頁巖氣深井取芯鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)踐

張子彬

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

當(dāng)前，傳統(tǒng)的煤田地勘單位正面臨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的任務(wù)，需要立足于煤炭資源勘查主業(yè)，逐步向能源地質(zhì)勘查如煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)能源勘查領(lǐng)域擴(kuò)展業(yè)務(wù)。近年來越來越多的煤田地勘單位開展了一些煤層氣、頁巖氣調(diào)查井的鉆井工程實(shí)踐，并獲得成功。這些鉆井工程不僅口徑大、井深結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且勘探深度也大大加深，較之以往煤炭勘查工程施工難度大大提高。以往的煤炭資源勘探工程最大深度僅在1500m左右，而由于我國頁巖氣賦存的獨(dú)特條件，其勘探目標(biāo)層系普遍埋藏較深，多在2000m以深。對于這些超2000m深的鉆井工程，有必要對鉆探工藝及參數(shù)進(jìn)行探討和總結(jié)。

1 項(xiàng)目概況

皖旗地1井為頁巖氣調(diào)查參數(shù)井，鉆井工程位于安徽省馬鞍山市含山縣環(huán)峰鎮(zhèn)境內(nèi)，地處下?lián)P子陸塊沿江坳陷巢含褶皺帶構(gòu)造位置，位于巢含褶皺帶的梅山背斜構(gòu)造部位上。設(shè)計(jì)目的層為志留系高家邊組、奧陶系五峰組，完鉆層位為奧陶系寶塔組，井深超過2000m。本井鉆井取芯進(jìn)尺約80m，要求取目的層志留系高家邊組下段、奧陶系五峰組。

2 井身結(jié)構(gòu)方案

一開：311.2mm鉆頭鉆入高家邊組中段上部，井深約1000m，下244.5mm套管固井，封固墳頭組-高家邊組中部上部。

二開：215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深，中途根據(jù)顯示情況進(jìn)行取芯作業(yè)，鉆穿湯頭組進(jìn)入寶塔組灰?guī)r50m后完鉆。

3 主要鉆井設(shè)備選型

本井設(shè)計(jì)鉆深2000m，依據(jù)鉆機(jī)負(fù)荷的選擇原則、井控配套的要求，同時考慮到井深的不確定性，設(shè)計(jì)選擇TSJ重型3000型鉆機(jī)。

4 各開次鉆具組合

各開次鉆具組合見表1。其中取芯鉆進(jìn)時鉆具參數(shù)見表2。

表1 鉆具組合表

表2 取芯參數(shù)表

取芯鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～60kN，轉(zhuǎn)速60～80 r/min，排量16～22 L/s。先單筒試取芯，若收獲率較高，為縮短周期，后續(xù)采用雙筒取芯工藝。對極硬地層，取芯采用孕鑲金剛石鉆頭。

5 取芯鉆進(jìn)工藝流程及參數(shù)

取芯前保證井底暢通無落物，調(diào)試好取芯器，保證懸掛軸承旋轉(zhuǎn)靈活，減少鉆進(jìn)時產(chǎn)生離心力，防止離心力過大使巖芯破碎造成堵芯。

（1）下鉆技術(shù)措施

下鉆時取芯筒外筒按規(guī)定緊扣，切勿咬扁筒身，下放鉆具要平穩(wěn)，遇阻不得強(qiáng)行下鉆，更不得墩、竄，不得用取芯鉆頭長井段劃眼強(qiáng)下，下鉆到距井底一個單根時接方鉆桿充分循環(huán)洗井液。下鉆具至孔底1m處減速下放，在保證鉆頭不接觸井底的情況下，上下活動鉆具或轉(zhuǎn)動鉆具，并開泵循環(huán)鉆井液2周，充分沖洗取芯器內(nèi)筒，清潔井底沉沙或坍塌物，轉(zhuǎn)動鉆具的同時下放鉆具，嚴(yán)禁猛烈反轉(zhuǎn)，防止倒開安全接頭，校對懸重后卸開主動鉆桿，投球（Φ31.7mm），合車，3-5min后開泵循環(huán)鉆井液，鋼球堵住取芯器內(nèi)管水眼，使鉆井液從取芯器內(nèi)外管間環(huán)狀間隙流過，如孔內(nèi)殘留巖芯超過0.5m，應(yīng)專門打撈。

（2）取芯技術(shù)措施

樹芯：緩慢下放鉆具，讓鉆頭接觸井底，采用低轉(zhuǎn)速(40～60r/min)，低排量(10～15L/S)、輕鉆壓（5～10kN）鉆進(jìn)0.2～0.3m。

取芯鉆進(jìn)：送鉆均與，增加鉆壓要緩慢，鉆進(jìn)8.50m左右，實(shí)鉆中必須根據(jù)地層情況隨時調(diào)整鉆壓，盡可能做到連續(xù)鉆進(jìn)，不上提鉆具，做到不溜鉆、不頓鉆，不停泵，不停轉(zhuǎn)盤。實(shí)鉆中必須注意泵壓變化，發(fā)現(xiàn)變化要及時分析處理。每鉆進(jìn)0.5m記錄一次鉆時，如鉆時突然變慢要及時分析原因并妥善處理，如遇泵壓突然增高，不能恢復(fù)到正常范圍應(yīng)立即上鉆檢查取芯器內(nèi)外筒，鉆時較快時應(yīng)適當(dāng)減壓，否則造成巖芯無法順利進(jìn)入取芯器內(nèi)筒。

割芯：加壓至80～90kN，迅速上提0.1～0.2m，轉(zhuǎn)速減至50 r/min，排量不變，轉(zhuǎn)動3～5min磨芯，然后緩慢上提割芯。（軟地層停泵增加鉆壓10kN，鉆進(jìn)2～4min上提割芯）若懸重不增加或增加后又下降， 則上提鉆具 2～3m，慢慢下放到井底，如無遇阻顯示則表明割心成功，可以起鉆。若上提懸重增加 100kN 以上仍不下降，則說明巖心未拔斷，此時可在巖心受拉力的情況下啟動轉(zhuǎn)盤割心，若仍不行可上提 200～300kN 采取拉力割心方式拔斷巖心。若以上措施仍無效則可再鉆進(jìn)0.1～0.2m后，按上述要求進(jìn)行割心。

仔細(xì)觀察取出的巖芯直徑，如巖芯直徑過細(xì)或過粗，說明卡簧內(nèi)徑與鉆頭內(nèi)徑不匹配，必須進(jìn)行調(diào)整，卡簧內(nèi)徑比鉆頭內(nèi)徑小3～5mm。

（3）上鉆技術(shù)措施

關(guān)泵上鉆，上鉆要操作平穩(wěn)，不猛剎、猛放、猛墩，不能用鉆盤轉(zhuǎn)動鉆具，防止鉆具劇烈擺動，不能用錘敲擊，防止巖芯脫落，起鉆過程中要及時向井內(nèi)灌鉆井液。鉆具提至井口卸方鉆桿時，應(yīng)鎖住轉(zhuǎn)盤，保證井下鉆具不轉(zhuǎn)動。

（4）合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)

鉆進(jìn)參數(shù)：本孔在1305～1322m處取芯鉆進(jìn)，根據(jù)實(shí)鉆總結(jié)鉆壓40～60kN、排量20～25L/S、轉(zhuǎn)速50～60r/ min最佳，1945～1991m、2045～2058m處取芯鉆進(jìn)鉆壓控制在50-60kN、排量18～20L/S、轉(zhuǎn)速50～75r/m最佳。本孔在2044.57～2052.50m取芯鉆進(jìn)時，鉆壓控制在60kN，轉(zhuǎn)速75r/min，排量20 L/S，鉆時30min/m，增加鉆壓至80kN時，進(jìn)尺緩慢，鉆時70min/m。實(shí)鉆中鉆壓過大，鉆時反而增大；轉(zhuǎn)速過快，易造成巖石機(jī)械破碎，排量過大時鉆進(jìn)泥頁巖及破碎地層時，造成巖芯收獲率降低。

軟巖層：鉆壓10～20kN，排量10～20L/S，轉(zhuǎn)速40～60r/min，卡箍底部與鉆頭內(nèi)腔臺肩間隙為10～12mm；

硬巖層：鉆壓50～60kN，排量20～30L/S，轉(zhuǎn)速60～80r/min，卡箍底部與鉆頭內(nèi)腔臺肩間隙為15～20mm；

破碎地層：鉆壓20～30kN，排量10～15L/S，轉(zhuǎn)速35～50r/min，卡箍底部與鉆頭內(nèi)腔臺肩間隙為10mm。

（5）鉆井液性能鉆井液應(yīng)具有良好的潤滑性、抑制性和攜帶巖屑性能，具有低密度、低粘度、低含砂量、低失水量、適當(dāng)?shù)那辛?。本孔在取芯鉆進(jìn)井段采用水基低固相聚合物鉆井液，鉆井液密度1.07～1.10g/cm3，粘度29～30S，含砂量0.1～0.2%，失水3.9～4.1ml，終切力5.5～9.2Pa。

6 取芯結(jié)果

本井在井深1305.68m～1322.1m（高加邊組中段），1945.00m～1991.30m（高加邊組中段），2044.57m～2058.80m（奧陶系五峰組-灘頭組-寶塔組）三段分別進(jìn)行了取芯鉆探（見圖1），取芯率分別達(dá)到98.54%、91.96%、92.62%，超過設(shè)計(jì)要求取芯率標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)論

本工程根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)要求，合理選擇鉆機(jī)型號及各種鉆具組合，通過現(xiàn)場精心組織安排施工，特別是在取芯鉆進(jìn)過程中科學(xué)選擇取芯鉆進(jìn)工藝流程及參數(shù)，最終成功完成深井取芯鉆進(jìn)，提高了工作效率。原本合同工期125d，實(shí)際僅用93d完成鉆井任務(wù)，最終井深2081.68m，圓滿完成了設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo)，為頁巖地層深井鉆探工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對于今后類似工程具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

圖1 取芯段巖芯照片