廣西柳州頁巖氣東塘1井成膜防塌無固相沖洗液現場研究及應用

李明星 談 珂 聶 三

（廣西壯族自治區第四地質隊，廣西 南寧 530000）

0 概述

東塘1井是《廣西柳州地區1∶5萬頁巖氣地質調查》項目部署的頁巖氣調查井，該井設計為直井，設計完井井深931m，實際完井深度1224.65m，勘探層位為下石炭統羅城組、鹿寨組。東塘1井的鉆探目的是為了進一步研究并獲取柳州東部地區下石炭統鹿寨組頁巖氣成藏的地質條件，具體如下。調查柳州東部地區早石炭世中早期臺溝相、潮坪-沼澤相等沉積相內部富有機質泥頁巖的發育情況，研究富有機質層段的頁巖氣成藏的地質條件；查明柳州東部地區下石炭統鹿寨組的巖性、沉積相及富有機質有效泥（頁）厚度，獲取富有機質泥頁巖段的頁巖氣相關參數。

1 地質構造

工作區位于桂中坳陷的東部，主要分布有海西—印支期構造層，遍布整個研究區，主要由泥盆系、石炭系、二疊系及下三疊統組成，發育近南北向、北東向組為主的褶皺、斷裂發育。褶皺形態寬緩開闊，斷裂多具多期次活動特征。

研究區的構造演化可分為3個階段，先后經歷了裂谷海槽演化階段、大陸形成階段及濱太平洋大陸邊緣活動帶發展階段；時間上可劃分雪峰—加里東構造旋回、海西構造旋回、印支構造旋回、阿爾卑斯構造旋回（包括燕山構造旋回及喜山構造旋回）。

研究區受到燕山期、喜山期構造運動的影響，石炭系以上地層受到強烈的剝蝕，在研究區內出露的地層以泥盆、石炭系地層為主。本年度調查的目的層為下石炭統鹿寨組（C1lz）、寺門組（C1s）、英塘組（C1yt），兼顧中下泥盆統東崗嶺組（D2d）、四排組（D1-2s）、郁江組（D1y）地層。

2 地層簡介

通過鉆探實鉆地層劃分，本井鉆遇地層有：第四系；石炭系羅城組（C1l），鹿寨組三段（C1lz3）未穿，見表1。

東塘1井孔深0m～3.50m為第四系浮土層；3.50m～53.40m為下石碳統羅城組的生物碎屑灰巖、灰巖夾黑色薄層狀泥巖、灰巖；53.40m～256.50m為下石碳統鹿寨組三段的鈣質泥巖、黑色泥巖、生物碎屑灰巖夾黑色薄層泥巖、黑色泥巖夾粉砂巖。

3 鉆井設備

該項目為頁巖氣調查井項目，設計鉆孔深度為東塘1井931m。因實際地層和設計地層有出入或地質情況出現變化，有可能要求加深鉆井深度。投入HXY-8B立軸式鉆機一臺套，主要鉆井設備見表2。

4 井身結構設計

4.1 井身結構設計原則

井身結構設計便于鉆井、完井的施工，以滿足獲取參數的需要；有效保護目的層位，使目的層位免受鉆井液的傷害；鉆井過程中避免漏、溢、涌、噴、塌、卡等井下復雜情況的發生；在保證鉆井質量和保障安全前提下，盡可能簡化井身結構，降低鉆井成本。滿足降低鉆井液環空壓力損失要求。

4.2 井身結構

根據工作區地質特征及地質調查井工程質量要求，結合以往類似地層的施工經驗，采用四開井身結構（套管回收），具體方案如下。一開：Φ170mm口徑，孔深6.20m，下Φ168mm×7套管6.50m，水泥固井。二開：Φ145mm口徑，孔深77.60m，下Φ139.7mm×6.35套管75.00m，不固井。三開：Φ122mm口徑，孔深355.80m，下Φ114.3mm×6.35套管354.00m，套管底部水泥固井。四開：Φ99mm口徑，鉆進孔深982.00m，下Φ89mm×4.5反絲套管到982m，套管底部水泥固井。五開：Φ78mm口徑，裸孔鉆進孔深1224.65m。

5 分層鉆進技術

根據巖層情況及井身結構要求，選用的鉆井方法及鉆具如下。

5.1 開孔鉆進

采用Φ170mm口徑鉆進，并穿過亞砂土層、伸入相對完整的灰巖1m～2m。砂質黏土層采用Φ170mm合金單管鉆具鉆進；灰巖采用金剛石鉆頭鉆進。

5.2 裂隙、溶洞漏失層鉆進

采用SYZX-122繩索取心液動錘鉆具頂漏鉆進。鉆遇裂隙或溶洞漏失的羅城組灰巖時，采用Φ139.7mm×6.35套管跟管鉆進，鉆穿漏失層；如鉆遇羅城組灰巖漏失層較厚，跟管能力不足，則采用JS122繩索取心鉆具頂漏鉆進，鉆穿羅城組灰巖，采用Φ122mm擴Φ145mm前導向擴孔鉆具擴孔，再下入Φ139.7mm×6.35套管，隔離漏失層。

5.3 新鮮基巖層鉆進

用JS122繩索取心鉆具鉆進至鹿寨組三段的石英砂巖，孔深250m～300m（具體深度視實際情況而定）；以下孔段則采用SYZX-96繩索取心液動錘鉆具鉆進至終孔。

5.4 破碎、取心難地層鉆進

采用繩索取心液動錘噴反鉆具、底噴隔水孕鑲金剛石鉆頭配合爪卡簧鉆進。

6 優選鉆井液

6.1 鉆井液選擇原則

鉆井液要求低失水、低固相、低摩阻、攜帶及懸浮鉆屑能力強、防氣侵能力強、抑制性能強，防止井壁坍塌；鉆井液不能影響熒光錄井；做到含氣層保護、環境保護、鉆井安全的統一；盡可能減少鉆井液對機械、鉆桿和套管產生的腐蝕；金剛石繩索取心鉆進鉆桿與井壁的間隙小，環空流速高，壓力損失大，鉆桿內通徑大、流速低，要求鉆井液須有良好的流變性，防止鉆桿內壁結垢、誘發鉆孔漏失。

6.2 沖洗液配方浸泡試驗對比

根據在用泥漿體系，選擇出2種沖洗液配方進行浸泡試驗對比，巖心樣品如圖1所示。

對巖心1進行了浸泡試驗，配制的沖洗液配方見表3；沖洗液性能見表4，浸泡試驗情況如圖2、圖3所示。

由表3、表4、圖2及圖3可以看出，2#沖洗液（成膜防塌無固相沖洗液）配方巖心浸泡試驗效果顯著。

6.3 現場應用分析

東塘1井于2016年9月5日開始，在256.50m～982.00m孔段，首次應用成膜防塌無固相沖洗液鉆進。鉆遇地層為下石碳統鹿寨組三段的鈣質泥巖、黑色泥巖、生物碎屑灰巖夾黑色薄層泥巖、黑色泥巖夾粉砂巖。部份鹿寨組三段地層極破碎，黑色泥巖為水敏、破碎不穩定地層，如圖4所示。

圖1 巖心樣品圖

圖2 1#沖洗液配方浸泡試驗情況

表1 東塘1井地層分層數據表

表2 投入的主要鉆井設備一覽表

表3 配制沖洗液配方表

表4 配制沖洗液配方性能表

該套沖洗液為根據該公司東塘1井的巖心，進行浸泡試驗，最終對比分析后提供的沖洗液配比，對頁巖氣施工中的泥頁巖地層有較好的抑制性能。

但根據東塘1井982m前施工經驗，存在以下缺點及不足：該沖洗液維護較困難，泥巖中鉆進，巖屑中的高嶺石、綠泥石、伊利石等成分會分散并進入沖洗液體系，導致無法沉淀及分離，最終使沖洗液黏度及相對密度越來越大，成膜效果越來越差，失水量越來越高，并且繩索取芯內管打撈筒投放、打撈困難，嚴重影響施工進度，拖延工期。

6.4 改良沖洗液配比

因燒堿含鈉離子，起水化分散作用，不利于絮凝鉆屑，是沖洗液黏度增高的原因之一，采用氫氧化鉀代替燒堿，調節沖洗液的pH值；并把增黏劑GTQ的用量降低；配制成膜防塌體系基漿：清水+0.2%氫氧化鉀+5%成膜體系A劑+5%成膜體系B劑+0.2%包被劑BBJ+1%防塌潤滑劑GFT+1%封堵劑GFD-1，采用不同加量的增黏劑GTQ，成膜防塌休系無固相沖洗液試驗成果見表5。

委托北京探礦工程研究所，對成膜防塌無固相沖洗液和PVA1788成膜體系無固相沖洗液進行對比試驗。沖洗液配比見表6，沖洗液性能試驗成果見表7，巖樣浸泡試驗成果如圖6、圖7所示。

根據巖樣浸泡試驗成果，成膜防塌無固相沖洗液的抑制性能、維持孔壁穩定的能力，比PVA1788成膜體系無固相沖洗液強，更適用于深孔特別復雜地層鉆進。

圖3 2#沖洗液配方浸泡試驗情況

圖4 東塘1井140～142回次孔深333.90m～339.40m巖心圖片

后期經過摸索后，對該套沖洗液進行了適當調整，操作如下。①使用孔段：256.5m～1224.65m。②成膜防塌無固相鉆井液配比（優化后）。具體為清水+0.1%～0.2%氫氧化鉀+5%成膜體系A劑+5%成膜體系B劑+0.5%～0.8%聚乙烯醇（PVA1788）+0.1～0.2%包被劑BBJ+0.5%～1%防塌潤滑劑GFT+0.2%～0.4%增黏劑GTQ+1%～2.5%封堵劑GFD-1+0.5%～1%無熒光潤滑劑（GLUB）。③配漿方法。第一步在清水中加入氫氧化鉀，待其溶解后加入成膜體系A劑和B劑攪拌5min～10min。第二步加入聚乙烯醇（PVA1788）、增黏劑GTQ、防塌潤滑劑、GFD-1攪拌15min左右；第三步加入包被劑攪拌10min～20min，待材料充分溶解后即可使用。

表5 成膜防塌休系無固相沖洗液現場試驗成果表

表6 配制沖洗液配方表

表7 配制沖洗液配方性能表

6.5 應用及效果

現場沖洗液配制及性能調節維護要求如下。①每配制1000L新漿加量：清水1000L+2kg氫氧化鉀+50kg成膜體系A劑+50kg成膜體系B劑+5kg～8kg聚乙烯醇（PVA1788）+2kg包被劑BBJ+10kg防塌潤滑劑GFT+4kg增黏劑GTQ+10kg封堵劑GFD-1+5kg～10kg無熒光潤滑劑（GLUB）。相對密度1.06～1.08，塑性黏度PV：5mPa·s～8mPa·s，API濾失量6mL～10mL，pH值：10～12。②控制API濾失量6mL～10mL，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+8.5kg成膜A劑+8.5kg成膜B劑+2～3kg聚乙烯醇（PVA1788）+0.8kg包被劑BBJ+4kg防塌潤滑劑GFT+4kg封堵劑GFD-1。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，直到泥漿池中的漿液API濾失量達6mL～10mL。③控制固相含量及漿液相對密度1.06～1.10，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+0.8kg包被劑BBJ。

圖6 1#沖洗液配方浸泡試驗情況

圖7 2#沖洗液配方浸泡試驗情況

待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，每班酌情添加，但必須控制泥漿池中的漿液塑性黏度不得增加大于0.5mPa·s。④控制pH值10～12，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+0.8kg氫氧化鉀。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，直到泥漿池中的漿液pH值達10～12。⑤地層漏水或地層破碎時，封堵裂隙，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+4kg～10kg封堵劑GFD-1。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，漏失解除后，每班酌情添加。⑥提高塑性黏度至5mPa·s～8mPa·s，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+1.6kg增黏劑GTQ。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，直到泥漿池中的漿液塑性黏度達5mPa·s～8mPa·s。⑦提高沖洗液潤滑性能，每調節1000L原漿加量，原漿1000L+5～10kg高效潤滑劑GLUB。從鉆桿內加入，每班酌情添加。通過優化，該沖洗液維護相對方便，具有高效的潤滑性能，較強的抑制性、護壁性能，并且繩索取芯內管打撈筒能夠輕松投放，未出現取芯內管打撈及投放困難現象。

7 結語

東塘1井鉆孔開孔口徑為170mm，終孔孔徑為77mm。全孔巖心平均采取率為98.82%，巖礦心的采取率較高，孔深孔斜無超差，簡易水文測量達到要求，封孔質量較好，鉆探工程各項指標質量滿足要求。設計完井井深931m，后因地質原因，要求鉆井加深，實際完井深度1224.65m，使用優化后的成膜防塌無固相沖洗液后，東塘1井得以順利完鉆，達到了預期的鉆井目的。