大同盆地北部油氣預(yù)查鉆井工程實踐

徐學(xué)軍

(山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊，山西 大同 037008)

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大同盆地北部油氣預(yù)查鉆井工程實踐

徐學(xué)軍

(山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊，山西 大同 037008)

大同盆地北部油氣預(yù)查施工區(qū)地層主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖和砂礫巖不等厚互層。上部砂礫層膠結(jié)松散、破碎，易掉塊坍塌；泥巖水敏性強，易分散造漿，護壁困難，鉆進中易產(chǎn)生卡鉆及粘附卡鉆。設(shè)計井深一般為1000～3000 m，鉆進中合理采用了不同類型、結(jié)構(gòu)的鉆頭，鉆具和取心工具，調(diào)整了鉆進技術(shù)參數(shù)，并選用了雙聚-成膜無固相鉆井液體系及其它相應(yīng)的工藝技術(shù)措施，孔壁穩(wěn)定，保證了正常施工。其中也順利完成了側(cè)鉆井施工任務(wù)，均取得了較好的效果。

油氣勘探；取心技術(shù)；側(cè)鉆井；雙聚-成膜無固相鉆井液

1 工程概況

大同盆地北部油氣預(yù)查勘探是山西省地勘基金項目，也是省經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略計劃開發(fā)重點項目之一。位于大同市西部，毗鄰山陰、懷仁和左云三縣，區(qū)域面積約9200 km2，由我隊承擔(dān)組織施工。按照設(shè)計，鉆井順序由南至北，先進行小口徑預(yù)查后再進行大口徑勘探試井。主要目的是獲取石炭、二疊系各地層及巖心組合特征，查明二疊系保德組底部與右所堡組不整合接觸面地層的特征和含油氣特征，初步評價區(qū)內(nèi)油氣成分、含量、分布規(guī)律和影響因素，評價其潛在資源量，為油氣層普查提供地質(zhì)依據(jù)。

2014年4月開始投入施工，至2017年3月共完成探井2眼，參數(shù)井3眼，完成鉆探工作量共8012 m，產(chǎn)值3000萬元。主要集中在該區(qū)南部山陰北周莊—懷仁鵝毛口一帶，面積約2100 km2。先期施工的DY-1井在井深1806～1864 m處氣測顯示全烴含量0.7%～9.31%，天然氣儲層厚度64.02 m，儲層壓力18.45 MPa，經(jīng)反復(fù)研究論證，區(qū)內(nèi)資源前景可觀，勘探工作漸進式向北延伸，預(yù)計中—北部鉆井深度可達4000～5000 m，據(jù)有關(guān)規(guī)劃設(shè)計預(yù)計近年內(nèi)完成全部預(yù)查勘探工作任務(wù)。

2 構(gòu)造、地層特征及鉆井施工難度

2.1 構(gòu)造及地層特征

大同盆地北部在大地構(gòu)造上位于中朝地臺中北部，跨山西斷裂隆起區(qū)和燕山臺褶帶兩個二級構(gòu)造單元，經(jīng)歷了地槽、地臺及大陸邊緣地臺演化三個演化階段。該區(qū)南部山陰北周莊—懷仁鵝毛口一帶地層自上而下一般為：上部為第四系覆蓋層0～80 m；下部棕紅色、黑色、紅色泥巖，砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖，砂質(zhì)頁巖，砂巖和砂礫巖不等厚互層，深80～1880 m，該段上部砂礫巖膠結(jié)極為松散、破碎，最大厚度350 m，平均200～260 m；底部為角閃片麻巖，相對完整。

2.2 施工難度

由于砂礫巖大多呈半膠結(jié)狀，松散、破碎，局部較厚；泥巖水敏性強，膨脹性大。鉆進中極易產(chǎn)生坍塌、掉塊、縮徑、分散造漿，護壁困難且難于采心，并易導(dǎo)致井內(nèi)事故。給鉆探施工帶來較大困難，阻礙了鉆井施工的正常進行。

3 鉆井工藝技術(shù)

3.1 主要設(shè)備及附屬設(shè)備選擇

3.1.1 探井設(shè)備選擇

探井設(shè)計深度<2000 m，為小口徑鉆探，主要設(shè)備選擇為：YDX-1800A型全液壓履帶式和XY-8B型立軸深孔巖心鉆機，配BW300/16B型交流變頻泥漿泵，200 kW柴油發(fā)電機組(康明斯NTA855-GA,拖車式)。

3.1.2 參數(shù)井設(shè)備選擇

參數(shù)井設(shè)計深度2000～3000 m，為大口徑鉆探，主要設(shè)備選擇為：ZJ45型鉆機；ZJ45型井架，高度47.6 m；3NB-1300型泥漿泵2臺；PZ12V-190型柴油機3臺，總功率2646 kW；440 kW P550EL型發(fā)電機2臺；三級攪拌固控凈化系統(tǒng)(ZJ202型)；閘板防噴器(FZ35-35，35 MPa)；液壓防噴控制器。

鉆機、三級攪拌固控凈化系統(tǒng)和閘板防噴器見圖1。

3.2 鉆進工藝

3.2.1 鉆進方法及井身結(jié)構(gòu)

探井穿過第四系覆蓋層后采用金剛石(復(fù)合片)小口徑繩索取心鉆進工藝；一開?153 mm下?146 mm套管，深80 m；二開?122 mm下?114 mm套管，深600 m；三開?98 mm，四開?75 mm。鉆進中據(jù)實際情況在條件許可原則下堅持預(yù)留最小口徑(?75 mm)。

參數(shù)直井采用PDC鋼齒(鑲齒)五齒刮刀鉆頭鉆進工藝，側(cè)鉆井采用1.5°單斜螺桿馬達(動力鉆具)定向鉆進工藝。一開?346.10 mm下?273.10 mm套管后水泥固井，深220 m，二開?215.90 mm，視油氣特征，若需下套管則下?139.70 mm套管至井底后水泥固井，后通過射孔壓裂試井。目的層段采心采用同徑金剛石繩索取心鉆頭鉆進，一徑完鉆。

3.2.2 鉆具(組合)特征、鉆頭類型選擇及鉆井參數(shù)

圖1 鉆機、三級固控凈化系統(tǒng)和閘板液壓防噴器

探井采用金剛石小口徑繩索取心鉆具，鉆頭類型選擇為金剛石(或復(fù)合片)繩索取心鉆頭，外徑比常規(guī)大3 mm，泥巖鉆進中一般選用復(fù)合片繩索取心鉆頭，利于克取巖石，排除巖粉，提高時效。鉆進參數(shù)一般選擇為：壓力7～12 kN，轉(zhuǎn)速150～650 r/min，泵量75～135 L/min；松散、破碎礫巖鉆進中因壓力過大易造成孔斜，鉆桿、鉆具折斷，轉(zhuǎn)速過高，鉆桿撞擊孔壁使孔壁不穩(wěn)，應(yīng)以中壓、低速、小泵量為主。

參數(shù)直井鉆具組合如下。

一開：?346.10 mm鉆頭+?177.8 mm鉆鋌9根+?127 mm鉆桿。

二開常規(guī)鉆具：?215.90 mm鉆頭+止回閥+?177.80 mm鉆鋌12根+?127 mm鉆桿。

二開鐘擺鉆具：?215.90 mm鉆頭+止回閥+?177.80 mm鉆鋌2根+?212 mm螺旋扶正器+?177.80 mm鉆鋌10根+?127 mm鉆桿。

目的層采心組合鉆具：原組合鉆具+?215.90 mm金剛石取心鉆頭+?177.80 mm繩索式半合管取心工具+?127 mm鉆桿。

鉆進參數(shù)：壓力100～140 kN，轉(zhuǎn)速90～120 r/min，泵量28～35 L/s，泵壓8～15 MPa。一開鉆進采用輕壓、慢轉(zhuǎn)、小泵量，鉆頭一般選擇為PDC鋼齒(鑲齒)五齒刮刀鉆頭(HAT127/HJ517G)，上部使用鋼齒鉆頭，由于泥巖較多，地層相對較軟，易于克取巖石；下部地層相對較硬，使用鑲齒鉆頭，易于提高時效。

3.2.3 取心技術(shù)

探井采用金剛石小口徑繩索取心鉆具采取巖心，松散、破碎層采用屏蔽式蓮蓬卡簧，控制鉆井參數(shù)及回次進尺，適當(dāng)降低鉆壓、轉(zhuǎn)速，控制泵壓；參數(shù)井目的層取心段一般在1800～1885 m之間，長約85 m，采用金剛石大口徑繩索取心底噴鉆頭，屏蔽式蓮蓬卡簧，繩索半合管(?215 mm金剛石繩索取心鉆頭、蓮蓬卡簧見圖2)同徑取心，一鉆完鉆的工藝技術(shù)措施，有效地保證了巖心采取率滿足地質(zhì)設(shè)計要求。

3.3 鉆井液的應(yīng)用

3.3.1 鉆井液類型選擇

正確、合理地選擇鉆井液類型及性能特點是鉆井能否成功的關(guān)鍵之一。據(jù)油氣勘探鉆井液特點及地層情況選用了雙聚-成膜無固相鉆井液體系，該體系具有較強的抑制性，防塌效果好，低濾失量，流變性好，攜砂能力強，潤滑性好，減少振動使用方面。

圖2 取心鉆頭及卡簧

3.3.2 鉆井液配方及性能

鉆井液配方及性能見表1。

表1 鉆井液配方及性能

3.3.3 鉆井液的配制

開孔為黃土覆蓋層一般采用：0.5‰～3‰聚丙烯酰銨干粉(PAM)+2%～5%增粘劑(KP241)+0.2%～1.0%抗鹽共聚物(GTQ)。性能：漏斗粘度20～30 s，密度1.03～1.10 g/cm3。鉆進中據(jù)地層情況按照配方添加其它處理先將其逐步轉(zhuǎn)化為雙聚防塌鉆井液體系，而后再根據(jù)地層變化情況按配方及時添加成膜A劑再將其轉(zhuǎn)化成成膜防塌無固相鉆井液體系，嚴(yán)重破碎、坍塌、掉塊地層可再添加2%～5%成膜B劑。

3.3.4 鉆井液的現(xiàn)場維護管理

(1)探井施工須配置旋流除砂器，布置泥漿坑1個(>15 m3)，沉淀坑3個(>10 m3)，循環(huán)系統(tǒng)長度≥20 m，每5 m加擋板1個，據(jù)場地情況盡量增長循環(huán)長度，及時清理循環(huán)槽及沉淀坑內(nèi)沉渣。每天定時補充新漿1～3 m3。

(2)參數(shù)井采用容量30 m3三級攪拌凈化固控系統(tǒng)，布置沉渣池(650～800 m3)，上部漿液可回收利用。

(3)探井配置泥漿機臺配套儀，專人專職負(fù)責(zé)鉆井液技術(shù)工作，參數(shù)井設(shè)有鉆井液性能測試室，定時測定鉆井液的性能指數(shù)，并據(jù)地層要求及時調(diào)整鉆井液性能指標(biāo)，滿足地層要求。

(4)松散、破碎層及時轉(zhuǎn)化鉆井液體系，將雙聚防塌鉆井液及時轉(zhuǎn)化為成膜防塌無固相鉆井液體系，據(jù)地層情況及時調(diào)整各種處理劑加量，保證孔壁穩(wěn)定。視情況可將成膜防塌鉆井液中再加入2%～4%成膜B劑，松散、破碎層區(qū)段鉆井液的防塌效果更加明顯，DY-2井鉆進至510 m時，井內(nèi)出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象，地層為黑色砂質(zhì)泥巖(見圖3)，分散性較強，在原漿液體系中添加了成膜B劑，孔壁逐漸穩(wěn)定，順利鉆進至終孔。

圖3 DY-2井巖心(508～514 m)

3.3.5 雙聚-成膜防塌無固相鉆井液的作用效果

(1)具有較強的水化抑制能力，防塌效果好。主要是利用處理劑中K+(NH4+)的鑲嵌作用及聚合物的包被作用，阻止了地層中水敏性地層(粘土)在原有水化狀態(tài)下進一步水化的能力，使得水敏性地層不易產(chǎn)生分散和水化膨脹，從而抑制坍塌掉塊，保護孔壁穩(wěn)定。

(2)在探井小口徑繩索取心鉆進中，低密度、低切力有利于提高轉(zhuǎn)速，在液流慣性離心力以及化學(xué)處理劑粘結(jié)等因素共同作用下，能使繩索鉆桿內(nèi)減少泥皮，并在孔壁上形成薄而韌的泥皮，減少失水保護孔壁。

(3)降濾失、抑制作用。由于鉆井液中增粘劑(KP241)、降失水劑(GPNA)，改性銨鹽、磺化酚醛樹脂均具有較好的提粘、降濾失及抑制作用，共同作用在孔壁上能形成一種特殊的水化膜，保持較低的濾失量，有利于孔壁穩(wěn)定。

(4)鉆井液流動性好，攜帶巖粉能力強，孔底干凈，利于提高時效。

3.4 側(cè)鉆井鉆進技術(shù)

3.4.1 設(shè)計目的及要求

DY-3井完井后無油氣異常，DY-1井為小口徑探井發(fā)現(xiàn)的儲層段含氣特征不能進行試井驗證，兩井距離較近，為節(jié)約上部工作量及搬遷等勘探費用，經(jīng)研究在DY-3井原井眼二開井段設(shè)計了一眼側(cè)鉆井DY-3-X1(參數(shù)井)。該井設(shè)計方位角117°，穩(wěn)斜角30°，造斜率15°/100 m，全角變化率1.5°/30 m，側(cè)鉆點1100 m，造斜鉆進分兩段進行，造斜段1100～1450 m，穩(wěn)斜段1450～2000 m，井深2000 m，在DY-3井深1100 m處開始側(cè)鉆造斜，穿過DY-1井深1820 m后見片麻巖完井。水平間距約365 m。DY-3-X1井軌跡見圖4。

圖4 DY-3-X1井軌跡圖

3.4.2 側(cè)鉆技術(shù)

3.4.2.1 準(zhǔn)備工作

側(cè)鉆前在DY-3井1060 m以深用水泥封固，候凝24 h下鉆掃水泥塞至側(cè)鉆點。下鉆前在地面認(rèn)真檢測彎套度數(shù)和動力鉆具記號是否和彎點一線，測試動力鉆具，檢查MWD儀器的組裝，工程人員和測量人員一起測量儀器內(nèi)角差和動力鉆具外角差。無誤后下鉆掃水泥塞實際至1086 m開始側(cè)鉆。

3.4.2.2 偏斜工藝

采用1.5°單彎螺桿馬達定向動力鉆具，內(nèi)配脈沖式定向儀(MWD)，鉆進中井眼軌跡走向利用脈沖信號通過鉆井液介質(zhì)傳到地面進行采集數(shù)據(jù)，室內(nèi)直觀掌握偏斜情況，通過調(diào)整鉆壓及轉(zhuǎn)盤方位控制軌跡走向。操作中嚴(yán)格控制鉆壓及轉(zhuǎn)盤方位，準(zhǔn)確把握造斜率和全角變化率，防止出現(xiàn)大“狗腿”，否則及時糾正調(diào)整，保持軌跡沿著預(yù)定走向偏斜鉆進。

造斜段采用的鉆具組合：?215.9 mm牙輪鉆頭+?172 mm 1.5°單彎動力鉆具+431×410回壓凡爾+定向接頭+?177.8 mm無磁鉆鋌(MWD)+?127 mm鉆桿。

鉆進中嚴(yán)格控制鉆井參數(shù)，一般為鉆壓40～60 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min+螺桿，泵量28～30 L/s，泵壓10～12 MPa。穩(wěn)斜段采用組合鉆具：原鉆具鉆頭改換?215.9 mm PDC五齒刮刀鉆頭+原鉆具，鉆井參數(shù)控制為鉆壓20～40 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min，泵量28～32 L/s，泵壓8～10 MPa。

實際鉆進中“狗腿”最大15°/100 m，閉合方位116°,穩(wěn)斜角29.5°，閉合位移364 m，垂直深度1813 m，造斜段實際鉆進1086～1484 m，進尺398 m，穩(wěn)斜段實際鉆進1484～1903 m，進尺419 m，順利穿越目的層，完井深度1903 m，達到了設(shè)計的目的。

3.4.2.3 注意事項

(1)起下鉆時，動力鉆具入井，嚴(yán)禁劃眼和懸空處理漿液，遇阻時，可換方位活動鉆具下放，若無效，起鉆通井，以防劃出新眼。

(2)穩(wěn)斜段較長，穩(wěn)斜角較大，滑動鉆進加壓困難，在方位不變的情況下，用鉆壓控制井斜，少滑動鉆進，多旋轉(zhuǎn)鉆進，做到平滑、減小鉆鋌的摩阻和扭矩，增大機械鉆速。

(3)后期施工摩阻較大，定向脫壓嚴(yán)重，需要定向時，及時加入潤滑劑，效果良好，施工中認(rèn)真觀察記錄摩阻變化情況，有增大趨勢的情況，及時有效地采取調(diào)整措施。

(4)偏斜鉆進對鉆井液攜巖、潤滑性能要求高，要保持鉆井液性能穩(wěn)定，井底干凈，井內(nèi)液流暢通。

4 鉆井施工效果

4.1 完成情況

完成工作量情況及經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 完成工作量情況及經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)

4.2 效果分析對比

采用以上鉆探工藝措施共完成了鉆井5眼，工作量8012 m，施工中一般深約2000 m參數(shù)井有效臺時15～20天/眼，井內(nèi)事故少，孔壁穩(wěn)定，巖心采取率平均98%以上，鉆探時效達12 m，平均臺月效率達3000 m以上，取得了較好效果及效益，主要表現(xiàn)在以下幾點。

(1)鉆井液護壁性能好，孔壁穩(wěn)定。特別是參數(shù)井鉆進中提下鉆雖時間相對轉(zhuǎn)長，井深時起下鉆每趟最少22 h，但無遇阻現(xiàn)象出現(xiàn)。

(2)鉆井液流動性、潤滑性好，易于探井小口徑金剛石開動高轉(zhuǎn)速，攜帶巖粉能力強，下鉆直接到底，井底干凈無沉淀，利于提高鉆探時效及臺效。

(3)地層泥巖較多，水敏性、分散性強，縮徑、造漿嚴(yán)重，因鉆井液具有強抑制性，保證了鉆井液性能指標(biāo)不受地層侵蝕破壞，達到了正常鉆進的目的。

(4)在松散、破碎層鉆進中只要適當(dāng)調(diào)節(jié)處理劑加量，特別是適當(dāng)增加包被劑和成膜劑加量，護壁效果明顯。

(5)探井小口徑繩索取心鉆進中鉆頭外徑比常規(guī)稍大，有利于降低環(huán)空阻力，防止孔壁坍塌。參數(shù)井上部巖石較軟，采用鋼齒鉆頭，下部巖石軟硬采用鑲齒鉆頭，易于克取巖石，攜帶巖粉，提高時效。

(6)針對項目特點及地層特征所選配的設(shè)備、鉆頭、鉆具滿足地層及鉆探工藝要求，并順利完成了側(cè)鉆井施工任務(wù)，達到了預(yù)期目的。

(7)DY-1井由于上馬倉促，由外協(xié)隊伍施工，經(jīng)驗不足，鉆進到730和1105 m時發(fā)生2次鉆桿折斷事故，打撈處理鉆桿的過程中因打撈器下不到位，掃孔時上部礫石層(見圖5)掉塊、坍塌，最后采用擴孔的辦法處理事故共耗時384 d，故臺月效率大大降低，成本增大。

圖5 DY-1井礫石層巖心

(8)DY-3井施工中，按設(shè)計要求在1786 m開始進行取心，2個回次進尺9.3 m，巖心長度4.6 m，巖心采取率只有49%，不能滿足地質(zhì)要求。由于地層泥巖較軟，砂巖較破碎，巖心被漿液沖蝕，通過分析研究及時采取相應(yīng)措施，將金剛石鉆頭水路改為底噴式，普通卡簧改為長爪蓮蓬式(見圖2)，巖心采取率達98%以上。期間耽誤臺時156 h。

5 存在的問題

(1)探井鉆進中采用循環(huán)系統(tǒng)配合除砂器進行凈化漿液，循環(huán)槽及沉淀坑需及時清理，平均每天需排放2～3 m3廢漿，再補充新漿，勞動強度大成本高，下一步要考慮配置固控凈化系統(tǒng)。

(2)參數(shù)井目的層采心段雖只有50～85 m。但大口徑采心困難，井深時提下鉆耗時長，平均每個回次用時20～26 h，回次進尺只有4～6 m，成本高，下一步要解決大口徑繩索取心問題，進一步提高鉆探效益。

6 結(jié)語

實踐證明，針對該區(qū)地層特征及油氣探查鉆進特點，所采取的一系列鉆探工藝措施是合理的，行之有效的，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。所取得的效果和經(jīng)驗技術(shù)為我隊下一步深井—超深井以及類似油氣勘探工程項目施工奠定了良好的基礎(chǔ)。我們的經(jīng)驗和認(rèn)識還不夠，探索才剛開始，工作中還存在很多問題和難點，有待今后不斷進一步完善改進。

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Drilling Engineering Practice of Oil and Gas Pre-exploration in Datong Basin/

XUXue-jun

(The 217 Geological Team, Shanxi Provincial Geological Prospecting Bureau, Datong Shanxi 037008, China)

In the oil and gas pre-exploration in northern part of Datong basin, the construction area formation is interbedded mainly with mudstone, sandy mudstone, carbonaceous mudstone and sandy conglomerate, loose cemented gravel in upper part, which are broken with block falling, and mudstone has strong water sensitivity and is easy to disperse and mud making, wall protection is difficult, blocking and sticking occur in drilling process. The designed well depth is generally 1000～3000m, different types and structures of drill bit, tools and coring tool are adopted, drilling parameters are adjusted. Dual polymer filming non-solid drilling fluid system is selected together with corresponding technological process and measures to realize wall stability and the side tracking are successfully completed.

oil and gas exploration; coring technology; side tracking; dual polymer filming non-solid drilling fluid

2017-04-12

徐學(xué)軍，男，漢族，1962年生，鉆探工程專業(yè)，從事探礦工程技術(shù)及管理工作，山西省大同市永泰南路79號，13403420703@163.com。

P634；TE24；TE25

B

1672-7428(2017)06-0052-06