需求，要將原有的標準閘板防噴器通徑縮小。由于是非常規產品，在選購及配套其他管匯時有一定的困難。

為安裝井口防噴器，必須對巖心鉆機底盤進行改進，將鉆機、鉆塔置于做好的加高底盤上，高度一般在2.2 m左右。受加高底盤尺寸和結構影響，高度一般不超過2.5 m，防止塔架失穩，出現安全事故。由于安裝空間有限，鉆具強度低，選擇的井控閘板數量少，壓力級別低，常用的井口防噴器結構為雙閘板防噴器(半封和全封閘板)，壓力等級為21～35 MPa。如果發生壓力等級較低的井控需求，試圖實現關井作業。孔內出現井涌、井噴事故壓力較大時，雙閘板防噴器就無法滿足關井需要了。另外，對于小口徑鉆具，目前尚無配套的旋塞閥和防噴單根。

井控裝置配套液壓遠控房、節流管匯、壓井管匯在擺放和安裝以及放噴池位置和大小等，受施工場地條件限制，都不能滿足石油鉆井井控技術規范。因此緊急情況下放噴、關井、壓井工作很難實施。

2.5.5 鉆具

小口徑油氣地質調查井對巖心采取率有較高要求，為提高巖心采取率和鉆進效率，一般以繩索取心鉆進工藝為主，尤其是中深度鉆孔。與之相匹配的鉆桿、鉆具壁厚4.5～5.5 mm，抗擠外壓強度小，進行大壓力關井時，會擠扁鉆具，達不到關井效果；采用繩索取心鉆進工藝，鉆具內無法安裝下旋塞閥和上旋塞閥，無合適尺寸的防噴單根，在出現井噴、井涌時，因不能及時搶裝防噴單根，為油氣地質調查井的施工帶來潛在的風險。

2.6 安全技術規范欠缺

油氣地質調查井在施工時無任何完整安全操作規范可查[16-18]，鉆探參考機械巖心鉆探相關標準，測井參考煤炭行業標準，氣測錄井參考石油行業錄井規范，但在實際施工過程中這些安全規范和一些操作規程又無法滿足油氣地質調查井施工需求，常常在井場建設，人員安全操作，資料的收集、提交等方面存在一系列問題。

3 油氣地質調查井施工

3.1 鉆井施工

3.1.1 羊D1井施工

2016年在遼寧省北票市實施了羊D1井地質調查孔。主要地層為水敏性強、易造漿的泥巖地層，薄砂層，粉質粘土層，大段破碎。施工設備選用中國地質科學院勘探技術研究所研制的YDX-6型全液壓動力頭巖心鉆機，鉆機主要技術參數見表1。

表1 YDX-6型全液壓動力頭巖心鉆機技術參數Table 1 Technical parameters of YDX-6 full hydraulic top drive core drilling rig

YDX-6型全液壓動力頭巖心鉆機采用長行程給進提升結構，可以實現倒劃眼操作，對于處理孔內情況有利。平臺高度為1.6 m，平臺下部空間較小，防噴器的安裝空間不夠，需從地面向下挖1.5 m深坑，將四通接頭座于底盤之下。平臺無配套提升設備，防噴器安裝難度較大。平臺操作面積較小，并且鉆塔不能安裝塔衣，東北地區冬季寒冷，施工環境異常艱苦。配套BW-500型泥漿泵，最大工作壓力20 MPa,最大輸出流量500 L/min，可滿足正常施工需求。

采用繩索取心鉆進工藝施工，回轉轉速300 r/min左右，使用無固相化學漿鉆井液。由于地層強造漿作用以及鉆井液體系對巖屑分選絮凝差的原因，因鉆桿自身高速回轉產生離心力的作用，鉆桿內壁經常結一定厚度的泥皮，導致無法順利提出取心內管。經過研究對鉆井液性能進行調整，控制鉆井液失水量在6 mL以內，泥皮厚度控制在0.3 mm，鉆桿內壁結泥皮現象有所改善。在鉆至1474.5 m左右提鉆更換鉆頭，下鉆至1442 m左右鉆具無法通過。分析主要原因是鉆井液護壁性能差，泥巖水化，加之1442～1490 m地層為局部小構造破碎帶，致使孔壁失穩出現塌孔。鉆遇孔深1980～1990 m下部地層時,鉆井液漏失嚴重，停泵時鉆井液又涌入孔內。主要原因為地層抗壓能力低，循環泵壓較高導致地層壓裂，鉆井液侵入地層中。采用鋸末、核桃仁、封堵劑、碳酸鈣粉末等材料封堵地層縫隙。由于惰性材料粒度與地層縫隙不匹配，封堵效果不明顯。

3.1.2 黑富地1井、黑富地2井施工

2017、2018年施工的黑富地1井、黑富地2井，選用的主要設備有XY-8型立軸鉆機,鉆機技術參數見表2。配套BW-320系列泥漿泵2臺，FZ14-21系列單閘板防噴器1套。施工前對鉆機平臺進行改裝，將鉆機放置在2.2 m高的平臺上，便于井口防噴器的安裝。XY-8型立軸鉆機主動鉆桿傳遞回轉，給進行程短，鉆進一個單根需多次倒桿，輔助時間長，在遇到孔內復雜情況，急需將孔內鉆具提離孔底時，需要先將主動鉆桿卸開，拆除大鉤，掛上提引器，再將鉆具提離孔底，在這一連串動作后，可能已延誤時機，為施工帶來風險。選用BW-320系列泥漿泵，該泵最大壓力8 MPa,最大流量320 L/min，正常鉆進時壓力保持在4～6 MPa,隨孔深加大，壓力大于8 MPa，會發生憋泵現象，影響施工進度。

表2 XY-8型立軸式巖心鉆機技術參數Table 2 Technical parameter of XY-8 spindle type core drilling rig

2口井施工時上部地層主要以流沙層為主，下部以黑色泥巖為主。在黑富地1井鉆至孔深78和630 m處時，孔內出現大量涌水，采用鋸末、重晶石、封堵劑等材料封堵涌水，在此過程均導致孔壁大段坍塌，實施擴孔、下套管、換徑的方案。2口井在施工時鉆遇黑色泥板巖時均出現取心困難，鉆進效率低等問題，分析原因，主要問題是鉆井液體系與巖性匹配性不合理，并且缺少固控設備、鉆井液中固相含量高所致。

3.2 錄井施工

油氣地質調查井的施工，要求安裝錄井設備，由于綜合錄井儀價格昂貴，使用成本高，一般在施工時使用氣測錄井儀和熒光錄井儀，氣測錄井儀用來檢測施工過程中的氣體含量、油氣顯示情況，預報井涌、井噴、氣侵等,為綜合評價油氣儲集層提供數據。

氣測錄井儀在使用時遇到首要問題是傳感器安裝困難，石油設備在傳感器的安裝上位置已經比較固定，基本在出廠前就留出安裝位置，采用的全液壓巖心鉆機和常規立軸式巖心鉆機之前未配套使用過錄井設備，采用的傳感器均為石油行業錄井用傳感器。每次安裝錄井傳感器時難以確定合適位置，有些傳感器根本不適合此類鉆機使用，很難找到合適的安裝位置，不同的鉆機安裝傳感器時又需重新尋找位置，安裝起來比較困難。

其次，氣測錄井受施工工藝的影響，所采用的鉆頭結構、鉆井液排量，取心工藝等都會對氣測錄井全烴和組分值含量產生影響。黑富地1井鉆井時采用?98 mm金剛石鉆頭，在720 m左右時發現有氣測顯示，正常鉆進時全烴基值濃度為0.4%左右，每次取心完成開始鉆進前后效值濃度最高達5%左右，峰基比達11，分析原因，由于鉆孔口徑小，況且金剛石鉆頭鉆進為滿眼鉆進，鉆桿和孔壁環狀間隙小，同時金剛石取心鉆進，巖石破碎面積小，導致巖石中所含氣體溢出少，加上環孔鉆井液壓力變化的作用，取心時，內管完全拉出，鉆井液壓力消失，氣體開始釋放，等取心結束后，氣體已到達孔口或孔口附近，氣測值會變高,這樣會對氣測儲藏含量評價帶來影響[19-24]。

3.3 測井施工

為準確對地層層序、地層中油氣層和儲層儲集性能含油氣性能(孔隙度、滲透率、含油氣飽和度和油水的可動性)定量或半定量的評價[25]，油氣地質調查井要求對全孔進行裸眼測井，通過測井數據對鉆井、錄井、編錄的數據進行校正，達到鉆、測、錄結果的統一，獲得的測井資料是測井評價、地質研究和油氣藏開發的科學依據。

測井施工時選用石油上測井儀器測量時數據全面、準確，針對小口徑鉆井，又無合適測量儀器，況且價格昂貴，目前所施工的油氣地質調查井一般采用煤炭行業測井儀器，施工按照《煤炭地球物理測井規范》(DZ/T 0080-2010)進行，測井項目有自然伽馬、側向電阻率、自然電位、深淺電阻率、井溫、傾角、井徑、密度、中子孔隙度、聲波時差等，能夠基本反映地層油氣情況，但和石油測井精度有一定差距。另外，該類鉆井口徑小，鉆遇地層以沉積巖中泥沙巖為主，鉆孔周期較長，鉆進時鉆井液密度小，泥巖水化導致孔壁穩定性差，有部分井段破碎。測井孔內遇阻時，用鉆具反復通井，測井儀器有時也難以順利通過，尤其在測量放射源項目時，孔壁坍塌會導致儀器掉入孔內，為周圍環境帶來危害，增加施工困難，對測井數據的完整性、準確性帶來影響。

4 施工經驗總結

(1)盡可能多的搜集施工區域地質資料，鄰井鉆探資料，有條件的話投入部分經費對該區域進行電法、重磁等物理測量方法，確定地層相關參數。

(2)鉆井設計前多聽取經驗豐富鉆探人員意見，設計中多做兩套備選施工方案。

(3)選用的施工設備進場前全面保養，根據施工要求進行部分改裝調試，確保各設備安裝順利，運轉正常；對施工中可能用到的關鍵配件、材料提前加工或采購。

(4)開孔口徑盡量稍大一級，技術套管盡可能深，預留一級鉆孔口徑。

(5)鉆井施工過程中及時調整鉆井液參數，保持鉆井液干凈，多咨詢鉆井液專業技術人員或者專家，保證鉆井液材料配比適當，滿足護壁要求。

(6)鉆井人員時刻關注進尺情況，給定適當鉆進參數，錄井人員時刻關注儀器相關曲線變化，對鉆井人員進行提示。

(7)測井前調整鉆井液性能，與測井人員多溝通，將鉆孔情況告知對方，保證測井安全、順利。

(8)根據施工情況，在保證安全的情況下，盡可能靠近相關施工規范，探索、總結施工小口徑地質調查井施工經驗。