湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工工藝

譚千鐘

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，湖南耒陽421800）

湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工工藝

譚千鐘*

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，湖南耒陽421800）

通過湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井施工，總結(jié)在頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井領(lǐng)域采用多級(jí)繩索取芯鉆探技術(shù)，利用繩索鉆桿作為套管進(jìn)行復(fù)雜地層孔內(nèi)隔離施工工藝，在巖溶地層、水敏、水溶性地層順利鉆井，為今后在該領(lǐng)域的同類工程施工提供參考。

頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井；鉆井；繩索取芯鉆具；溶巖地層；水敏、水溶性地層

頁巖氣是蘊(yùn)藏于頁巖層中的一種天然氣，為國土資源部2012年12月31日公布的非常規(guī)新礦種。以其分布廣、儲(chǔ)量大、便于開采等優(yōu)勢(shì)條件，成為現(xiàn)階段具有商業(yè)價(jià)值的新能源。武漢地質(zhì)調(diào)查中心、華電集團(tuán)等在湘中地區(qū)開展頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)和有利區(qū)塊優(yōu)選工作。我隊(duì)承擔(dān)了該區(qū)塊頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井施工，通過多井鉆井實(shí)踐摸索，形成了一套切實(shí)可行的頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工工藝，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用效果。

1　地層情況及地質(zhì)技術(shù)要求

1.1地層情況

湘中坳陷位于華南褶皺系北部，西鄰雪峰隆起，北靠溈山隆起，南接桂中坳陷，東鄰衡山隆起，是以下古生界變質(zhì)巖系為基底發(fā)展起來的一個(gè)晚古生代～中三疊世的碳酸鹽巖為主夾碎屑巖為特征的準(zhǔn)地臺(tái)型沉積坳陷區(qū)。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育齊全，自元古界板溪群—新生界第三系均有出露。由于區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，巖溶、斷裂發(fā)育，破碎帶、軟硬互層及水敏、水溶地層等情況交替復(fù)雜多變；在進(jìn)入主要調(diào)查目的層寒武系牛蹄塘組時(shí)，可能遇到鉆井液溢流或氣涌，鉆探施工相對(duì)復(fù)雜。

1.2地質(zhì)技術(shù)要求

（1）除第四系表土覆蓋層，要求全井取芯率大于75%，目的層取芯率大于90%；（2）平均井徑擴(kuò)大率不大于15%；（3）終孔直徑不小于77mm；（4）直井完井井斜不大于5°；（5）目的層鉆進(jìn)取樣，鉆進(jìn)完成取樣時(shí)間不大于30min/次。

2　頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井施工難點(diǎn)

湘中頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆進(jìn)與常規(guī)固體礦產(chǎn)鉆探施工相比存在幾個(gè)難點(diǎn)：（1）巖溶地層厚度較大，溶洞、裂隙發(fā)育，地層破碎，容易發(fā)生井漏；（2）地層傾角較大，一般25°～42°，為易傾斜地層即順層跑地層，井斜難控制；（3）目的層主要為泥頁巖，為水敏、水溶性地層，容易遇水膨脹，造成井壁不穩(wěn)定；（4）目的層巖芯采取率要求高。

3　鉆井施工

3.1鉆井設(shè)備

我隊(duì)在頁巖氣鉆井施工中主要選用的配套設(shè)備有YDX-1800型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)、XY-5型、XY-6型立軸鉆機(jī)；WB-18型鉆塔；現(xiàn)場(chǎng)還配備了便攜式H2S報(bào)警儀、風(fēng)向標(biāo)、泥漿測(cè)試儀、測(cè)斜儀等專用檢測(cè)儀器。

現(xiàn)場(chǎng)主要采用武漢金地探礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)?122S、S95、S75的NQ系列繩索取芯鉆具。

3.2鉆井工藝

3.2.1鉆井結(jié)構(gòu)

為滿足地質(zhì)技術(shù)要求，頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井選擇如下鉆井結(jié)構(gòu)表（表1）及井身結(jié)構(gòu)圖（圖1）。

3.2.2鉆頭選取

金剛石繩索取芯鉆進(jìn)選取鉆頭時(shí)必須充分考慮所鉆巖層的機(jī)械物理性質(zhì)、金剛石品質(zhì)級(jí)別、金剛石濃度、胎體硬度、鉆頭的唇面形狀及水口形狀，使所選鉆頭和所鉆巖層巖性相配套。通過對(duì)湘中地層多年鉆探實(shí)踐對(duì)比分析，該區(qū)域內(nèi)頁巖氣地層巖石可鉆性要考慮3個(gè)方面；（1）施工主要地層，由泥巖、泥灰?guī)r、頁巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖等，有時(shí)軟硬交替頻繁，巖性總體偏軟，平均可鉆性級(jí)別小于5；（2）其次是強(qiáng)研磨性硬巖層，主要為硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)灰?guī)r、中細(xì)粒石英砂巖等，巖石硬度大，可鉆性級(jí)別高，一般6～9；（3）間夾弱研磨性硬巖層，俗稱打滑地層，主要為硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖等，可鉆性級(jí)別高，8～12級(jí)。經(jīng)區(qū)內(nèi)多井施工比較，所用繩索取芯鉆頭選擇見表2。

表1　頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆井結(jié)構(gòu)及套管（鉆桿）尺寸要求

圖1　頁巖氣調(diào)查井井身結(jié)構(gòu)（單位：mm）

3.2.3鉆進(jìn)參數(shù)選擇及操作注意事項(xiàng)

湘中局部區(qū)域地層傾角較大，一般25°～42°，并且軟硬交替頻繁，為易傾斜地層，因而必須合理選用鉆進(jìn)參數(shù)，精心操作，確保在控制孔斜的前提下，提高鉆探施工效率，鉆進(jìn)參數(shù)見表3。

（1）在回次鉆進(jìn)過程中，鉆壓勻速，發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)速度明顯加快要及時(shí)調(diào)整，減小鉆壓，控制鉆進(jìn)速度，防止軟硬互層時(shí)壓力過大造成鉆頭順層跑，導(dǎo)致井斜偏大。

（2）鉆進(jìn)軟硬互層地層，特別是鉆進(jìn)目的層，如果鉆進(jìn)壓力不當(dāng)或壓力不均，會(huì)使巖芯變細(xì)或平時(shí)說的“車葫蘆”一節(jié)大一節(jié)細(xì)，打撈時(shí)卡簧無法卡住巖芯，造成目的層巖芯采取率偏低。鉆進(jìn)巖性較硬的地層時(shí)S95、S75分別選用? 63.5mm/63.7mm、? 45.5mm/ 45.8mm的卡簧；鉆進(jìn)較軟（或目的）地層S95、S75分別選用?63.2mm、?45.2mm的卡簧。

表3　頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井鉆進(jìn)參數(shù)表

（3）鉆進(jìn)破碎地層，適當(dāng)加大鉆壓，降低轉(zhuǎn)速，盡量減少鉆具震動(dòng)。

（4）在鉆進(jìn)過程中，密切關(guān)注井口上返沖冼液，如果發(fā)現(xiàn)鉆井液發(fā)生液流或氣顯，要及時(shí)加重鉆井液密度進(jìn)行處理。

3.2.4套管工藝

（1）前期鉆進(jìn)時(shí)，沿用傳統(tǒng)的套管級(jí)配，就是采用小口徑鉆進(jìn)后，再逐級(jí)擴(kuò)孔，然后下套管，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率，而且在擴(kuò)孔過程中極易發(fā)生孔內(nèi)事故。鉆遇破碎垮塌地層時(shí)，先用大口徑鉆具鉆穿復(fù)雜地層后，起鉆聯(lián)接套管下入井內(nèi)，如遇垮塌破碎或掉塊則起上套管重新掃孔，或用比套管小一級(jí)的鉆具透孔后再下套管，如此反復(fù)，極大地減少了純鉆時(shí)間，影響了施工進(jìn)度，還可能造成卡、埋套管事故。

（2）采用多級(jí)金剛石繩索取芯鉆具鉆進(jìn)，極大地提高了鉆進(jìn)效率，克服了一些復(fù)雜地層（巖溶地層、破碎垮塌地層）套管隔離問題。采用多級(jí)繩索取芯鉆具鉆穿復(fù)雜地層后，起鉆換成薄壁鉆頭，鉆桿涂抹黃甘油后，直接將鉆桿作為技術(shù)套管下入井內(nèi)，下鉆途中如遇掉塊，可以直接開動(dòng)鉆機(jī)掃除掉塊，保證套管一次到位。在繼續(xù)鉆進(jìn)過程中，再次鉆遇復(fù)雜地層，還可以在不起套管的情況下繼續(xù)追加技術(shù)套管，減少事故發(fā)生。采用多級(jí)繩索取芯鉆具鉆進(jìn)可以按既定的施工方法一次成孔，又可以按照施工的實(shí)際情況追加套管，隔離破碎垮塌帶，提高了純鉆時(shí)間利用率，為鉆孔順利完成提供了有利的保障，同時(shí)提高了巖芯的采取率。

3.2.5鉆井液

湘中地區(qū)頁巖氣地層巖性基本以泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁巖、砂質(zhì)泥頁巖、泥質(zhì)頁巖為主，為水敏、水溶性地層，該地層遇水極易水化膨脹，造成鉆孔坍塌、縮徑。鉆井液不僅要求具有冷卻鉆頭、降低泵壓、潤(rùn)滑鉆具性能良好、攜帶巖粉能力強(qiáng)，同時(shí)要求鉆井液能平衡地層壓力，抑制泥、頁巖水化膨脹保護(hù)孔壁，保護(hù)油氣層。發(fā)現(xiàn)鉆井液液流或氣顯時(shí)，提高鉆井液的密度，防止發(fā)生井噴事故。

通過對(duì)湘中地區(qū)采集巖芯樣本進(jìn)行室內(nèi)鉆井液對(duì)比試驗(yàn)及采集鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆鉆井液數(shù)據(jù)對(duì)比，總結(jié)出3種適宜湘中地區(qū)頁巖氣鉆井液：

（1）無固相鉆井液。適應(yīng)于巖性較完整，水敏、水溶性較弱的地層。鉆井液性能參數(shù)：密度1.01～1.03g/cm3，粘度17～25s，pH值8～9。鉆井液配方：5%PHP+純堿+ 1‰X-1稀釋劑+水。

（2）低固相鉆井液。適應(yīng)于泥巖、頁巖等水敏、水溶性地層。鉆井液性能參數(shù)：密度1.03～1.06g/cm3，粘度23～42s，pH值7～8，失水量3～6mL/30min。鉆井液配方：5%膨潤(rùn)土+1%SD-1+0.5%KP+0.3%CMC+ 3‰PHP+5%KCl。

（3）高密度鉆井液。適應(yīng)于產(chǎn)生溢流和氣涌的地層。鉆井液性能參數(shù)：密度1.07～1.12g/cm3，粘度35～55s，pH值8～9。

鉆井液配方：3%膨潤(rùn)土+1‰純堿+3‰CMC+8‰SMC+12‰磺化瀝青+6%重晶石+6%廣譜護(hù)壁劑+水。

上述鉆井液的使用，在鉆井液粘度適當(dāng)，鉆井液固相含量得到有效控制，井底清潔的前提下，有效的抑制氣體釋放，減少了鉆井液密度變小而造成的井內(nèi)垮塌；鉆井液失水量小極大程度地抑制了泥頁巖的水敏、水溶水化膨脹，減少了卡埋鉆等事故；只要鉆井液的密度適中，基本滿足了湘中地區(qū)頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工需要。

4　成果

通過對(duì)湘中地區(qū)頁巖氣常頁1井、漣頁1井、漣頁2井、漣頁3井、漣參1井的鉆井施工實(shí)踐，極大地縮減了輔助時(shí)間，有效地增加了純鉆時(shí)間，明顯縮短了施工周期，加快了工程進(jìn)度?；拘纬闪艘惶纵^為簡(jiǎn)單、切合實(shí)際的鉆井施工工藝。采用多級(jí)金剛石繩索取芯輕壓快轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)，配以與地層相宜的鉆井液，就能取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，為湘中地區(qū)頁巖氣進(jìn)一步勘探、開發(fā)和地質(zhì)研究提供了可靠翔實(shí)的資料。為加快頁巖氣資源勘探及同類巖溶地層、水敏、水溶性地層施工提供參考。

5　結(jié)語

表4　湘中地區(qū)巖氣調(diào)查（參數(shù)）井主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

（1）湘中地區(qū)頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井施工證明，合理的鉆井結(jié)構(gòu)、優(yōu)質(zhì)的鉆井液、適宜的鉆進(jìn)參數(shù)加上精心的操作，保證了頁巖氣調(diào)查（參數(shù)）井順利完成，減少了孔內(nèi)事故，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

（2）隨著我國頁巖氣勘查的全面展開，各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，在今后頁巖氣鉆井施工中，鉆井施工工藝有待進(jìn)一步完善和細(xì)化。

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1004-5716（2016）03-0054-04

2015-02-05

2015-02-06

譚千鐘（1963-），男（漢族），湖南湘潭人，工程師，現(xiàn)從事探礦技術(shù)負(fù)責(zé)工作。