雄安新區(qū)D15 地?zé)峥碧骄@探施工技術(shù)

高鵬舉，董向宇，馬 峰，王 昭，王曉賽

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊050061；3.河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 衡水053000）

1 項(xiàng)目概況

D15 井是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“京津冀地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)與綜合開(kāi)發(fā)示范工程”2019 年在雄安新區(qū)的一口地?zé)岬刭|(zhì)勘探井，由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所進(jìn)行工程部署，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所承擔(dān)實(shí)施。該井鉆探目的為揭露容城凸起北部斜坡帶地層發(fā)育情況，服務(wù)于新區(qū)地?zé)衢_(kāi)發(fā)規(guī)劃，為晾馬臺(tái)特色小鎮(zhèn)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)提供參數(shù)，設(shè)計(jì)井深為3000 m，目的層為薊縣系地層［1-5］。

2 井區(qū)及地質(zhì)狀況

2.1 井位及交通

根據(jù)二級(jí)項(xiàng)目部署，在容城縣晾馬臺(tái)鎮(zhèn)南側(cè)實(shí)施地?zé)峥碧?，勘探井地理位置如圖1 所示，在雄安新區(qū)北部，榮烏高速公路以北。北京、天津、石家莊通過(guò)高速公路用數(shù)小時(shí)就能到達(dá)雄安新區(qū)，交通非常便利，通訊便捷。

圖1 D15 井鉆井位置Fig.1 Drilling position of D15

2.2 地質(zhì)情況及鉆井難點(diǎn)分析

2.2.1 地層情況

工作區(qū)所處容城凸起北部東側(cè)斜坡區(qū)，鉆遇地層如表1 所示。

2.2.2 熱儲(chǔ)特征

D15 井鉆遇霧迷山組、高于莊組裂隙巖溶熱儲(chǔ)。霧迷山組裂隙巖溶熱儲(chǔ)巖性主要為白云巖含有泥質(zhì)成分，上部風(fēng)化程度較高，裂隙（水層）總厚度22.4 m，占地層總厚度的10%（裂隙率）。高于莊組裂隙巖溶熱儲(chǔ)巖性主要為白云巖、含燧石條帶白云巖，裂隙（水層）總厚度19.6 m，占地層總厚度的9.18%（裂隙率）。

2.2.3 鉆井難點(diǎn)分析

第四系、明化鎮(zhèn)組、沙河街組易坍塌，重點(diǎn)調(diào)整鉆井液參數(shù)，確保井壁穩(wěn)定。孔店組含石膏層，易出現(xiàn)鈣侵，造成鉆井液粘度升高、失水增大等性能惡化。薊縣系霧迷山組上段風(fēng)化殼地層破碎嚴(yán)重，鉆透易出現(xiàn)大量漏失，進(jìn)入風(fēng)化殼后，加強(qiáng)錄井巖性判定工作。薊縣系地層孔隙和裂縫發(fā)育良好、易漏失，做好隨鉆堵漏的準(zhǔn)備。局部夾雜泥巖，下套管前避免清水洗井，以免造成井壁坍塌。

鉆遇地層巖性包括泥巖、砂巖、白云巖等，針對(duì)不同巖性特性，優(yōu)選鉆進(jìn)和取心工藝。

3 鉆井質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求

3.1 鉆井質(zhì)量指標(biāo)

D15 井設(shè)計(jì)井深3000 m，井斜率要求：300 m 內(nèi)不 大 于1°，2000 m 內(nèi) 不 大 于7°，3000 m 內(nèi) 不 大 于10°。

表1 D15 井鉆遇地層簡(jiǎn)況Table 1 Brief geology at D15

3.2 取心要求

全井取心進(jìn)尺≮40 m，巖心直徑≮70 mm，一般地層巖心采取率≮80%，破碎地層巖心采取率≮50%。

4 鉆探施工

4.1 井身結(jié)構(gòu)

一開(kāi)采用?444.5 mm 鉆頭鉆至井深1030.3 m，下?339.7 mm 套管，下入深度0～1026.11 m。封隔表層松軟、易垮塌地層，作為泵室段滿足下入水泵、保護(hù)地表水及井控裝置安裝的要求。

二開(kāi)采用?311.1 mm 鉆頭鉆至井深2301.68 m，下 ?244.5 mm 套 管，下 入 深 度 972.17～2301.98 m。

三開(kāi)采用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深2777.72m，下?177.8 mm 套 管，下 入 深 度2250.82～2777.72 m。

四開(kāi)采用?152.4 mm 鉆頭鉆至井深3111.58m，下?127 mm 套管、篩管組合，下入深度2773.55～3111.30 m［6-11］。

4.2 鉆井設(shè)備

根據(jù)鉆遇地層情況、設(shè)計(jì)孔深等條件，選擇ZJ30/1700B 型石油鉆機(jī)，主要配置見(jiàn)表2。

表2 鉆機(jī)主要配置Table 2 Main parts of the drilling rig

4.3 一開(kāi)鉆進(jìn)

一開(kāi)采用?311.1 mm 開(kāi)鉆，使用牙輪、PDC 鉆頭鉆至1030.10 m，穿過(guò)新近系明化鎮(zhèn)組。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明，300 m 內(nèi)最大井斜為0.94°，一開(kāi)井段最大井斜1.15°，平均井徑319.9 mm，平均井徑擴(kuò)大率2.84%，最大“狗腿”度0.36°/25 m，符合設(shè)計(jì)要求。然后采用?444.5 mm 牙輪鉆頭擴(kuò)孔至1030.30 m。

一開(kāi)鉆進(jìn)主要鉆遇上部第四系土層和下部明化鎮(zhèn)組砂巖、泥巖，鉆進(jìn)時(shí)控制鉆壓、轉(zhuǎn)速，大泵量噴射鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)控制鉆進(jìn)速度，確保一開(kāi)井眼垂直度。加接單根時(shí)泥漿泵充分循環(huán)攜砂，根據(jù)井深和鉆速情況不斷調(diào)整泵量，同時(shí)調(diào)整鉆井液性能，滿足護(hù)壁、防塌及堵漏要求，保證起下鉆具通暢。一開(kāi)鉆進(jìn)完成后，提鉆前充分循環(huán)泥漿，保護(hù)孔壁。

一開(kāi)采用聚合物鉆井液體系，配方為：清水+5% 膨 潤(rùn) 土＋0.4%HV-CMC＋1%NH4-HPAN＋0.5%KPAM＋2%復(fù)合瀝青＋火堿+純堿，調(diào)整泥漿密度在1.01～1.15 g/cm3，漏斗粘度28～42 s，失水量10～15 mL，泥餅厚度≤0.1 mm。

4.4 二開(kāi)鉆進(jìn)

二開(kāi)采用?311.1 mm 開(kāi)鉆，使用牙輪、PDC 鉆頭鉆至2301.68 m 二開(kāi)中完。 本開(kāi)次上部地層為古近系沙河街組泥巖、砂巖，地層較松散，遇水易膨脹、縮徑，鉆井液性能以護(hù)壁和降失水為主，同時(shí)控制好粘度和密度。

二開(kāi)采用硅基防塌鉆井液體系，配方為：基漿＋0.1%～0.2%大鉀＋3%硅穩(wěn)定劑+2%復(fù)合瀝青＋1%液體降粘劑+1%LV-PAC+火堿，調(diào)整泥漿密度在1.15～1.29 g/cm3，漏斗粘度41～71 s，失水量4～10 mL，泥餅厚度≤0.1 mm。

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明，該井段最大井斜為2.65°，平均井徑為323.92 mm，平均井徑擴(kuò)大率為4.1%，最大“狗腿”度0.57°/25 m，符合設(shè)計(jì)要求。

4.5 三開(kāi)鉆進(jìn)

三開(kāi)采用?215.9 mm 開(kāi)鉆，鉆至2777.72 m 三開(kāi)中完。本開(kāi)次鉆遇地層復(fù)雜，主要為古近系沙河街組泥巖、砂巖，孔店組泥巖、砂巖，薊縣系霧迷山組白云巖。

三開(kāi)采用硅基鉆井液體系，配方與二開(kāi)相同，調(diào)整泥漿密度在1.15～1.23 g/cm3，漏斗粘度48～82 s，失水量5～6 mL，泥餅厚度≤0.1 mm。

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明，該井段最大井斜4.75°，平均井徑為209.13 mm，平均井徑擴(kuò)大率為-3.13%，最大“狗腿”度1.55°/25 m，符合設(shè)計(jì)要求。

4.6 四開(kāi)鉆進(jìn)

四開(kāi)?152.4 mm 牙輪鉆頭開(kāi)鉆，鉆至3111.58 m 完鉆。本開(kāi)次鉆遇地層主要為薊縣系霧迷山組白云巖，楊莊組泥巖、砂巖，高于莊組白云巖。

四開(kāi)采用低固相防漏鉆井液體系，配方為：原漿+20%清水+3%隨鉆堵漏劑，調(diào)整泥漿密度在1.15～1.23 g/cm3，漏斗粘度48～82 s，失水量5～6mL，泥餅厚度≤0.1 mm。

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明，該井段最大井斜為4.34°，平均井徑為148.00 mm，平均井徑擴(kuò)大率為-2.88%，最大“狗腿”度2.67°/25 m，符合設(shè)計(jì)要求。

4.7 施工進(jìn)度總結(jié)

D15 井于2019 年6 月25 日開(kāi)始井場(chǎng) 建設(shè)、設(shè)備同步進(jìn)場(chǎng)，2019 年7 月26 日開(kāi)鉆，于2019 年12 月25日鉆至3111.58 m 完鉆，鉆井周期152 d。2020 年5月20 日筑好井口，2019 年野外工作全部完成，野外工作周期為330 d。其中鉆前工程31 d，鉆井時(shí)間131 d，測(cè)井時(shí)間5 d，下套管（含通井）、候凝36 d，抽水試驗(yàn)（含試抽水、抽水前洗井等工作）27 d，射孔2 d，鉆后工程27 d，春節(jié)及疫情停工82 d，時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖2 所示。

5 鉆探技術(shù)成果

5.1 完成鉆探任務(wù)，保證了施工質(zhì)量

D15 井在鉆探施工過(guò)程中，完成了一開(kāi)、二開(kāi)、三開(kāi)、四開(kāi)的鉆井、測(cè)井、錄井、固井、下套管等任務(wù)，完鉆井深3111.58 m，完成率103.72%。根據(jù)物探測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，全孔最大井斜處為2750 m，井斜4.75°，總方位200.55°；井底3110 m 處，井斜為2.56°，總方位204.08°（見(jiàn)圖3），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 D15 井工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.2 Working time composition of D15

圖3 D15 井井斜、方位數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Inclination and azimuth data curve of D15

5.2 提煉水熱型地?zé)峋@井液技術(shù)

5.2.1 覆蓋層防塌鉆井液技術(shù)

覆蓋層包括第四系、明化鎮(zhèn)組、沙河街組、孔店組，覆蓋層厚2623 m，對(duì)鉆井液技術(shù)要求較高。

一開(kāi)第四系、明化鎮(zhèn)組地層，井眼直徑大，泥漿排量?。▎伪茫?、上返速度低，加之上部井段泥巖分散造漿嚴(yán)重，在優(yōu)選聚合物泥漿體系的同時(shí)要確保體系中足夠的大分子含量，使泥漿有足夠的包被抑制能力。盡可能降低有害固相含量，防止鉆頭泥包。適當(dāng)控制鉆速，打完單根上下大幅度活動(dòng)鉆具劃眼，便于攜砂，保持井眼清潔。鉆完一開(kāi)進(jìn)尺，盡量采用大排量循環(huán)洗井。

二開(kāi)沙河街組地層，鉆進(jìn)前在套管內(nèi)循環(huán)泥漿，加入大分子、瀝青、PAC-LV、硅穩(wěn)定劑等材料，改型為硅基防塌鉆井液，控制失水，調(diào)整pH 值、用重晶石提高密度。鉆進(jìn)期間加入潤(rùn)滑劑等控制摩阻，加入瀝青類(lèi)、大分子、細(xì)目碳酸鈣等改善泥餅質(zhì)量，加入乳化瀝青提高鉆井液防塌、潤(rùn)滑性能。同時(shí)加強(qiáng)泥漿流型的調(diào)整，加大排量，便于攜砂，保證井眼清潔。

三開(kāi)沙河街組、孔店組地層延續(xù)使用硅基防塌鉆井液體系。各開(kāi)次中完提鉆前，配制封閉漿，封閉裸眼井段，防止電測(cè)和下套管遇阻、遇卡。

5.2.2 熱儲(chǔ)層防漏鉆井液技術(shù)

熱儲(chǔ)層為薊縣系霧迷山組、高于莊組，以白云巖為主，裂隙發(fā)育良好，易漏失，采用低固相鉆井液體系。

四開(kāi)鉆進(jìn)前用原漿加水稀釋?zhuān)缓蠹尤腚S鉆堵漏劑，鉆進(jìn)過(guò)程中根據(jù)消耗情況補(bǔ)充鉆井液，并適量補(bǔ)充CMC 等降失水材料，改善泥餅質(zhì)量。

提鉆前用磺化瀝青、石墨封閉裸眼井段，確保電測(cè)和下套管順利。

5.3 針對(duì)不同地層，優(yōu)選取心工具

D15 井全井段根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)際鉆遇地層情況共計(jì)取心11 回次，取心進(jìn)尺49.44 m，巖心長(zhǎng)度43.56 m，巖心采取率88.11%。取心情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。全井單個(gè)回次取心率最高100%，最低66.06%。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，巖心采取率30%～70%有1 次，70%以上10 次。其中覆蓋層的泥巖、砂巖等地層，優(yōu)先選擇川系列取心鉆具，配合PDC 復(fù)合片取心鉆頭。熱儲(chǔ)層霧迷山組地層燧石條帶、團(tuán)塊發(fā)育良好，軟硬不均，選擇單動(dòng)雙管取心鉆具，配合孕鑲金剛石鉆頭，可保證巖心采取率，但是易堵心、進(jìn)尺較慢。

表3 D15 井取心情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Coring data of D15

5.4 實(shí)施射孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)熱儲(chǔ)層分層抽水試驗(yàn)

按照地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)霧迷山組及高于莊組分別進(jìn)行抽水試驗(yàn)，同時(shí)為保證孔壁的穩(wěn)定性，采用先套管成井、后射孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)的方法，射開(kāi)三開(kāi)套管，為霧迷山組熱儲(chǔ)層開(kāi)出流體通道［13-15］。

5.4.1 射孔層位確定及射孔作業(yè)

根據(jù)D15 井三開(kāi)測(cè)井解釋成果圖內(nèi)裂隙發(fā)育情況，確定射孔層位，射孔段共計(jì)50 m，如表4 所示。該段為?177.8 mm 套管，127 型射孔彈具有較強(qiáng)的穿透能力，本次射孔選擇常用規(guī)格102 槍和127 型射孔彈進(jìn)行射孔作業(yè)（圖4），能夠滿足作業(yè)要求，確定射孔孔數(shù)15 個(gè)/m，相鄰彈孔成90°相位。

射孔作業(yè)完成后取出射孔槍?zhuān)M(jìn)行磁定位測(cè)井。射孔槍槍眼完整（見(jiàn)圖5），全部射孔器材起爆正常。分析磁定位曲線圖，射孔位置與設(shè)計(jì)位置相符。

5.4.2 抽水試驗(yàn)

5.4.2.1 高于莊組抽水

（1）洗井。針對(duì)2700～3100 m 井段，鉆桿下深3103 m，注入1%焦磷酸鈉12 m3，浸泡并進(jìn)行活塞抽吸約20 h，隨后用清水替出焦磷酸鈉溶液并對(duì)井壁進(jìn)行沖洗。采用LGVF12.5/70 型空壓機(jī)氣舉洗井，空壓機(jī)額定排量為12.5 m3/min。將鉆桿下至515.60 m，共計(jì)洗井8 h。

（2）高于莊組抽水試驗(yàn)總計(jì)歷時(shí)100.5 h，其中抽水時(shí)間76.5 h，恢復(fù)水位時(shí)間24 h。抽水試驗(yàn)分2個(gè)落程，持續(xù)時(shí)間分別為48、28.5 h。抽水試驗(yàn)獲得熱水頭為107.98 m，動(dòng)水位埋深為253.50 m，水位降深145.52 m，涌水量30.54 m3/h，單位涌水量0.210 m3/（h·m），井口水溫66.5 ℃，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表4 射孔位置Table 4 Perforation position

圖4 組裝完成的射孔彈Fig.4 Assembled perforating bullets

圖5 射孔后的射孔槍Fig.5 Perforating gun after use

表5 高于莊組抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 5 Pumping test data of Gaoyuzhuang Formation

（3）根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)所得參數(shù)，參照有關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，滲透系數(shù)K=0.417 m/d，影響半徑R=916.89 m，導(dǎo)水系數(shù)T=8.1732 m2/d。

5.4.2.2 霧迷山組、高于莊組混合抽水

（1）針對(duì)射孔段2600～2800 m 進(jìn)行空壓機(jī)洗井，空壓機(jī)額定排量為12.5 m3/min，額定工作壓力為7 MPa。將鉆桿下至515.44 m，共計(jì)洗井15.5 h。洗井過(guò)程中空壓機(jī)最大壓力7 MPa，壓降在1.6～2.8 MPa 間波動(dòng)，噴涌時(shí)間約1 min，噴涌時(shí)間間隔由最開(kāi)始的約20 min 至最終的約8 min。洗井前水位為133.58 m，停止洗井8 h 后測(cè)水位為123.80 m。

（2）霧迷山組、高于莊組混合抽水試驗(yàn)總計(jì)歷時(shí)104 h，其中抽水時(shí)間82 h，恢復(fù)水位時(shí)間22 h。抽水試驗(yàn)分3 個(gè)落程，持續(xù)時(shí)間分別為48、24、10 h。抽水試驗(yàn)獲得熱水頭為108.18 m，動(dòng)水位埋深為254.76 m，水位降深146.58 m，涌水量34.12 m3/h，單位涌水量0.233 m3/（h·m），井口水溫66 ℃，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

（3）根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)所得參數(shù)，參照有關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，滲透系數(shù)K=0.284 m/d，影響半徑R=715.09 m，導(dǎo)水系數(shù)T=9.8264 m2/d。

表6 霧迷山組、高于莊組混合抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Mixed pumping test data of Wumishan Formation and Gaoyuzhuang Formation

6 結(jié)語(yǔ)

在雄安新區(qū)完成了地?zé)峥碧骄瓺15 井鉆完井施工任務(wù)，優(yōu)化鉆探技術(shù)為后期地?zé)峋碧介_(kāi)發(fā)優(yōu)選了技術(shù)方法，減少工程風(fēng)險(xiǎn)，降低施工成本。獲取了巖心、巖屑實(shí)物資料，劃分了地層厚度、巖性變化特性、孔隙發(fā)育情況，基本查明了井區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為查明容城地?zé)崽镏攸c(diǎn)構(gòu)造位置提供了數(shù)據(jù)資料。采用射孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)了目的層抽水試驗(yàn)，獲取了溫度、水量等參數(shù)，為雄安新區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查提供數(shù)據(jù)支撐。