湘西北地區(qū)鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析與評價

鄧 拓

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，湖南衡陽421800）

1 地質(zhì)概況

依據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查與區(qū)域地質(zhì)資料，勘查區(qū)塊基底為元古界板溪群淺變質(zhì)巖，上覆蓋層自下而上依次為震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、下第三系，局部覆蓋第四系。區(qū)內(nèi)黑色頁巖主要層段為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，其次在上震旦統(tǒng)陡山沱組。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組為區(qū)塊內(nèi)主要富有機質(zhì)頁巖發(fā)育層位。在牛蹄塘?xí)r期，揚子區(qū)大規(guī)模海侵，中揚子區(qū)全部為淺海陸棚區(qū)碎屑巖沉積，從西北向東南海水加深，發(fā)育淺水陸棚—深水陸棚沉積環(huán)境，頁巖具有橫向上厚度變化較大、非均質(zhì)性較強的特征?？辈槟繕?biāo)層位為下古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組。目的層龍馬溪組(S1l)下部為一套含筆石生物的黑色炭質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖，富含有機質(zhì)，上部為灰綠色、黑色頁巖夾石英砂巖、石英粉砂巖。牛蹄塘組(∈1n)主要為一套黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖夾石煤層。

湘臨地1井地層層序不完整，受多期構(gòu)造運動的控制影響，上古生界地層剝蝕殆盡，僅殘留下古生界地層，白堊系—第四系不同程度覆蓋在中下奧陶系之上。湘臨地1井依次鉆遇第四系、奧陶系（馬刀堉組、盤家咀組）、寒武系（沈家灣組、比條組、車夫組、花橋組、敖溪組、清虛洞組、杷榔組、牛蹄塘組）地層，地層巖性以白云巖、灰?guī)r、泥頁巖為主，白云巖與灰?guī)r頻繁交錯，地層傾角10°～20°。

2 施工難點

（1）淺表覆蓋區(qū)第四紀(jì)的泥巖覆蓋在下奧陶統(tǒng)地層之上，但由于勘探程度的限制，周緣僅出露兩個采石場，目測泥巖覆蓋厚度20余米，但考慮到存在現(xiàn)代喀斯特巖溶，下奧陶統(tǒng)地層之上第四紀(jì)泥巖覆蓋橫向上存在差異，在一定程度上影響導(dǎo)管的下深。井位周緣存在大型塌陷區(qū)災(zāi)害區(qū)，受勘探程度限制，井周緣可能存在鉆遇中下奧陶統(tǒng)大型溶洞的風(fēng)險。

（2）井場臨近農(nóng)田、河流，容易發(fā)生環(huán)境污染事故，交通不便，后勤供應(yīng)困難。

（3）地層成巖性好，巖石堅硬致密，可鉆性差，機械鉆速低，施工難度大。

（4）地層傾角變化大，地層造斜能力強，易井斜，注意防止井斜超標(biāo)。

（5）地層孔隙、裂縫發(fā)育，存在多個不整合面和夾層，井壁垮塌嚴重，增加了卡鉆的風(fēng)險。

（6）裸眼井段長，泥漿攜砂困難，井眼清潔困難。

3 鉆井提速技術(shù)

從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭個性化、螺桿復(fù)合鉆進、優(yōu)化鉆井液性能等方面開展分析和研究，針對湘西北地區(qū)頁巖氣探井鉆井技術(shù)難點和挑戰(zhàn)，提出相應(yīng)解決方案和技術(shù)措施，形成了配套齊全的頁巖氣鉆井提速技術(shù)，為今后頁巖氣的勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。下面以湘臨地1井現(xiàn)場應(yīng)用的技術(shù)進行分析。

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)地層壓力剖面和地質(zhì)必封點，形成“三級”井身結(jié)構(gòu)方案。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計以保護主探目的層油氣發(fā)現(xiàn)和資料錄取為核心、以保證鉆井安全順利進行為原則，執(zhí)行SY/T5431-2008《井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法》。采用609.6mm 鉆頭開孔，鉆深50m，封隔地表表土、奧陶系縫洞塌陷的等疏松地層。下入外徑473.1mm 導(dǎo)管，建立一開井口。一開用406.4mm 鉆頭鉆進，根據(jù)地層預(yù)測，鉆穿中寒武統(tǒng)花橋組泥質(zhì)白云巖、碎屑灰?guī)r穩(wěn)定地層中后進行中完作業(yè)，深度600m，下入339.7mm 表層套管。二開用311.2mm 鉆頭鉆進，確定進入杷榔組板狀頁巖、泥灰?guī)r、泥巖50～60m 后進行中完作業(yè)，深度2400m，下入244.5mm 技術(shù)套管。三開用215.9mm 鉆頭鉆進，進入震旦系留茶坡組硅質(zhì)頁巖段50m 后根據(jù)顯示確定完鉆井深，裸眼完鉆。

3.2 鉆頭個性化

根據(jù)鄰井常頁1井、慈頁1井的實鉆地層，常頁1井為小口徑地質(zhì)調(diào)查井，全井采用繩索取芯鉆進，慈頁1井的鉆頭的使用情況記錄可供參考。巖性主要為頁巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖，巖石成巖性好、可鉆性差、研磨性強。為了更好地優(yōu)選鉆頭，通過對常頁1井巖芯資料處理，提取了巖石抗壓強度，根據(jù)巖石可鉆性分級，優(yōu)選鉆頭型號。表1為巖石可鉆性分級表。

表1 巖石可鉆性分級

一開馬刀堉組以白云質(zhì)灰?guī)r為主，地層致密堅硬，均質(zhì)性差，鑒于PDC鉆頭的抗沖擊性弱，選用耐高溫高壓、載重和抗沖擊能力強、金屬密封、壽命高的三牙輪鉆頭，如HJT537、HJT617系列鑲齒牙輪鉆頭，盤家咀組以厚層灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、深灰色泥灰?guī)r夾頁巖透鏡體選用6 刀翼16mm 切削齒的剛體PDC 鉆頭；二開寒武系上部地層以泥灰?guī)r為主巖石強度較硬，地層研磨性強，優(yōu)選抗研磨性強、保徑的5刀翼16mm切削齒胎體PDC鉆頭，切削齒須保證有一定的抗沖擊能力，寒武系下部地層軟硬夾層較頻繁，容易造成PDC鉆頭的早期失效，宜選用牙輪鉆頭或復(fù)合鉆頭；三開目的層組黑色頁巖脆性礦物、裂隙、層理發(fā)育，巖石硬而脆，適用于5刀翼16mm切削齒的剛體PDC鉆頭。

3.3 螺桿復(fù)合鉆進

復(fù)合鉆進是利用高效鉆頭和螺桿鉆具再加轉(zhuǎn)盤鉆進的一種鉆井方式，常用有“PDC 鉆頭＋螺桿”復(fù)合鉆井方式。湘西北構(gòu)造區(qū)、地層傾角變化大、巖石強度高，適合高轉(zhuǎn)速的螺桿發(fā)揮作用，采用復(fù)合鉆進有利于提高鉆井效率，起到防斜打直的效果。在直井中，使用小角度彎螺桿鉆具組合，一方面可以利用螺桿的高轉(zhuǎn)速配合高效鉆頭加快鉆井速度，一旦發(fā)現(xiàn)井斜有增大趨勢，可以隨時滑動鉆進，進行糾斜，從而有效控制井眼軌跡變化，保證井身質(zhì)量。表2為PDC+螺桿配合使用的鉆頭統(tǒng)計表。

二開螺桿選用型號為5LZ203X7.0-5 的球柱形萬向軸螺桿，該螺桿對萬向軸進行了改良設(shè)計，螺桿壽命大大延長，且轉(zhuǎn)速與扭矩均滿足施工需要，可增加單趟純鉆時間。三開螺桿選用型號為7LZ172X7.0-5 的螺桿，三開所需要的排量小，在兼顧排量的同時，該螺桿也能保持轉(zhuǎn)速與扭矩。

3.4 鉆井液優(yōu)化

導(dǎo)管和一開井段出現(xiàn)井漏等復(fù)雜情況，為節(jié)能環(huán)保，采用清水鉆進，必要時配稠漿清洗井眼與堵漏環(huán)保型的沖洗液來緩解或解決鉆井井漏問題；此井段為大井眼，要求鉆井液具有較強的攜砂性，鉆井液維護中，加大土粉與正電膠用量，鉆進中，使用大排量，保證鉆井液具有良好的攜帶懸浮能力及封堵能力。

二開前清掏循環(huán)罐，二開采用兩性離子聚合物鉆井液防塌體系，使用膨潤土、純堿、燒堿、雙聚銨鹽、FA-367、K-1、低粘、淀粉、絮凝劑等配制鉆井液，循環(huán)均勻后二開，鉆水泥塞前，為防水泥污染鉆井液，加入純堿進行預(yù)處理。二開鉆進中鉆井液粘度維持在40～60s，控制膨潤土含量為40g/L左右，鉆井液濾失量小于8mL。鉆進中用FA-367、絮凝劑，大鉀增加鉆井液的抑制性。使用K-1、雙聚銨鹽、淀粉、低粘等降失水劑保持鉆井液具有適當(dāng)?shù)氖土己玫牧髯冃?。鉆進中勤測鉆井液性能，為保證二開鉆井液中坂含20～40g/L，根據(jù)需要及時補充土粉含量，保證鉆井液的懸浮屑的能力。鉆進過程中，用FA-367、低粘、淀粉、K-1絮凝劑配制膠液，采用等濃度法補充用燒堿控制pH 值8～9。始終保持鉆井液具有良好的流變性和極強的抑制能力、護壁防塌能力。

表2 螺桿鉆具與鉆頭使用情況表

三開本段鉆井液為聚胺防塌鉆井液，使用土粉、純堿、K-1、FA367 淀粉、低粘、超細、絮凝劑、聚銨抑制劑、重晶石等配制鉆井液。鉆進中使用低粘、淀粉、絮凝劑、K-1、降低鉆井液濾失量在8mL 以下，粘度40～70s，粘切較高時，使用銨鹽配置膠液稀釋。加強坐崗，勤測性能，觀察井下及震動篩返砂情況，及時調(diào)整鉆井液性能。出現(xiàn)掉塊及垮塌現(xiàn)象時，及時逐步調(diào)整鉆井液密度及粘度，穩(wěn)定井壁。取芯鉆進過程中，嚴格控制鉆井液處理劑的加藥速度及加量、維護補充鉆井液采用循環(huán)周等濃度法，做到細水長流，避免鉆井液性能有較大的波動而影響取芯鉆進。其性能指標(biāo)見表3。

4 結(jié)論

表3 鉆井液性能參數(shù)表

湘西北頁巖氣鉆井中存在著施工周期長和機械鉆速低的問題，在鉆前開展優(yōu)化鉆井設(shè)計，在鉆井中利用高轉(zhuǎn)速的螺桿開展復(fù)合鉆井和防斜打直，確保井身質(zhì)量、提高鉆井效率、縮短鉆井周期。

(1)鉆前通過對鄰井資料的研究，建立地層壓力系統(tǒng)，確定好地質(zhì)必封點，合理井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)優(yōu)選鉆頭是提速的強有力的措施，針對白云巖含量較高的層段，容易造成PDC 鉆頭的早期崩片，需要提高PDC鉆頭復(fù)合片的抗沖擊性能。

(3)對于螺桿的選用，需要對螺桿所需的排量、扭矩、轉(zhuǎn)速、壽命等指標(biāo)進行充分的調(diào)研，確保螺桿的合理使用。使用“高效鉆頭＋螺桿”復(fù)合鉆井方式，起到防斜打直、打快作用，提高鉆井效率，降低頁巖氣鉆井成本。

(4)優(yōu)化鉆井液性能可提高與地層配伍性，降低摩擦阻力，有利于攜帶巖屑，保持井壁穩(wěn)定性。為保護儲層全井實行近平衡壓力鉆井，解放了機械鉆速。導(dǎo)管和上部井漏段采用清水鉆進，深部使用抑制性沖洗液體系，解決了泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性問題，滿足了測井對井眼的要求。

(5)湘臨地1 井是整個湖南地區(qū)施工最深的頁巖氣井，完鉆井深3450m，平均機械鉆速2.74m/h。整體鉆井工程質(zhì)量優(yōu)秀、井身質(zhì)量、固井質(zhì)量、取芯質(zhì)量等各項數(shù)據(jù)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計和規(guī)范。