頁(yè)巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查湘洞地1井施工技術(shù)

黃晟輝， 奎 中， 吳金生， 趙遠(yuǎn)剛， 馬銀龍

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026)

1 工程概況

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所2017年承擔(dān)“中揚(yáng)子地區(qū)古生界頁(yè)巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目”中的單列項(xiàng)目以中揚(yáng)子地區(qū)古生界富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為評(píng)價(jià)對(duì)象，開(kāi)展頁(yè)巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查，完成2口頁(yè)巖氣調(diào)查井鉆探工程施工任務(wù)；湘洞地1井便是其中的鉆井之一。

湘洞地1井位于湖南省邵陽(yáng)市洞口縣雙聯(lián)村，在構(gòu)造位置上屬邵陽(yáng)凹陷長(zhǎng)塘嶺向斜西翼，出露地層為上泥盆統(tǒng)佘田橋組中層狀泥灰?guī)r夾薄層狀泥晶灰?guī)r，地層產(chǎn)狀比較平緩，為100°∠30°，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。目的層位為泥盆系易家灣組黑色頁(yè)巖。對(duì)黑色頁(yè)巖目的層常規(guī)取心，完成目的層頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)解吸，完成配套的測(cè)井、錄井、固井及完井工作。

湘洞地1井鉆井施工周期115 d，實(shí)鉆井深1708.56 m。

2 鉆井設(shè)計(jì)要求

湘洞地1井屬于頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查垂直井，設(shè)計(jì)井深1500 m。

井斜要求：井深在500 m內(nèi)最大井斜≯2°，井深>500 m后，井斜≯5°，井深>1000 m后，井斜≯8°，全井全角變化率要求控制在2.25°/30 m，終孔水平位移≯150 m。

井徑要求：終孔直徑≮96 mm，備用終孔直徑≮76 mm。

取心要求：全井段取心，平均巖心采取率≥85%；氣層取心時(shí)以最大速度提高內(nèi)管提心速度，提心速度>100 m/min，以減少氣體的損失。

鉆井液要求：不得摻入含油、熒光、與巖石產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的處理劑和添加劑。

3 鉆井施工工藝

3.1 實(shí)鉆地層分層(見(jiàn)表1)

表1 湘洞地1井地層分層

本井開(kāi)孔層位為第四系，鉆遇地層自上而下依次為：第四系、泥盆系上統(tǒng)佘田橋組，泥盆系中統(tǒng)榴江組。

3.2 鉆機(jī)選型與主要設(shè)備配套

(1)鉆機(jī)選型：所選擇的鉆機(jī)設(shè)備負(fù)荷能力及配置應(yīng)能滿足1500 m鉆井的需要，并考慮到完井直徑96 mm及一開(kāi)井徑150 mm，要求選用鉆深能力為2500 m的XY- 8B型巖心鉆機(jī)；但受目前擁有設(shè)備條件所限，湘洞地1井實(shí)際施工選用XY- 6N型巖心鉆機(jī)(鉆深1500～2000 m；鉆桿直徑65、50 mm)，實(shí)鉆證明滿足當(dāng)前施工要求。

(2)設(shè)備配套：配備SG24型四角管子直塔；NBB- 250/60型泥漿泵；1.0 m3泥漿攪拌機(jī)；KXP- 2X型數(shù)字測(cè)斜儀；SFZ18- 21型單閘板防噴器；唐山金石JS- 2500B型繩索取心絞車(chē)；SQ114/8型繩索取心鉆桿液壓鉗；25 kW發(fā)電機(jī)等。

3.3 鉆井結(jié)構(gòu)及施工工藝

鉆井實(shí)際施工1708.56 m，最終完井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一開(kāi)0～3.8 m，采用?150 mm普通金剛石取心鉆進(jìn)，為防止孔斜，特別是開(kāi)孔孔斜，采用粗徑鉆具、擴(kuò)孔器等防斜鉆具組合，做到“以滿保直、以剛保直”；鉆穿表層碎巖石，進(jìn)入完整致密基巖后，下入?146 mm表層套管3.8 m保護(hù)孔口，并用425水泥漿固井。3.8～5.13 m，采用?114 mm普通金剛石取心鉆進(jìn)，形成1.33 m的過(guò)渡井段，為便于二開(kāi)井段開(kāi)孔時(shí)鉆頭對(duì)中。

圖1 湘洞地1井完井井身結(jié)構(gòu)示意圖

因施工設(shè)備所限，本井未采用二級(jí)鉆井平臺(tái)施工，井口無(wú)法直接安裝防噴器，不符合頁(yè)巖氣施工的安全要求，故固井后要求再下挖1.6 m深坑預(yù)留空間安裝單閘板防噴器、放噴及壓井管匯，并按規(guī)范進(jìn)行試壓試驗(yàn)。

二開(kāi)5.13～1500.69 m，采用?96 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)，實(shí)鉆地層穩(wěn)定(奈田橋組灰?guī)r)；如地層較復(fù)雜，原則上盡可能采用沖洗液或其他注漿材料護(hù)壁或堵漏，以簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)(使用高粘度、大密度的膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行護(hù)壁鉆進(jìn)，無(wú)固相鉆井液)，下入?89 mm套管至井深1500.69 m，未固井。

三開(kāi)1500.69～1708.56 m，采用?76 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)至終孔。

3.4 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

(1)一開(kāi)0～5.13 m，孔及上部地層較為復(fù)雜，且開(kāi)鉆井段要保證井斜<0.2°，所以采用低轉(zhuǎn)速、輕壓力、中泵量鉆進(jìn)施工。為防止開(kāi)孔孔斜，采用粗徑鉆具、擴(kuò)孔器防斜鉆具組合，做到“以滿保直、以剛保直”鉆進(jìn)。

(2)二開(kāi)5.13～1500.69 m，實(shí)鉆地層為泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r不等厚互層，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)施工，通常采用中低轉(zhuǎn)速、輕壓力、中泵量鉆進(jìn)施工,實(shí)鉆中根據(jù)地層情況，鉆頭使用情況等適當(dāng)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，以維持所鉆地層與鉆進(jìn)工具兩者的平衡，如：在213.73～625.09 m井段鉆遇產(chǎn)狀陡立，傾角近90°的灰?guī)r地層，采用中轉(zhuǎn)速、輕鉆壓、中泵量，838.82～1028.42 m井段鉆遇黑色中層狀泥質(zhì)灰?guī)r，含泥質(zhì)成分，質(zhì)軟，鉆速提高，巖粉多，采用低轉(zhuǎn)速、輕鉆壓、中泵量。

(3)三開(kāi)1500.69～1708.56 m，實(shí)鉆地層為炭質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖，泥晶灰?guī)r，含炭硅質(zhì)巖，泥質(zhì)灰?guī)r不等厚互層，屬典型的軟硬互層，巖層傾角較大，是極易產(chǎn)生鉆井傾斜的地層，施工中采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，為控制井斜，采用低轉(zhuǎn)速、輕鉆壓、中泵量。

3.5 鉆井液配制和維護(hù)

本井采用無(wú)固相鉆井液或低固相鉆井液。

一開(kāi)井段0～5.13 m的大井眼攜巖問(wèn)題和井壁穩(wěn)定問(wèn)題是上部地層鉆進(jìn)的關(guān)鍵，采用清水鉆進(jìn)，下套管護(hù)壁。

二開(kāi)、三開(kāi)5.13～1708.56 m主要是目的層泥頁(yè)巖遇水膨脹、防垮塌，同時(shí)考慮溢流和井噴等，采用基本配方及處理添加劑，基本配方：3.0%～4.0%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%燒堿(0.1%～0.2%純堿)+0.1%～0.3%聚丙烯酰胺+1%～3%聚合醇防塌劑+0.1%～0.2%CMC鈉羧甲基纖維素，處理劑：抗鹽降粘濾失劑、稀釋劑、潤(rùn)滑劑等。密度1.03～1.06 g/cm3；漏斗粘度18～25 s；泥餅厚<0.5 mm；含砂量<0.3%；pH值8～9；固相含量3%～5%。

每回次必須專人清理鉆井液，用鐵鏟或?qū)I(yè)工具撈取沉淀槽、沉淀池中的泥沙。嚴(yán)格控制鉆井液中的有害固相，正常鉆進(jìn)時(shí)1班清理巖粉2次，定期更換鉆井液。

4 實(shí)鉆施工效果及分析

4.1 鉆井效率

全井施工純鉆時(shí)間共1091.7 h，純鉆時(shí)間利用率39.5%；機(jī)械鉆速1.57 m/h，臺(tái)月效率445.7 m，全井平均鉆時(shí)38.34 min/m。

湘洞地1井鉆時(shí)曲線見(jiàn)圖2。依據(jù)不同井段的平均鉆時(shí)及井徑可將全井分為4個(gè)井段，分析鉆時(shí)曲線：鉆時(shí)隨井深呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；在同一井徑下，井深>1000 m后，鉆時(shí)較之前至少增長(zhǎng)1倍，其中，第三井段1133.19～1500.69 m及第四井段1500.69～1708.56 m，鉆時(shí)曲線波動(dòng)明顯，且幅度較大，表明該井段地層軟硬互層現(xiàn)象較為明顯。

圖2湘洞地1井鉆時(shí)曲線圖

4.2 巖心采取率

巖心采取率要求：全孔平均采取率≥85%，目的層平均采取率≥90%。湘洞地1井終孔孔深1708.56m,全孔取心1698.51m，全孔巖心采取率達(dá)99.41%，巖心采取率高于設(shè)計(jì)要求。共取巖心618回次，平均每個(gè)回次收獲巖心2.75 m。

湘洞地1井巖心致密，完整，質(zhì)地較軟，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝，極大地提高了鉆進(jìn)效率及巖心采取率，全孔采取率高達(dá)99.41%。

4.3 鉆井彎曲度

采用KXP- 2X型數(shù)字測(cè)斜儀共進(jìn)行了17次井斜測(cè)量。設(shè)計(jì)井斜要求：井深在500 m內(nèi)最大井斜≯2°，井深>500 m后，井斜≯5°，井深>1000 m后，井斜≯8°，測(cè)斜儀及測(cè)井測(cè)量數(shù)據(jù)均顯示實(shí)鉆過(guò)程中鉆井頂角得到了有效控制，最終施工鉆井彎曲度符合設(shè)計(jì)要求。鉆孔彎曲度測(cè)量記錄見(jiàn)表2。

結(jié)合測(cè)斜數(shù)據(jù)及位移投影曲線(圖3)分析：湘洞地1井自500 m井深井斜開(kāi)始加劇，結(jié)合實(shí)際鉆遇地層情況，可知遇軟硬互層及陡傾角強(qiáng)造斜地層對(duì)鉆孔頂角影響較大，但通過(guò)適時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)(降低鉆壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速)的措施成功地預(yù)防了產(chǎn)生較大孔斜，滿足質(zhì)量要求。

4.4 井徑擴(kuò)大率

二開(kāi)裸井段中20～1500 m段井徑平均縮小率為1.1%，三開(kāi)裸井段1520～1700 m井徑平均擴(kuò)大率為5%，反映出二、三開(kāi)裸井段井徑無(wú)明顯縮徑和擴(kuò)徑現(xiàn)象。

結(jié)合實(shí)鉆地層分析：全井段以泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，巖心致密，完整，吸水性較差，故無(wú)明顯縮徑和擴(kuò)徑現(xiàn)象，湘洞地1井井徑擴(kuò)大率遠(yuǎn)優(yōu)于優(yōu)質(zhì)井的評(píng)價(jià)指標(biāo)(非頁(yè)巖氣層井段平均井徑擴(kuò)大率≯15%，頁(yè)巖氣層井段平均井徑擴(kuò)大率≯10%)。

表2 鉆孔彎曲度測(cè)量記錄

圖3 湘洞地1井0～1700.00 m井斜位移各向投影圖(測(cè)井?dāng)?shù)據(jù))

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所通過(guò)前期充分論證鉆井施工組織設(shè)計(jì)，優(yōu)選施工方案，中期嚴(yán)控施工質(zhì)量及安全管理，順利有效地完成了湘洞地1井的鉆井及配套的測(cè)、錄井、固井及完井工作。

(1)通過(guò)監(jiān)控調(diào)整泥漿性能參數(shù)，定期檢查卡簧、卡簧座及內(nèi)管等措施，預(yù)防“單管”鉆進(jìn)，取心途中未出現(xiàn)拔斷巖心、損傷巖心、丟心、脫心等現(xiàn)象，保證了獲取巖心的質(zhì)量及采取率，湘洞地1井施工全孔巖心采取率達(dá)99.41%，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

(2)湘洞地1井500 m以深鉆遇軟硬互層及陡傾角強(qiáng)造斜地層，鉆孔軌跡明顯出現(xiàn)了偏移現(xiàn)象，對(duì)鉆井頂角這一成井質(zhì)量指標(biāo)影響極大，但通過(guò)適時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)的措施，有效地控制了井斜，施工完井井斜滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)在鉆探施工管理中，多采取加強(qiáng)事前控制的措施，極大減少了金剛石繩索取心鉆進(jìn)施工中常見(jiàn)的鉆探事故，有效預(yù)防井內(nèi)事故的發(fā)生，提高了施工臺(tái)月效率(臺(tái)月效率達(dá)445.7 m)，湘洞地1井在鉆探設(shè)備條件有限的情況下滿足了施工質(zhì)量和安全生產(chǎn)的要求。

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