安徽皖江地區(qū)頁巖氣鉆井施工技術(shù)難點及對策探討

秦鵬飛,吳承國，蔣冬冬,倪晉剛

（安徽省煤田地質(zhì)局第二勘探隊, 安徽蕪湖 241001）

0 引言

近幾年來，頁巖氣被稱為“天然氣戰(zhàn)略新銳”，受到國家能源勘探的重視。頁巖氣是以吸附和游離狀態(tài)存在于泥頁巖中的可開發(fā)利用的氣藏，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。頁巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣，在20世紀70年代中期以前曾被歸入非經(jīng)濟可采資源，但是隨著天然氣開發(fā)技術(shù)的進步及對氣體能源需求的劇增而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟可采資源。目前北美地區(qū)是全球頁巖氣商業(yè)開采的領(lǐng)頭羊，2015年美國頁巖氣產(chǎn)量達到2800×108m3，占美國天然氣總產(chǎn)量的約1/3，已在世界范圍內(nèi)引起巨大的關(guān)注，引發(fā)所謂的“頁巖氣革命”。我國自2004年起，國土資源部油氣戰(zhàn)略研究中心與中國地質(zhì)大學（北京）合作開展了頁巖氣資源的研究工作，2011年，國務(wù)院批準頁巖氣為新的獨立礦種，成為我國第172種礦產(chǎn)。安徽省于2010年開始涉足頁巖氣資源調(diào)查研究工作，并由中石化華東分公司2010年在安徽宣城地區(qū)完成了安徽省頁巖氣調(diào)查第一口探井-宣頁1井，井深達2848m，后期安徽省又實施了一些其他頁巖氣勘探項目。安徽省煤田地質(zhì)局第二勘探隊于2015年組織實施了安徽皖江地區(qū)1∶5萬頁巖氣地質(zhì)調(diào)查子項目-皖江地區(qū)頁巖氣調(diào)查地質(zhì)鉆探施工工作。該項目于2016年03月02日第一口頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井“港地1井”開鉆，至2016年11月09日 “南地1井”順利終孔，共完成鉆井兩口，完成工作量3004.82m（設(shè)計3000m），完成率100.16%。鉆井質(zhì)量評定：兩井均為甲類孔，優(yōu)質(zhì)率100%。

1 項目目標及任務(wù)

1.1 項目目標

獲取鉆井地質(zhì)資料，取全取準目的層系巖性、厚度等相關(guān)資料，為該區(qū)地質(zhì)層位標定提供依據(jù)。查明安徽皖江地區(qū)地層層序，獲取地表深部大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組、五峰-高家邊組富有機質(zhì)泥頁巖厚度、有機地球化學、儲集性能和含氣性等頁巖氣評價參數(shù)，探索區(qū)域構(gòu)造發(fā)育特征，為評價安徽皖江地區(qū)頁巖氣資源潛力提供資料支撐。

1.2 工作部署

本項目共部署鉆井兩口。其中“港地1井”位于港口-水東地區(qū)，行政隸屬安徽省宣城市宣州區(qū)?！澳系?井”位于南陵縣三里鎮(zhèn)地區(qū)，行政隸屬安徽宣城市和蕪湖市交界處，井位示意圖見圖1。

2 鉆井設(shè)計及技術(shù)要求

2.1 鉆井設(shè)計

鉆井設(shè)計深度：詳見表1，孔深誤差范圍：≦1‰。

設(shè)計傾角：90°（直孔），鉆孔彎曲度全孔允許范圍：≦2°/100m。

圖1 安徽皖江地區(qū)頁巖氣調(diào)查井井位示意圖Fig. 1 Locations of shale gas survey wells in the Anhui Wanjiang area

表1 安徽皖江地區(qū)頁巖氣調(diào)查井設(shè)計情況表Table 1 Design of shale gas survey wells in the Anhui Wanjiang area

2.2 鉆井技術(shù)要求

該工程項目涉及鉆探工程施工與編錄測試，使用鉆井能力大于1500m的鉆機。技術(shù)要求按照國土資源部、中國地質(zhì)調(diào)查局的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程、標準和井位論證方案執(zhí)行。

工作方法：要求井深不小于1500m，基巖段全取芯，同步開展錄井、測井、固井及鉆井評價等配套工作。

（1）開鉆位置：鉆井開鉆的位置、傾角、方位按設(shè)計執(zhí)行。

（2）巖礦芯采取：鉆穿第四系后至井底連續(xù)進行鉆井取芯，基巖段取芯率不低于90%。巖礦芯采取要牢靠，防止脫落和殘留。殘留巖芯過多，影響到采取率時，必須及時打撈。巖芯出筒后按井深和順序正確排放裝入巖芯箱，不得錯位和顛倒。巖礦芯提取時準確量取巖芯長度，不得弄虛作假。巖芯箱制作牢固，規(guī)格統(tǒng)一。巖芯箱的一側(cè)用紅漆以規(guī)整的字體寫明礦區(qū)名稱、孔號、箱號、鉆機號及箱內(nèi)巖芯的起訖號。巖礦芯必須寫明編號并畫上指示鉆進方向的箭頭，每一回次巖芯用鉛筆填寫一木隔板，放入箱內(nèi)相應(yīng)位置。防止損壞、日曬、雨淋及丟失。

（3）鉆井彎曲度：鉆進過程中應(yīng)及時測定鉆井彎曲度，確定其在深部的空間位置，以免達不到設(shè)計目的。要求每鉆進50m，必須進行天頂角和方位角的測定。鉆井換徑或見主要礦體時，均應(yīng)加測頂角和方位角?？傮w井斜不超過8°。水平井底位移不超過200m，偏斜超差時及時設(shè)法補救。

（4）井深驗證：每鉆進100m或在見主要礦體、重要標志層、構(gòu)造破碎帯以及完鉆后均應(yīng)用鋼卷尺丈量鉆具，驗證井深。井深誤差每百米不超過0.1m，超出允許誤差時，應(yīng)及時平差。

（5）鉆探野外記錄表：由專人負責，認真填寫，妥善保管。報表記錄做到及時、準確、詳細、整潔且客觀實際反映情況，完鉆后匯訂成冊，歸檔存查。

（6）簡易水文觀測：要對孔內(nèi)靜止水位、沖洗液消耗量、涌（漏）水位置及涌（漏）水量等進行觀測，必要時進行專門水文地質(zhì)觀測。

（7）鉆井封閉：鉆探工程結(jié)束驗收后，經(jīng)南京地質(zhì)調(diào)查中心同意的情況下采用水泥漿進行封孔，并在孔口立水泥樁作為標記。

3 鉆探工藝選擇

3.1 鉆探設(shè)備

根據(jù)鉆井設(shè)計要求選擇鉆進能力及工藝技術(shù)相匹配的地質(zhì)巖芯鉆機，整個項目共投入鉆機設(shè)備兩臺套，詳見表2。

表2 主要鉆探設(shè)備一覽表Table 2 List of main drilling equipment

3.2 井身結(jié)構(gòu)

主要的鉆井難點是既要取準取全上部地層含氣性，同時本井還要求進行全井段連續(xù)取芯任務(wù)，設(shè)計鉆遇碳質(zhì)泥頁巖層、煤層,施工中極容易發(fā)生井塌、抱鉆、井漏、下鉆遇阻等事故。設(shè)計要求該井采用的繩索鉆探技術(shù),鉆具環(huán)空間隙小,對入井液性能要求高。入井液的黏度和比重過大不利于返漿,反之不利于護壁。因此井身結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮生產(chǎn)施工質(zhì)量安全要求，兼顧經(jīng)濟性，物料準備與供應(yīng)的可行性，總體勘探的一致性。

為保證資料錄取完整鉆井總體采用四開井身結(jié)構(gòu)：Φ150mm→Φ130mm→Φ114mm→Φ95mm，既能保證上部松軟地層井眼施工安全，同時此井身結(jié)構(gòu)配套鉆頭等物資和材料便于準備，購買周期短，能夠較好地減少成本，加快鉆井施工時效。主要井身結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 “港地1井”井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Well bore configuration of the Gangdi well 1

3.3 鉆進方法

全井采用繩索取芯鉆進技術(shù)，提高巖礦心采取率同時最大限度減少起下鉆的輔助時間，確保含氣性測試數(shù)據(jù)的準確性，提高整體成井效率。

3.4 鉆頭選擇

主要使用金剛石取芯鉆頭，擴孔使用牙輪鉆頭。具體鉆頭使用情況見表3。

3.5 泥漿技術(shù)

以“港地1井”為例介紹泥漿配比及使用情況。

3.5.1 上部井段

上部井段巖性主要為砂礫石等破碎及較松軟地層，約100～200m，鉆井液采用雙聚泥漿。在該段主要控制泥漿的黏度和比重，其性能具體要求見表4：

（1）泥漿材料:配制雙聚泥漿的材料為清水、黏土、純堿、聚丙烯腈和聚丙烯酰胺。黏土使用山東產(chǎn)優(yōu)質(zhì)膨潤土，其造漿率為18m3/t；聚丙烯腈（粉劑），分子量10×104～20×104，水解度36%，聚丙烯酰胺（粉劑）分子量為500×104～700×104，水解度36%，堿為純堿；清水就地打井抽水。

表3 “港地1井”鉆頭使用情況及鉆井參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Drill bits used for the Gangdi well 1 and statistics of drilling parameters

表4 雙聚泥漿主要性能Table 4 Main properties of double-polymer mud

（2）泥漿的配制:粉劑腈、胺分別在二個容器內(nèi)浸泡2d，分別配制10%和0.4%～0.6%濃度的溶液備用。先在泥漿池中放入清水并按比例加入純堿，然后徐徐加入黏土粉攪拌均勻進行水化24h，加入稀釋好的聚丙烯腈攪拌30min后，再加入稀釋的聚丙烯酰胺攪拌20min后即成。雙聚泥漿的配比見表5。

表5 雙聚泥漿配比表Table 5 Double-polymer mud proportioning table

在泥漿使用過程中性能會發(fā)生變化，需經(jīng)常調(diào)整和補充新泥漿或處理劑，其調(diào)整方法是：降低泥漿比重和黏度時，加入適當聚丙烯酰胺或泥漿；提高黏度時可加入聚丙烯腈或基漿，堅持少調(diào)、勤調(diào)的原則，以增強泥漿的黏度和切力，很好的保護井壁，防止井壁坍塌和鉆井液漏失。并準備足夠的堵漏材料，保證施工的正常進行。

3.5.2 下部井段

下部井段地層巖性以扁擔山組灰?guī)r、三疊系灰?guī)r及二疊系泥頁巖為主，以防漏、預(yù)防垮孔為主，主要使用低固相鉆井液。低固相泥漿一般是泥漿中黏土固相含量小于4%的泥漿，其最大的特點是泥漿相對密度低，對小口徑金剛石鉆探施工來說，低固相泥漿可減少鉆具回轉(zhuǎn)的摩擦阻力，減少泵壓損失，提高機械鉆速和減少孔內(nèi)漏失。對于比較深的鉆井，由于黏土顆粒少，高溫下也不稠化，能使泥漿性能保持穩(wěn)定。

低固相沖洗液的配方：清水(H2O) +膨潤土+鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)+純堿(Na2CO3)

低固相沖洗液性能要求：比重≤1.07；黏度20～24s；pH值9～11；含砂量＜0.5%；失水量＜15mL/30min(表6)。

表6 鉆井液分段使用統(tǒng)計表Table 6 Statistics of staged use of drilling fluid

3.5.3 泥漿管理

（1）機組每小班指定一個人員兼管沖洗液。

（2）按規(guī)定的比例和要求調(diào)整沖洗液，各種化學處理劑不得隨意亂加。

（3）鉆進過程中，每小班必須現(xiàn)場測試沖洗液性能指標(黏度、比重、失水量、含砂量)一次，并記錄在班報上。當沖洗液性能發(fā)生變化時，應(yīng)及時調(diào)整；現(xiàn)場沖洗液測試工具應(yīng)加強保護，用后清洗干凈并妥善保管。

（4）鉆進過程中，每個鉆探回次應(yīng)清理循環(huán)槽，每48h應(yīng)清理沉淀池。

（5）沖洗液循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)避免雨水和地表水流入沖洗液儲存池內(nèi)。

加強泥漿的三級管理，嚴格遵守雙聚泥漿的配制方法和操作程序，聚丙烯腈和聚丙烯酰胺的干粉必須提前浸泡，待全部溶解后方可加入，鉆機應(yīng)由機長負責，班長配合進行調(diào)整和管理，每天至少測定一次泥漿主要性能并作好記錄，保證達到規(guī)定要求。

（6）井場應(yīng)儲備一定量的重晶石粉和除硫劑（堿式碳酸鋅），在鉆至目的層位前，在備用泥漿池中加入適量的重晶石粉配制重泥漿，替換孔內(nèi)泥漿，以平衡井內(nèi)壓力，預(yù)防鉆進到目的層位出現(xiàn)井噴現(xiàn)象；當監(jiān)測儀器檢測到H2S后，應(yīng)加入燒堿以增加鉆井液的pH值，然后加入堿式碳酸鋅除硫，防止鉆具被快速腐蝕。

4 鉆探工程質(zhì)量管理

（1）嚴格執(zhí)行《中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目管理辦法》（試行）（中地調(diào)發(fā)【2011】18號）及頁巖氣勘探的其他技術(shù)要求。主要從7個方面進行質(zhì)量管理：施工組織設(shè)計，巖礦芯采取率，原始班報記錄，鉆孔彎曲度，孔深誤差測量與校正，簡易水文觀測，鉆孔封閉實施情況。另外，錄井及測井作為鉆井質(zhì)量驗收的內(nèi)容。

（2）實行三級質(zhì)量管理。具體做法為：班組互查、機臺或項目組自查、隊部對項目進行不定期抽查，發(fā)現(xiàn)問題及時提出整改措施限期整改并驗收。

（3）鉆孔工程質(zhì)量驗收。經(jīng)南京地質(zhì)調(diào)查中心、地質(zhì)、鉆探各方成立質(zhì)量驗收專家組，首先進行野外現(xiàn)場質(zhì)量驗收，召開質(zhì)量驗收會議，從巖礦芯采取率、原始記錄、鉆孔彎曲度量、孔深誤差測量與校正、簡易水文觀測、封孔設(shè)計及實施、氣測錄井、物探測井對照鉆井設(shè)計要求進行鉆井質(zhì)量評定。質(zhì)量成果：項目所完成兩個鉆孔全部為甲級鉆孔，優(yōu)質(zhì)率100%。

5 項目取得成果

安徽皖江地區(qū)1:5萬頁巖氣調(diào)查項目，設(shè)計2個鉆孔，完成2個鉆孔，完成率100%；設(shè)計鉆探工程量3000m，完成鉆探工程量3004.82m，完成率100.16%。鉆井質(zhì)量評定：甲類孔2個，優(yōu)質(zhì)率100%。其中，“港地1井”在二疊系大隆組和龍?zhí)督M地層中發(fā)現(xiàn)了頁巖氣、砂巖氣、煤層氣以及頁巖油。該井在二疊系海陸過渡相頁巖氣鉆井方面的重大發(fā)現(xiàn)，為安徽皖江地區(qū)頁巖油氣勘探提供了有力支撐。

鉆井井深結(jié)構(gòu)采用四開，即：

Φ150mm→Φ130mm→Φ114mm→Φ95mm，結(jié)構(gòu)簡單合理，可在同類項目中采用此類結(jié)構(gòu)推廣使用。

（3）上部砂礫巖及破碎巖層段主要采用雙聚泥漿，下部灰?guī)r段及泥頁巖段主要采用低固相泥漿，可在同類地層鉆孔施工中借鑒使用。

（4）XY系列繩索取芯鉆機在皖南頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查勘探施工中應(yīng)用效果良好，可推廣使用。

（5）針對項目施工組織設(shè)計中提出的影響成井質(zhì)量的重點環(huán)節(jié)和關(guān)鍵工序調(diào)派相應(yīng)工作經(jīng)驗比較豐富的專業(yè)技術(shù)人員，例如泥漿調(diào)配直接影響成井安全質(zhì)量，該項目調(diào)配了具有30多年泥漿管理經(jīng)驗的技師負責專門駐點現(xiàn)場調(diào)配。

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