頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查皖南地1井鉆探施工技術(shù)

劉文武, 趙志濤, 翁 煒, 朱迪斯, 單文軍, 賀云超

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 地質(zhì)概況

皖南地1井是部署在安徽省南陵縣煙墩鎮(zhèn)的一口頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查井，目的層為五峰-高家邊組，兼探牯牛潭組-侖山組，設(shè)計(jì)井深1500 m。鉆探的目的是查明安徽皖江地區(qū)地層層序，獲取五峰-高家邊組頁巖厚度、有機(jī)地球化學(xué)、儲(chǔ)集性能及含氣性等頁巖氣評(píng)價(jià)參數(shù)，摸清五峰-高家邊組在皖江地區(qū)的發(fā)育情況，為評(píng)價(jià)皖南地區(qū)五峰-高家邊組頁巖氣資源潛力提供資料支撐，同時(shí)兼顧奧陶系灰?guī)r常規(guī)儲(chǔ)層含氣性調(diào)查。

1.1 地形地貌

工區(qū)位于皖南山區(qū)與沿江平原的過渡地帶，地貌類型較復(fù)雜，呈平原、低山、丘陵和山間盆谷區(qū)的地貌組合。北部和東北部屬于長江下游平原，海拔高度在6～60 m；其余大部分地區(qū)地貌以低山、丘陵和山間盆谷區(qū)為主，海拔高度在80～600 m，且工區(qū)西部海拔整體低于東部，表現(xiàn)為南高北低、東高西低的地勢(shì)。

1.2 地層預(yù)測(cè)

鉆井位置區(qū)域預(yù)測(cè)地層見表1。

1.3 油氣水層位置預(yù)測(cè)

淺水層預(yù)測(cè)在300 m以淺。

油氣層依據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，即皖南地1井頁巖目的層段見表2。

1.4 地層壓力預(yù)測(cè)

根據(jù)南陵1井資料和本井鉆遇地層預(yù)測(cè)，902～1500 m可能存在高壓。鉆遇高家邊組泥頁巖地層及奧陶系灰?guī)r地層，鉆進(jìn)中需注意防塌、防漏。目的層段應(yīng)注意防噴、防火、防硫化氫，要儲(chǔ)備一定的重泥漿備用。

2 鉆井質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求

皖南地1井涉及鉆探工程施工與測(cè)試，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(biāo)準(zhǔn)和井位論證方案執(zhí)行。采用直井多開次鉆探方法，要求井深≮1500 m，同步開展錄井、測(cè)井、固井等配套工作。

表1 皖南地1井地質(zhì)分層數(shù)據(jù)

表2 皖南地1井預(yù)計(jì)高家邊組-侖山組主要目標(biāo)層段

(1)井身質(zhì)量參照《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》(SY/T 5088-2008)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)井口允許移動(dòng)范圍50 m。

(3)全井段井斜≯8°，全井全角變化率控制在3°/30 m。

(4)井底水平位移≯80 m。

(5)全井井徑擴(kuò)大率≯25%。

3 鉆井工藝技術(shù)

3.1 鉆探設(shè)備、機(jī)具配置

鉆探主要設(shè)備根據(jù)施工的鉆井目的、施工的環(huán)境條件、鉆探方法、鉆井深度、終孔直徑等綜合因素確定[1-2]。

鉆探主要設(shè)備配置見表3。鉆探施工現(xiàn)場如圖1所示。

表3 鉆探設(shè)備配置

圖1 皖南地1井鉆探施工現(xiàn)場

3.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]

根據(jù)地層特點(diǎn)、鉆孔深度及終孔直徑，鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如表4所示。

3.2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.2.1 優(yōu)化依據(jù)

表4 皖南地1井鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

注：二開以?98 mm繩索取心鉆進(jìn)，視工況決定是否一徑到底。如需三開，則擴(kuò)孔至?122 mm，?114 mm繩索取心鉆桿作為技術(shù)套管。

在二開鉆進(jìn)過程中，采用?98 mm繩索取心鉆進(jìn)，因在井深1223.34～1226.34 m處發(fā)現(xiàn)2.8 m高的溶洞，失返，嚴(yán)重井漏，經(jīng)論證下套管封隔，因此二開鉆深1230.84 m，將二開使用的?91 mm繩索取心鉆桿作為活動(dòng)套管封隔溶洞，下深1230 m，接著用?77 mm金剛石取心鉆頭+?73 mm繩索取心鉆具總成+?73 mm繩索取心鉆桿鉆至終孔。

3.2.2.2 優(yōu)化后實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

?165 mm鉆頭鉆至233.49 m，下?146 mm套管，水泥固井，井口安裝防噴器。為了保證級(jí)配，?131 mm鉆頭鉆至246.50 m，下?127 mm活動(dòng)套管246.50 m。?98 mm鉆頭鉆至1230.84 m，因遇到溶洞，直接將?91mm繩索取心鉆桿作為活動(dòng)套管，封隔溶洞，下至1230 m。?77 mm鉆頭鉆至終孔井深1506.91 m。實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

3.3 鉆進(jìn)工藝

皖南地1井除開孔及擴(kuò)孔段外，一開、二開、三開口徑均采用繩索取心鉆進(jìn)工藝[4-5]。利用繩索打撈器撈取巖心管取心鉆進(jìn)技術(shù)具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的優(yōu)點(diǎn)就是工程質(zhì)量高，地質(zhì)效果好，提高鉆進(jìn)效率。

3.4 鉆頭設(shè)計(jì)

皖南地1井鉆遇地層主要巖性為灰?guī)r、泥巖、粉砂質(zhì)泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖，巖石可鉆性級(jí)別以4級(jí)為主。巖石硬度較軟，研磨性較弱，選用中等硬度細(xì)顆粒孕鑲金剛石鉆頭。繩索取心鉆頭的水口適當(dāng)加寬，方便排渣，降低泵壓，鉆頭內(nèi)徑加大金剛石濃度，防止鉆頭內(nèi)徑磨損過快。根據(jù)巖石可鉆級(jí)別，以胎體硬度HRC30～40，唇面形式為同心尖齒、同心階梯齒鉆頭為主。

3.5 鉆進(jìn)參數(shù)

XY-8型鉆機(jī)是一款成熟的立軸鉆機(jī)，其轉(zhuǎn)速為Ⅰ擋：0～300 r/min，Ⅱ擋：0～1100 r/min。鉆壓略大于鉆桿二次彎曲臨界鉆壓，對(duì)防止鉆孔偏斜有利[6]。鉆進(jìn)參數(shù)見表5。

表5 鉆進(jìn)參數(shù)

3.6 鉆井液及護(hù)壁[7-8]

3.6.1 鉆井液性能

皖南地1井鉆井液性能主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制。

(1)泥漿潤滑性能。繩索取心鉆進(jìn)工藝主要是靠高轉(zhuǎn)速研磨破碎，在鉆具高轉(zhuǎn)速下泥漿的潤滑性能對(duì)鉆具的保護(hù)尤為重要，尤其是深孔鉆進(jìn)。

(2)泥漿攜帶巖屑的能力。深孔鉆進(jìn)過程中巖粉及巖屑若不能及時(shí)排出，就會(huì)造成巖屑重復(fù)破碎，影響鉆進(jìn)效率，同時(shí)巖粉過多會(huì)造成打撈巖心時(shí)(停泵)泥漿反壓，造成內(nèi)管遇卡情況的出現(xiàn)。

(3)泥漿的護(hù)壁性能。泥頁巖及破碎地層要控制好泥漿失水量及泥餅質(zhì)量，減少泥漿中水的滲透，降低巖層吸水膨脹及垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，長井段的裸眼需要穩(wěn)定的井壁，保證取心鉆進(jìn)順利進(jìn)行。

3.6.2 鉆井液配方

3.6.2.1 一開鉆井液

要求配制快捷，凈化能力好，能支撐上部第四系粘土層及高家邊組上部較松散地層，采用不分散低固相化學(xué)鉆井液。配方：清水1 m3+4%～6%鈉土粉+0.1%～0.3%純堿+600 ppm聚丙烯酰胺+0.1%～0.2%CMC鈉羧甲基纖維素，輔之以磺化瀝青護(hù)壁劑等。性能指標(biāo)：密度1.03～1.07 g/cm3、漏斗粘度22～24 s、失水量8～12 mL/30 min、pH值8～9。

3.6.2.2二開鉆井液

針對(duì)水敏性的泥頁巖、泥質(zhì)含量高的砂巖且大傾角地層，改用防塌性好，排粉能力強(qiáng)，流變性好、抑制性強(qiáng)的低固相防塌聚合物鉆井液體系。配方：1 m3水+1.0～2.0 kg純堿+30～50 kg膨潤土+5～10 kg降失水劑(GPNH)+5～10 kg增粘劑(GTQ)+1～3 kg包被劑+10～20 kg隨鉆堵漏劑(GPC)+20～50 kg封堵劑+5～20 kg極壓潤滑劑(GLUB)。性能指標(biāo)： 密度1.03～1.07 g/cm3、漏斗粘度20～25 s、失水量9～12 mL/30 min、pH值8～9。

3.6.2.3三開鉆井液

頂漏鉆進(jìn)灰?guī)r、白云巖地層，采用普通化學(xué)泥漿，輔以鋸末、麻繩等堵漏材料，保證潤滑降溫，且減少漏失污染。性能指標(biāo)：密度1.02～1.07 g/cm3、粘度20～25 s。

4 復(fù)雜問題的處理

4.1 溶洞處理

皖南地1井在井深1223.34～1226.34 m處發(fā)現(xiàn)2.8 m高的溶洞，上部0.3 m直接失鉆壓，下部2.2 m有填充物，巖心缺失，自然漏失，進(jìn)行溶洞堵漏，共進(jìn)行7次。

1次堵漏：3編織袋鋸末配漿，加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠；鉆桿內(nèi)泵入井底，165 L/min，無效。

2次堵漏：5編織袋鋸末，經(jīng)篩選長度3～6 cm，配漿，加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠；鉆桿內(nèi)泵入井底，165 L/min，無效。

3次堵漏：5編織袋鋸末，且加入4～6 cm的稻草、麻繩和棉絮，配漿，加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠；鉆桿內(nèi)泵入井底，165 L/min，無效。

4次堵漏：海帶10 kg，黃豆25 kg、混合鋸末，拌漿；分3次堵漏，無效。

5次堵漏：篩選大顆粒鉆渣50 L配漿堵漏，無效；混合70 L鉆渣堵漏，無效；靜置一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)返漿，沖掃孔至井底井漏。

6次堵漏：一次加入12編織袋鋸末，堵漏無效。

7次堵漏：堵漏網(wǎng)，500 kg堵漏王，主要為玻璃纖維絲、膨脹劑、堵漏劑等成分，無效。

鑒于堵漏一直無效，經(jīng)過專家論證，用?98 mm的鉆頭鉆至溶洞下面取出完整巖心，用現(xiàn)有?91 mm的鉆桿做套管下放到溶洞下面完整巖石的位置，?91 mm的鉆桿接頭避開溶洞的位置，下入孔內(nèi)的套管全部抹上鈉質(zhì)黃油，S73 mm的繩索取心鉆具鉆進(jìn)鉆至1500 m終孔。做好后期再遇溶洞的預(yù)案：如果在1223.54 m孔深下面還鉆遇溶洞，取出孔內(nèi)?89 mm的套管再用S89 mm的繩索鉆桿鉆至完整巖石再下?89 mm的套管，還是用S73的繩索鉆具鉆至1500 m。

4.2 孔斜控制

孔斜預(yù)防和控制是影響鉆井質(zhì)量和鉆探效率的主要工藝技術(shù)因素之一[9-12]。本井采用SDYQ-48型無線隨鉆測(cè)斜儀，鉆進(jìn)過程中為減少提鉆時(shí)間，在鉆桿內(nèi)測(cè)斜，主要記錄頂角、方位角。在330～360和620～640 m由于地層傾角較大，通過扶正器及降低鉆壓在8～12 kN，保證了鉆孔的孔斜度。全孔最大孔斜度6.17°，符合設(shè)計(jì)要求。

5 鉆井周期及鉆效分析

5.1 鉆井周期

2017年9月30日開鉆，2018年1月31日完鉆，共計(jì)124 d，且在施工中實(shí)際鉆進(jìn)遇見2.8 m溶洞，處理時(shí)間24 d。

5.2 鉆進(jìn)效率

皖南地1井鉆井工期為124 d，平均機(jī)械鉆速2.26 m/h，臺(tái)月效率364.57 m，平均鉆時(shí)26.60 min/m，不計(jì)溶洞處理24 d，鉆機(jī)臺(tái)月效率452.07 m。詳見表6。

表6 鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)

5.3 效率分析

全井生產(chǎn)時(shí)間占87.88%，其中純鉆進(jìn)時(shí)間22.36%，全井非生產(chǎn)時(shí)間12.12%。與同口徑、深度的地質(zhì)孔相比，皖南地1井施工周期略長。主要原因是在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)溶洞，護(hù)壁堵漏及堵漏無效后變更設(shè)計(jì)等待鉆桿鉆具時(shí)間較長，延誤了一部分工期。同時(shí)鉆機(jī)的維修時(shí)間略長，占據(jù)11.23%。

6 結(jié)語

皖南地1井于2017年9月29日通過開鉆驗(yàn)收，采用繩索取心工藝鉆進(jìn)，同步開展錄井，2018年1月31日23:53順利完鉆，完鉆深度1506.91 m，完鉆層位奧陶系紅花園組。該工程實(shí)現(xiàn)了鉆探的目的，梳理了安徽皖南地區(qū)地層層序，特別摸清了五峰-高家邊組發(fā)育情況；在高家邊組發(fā)現(xiàn)2層氣測(cè)異常井段：886.60～900.00 m井段和965.40～971.00 m井段。項(xiàng)目的順利實(shí)施為頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的理論推測(cè)提供了有力的實(shí)物數(shù)據(jù)支撐和驗(yàn)證。同時(shí)今后項(xiàng)目施工中應(yīng)在不超鉆機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速的情況下，提高轉(zhuǎn)速，發(fā)揮繩索取心工藝孕鑲金剛石鉆頭高轉(zhuǎn)速碎巖的特點(diǎn)，鉆效會(huì)進(jìn)一步得到提高。針對(duì)性的技術(shù)措施須與嚴(yán)格的組織管理措施結(jié)合，方能更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效。