張頁1 井鉆成井施工技術

王海濤

（河北省煤田四隊，河北 張家口 075100）

頁巖氣作為重要的戰略能源、清潔能源，越來越得到國家重視，頁巖氣的勘探開發利用有利緩解煤炭產能減少、農村地區煤改氣等原因造成的能源短缺問題，對環境治理、經濟社會穩定具有重要意義[1]。

張家口地處北京西部，為首都“西大門”，張頁1 井的開發與利用對治理大氣污染，改善京張生態環境，緩解日益嚴重的資源問題具有重要意義，是服務北京，建設京張生態涵養圈的重要體現。

河北省張宣地區東部下花園組和下馬嶺組2 套地層分布較廣、厚度較大、蓋層條件有利于頁巖氣的儲藏。其中下花園組泥巖和煤層交互沉積，賦存煤層氣和致密砂巖氣，具有較好的資源潛力。

1 工作區概況

1.1 地理位置

工作區交通位置如圖1 所示。

圖1 交通位置圖

工作區位于張家口市宣化區東南下花園一帶，區內有宣東一井、宣東二號煤礦、段家堡煤炭預查區、宣東煤礦南部外圍預查區、黑黛山煤炭普查區，總面積約590 km2。

工作區西部為宣西煤炭預查區，南部有下花園煤礦、玉帶山煤礦、前山井、雞鳴山井、雞鳴驛礦、懷來礦業有限公司，東部外圍有艾家溝煤礦、水窯溝一井、于洪寺煤礦一井等煤礦。

1.2 地層概況

本區大地構造位置處于中朝準地臺（I）、燕山沉陷帶（Ⅱ）、冀西陷褶斷束（Ⅲ）、宣龍復向斜（Ⅳ）、宣后向斜（Ⅴ）的中央部位。宣后向斜以其寬緩的褶皺和四周太古界及元古界地層大片出露為特征，并被其外圍的大河南—大海坨斷裂、水泉—洗馬林斷裂、黃羊山—雞鳴山逆掩斷層帶（推覆構造）和懷來—宣化斷裂所圍割。

工作區發育的地層由老至新為：青白口系下馬嶺組（Qbx），侏羅系下統南大嶺組（J1n），下—中統下花園組（J1-2x）、九龍山組（J2j）、髫髻山組（J2t）、后城組（J2h）及第四系（Q）。地層簡圖如圖2 所示。

圖2 地層簡圖

1.3 地層壓力

本井地層孔隙壓力梯度當量密度1.0 0 ～1.05 g/cm3，破裂壓力梯度當量密度1.35～1.60 g/cm3，坍塌壓力梯度當量密度小于0.80 g/cm3。

2 質量要求

第四系不取心，見基巖取心判斷層位，非煤系分段取心和巖屑錄井，即鉆進50 m，取心2～3 m，巖心采取率大于等于80%。下花園組和下馬嶺組全部取心，巖心直徑大于等于58 mm，煤層長度采取率大于等于90%，質量采取率大于等于75%，目標層巖心采取率大于等于90%，同時，減少巖心在井內滯留時間，以防止巖心污染和巖心損失，取心后應盡快進行取樣試驗和現場氣體分析。井徑擴大率小于10%，井斜角度小于等于2°，全角變化率小于等于1.5°/30 m。

3 井身結構

3.1 一開及表層套管

一開用Φ311 mm 鉆頭，鉆穿第四系，進入九龍山組基巖穩定地層，下入Φ244.5 mm 表層套管，套管下深99 m，采用G 級水泥固井，水泥漿返至地面。

3.2 二開及生產套管

二開用Φ215.9 mm 鉆頭，鉆穿下馬嶺組完鉆。下入Φ139.7 mm 套管完井，套管下深1 599 m，固井水泥漿返至地面。井身結構件如圖3 所示。

圖3 井身結構示意圖

4 鉆井工藝

4.1 設備選型

根據設計井深及鉆機性能參數，本井設計選用GZ-2600 鉆機。要求動力設備使用網電進行清潔化生產施工，要求至少配備2 臺滿足鉆井液體系和施工泵壓的鉆井泵，配備滿足鉆井施工處理要求的鉆井液回收裝置[2]。鉆井主要設備如表1 所示。

表1 鉆井主要設備表

4.2 鉆具組合

本井對于井斜質量要求較高，故采用塔式鉆具組合進行施工，如表2 所示。

表2 鉆具組合設計表

4.3 鉆頭選型與鉆進參數

鉆頭選型與鉆進參數選用主要依據地層巖性及宣東煤田勘查3-18、3-19、4-18、4-19 鉆孔實鉆資料確定。具體設計如表3 所示。

表3 鉆頭選型及鉆井參數設計表

4.4 取心鉆具及參數

取心工具表如表4 所示。取心鉆具組合及參數表如表5 所示。

表4 取心工具表

表5 取心鉆具組合及參數表

4.5 鉆井液體系

本井依據地層巖性剖面、地壓預測及井身結構設計等，分段選擇鉆井液體系，配方如表6 所示[3-5]。

表6 分段鉆井液體系配方

4.6 成井

本井套管選型及下深依據頁巖氣井射孔、壓裂設計，詳細數據如表7 所示。

表7 選用套管性能參數表

下套管后，注入前置液，注入設計要求的水泥漿，壓入膠塞后進行替鉆井液，碰壓到位后凝48 h。注水泥前，采取堵漏方法提高裸眼承壓能力，確保在不壓塌、不漏失的基礎上進行固井施工[6-7]。注水泥參數如表8 所示。

表8 注水泥參數表

5 施工難點及應對措施

5.1 地層取心難度大

該井二開后鉆遇地層非常堅硬，研磨性強，可鉆性差。砂巖以石英為主，質地堅硬，研磨性強，地層可鉆性差。在鉆孔過程中，鉆具容易斷裂[8]。采用常規單管取心施工時，鉆進效率極低，約為0.5 m/h，提下鉆也較頻繁，輔助時間增長。后經過分析研判，決定采用大口徑繩索取心鉆進工藝，該工藝較常規工藝能夠減少起下鉆時間，增加純鉆時間，所以鉆進效率較高，平均2 m/h。該工藝使用過程中應著重做好以下幾點。

第一，選擇符合要求的設備及工藝參數。本井采用WH-B 型繩索取心相關設備，如圖4 所示，繩索取心鉆具組合：Φ215.9 mm 鉆頭+繩索取心器+Φ127 mm鉆桿。取心鉆進參數如表9 所示。

表9 取心鉆進推薦參數表

圖4 繩索取心總成

第二，嚴禁帶鉆壓啟動轉盤。使用井底動力時，嚴禁加壓啟動。取心時不準停泵，無特殊情況不準將鉆頭提離井底。取心鉆進過程中，出現泵壓驟降、扭矩增大等異常情況，需要及時提鉆檢查分析原因，采取有效的處理措施。取心鉆進過程中，如遇取心堵塞、卡鉆或研磨，應立即取心。割心時，緩慢上提鉆具，注意觀察指重表顯示，視地層巖性及鉆具規格，一般增加懸重50～300 kN 又立即消除，證明巖心被拔斷。

第三，上提遇阻上下活動無效時，將內筒一起脫開，如不能脫開，則拉斷打撈器的安全銷，提出鋼絲繩，將內外管一起提出。在提心過程，注意隨時往井內灌注鉆井循環介質，以保持井內壓力和保證頁巖氣含量測定可靠性。

5.2 地層易漏失

本井在九龍山組凝灰巖、粉砂巖、角礫巖部（200—600 m）極易發生漏失。在鉆遇漏層位前，調整鉆井液性能，加入高粘堵漏劑3%～5%，提高其攜巖能力與護壁堵漏能力，使其具有良好的流動性。鉆進漏失地層時，采用低速、低泵壓鉆井，適當提高鉆井液密度，在鉆井液中加入1%～2%單封，快速鉆過漏層[9]。盡量使用細目振動篩網（200 目），提高鉆屑清除效率，降低固相含量和表觀黏度。進入區域性或預測的漏失層位前，可加入隨鉆堵漏材料，換用較粗振動篩網，甚至短時間不過篩，力爭實現即時封堵。在起下鉆、開泵等過程中，要認真執行操作規程，減少壓力波動，防止地層漏失[10]。

5.3 在750—940 m 有厚層狀輝綠巖侵入體

結合宣東勘探區以往施工經驗，該層輝綠巖段極易出現坍塌、掉塊、巖屑上返困難等孔內復雜情況。所以施工中，在鉆達該層后，通過增加鉆井液密度，增加KPAM、KHm 的用量，以平衡地層壓力，增加鉆井液的攜巖屑能力、防坍塌能力。

5.4 保護產層要求

產層段的破壞主要受以下幾方面的影響：一是鉆井液體系固相含量高，二是鉆井液引起的頁巖水化分解，三是固井水泥破壞產層[11]。所以在產層段鉆進過程中，采用鉀基鉆井液體系（如表6 所示），以抑制頁巖層段的水化；嚴格控制鉆井液中的固相含量，每循環周密度增加幅度小于等于0.03 g/cm3，利用固控設備盡可能清除鉆井液中的無用固相，保持鉆井液的性能穩定；以優選鉆頭型號，提高鉆速，降低非生產時間，縮短鉆井液對氣層的損害時間；嚴防井漏、井噴等復雜事故發生，減少漏失鉆井液和井噴壓井對油氣層的傷害，提高操作水平，嚴格控制起下鉆速度，防止壓漏地層；提高目的層的鉆井速度，合理安排完井各項工作，降低非生產時間，盡量縮短鉆井液對氣層的浸泡時間，降低對目的層的污染；套管固井時，要嚴格控制水泥漿失水，防止水泥漿漏失造成的環空竄槽傷害氣層[12-13]。

6 主要成果及技術效果

使用dc 指數法、sigma 法、泥頁巖密度法進行地層孔隙壓力監測，并及時繪出dc-H 曲線，根據繪制的趨勢線細致監測地層壓力，結合實鉆地層及鉆效，隨時調整鉆井液密度，實現平衡鉆進，確保安全鉆進。

進行地層承壓能力試驗，試驗目的是了解地層的承壓能力，以便確定合適的鉆井液密度，為防漏、防噴做技術準備。除特殊要求外，每次開鉆在鉆入新地層5～10 m 充分暴露后，對地層進行地漏試驗，以了解套管鞋附近地層的承壓能力，為后續鉆進中鉆井液密度的選取和平衡井內壓力提供依據[14]。

采用大口徑繩索取心工藝，實現了較大間段不提鉆連續取心，顯著降低鉆進輔助時間，提高鉆探效率。通過優化鉆頭選型，選擇合理鉆進參數，能夠有效破碎硬巖。內管提升速度快，減少了目的層受污染時間，提高了所測數據的準確性，降低了頻繁提下鉆所引發的井漏等事故發生頻率。

應用鉀基鉆井液體系，以保護儲層、安全鉆進為目的，既要做到保證井下安全，又要不壓死油氣層，通過測得的地層壓力系數，及時調整鉆井液性能，采用近平衡鉆井技術，嚴格控制泥漿密度，減少泥漿浸泡時間，以減輕油氣層的污染程度，更好地保護氣層。抑制泥頁巖遇水膨脹，嚴防井壁垮塌和擴徑，為取全取準各項錄井、測井資料打下了基礎。

頁巖氣井各項指標均達到質量要求。完井測井結果顯示，頁巖氣目的層和水泥封固段平均井徑擴大率8%，井斜角度1.5°，全角變化率1.3°/30 m，目標層巖心采取率90%，均達到成井質量要求。完井井口安裝了TF244.5×139.7-70 套管頭，Φ139.7 mm 產層套管試壓40 MPa[15]。

7 結束語

在張宣地區施工的第一口頁巖氣井，完成了鉆探、取心、下管固井、完井等作業，配合了錄井、測井、壓裂工作，探明了當地地層巖性及埋藏構造，獲取了地層巖性、巖相、含煤、含氣等地質資料。應用了大口徑繩索取心鉆進技術，鉀基聚合物鉆井液體系，進一步提高了鉆效，保護了目的層，建成了一口合格的頁巖氣參數井，對盤活當地經濟區塊，開發利用清潔能源具有重要意義。