湘新頁1井鉆井技術(shù)難點及對策

葛志強，郝衛(wèi)光

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

1 概述

頁巖氣是從黑色泥頁巖或者炭質(zhì)泥巖地層中開發(fā)出的非常規(guī)天然氣，我國資源潛力較大。近年來，我國越來越重視對頁巖氣這一非常規(guī)天然氣的開發(fā)研究[1]。湘新頁1井位于湖南省婁底市新化縣油溪鄉(xiāng)，處在漣源凹陷內(nèi)。為一口直井、參數(shù)井，設(shè)計井深2800.00m，實鉆井深2680.00m。勘探目的層是泥盆系佘田橋組頁巖氣層段。自上而下鉆遇有石炭系下統(tǒng)測水組、石磴子組、天鵝坪組、馬欄邊組，泥盆系上統(tǒng)孟公坳組、歐家沖組、錫礦山組、佘田橋組，泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組、易家灣組。

佘田橋組以灰、灰黃色薄層狀泥灰?guī)r為主[2]，夾鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，泥頁巖主要發(fā)育于佘田橋組下部，為臺間盆地相沉積[3]。本井鉆遇佘田橋組厚度1458.00m。由于缺乏可參照的地層資料和工程資料，該井在破碎泥巖地層鉆進對施工技術(shù)要求高。

2 井身結(jié)構(gòu)

確定井身結(jié)構(gòu)時應充分考慮了地層和壓力可能的變化，套管程序的選擇為各開次鉆井安全留有余地，以保證完成鉆探目的。井身結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 湘新頁1井井身結(jié)構(gòu)圖

3 工程難點

湘新頁1井自二開以來，頻繁出現(xiàn)長井段坍塌掉塊的問題，尤其到了三開以后，坍塌掉塊更加頻繁、掉塊尺寸3～5cm，見圖2。井壁垮塌給鉆探工作帶來以下困難：增加了孔內(nèi)巖屑量，卡鉆、埋鉆的風險大大增加；若要上返大塊巖屑，需要提高鉆井液粘度，使進尺速度降低；井壁垮塌使井壁呈不規(guī)則的“葫蘆井眼”，測井易遇卡；固井時不規(guī)則井眼的泥漿頂替效果不好，影響固井質(zhì)量。此外巖屑在孔底反復研磨，使鉆井液固相含量增加，對后期儲層開發(fā)不利。

圖2 上返巖屑

結(jié)合構(gòu)造背景和工區(qū)附近地層露頭分析，大段井壁垮塌機理如下：由于工區(qū)內(nèi)地層承壓能力低，加之孔內(nèi)構(gòu)造應力釋放（由工區(qū)附近的地層露頭多見小型褶皺和斷層推測，見圖3），造成孔內(nèi)大段地層垮塌掉落。上部的井壁由于失去了下步支撐，井壁穩(wěn)定性差，加之鉆具的擾動和鉆井液沖洗，使井壁繼續(xù)向上垮塌。如此惡性循環(huán)，最終造成井壁大段垮塌，形成“葫蘆井眼”。此外，該井鉆遇的泥巖地層水敏性強，極易吸水膨脹，鉆具擾動使膨脹的泥巖層段破碎，并隨灰?guī)r地層一同垮塌。

圖3 工區(qū)附近地層露頭

4 工程技術(shù)措施

（1）防塌鉆井液體系。目前，國內(nèi)外主要的護壁方式，是在鉆探作業(yè)中加入各類鉆探泥漿和沖洗液，來起到護壁作用[4]。當上返巖屑量大、塊大、進尺慢時，說明井壁發(fā)生垮塌，應及時調(diào)整鉆井液性能，緩和井下復雜情況。鉀銨聚合物鉆井液體系能抑制井壁垮塌。基本配方為：4%～6%土漿+0.3%～0.5%KPAM+0.5%～1%銨鹽+1%～2%有機硅腐殖酸鉀+1%～2%改性淀粉+0.3%～0.5%HV-CMC+1%～2%纖維封堵劑+加重劑+0.2%純堿+0.1%燒堿。CMC 可提高鉆井液粘度切力、可以加快清除井內(nèi)巖屑，減輕沉屑卡鉆的風險。加重劑可提高鉆井液密度（盡量走密度下限），使鉆井液液柱壓力盡量平衡地層應力。加入有機硅腐殖酸鉀、銨鹽和改性淀粉來抑制泥巖吸水膨脹。鉆井液性能見表1。

表1 鉆井液性能參數(shù)表

（2）防塌鉆井液的維護與處理。鉀銨聚合物防塌鉆井液配制程序：回收一開鉆井液，用淡水將鉆井液膨潤土含量調(diào)整到40～60g/L，按照次序往鉆井液中加入設(shè)計濃度的KPAM、銨鹽、HV-CMC、有機硅腐殖酸鉀、改性淀粉、潤滑劑、封堵劑等，充分循環(huán)后，檢測鉆井液性能，調(diào)整至滿足開鉆要求。

二開鉆遇孟公坳組、歐家沖組、錫礦山組，難點問題是防塌、防漏。應嚴格控制鉆井液的API 失水小于5mL，加足防塌劑有機硅腐殖酸鉀、抑制劑銨鹽、KPAM、降濾失劑HV-CMC、改性淀粉等，防止井眼坍塌，如出現(xiàn)井漏，根據(jù)后續(xù)的防漏堵漏程序進行處理。下?244.5mm套管前，使用稠漿充分清掃井底，并加足潤滑劑，保證套管能下到位。

三開鉆遇佘田橋組、棋梓橋組等，難點問題是防塌、儲層保護。應嚴格控制鉆井液的API 失水小于4mL，加足防塌劑有機硅腐殖酸鉀、抑制劑銨鹽、KPAM、降濾失劑HV-CMC 等，防止井眼坍塌及地層出現(xiàn)水敏損害，加足聚合醇，防止水鎖損害儲層。下139.7mm套管前，使用稠漿充分清掃井底，并加足潤滑劑，保證套管能下到位。

（3）防塌卡鉆。鉆至嚴重破碎帶地層嚴格執(zhí)行以下操作規(guī)程：堅持搞好起鉆灌漿工作，鉆具起完井筒內(nèi)盡可能地灌滿鉆井液。鉆進過程中，仔細觀察巖屑返出情況。從返出巖屑粒樣判斷返出是否正常。進入垮塌井段，要注意觀察井下情況，嚴格控制泥漿比重，泥漿密度變化在短期內(nèi)不應超過0.02g/cm3。大排量循環(huán)，及時將掉塊帶出地面。禁止在易塌井段高速起下鉆，以免抽吸壓力過大而導致井塌。停鉆時不能在同一井深段長時間大排量循環(huán)泥漿，以防沖垮井壁。若井塌卡鉆，能開泵則小排量開泵，然后緩慢增大排量，直至恢復正常循環(huán)，上下活動鉆具解卡。

5 應用成效

湘新頁1 井實際鉆井周期109.17d，鉆井工程工期134.25d，平均機械鉆速3.96m/h。全井生產(chǎn)時間2664.50h，占總時效82.54%。其中：純鉆時間677.17h，占總時效20.98%；輔助時間1987.33h，占總時效74.58%；非生產(chǎn)時效時間563.50h，占總時效為17.46%，其中：組織停工時間390.50h，占總時效為12.10%。

湘新頁1井應用鉀銨聚合物防塌鉆井液，井壁坍塌掉塊現(xiàn)象得到了及時緩解，井眼規(guī)則，井底沉屑厚度減小，成功安全鉆穿了井壁垮塌井段，避免了井下復雜情況的發(fā)生。湘新頁1 井的成功經(jīng)驗可為該地區(qū)后續(xù)的頁巖氣勘探鉆井工程提供借鑒。

6 結(jié)論與認識

（1）工區(qū)巖層抗壓強度低，孔內(nèi)應力釋放和泥巖吸水膨脹使孔內(nèi)出現(xiàn)大段垮塌掉塊，形成“葫蘆井眼”。

（2）鉀銨聚合物鉆井液鉆井液體系能抑制井壁垮塌，預防孔內(nèi)事故的發(fā)生。

（3）嚴格要求工程技術(shù)操作，能最大程度地避免人為因素造成井壁垮塌。