小口徑油氣地質(zhì)調(diào)查井的問題與工程實踐

伍曉龍， 朱芝同， 董向宇， 李文秀

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

油氣資源是國家戰(zhàn)略資源，目前我國尚缺乏長期穩(wěn)定的油氣基礎(chǔ)性、公益性地質(zhì)調(diào)查保障機(jī)制。油氣企業(yè)一般是在已經(jīng)取得探礦權(quán)的區(qū)塊范圍內(nèi)進(jìn)行勘探開發(fā)活動，對于新區(qū)塊、新層系的油氣勘探研究裹足不前。黨中央、國務(wù)院多次要求加強(qiáng)油氣資源調(diào)查工作，促進(jìn)油氣勘探開發(fā)，解決快速發(fā)展中的能源“瓶頸”問題。“十二五”以來，中國地質(zhì)調(diào)查局將油氣資源調(diào)查作為重要工作之一，先后在重點中小盆地的勘探有了油氣發(fā)現(xiàn)突破。中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所承擔(dān)了多項能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項目，其中與中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心合作，分別在遼寧省朝陽地區(qū)和黑龍江省齊齊哈爾地區(qū)完成了羊D1井、黑富地1井、黑富地2井三口小口徑油氣地質(zhì)調(diào)查井工程。實施3口井的目的為針對新地區(qū)、新層系開展的油氣地質(zhì)調(diào)查工作。

1 油氣地質(zhì)調(diào)查井特點及施工要求

油氣地質(zhì)調(diào)查井不同于石油探井和固體礦產(chǎn)勘查孔。該類鉆井以獲取地層層序、烴源巖特征并為油氣儲藏發(fā)現(xiàn)提供地質(zhì)資料和測試數(shù)據(jù)為目的，調(diào)查井主要布置在油氣勘探開發(fā)企業(yè)礦權(quán)區(qū)域以外，基本未進(jìn)行地球物理勘探工作。通常以直井為主，設(shè)計深度在2000～2500 m，一般要求全孔取心。

油氣地質(zhì)調(diào)查井以機(jī)械巖心鉆探施工為主，長孔段取心，并對巖心進(jìn)行編錄分析。結(jié)合錄井工作對鉆井液中氣相組分和含量進(jìn)行分析，對地層油、氣、水等情況進(jìn)行監(jiān)測，初步判斷鉆遇地層油氣儲藏情況。每一開次鉆進(jìn)完成后進(jìn)行裸孔小口徑地球物理測井，根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)分析計算，印證地層層序和巖性特征，以及油、氣、水分層情況。測井完成后實施下套管固井作業(yè)，保護(hù)上部孔壁，封隔油、氣、水層。鉆探施工過程中為防止鉆遇局部高壓油氣層而引發(fā)井涌、井噴等事故發(fā)生，需安裝井控裝置，為正常施工提供安全保障[1-2]。

2 油氣地質(zhì)調(diào)查井施工面臨的問題

2.1 地層壓力確定困難

油氣地質(zhì)調(diào)查井主要分布在鄰井資料缺乏的新區(qū)塊、新層系，無準(zhǔn)確的Dc指數(shù)或鉆錄井資料，不能對地層壓力有一個準(zhǔn)確的預(yù)判，井控設(shè)備的選擇較困難。鉆井過程中，需要隨時觀注鉆井液池槽面變化及鉆井液中油花、氣泡等情況，鉆井液密度大小需要及時的進(jìn)行調(diào)整，確保鉆井液性能的壓力較大。

2.2 區(qū)域地質(zhì)情況問題

油氣地質(zhì)調(diào)查井鉆遇地層主要以沉積巖中的泥巖、砂巖為主，一般含油層泥頁巖水敏性強(qiáng)，油、氣、水層上覆蓋層和底板中砂礫巖層、粉砂巖層沉積后變質(zhì)較輕，巖層膠結(jié)差、破碎，極易產(chǎn)生掉塊、坍塌等現(xiàn)象。由于地殼相對運動形成的區(qū)域斷裂帶導(dǎo)致巖層中裂隙極度發(fā)育，局部還含有斷層泥，地層穩(wěn)定性差。另外鉆孔中的構(gòu)造裂縫還會引起孔內(nèi)鉆井液漏失[1]。

2.3 鉆孔口徑問題

油氣地質(zhì)調(diào)查井鉆孔口徑通常在77～122 mm，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，由于機(jī)械巖心鉆探為滿眼鉆進(jìn)，鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙小，對鉆井液的流變性能要求高[2]。由于泥頁巖極易吸水膨脹，孔內(nèi)鉆井液流動的沿程阻力加大，泥漿泵壓力增高，對于抗壓能力差的地層，地層壓力平衡遭到破壞，地層被壓漏導(dǎo)致鉆井液循環(huán)短路，也極易產(chǎn)生抱鉆和粘附卡鉆的事故。

2.4 鉆井液體系問題

鉆井液作為鉆探的血液，在鉆進(jìn)過程中起到保護(hù)孔壁穩(wěn)定性、潤滑、減阻、降溫、攜粉等作用。機(jī)械巖心鉆探之前主要用于固體礦產(chǎn)勘查中，所鉆遇的地層以火山巖、侵入巖、變質(zhì)巖為主，此類巖石堅硬、致密，對鉆井液各性能的要求是滿足減阻潤滑、鉆頭降溫、護(hù)壁、攜粉等需求。油氣地質(zhì)調(diào)查井鉆探以沉積巖為主，對孔壁穩(wěn)定性的要求較高，其中對鉆井液失水性能的要求尤為關(guān)鍵。鉆井液體系要確保低密度，低失水量，良好的流變性，因此對鉆井液各性能參數(shù)要求高。另外還要注意鉆井液對鉆頭的清潔性能，不能產(chǎn)生泥包現(xiàn)象[3-5]。

2.5 設(shè)備及器具問題

2.5.1 鉆機(jī)

目前施工油氣地質(zhì)調(diào)查井主要采用巖心鉆探設(shè)備，該類設(shè)備安裝防噴器時需對鉆機(jī)底座進(jìn)行改裝，或者重新定制底座，無配套提升設(shè)備，防噴器安裝難度較大。

2.5.2 泥漿泵

油氣地質(zhì)調(diào)查井施工一般選用地質(zhì)鉆探用泥漿泵，地質(zhì)巖心鉆探所使用的泥漿泵[6]壓力、流量較小，施工2000 m的固體礦產(chǎn)鉆孔隨孔深加大，泵壓升高，地質(zhì)用泥漿泵耐高壓效果差，泵的維修頻率大，石油泵壓力、排量、體積又太大，使用成本高，不適合小口徑巖心鉆探。油氣地質(zhì)調(diào)查井以泥沙巖地層為主，施工過程中常會因泵排量小，產(chǎn)生糊鉆現(xiàn)象，長時間鉆進(jìn)引起泥巖水化導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)，增加施工風(fēng)險。目前市場上選用合適的泥漿泵比較困難。

2.5.3 固控系統(tǒng)

石油鉆井除有成套的鉆井液體系和匹配的泥漿泵外，還有一整套鉆井液固控系統(tǒng)，也叫鉆井液凈化系統(tǒng)，用于分離處理鉆井液中巖屑、泥砂等顆粒，維持鉆井液性能以及儲存循環(huán)鉆井液。配有加重混合裝置、灌注裝置和化學(xué)藥劑加注裝置。用于改善鉆井液的物理和化學(xué)性能，以滿足鉆井工作的需要[7-8]。油氣地質(zhì)調(diào)查井由于經(jīng)費、施工場地等問題，均未配備鉆井液固控系統(tǒng)，鉆井液的處理只能沉淀為主，通過循環(huán)槽、沉淀池，對鉆井液進(jìn)行沉淀，人工清理循環(huán)槽內(nèi)的巖粉，通過沉淀處理后的鉆井液又與鉆孔時要求鉆井液有好的懸浮效果相矛盾，常在施工過程發(fā)現(xiàn)鉆井液體系性能差，人工無法處理時只能徹底更換鉆井液，增加施工成本和工程風(fēng)險。

2.5.4 井控設(shè)備

在固體礦產(chǎn)勘查中，從礦區(qū)選擇、施工經(jīng)驗等來看，未發(fā)現(xiàn)有井噴、井涌和有毒氣體發(fā)生，施工過程中未曾安裝過井控設(shè)備，油氣地質(zhì)調(diào)查井與石油探井類似，以勘探發(fā)現(xiàn)油氣儲藏情況為主，施工過程中為確保人員、設(shè)備安全，要求加裝井控設(shè)備[9-15]。目前地質(zhì)勘探井井控裝置只能借用石油鉆井常用設(shè)備，為滿足小口徑鉆探鉆具的需求，要將原有的標(biāo)準(zhǔn)閘板防噴器通徑縮小。由于是非常規(guī)產(chǎn)品，在選購及配套其他管匯時有一定的困難。

為安裝井口防噴器，必須對巖心鉆機(jī)底盤進(jìn)行改進(jìn)，將鉆機(jī)、鉆塔置于做好的加高底盤上，高度一般在2.2 m左右。受加高底盤尺寸和結(jié)構(gòu)影響，高度一般不超過2.5 m，防止塔架失穩(wěn)，出現(xiàn)安全事故。由于安裝空間有限，鉆具強(qiáng)度低，選擇的井控閘板數(shù)量少，壓力級別低，常用的井口防噴器結(jié)構(gòu)為雙閘板防噴器(半封和全封閘板)，壓力等級為21～35 MPa。如果發(fā)生壓力等級較低的井控需求，試圖實現(xiàn)關(guān)井作業(yè)?？變?nèi)出現(xiàn)井涌、井噴事故壓力較大時，雙閘板防噴器就無法滿足關(guān)井需要了。另外，對于小口徑鉆具，目前尚無配套的旋塞閥和防噴單根。

井控裝置配套液壓遠(yuǎn)控房、節(jié)流管匯、壓井管匯在擺放和安裝以及放噴池位置和大小等，受施工場地條件限制，都不能滿足石油鉆井井控技術(shù)規(guī)范。因此緊急情況下放噴、關(guān)井、壓井工作很難實施。

2.5.5 鉆具

小口徑油氣地質(zhì)調(diào)查井對巖心采取率有較高要求，為提高巖心采取率和鉆進(jìn)效率，一般以繩索取心鉆進(jìn)工藝為主，尤其是中深度鉆孔。與之相匹配的鉆桿、鉆具壁厚4.5～5.5 mm，抗擠外壓強(qiáng)度小，進(jìn)行大壓力關(guān)井時，會擠扁鉆具，達(dá)不到關(guān)井效果；采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，鉆具內(nèi)無法安裝下旋塞閥和上旋塞閥，無合適尺寸的防噴單根，在出現(xiàn)井噴、井涌時，因不能及時搶裝防噴單根，為油氣地質(zhì)調(diào)查井的施工帶來潛在的風(fēng)險。

2.6 安全技術(shù)規(guī)范欠缺

油氣地質(zhì)調(diào)查井在施工時無任何完整安全操作規(guī)范可查[16-18]，鉆探參考機(jī)械巖心鉆探相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測井參考煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，氣測錄井參考石油行業(yè)錄井規(guī)范，但在實際施工過程中這些安全規(guī)范和一些操作規(guī)程又無法滿足油氣地質(zhì)調(diào)查井施工需求，常常在井場建設(shè)，人員安全操作，資料的收集、提交等方面存在一系列問題。

3 油氣地質(zhì)調(diào)查井施工

3.1 鉆井施工

3.1.1 羊D1井施工

2016年在遼寧省北票市實施了羊D1井地質(zhì)調(diào)查孔。主要地層為水敏性強(qiáng)、易造漿的泥巖地層，薄砂層，粉質(zhì)粘土層，大段破碎。施工設(shè)備選用中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的YDX-6型全液壓動力頭巖心鉆機(jī)，鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 YDX-6型全液壓動力頭巖心鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of YDX-6 full hydraulic top drive core drilling rig

YDX-6型全液壓動力頭巖心鉆機(jī)采用長行程給進(jìn)提升結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)倒劃眼操作，對于處理孔內(nèi)情況有利。平臺高度為1.6 m，平臺下部空間較小，防噴器的安裝空間不夠，需從地面向下挖1.5 m深坑，將四通接頭座于底盤之下。平臺無配套提升設(shè)備，防噴器安裝難度較大。平臺操作面積較小，并且鉆塔不能安裝塔衣，東北地區(qū)冬季寒冷，施工環(huán)境異常艱苦。配套BW-500型泥漿泵，最大工作壓力20 MPa,最大輸出流量500 L/min，可滿足正常施工需求。

采用繩索取心鉆進(jìn)工藝施工，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速300 r/min左右，使用無固相化學(xué)漿鉆井液。由于地層強(qiáng)造漿作用以及鉆井液體系對巖屑分選絮凝差的原因，因鉆桿自身高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的作用，鉆桿內(nèi)壁經(jīng)常結(jié)一定厚度的泥皮，導(dǎo)致無法順利提出取心內(nèi)管。經(jīng)過研究對鉆井液性能進(jìn)行調(diào)整，控制鉆井液失水量在6 mL以內(nèi)，泥皮厚度控制在0.3 mm，鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮現(xiàn)象有所改善。在鉆至1474.5 m左右提鉆更換鉆頭，下鉆至1442 m左右鉆具無法通過。分析主要原因是鉆井液護(hù)壁性能差，泥巖水化，加之1442～1490 m地層為局部小構(gòu)造破碎帶，致使孔壁失穩(wěn)出現(xiàn)塌孔。鉆遇孔深1980～1990 m下部地層時,鉆井液漏失嚴(yán)重，停泵時鉆井液又涌入孔內(nèi)。主要原因為地層抗壓能力低，循環(huán)泵壓較高導(dǎo)致地層壓裂，鉆井液侵入地層中。采用鋸末、核桃仁、封堵劑、碳酸鈣粉末等材料封堵地層縫隙。由于惰性材料粒度與地層縫隙不匹配，封堵效果不明顯。

3.1.2 黑富地1井、黑富地2井施工

2017、2018年施工的黑富地1井、黑富地2井，選用的主要設(shè)備有XY-8型立軸鉆機(jī),鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。配套BW-320系列泥漿泵2臺，F(xiàn)Z14-21系列單閘板防噴器1套。施工前對鉆機(jī)平臺進(jìn)行改裝，將鉆機(jī)放置在2.2 m高的平臺上，便于井口防噴器的安裝。XY-8型立軸鉆機(jī)主動鉆桿傳遞回轉(zhuǎn)，給進(jìn)行程短，鉆進(jìn)一個單根需多次倒桿，輔助時間長，在遇到孔內(nèi)復(fù)雜情況，急需將孔內(nèi)鉆具提離孔底時，需要先將主動鉆桿卸開，拆除大鉤，掛上提引器，再將鉆具提離孔底，在這一連串動作后，可能已延誤時機(jī)，為施工帶來風(fēng)險。選用BW-320系列泥漿泵，該泵最大壓力8 MPa,最大流量320 L/min，正常鉆進(jìn)時壓力保持在4～6 MPa,隨孔深加大，壓力大于8 MPa，會發(fā)生憋泵現(xiàn)象，影響施工進(jìn)度。

表2 XY-8型立軸式巖心鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameter of XY-8 spindle type core drilling rig

2口井施工時上部地層主要以流沙層為主，下部以黑色泥巖為主。在黑富地1井鉆至孔深78和630 m處時，孔內(nèi)出現(xiàn)大量涌水，采用鋸末、重晶石、封堵劑等材料封堵涌水，在此過程均導(dǎo)致孔壁大段坍塌，實施擴(kuò)孔、下套管、換徑的方案。2口井在施工時鉆遇黑色泥板巖時均出現(xiàn)取心困難，鉆進(jìn)效率低等問題，分析原因，主要問題是鉆井液體系與巖性匹配性不合理，并且缺少固控設(shè)備、鉆井液中固相含量高所致。

3.2 錄井施工

油氣地質(zhì)調(diào)查井的施工，要求安裝錄井設(shè)備，由于綜合錄井儀價格昂貴，使用成本高，一般在施工時使用氣測錄井儀和熒光錄井儀，氣測錄井儀用來檢測施工過程中的氣體含量、油氣顯示情況，預(yù)報井涌、井噴、氣侵等,為綜合評價油氣儲集層提供數(shù)據(jù)。

氣測錄井儀在使用時遇到首要問題是傳感器安裝困難，石油設(shè)備在傳感器的安裝上位置已經(jīng)比較固定，基本在出廠前就留出安裝位置，采用的全液壓巖心鉆機(jī)和常規(guī)立軸式巖心鉆機(jī)之前未配套使用過錄井設(shè)備，采用的傳感器均為石油行業(yè)錄井用傳感器。每次安裝錄井傳感器時難以確定合適位置，有些傳感器根本不適合此類鉆機(jī)使用，很難找到合適的安裝位置，不同的鉆機(jī)安裝傳感器時又需重新尋找位置，安裝起來比較困難。

其次，氣測錄井受施工工藝的影響，所采用的鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆井液排量，取心工藝等都會對氣測錄井全烴和組分值含量產(chǎn)生影響。黑富地1井鉆井時采用?98 mm金剛石鉆頭，在720 m左右時發(fā)現(xiàn)有氣測顯示，正常鉆進(jìn)時全烴基值濃度為0.4%左右，每次取心完成開始鉆進(jìn)前后效值濃度最高達(dá)5%左右，峰基比達(dá)11，分析原因，由于鉆孔口徑小，況且金剛石鉆頭鉆進(jìn)為滿眼鉆進(jìn)，鉆桿和孔壁環(huán)狀間隙小，同時金剛石取心鉆進(jìn)，巖石破碎面積小，導(dǎo)致巖石中所含氣體溢出少，加上環(huán)孔鉆井液壓力變化的作用，取心時，內(nèi)管完全拉出，鉆井液壓力消失，氣體開始釋放，等取心結(jié)束后，氣體已到達(dá)孔口或孔口附近，氣測值會變高,這樣會對氣測儲藏含量評價帶來影響[19-24]。

3.3 測井施工

為準(zhǔn)確對地層層序、地層中油氣層和儲層儲集性能含油氣性能(孔隙度、滲透率、含油氣飽和度和油水的可動性)定量或半定量的評價[25]，油氣地質(zhì)調(diào)查井要求對全孔進(jìn)行裸眼測井，通過測井?dāng)?shù)據(jù)對鉆井、錄井、編錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，達(dá)到鉆、測、錄結(jié)果的統(tǒng)一，獲得的測井資料是測井評價、地質(zhì)研究和油氣藏開發(fā)的科學(xué)依據(jù)。

測井施工時選用石油上測井儀器測量時數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確，針對小口徑鉆井，又無合適測量儀器，況且價格昂貴，目前所施工的油氣地質(zhì)調(diào)查井一般采用煤炭行業(yè)測井儀器，施工按照《煤炭地球物理測井規(guī)范》(DZ/T 0080-2010)進(jìn)行，測井項目有自然伽馬、側(cè)向電阻率、自然電位、深淺電阻率、井溫、傾角、井徑、密度、中子孔隙度、聲波時差等，能夠基本反映地層油氣情況，但和石油測井精度有一定差距。另外，該類鉆井口徑小，鉆遇地層以沉積巖中泥沙巖為主，鉆孔周期較長，鉆進(jìn)時鉆井液密度小，泥巖水化導(dǎo)致孔壁穩(wěn)定性差，有部分井段破碎。測井孔內(nèi)遇阻時，用鉆具反復(fù)通井，測井儀器有時也難以順利通過，尤其在測量放射源項目時，孔壁坍塌會導(dǎo)致儀器掉入孔內(nèi)，為周圍環(huán)境帶來危害，增加施工困難，對測井?dāng)?shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性帶來影響。

4 施工經(jīng)驗總結(jié)

(1)盡可能多的搜集施工區(qū)域地質(zhì)資料，鄰井鉆探資料，有條件的話投入部分經(jīng)費對該區(qū)域進(jìn)行電法、重磁等物理測量方法，確定地層相關(guān)參數(shù)。

(2)鉆井設(shè)計前多聽取經(jīng)驗豐富鉆探人員意見，設(shè)計中多做兩套備選施工方案。

(3)選用的施工設(shè)備進(jìn)場前全面保養(yǎng)，根據(jù)施工要求進(jìn)行部分改裝調(diào)試，確保各設(shè)備安裝順利，運轉(zhuǎn)正常；對施工中可能用到的關(guān)鍵配件、材料提前加工或采購。

(4)開孔口徑盡量稍大一級，技術(shù)套管盡可能深，預(yù)留一級鉆孔口徑。

(5)鉆井施工過程中及時調(diào)整鉆井液參數(shù)，保持鉆井液干凈，多咨詢鉆井液專業(yè)技術(shù)人員或者專家，保證鉆井液材料配比適當(dāng)，滿足護(hù)壁要求。

(6)鉆井人員時刻關(guān)注進(jìn)尺情況，給定適當(dāng)鉆進(jìn)參數(shù)，錄井人員時刻關(guān)注儀器相關(guān)曲線變化，對鉆井人員進(jìn)行提示。

(7)測井前調(diào)整鉆井液性能，與測井人員多溝通，將鉆孔情況告知對方，保證測井安全、順利。

(8)根據(jù)施工情況，在保證安全的情況下，盡可能靠近相關(guān)施工規(guī)范，探索、總結(jié)施工小口徑地質(zhì)調(diào)查井施工經(jīng)驗。